應(yīng)用支架植入遞送局部藥物在治療骨質(zhì)疏松骨缺損的研究進(jìn)展

申 琳，王 杰，徐桂軍，曾憲鐵

骨質(zhì)疏松癥屬于代謝性疾病的典型代表，其影響因素除年齡外，還包括絕經(jīng)之后雌激素的分泌能力下降[1]。從本質(zhì)上來(lái)講，骨質(zhì)疏松緣于失衡的骨改建，這會(huì)在很大程度上影響骨微結(jié)構(gòu)，骨脆性愈加顯著的同時(shí)，也更容易發(fā)生骨折[2-3]，往往會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重骨缺損，這一問(wèn)題的存在是骨科手術(shù)當(dāng)前的一大挑戰(zhàn)[4]。有關(guān)研究指出，在骨愈合方面，骨質(zhì)疏松骨缺損會(huì)出現(xiàn)明顯的延遲愈合[5-6]。近年來(lái)，通過(guò)將生物活性材料與物質(zhì)遞送至局部骨缺損的部位，來(lái)促進(jìn)骨改建和骨整合的進(jìn)一步改善和增強(qiáng)，成為臨床治療骨質(zhì)疏松骨缺損的一個(gè)重要思路。由此，本文圍繞骨質(zhì)疏松骨缺損治療中植入支架與藥物局部遞送的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 骨質(zhì)疏松骨缺損的愈合

近年來(lái)，骨質(zhì)疏松骨缺損的發(fā)病率不斷提升，其定義是指骨質(zhì)疏松癥患者骨的完整性遭到破壞，容易發(fā)生骨質(zhì)疏松且伴有骨缺損。臨床上對(duì)于骨缺損的修復(fù)方面，自體骨移植是公認(rèn)的金標(biāo)準(zhǔn)[7]，但其依然在多個(gè)方面受限，諸如有限的骨來(lái)源、較高的供區(qū)感染率等?；谶@一現(xiàn)實(shí)情況，通過(guò)對(duì)新骨替代物的制備來(lái)形成對(duì)骨再生的刺激和促進(jìn)骨改建獲得進(jìn)一步改善就很有必要，由此，在骨質(zhì)疏松骨缺損的修復(fù)方面，植入生物活性支架的方法就應(yīng)運(yùn)而生。

當(dāng)前，在骨缺損修復(fù)領(lǐng)域，對(duì)于骨組織工程支架的植入已發(fā)展成一種主流方法，以理想支架所具備的特性作為依據(jù)，來(lái)對(duì)復(fù)合材料支架進(jìn)行制備，在骨缺損修復(fù)方面頗具成效。但處于骨質(zhì)疏松的狀況之下，失衡的骨改建不但增加了骨修復(fù)的難度，且受到損傷的骨微結(jié)構(gòu)也易造成支架松動(dòng)、移位情況的發(fā)生。就骨缺損而言，加速其骨整合的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在于對(duì)失衡骨改建的有效改善并促進(jìn)支架的進(jìn)一步增強(qiáng)[8-10]。此外，局部遞送藥物亦屬于支架設(shè)計(jì)當(dāng)中十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，由支架來(lái)充當(dāng)緩釋平臺(tái)，面對(duì)骨缺損依靠對(duì)生物活性物質(zhì)的局部釋放來(lái)達(dá)到加速骨再生的目的。

2 骨組織工程支架的材料特性

骨組織工程支架材料的種類(lèi)主要分為有機(jī)高分子材料、無(wú)機(jī)材料和復(fù)合材料，其中有機(jī)高分子材料又分為天然和人工合成兩種類(lèi)型，比如殼聚糖、脫鈣骨基質(zhì)和膠原都屬于這種材料；無(wú)機(jī)材料主要是以羥基磷灰石、磷酸三鈣和金屬合金為代表，應(yīng)用廣泛，能更加有效地提供力學(xué)支持；復(fù)合材料主要是多種材料復(fù)合制造的支架，有著更加全面的性能，更有利于細(xì)胞黏附[11]。理想的骨組織工程支架要具備以下要求：無(wú)毒性、無(wú)免疫原性、生物相容性、生物降解性、生物活性并且有一定的智能度，同時(shí)兼具仿生、高孔隙率、孔隙互通、表面活性、適合的形狀等特性。

3 支架植入與局部藥物遞送治療骨質(zhì)疏松骨缺損的相關(guān)研究

骨組織工程支架的應(yīng)用特點(diǎn)主要分為4 個(gè)方向：抑制骨吸收、促血管再生、促進(jìn)宿主骨整合、成骨分化促進(jìn)骨再生，而4 個(gè)不同的作用機(jī)制與工程支架的特性有關(guān)。骨質(zhì)疏松骨缺損的支架不僅需要滿(mǎn)足一般骨組織工程支架要求，還需要更佳的骨整合能力來(lái)應(yīng)對(duì)骨質(zhì)疏松狀態(tài)下較差的骨質(zhì)量。

3.1 良好的生物相容性促進(jìn)細(xì)胞黏附增殖以修復(fù)骨缺損 良好的生物相容性就是能夠支持甚至有利于骨形成過(guò)程中相關(guān)的細(xì)胞黏附、增殖等，并無(wú)毒、無(wú)抗原性，這樣就不會(huì)為體內(nèi)排斥反應(yīng)的形成提供條件。

近年來(lái)，骨組織工程支架復(fù)合間充質(zhì)干細(xì)胞為骨質(zhì)疏松骨缺損治療提供了有效的解決途徑。將間充質(zhì)干細(xì)胞介導(dǎo)治療用于促進(jìn)生理愈合能力低下機(jī)體的骨再生[12]，結(jié)合良好生物相容性組織工程的支架，能夠?yàn)楣侨睋p修復(fù)相關(guān)細(xì)胞的附著、增殖和發(fā)揮功能提供一個(gè)有利的局部微環(huán)境，促進(jìn)骨缺損愈合的同時(shí)不引起多余的不良反應(yīng)。

有研究將搭載骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的纖維蛋白膠三維生物支架植入骨質(zhì)疏松大鼠股骨遠(yuǎn)端5 mm 局限性骨缺損處，結(jié)果表明無(wú)毒的纖維蛋白膠支架搭載骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，可誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞系分化，明顯促進(jìn)股骨遠(yuǎn)端骨缺損的再生[13]。Wang 等[14]將骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在體外成骨誘導(dǎo)培養(yǎng)之后復(fù)合脫鈣骨基質(zhì)支架（decalcified bonematrix，DBM），并植入骨質(zhì)疏松性家兔橈骨中段骨缺損中，經(jīng)X 線、Micro-CT 和組織形態(tài)學(xué)檢查結(jié)果顯示，脫鈣骨基質(zhì)支架復(fù)合骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞治療組形成了致密的骨組織，對(duì)骨缺損產(chǎn)生了較好的修復(fù)效果，免疫組化結(jié)果表明缺損處成骨活性增強(qiáng)，與單純支架治療相比顯著提高了骨再生能力。此外，間充質(zhì)干細(xì)胞來(lái)源的外泌體可促進(jìn)去卵巢來(lái)源骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖和成骨分化，復(fù)合β-磷酸三鈣支架通過(guò)促進(jìn)血管生成和成骨加速骨質(zhì)疏松骨缺損愈合[15]。在骨質(zhì)疏松骨缺損動(dòng)物模型中，β-磷酸三鈣支架與自體濃縮骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞復(fù)合體或煅燒骨包裹同種異體骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞復(fù)合體都具有加速骨再生的能力[16-17]。有研究將β-磷酸三鈣搭載骨質(zhì)疏松家兔自體脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞植入脛骨骨缺損中，發(fā)現(xiàn)搭載干細(xì)胞的復(fù)合支架比單獨(dú)β-磷酸三鈣支架有更好的骨修復(fù)能力，且新生骨具有更好的力學(xué)性能[18]。

3.2 合適的生物降解速率、力學(xué)強(qiáng)度和可塑性促進(jìn)骨整合 支架的降解速率應(yīng)與骨組織再生速率相協(xié)調(diào)，材料降解時(shí)間應(yīng)能根據(jù)骨組織再生情況進(jìn)行有效調(diào)控；可塑性是指支架便于加工成與骨缺損相匹配的形狀。

2005 年，有研究者將骨形態(tài)發(fā)生蛋白2（BMP-2）涂層的羥基磷灰石鈦支架植入骨質(zhì)疏松山羊脛骨，為期20 周的觀察表明BMP-2 能夠促進(jìn)骨形成，改善骨的力學(xué)性能，促進(jìn)骨質(zhì)疏松骨缺損的骨整合[19]。Li 等[20]制備了明膠微球包載BMP-2 與磷酸鈣的一種可注射復(fù)合材料，將其用于修復(fù)去卵巢山羊椎體骨缺損，結(jié)果顯示早期（45 d）BMP-2 緩釋體系具有更快的骨形成速度與更好的力學(xué)強(qiáng)度，但長(zhǎng)期（140 d）力學(xué)強(qiáng)度明顯優(yōu)于對(duì)照組。

也有研究者認(rèn)為，介孔生物玻璃/絲蛋白結(jié)合治療骨質(zhì)疏松骨缺損效果較好，因?yàn)樵擃?lèi)型支架擁有較好的可塑性，其優(yōu)異的生物降解速率能夠提高局部藥物的遞送率。Wang 等[21]對(duì)于介孔生物活性玻璃支架的制備是依靠對(duì)粉末加工技術(shù)的應(yīng)用和氨基修飾完成的，之后引入局部遞送設(shè)計(jì)由其充當(dāng)阿侖膦酸鹽藥物遞送系統(tǒng)，經(jīng)體外實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，氨基修飾的方法促進(jìn)了阿侖膦酸鹽的量與遞送率大幅提升，且這一支架上阿侖膦酸鹽的負(fù)載與釋放均處于高效狀態(tài)，在修復(fù)骨質(zhì)疏松骨缺損方面發(fā)揮了積極的促進(jìn)作用。

磷酸鈣骨水泥是降解活性和成骨活性的無(wú)機(jī)材料，是一種良好的骨充填材料[22-25]。Li 等[26]借助局部遞送設(shè)計(jì)的方式在磷酸鈣骨水泥當(dāng)中添加了硒，完成了對(duì)生物陶瓷復(fù)合支架的制作，然后在大鼠模型中植入這一支架，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該支架對(duì)于股骨缺損的修復(fù)具有促進(jìn)作用，該復(fù)合支架不僅表現(xiàn)出優(yōu)秀的空間結(jié)構(gòu)，還在機(jī)械性能方面得到顯著提升，且體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)植入該支架大幅加速了骨質(zhì)疏松骨缺損處骨再生的進(jìn)程。

Lim 等[27]選擇骨化三醇固定于雙相磷酸鈣支架中，以形成更強(qiáng)的成骨能力，然后引入表面修飾設(shè)計(jì)，通過(guò)在支架上涂覆羥基磷灰石/殼聚糖多層膜的方式，使得支架本身的細(xì)胞相容性得到了進(jìn)一步提升；該支架對(duì)于骨質(zhì)疏松骨缺損處的骨再生有顯著的促進(jìn)作用。

3.3 表面活性和孔隙結(jié)構(gòu)抑制骨吸收，促進(jìn)血管再生 支架應(yīng)具有多孔結(jié)構(gòu)，高孔隙率內(nèi)部表面積大，這樣有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的進(jìn)入、骨組織的長(zhǎng)入以及代謝產(chǎn)物的排出[28-29]。

鍶是一種堿土金屬，目前用于治療骨質(zhì)疏松癥的鍶類(lèi)藥物主要是雷奈酸鍶[30]。鍶對(duì)抑制骨吸收有明顯作用，近年來(lái)的研究表明鍶還有一定的成骨能力。有研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)唑來(lái)膦酸鹽和鍶修飾過(guò)的泡沫鐵支架可促進(jìn)骨質(zhì)疏松性骨折愈合，該復(fù)合體通過(guò)上調(diào)BMP-2 表達(dá)抑制受體激活核因子（NF）-κB 配體/骨保護(hù)素表達(dá)來(lái)促進(jìn)成骨、抑制破骨活性[31]。

淫羊藿苷具有促進(jìn)骨形成、抑制骨吸收的作用[32]。Wu 等[33]構(gòu)建了含淫羊藿苷的磷酸鈣骨水泥支架，并在去卵巢大鼠體內(nèi)評(píng)估復(fù)合材料的成骨和成血管能力，結(jié)果表明淫羊藿苷能上調(diào)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨和成血管基因的表達(dá)，破骨細(xì)胞的形成受到抑制，磷酸鈣骨水泥可作為淫羊藿苷合適的緩釋系統(tǒng)來(lái)促進(jìn)骨質(zhì)疏松骨缺損內(nèi)骨與血管的再生。

另外還有一些支架因?yàn)楸砻婊钚院涂紫督Y(jié)構(gòu)能夠抑制骨吸收，促進(jìn)骨再生。Guo 等[34]用膠原海綿支架結(jié)合伊班膦酸鈉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，將大鼠去卵巢后造成股骨骨折模型，發(fā)現(xiàn)兩者可改善去卵巢大鼠股骨骨折愈合速度和質(zhì)量。Kim 等[35]采用膠原海綿支架和阿侖磷酸鹽結(jié)合，體外研究顯示阿侖膦酸鹽從纖維蛋白凝膠中持續(xù)釋放，在纖維蛋白/阿侖膦酸鹽凝膠中培養(yǎng)的人骨髓間質(zhì)干細(xì)胞增殖和成骨分化中明顯增強(qiáng)。此外，顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描和組織學(xué)分析顯示，植入纖維蛋白/阿侖膦酸鹽凝膠后，新生骨明顯增強(qiáng)，表明纖維蛋白/阿侖膦酸鹽有促進(jìn)骨再生的潛力。Zeng 等[36]采用交聯(lián)的方式完成了對(duì)膠原蛋白-阿侖膦酸鹽復(fù)合支架的制作，分別進(jìn)行體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示該支架能使阿侖膦酸鹽持續(xù)釋放，長(zhǎng)達(dá)1 個(gè)月，且該支架對(duì)于骨質(zhì)疏松骨缺損狀況下的骨再生能夠提供明顯的助力。

4 結(jié)論

骨質(zhì)疏松骨缺損的骨質(zhì)量和骨愈合能力較差，故其適用的支架既要符合骨組織工程支架的系列要求，還應(yīng)在骨整合上有著優(yōu)秀的能力表現(xiàn)。支架植入與局部藥物遞送結(jié)合可以加速骨再生，降低全身不良反應(yīng)的發(fā)生率，更好地促進(jìn)骨整合效果，為臨床治療骨質(zhì)疏松骨缺損提供了新方法。