缺血性骨缺損治療現(xiàn)狀和產(chǎn)氧型材料的應(yīng)用進(jìn)展

趙旭晨，徐頂立，練雷棟，干開豐，馬維虎

外傷、腫瘤等情況導(dǎo)致的骨缺損常常造成嚴(yán)重的后果。盡管年輕人的骨骼具有較高的再生潛力，但血供中斷仍會(huì)嚴(yán)重影響骨再生的能力，甚至導(dǎo)致骨壞死，尤其是股骨頸、舟狀骨和距骨等血供相對(duì)較差的部位。近年來，間充質(zhì)干細(xì)胞（MSC）已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于骨缺損的治療中。然而，由于骨缺損導(dǎo)致的血液供應(yīng)中斷會(huì)導(dǎo)致相關(guān)組織的缺氧，從而使移植的MSC發(fā)生缺血缺氧性改變，最終導(dǎo)致骨再生失敗。目前有不少關(guān)于產(chǎn)氧型生物材料的應(yīng)用研究，在缺血性骨缺損的治療方面取得了不同程度的效果。通過在缺血性骨缺損部位植入產(chǎn)氧型生物材料，可以進(jìn)一步提高骨修復(fù)治療的水平。本文回顧了骨折的病理生理過程，并討論產(chǎn)氧型生物材料在進(jìn)一步增強(qiáng)骨折修復(fù)中的應(yīng)用，報(bào)道如下。

1 缺血對(duì)骨愈合再生的影響

骨骼有一定的再生潛力，但由于骨折或脫位造成的血液循環(huán)中斷，使骨骼血液供應(yīng)喪失，會(huì)阻礙細(xì)胞修復(fù)，并可能導(dǎo)致骨壞死[1]。充足的氧氣供應(yīng)能保障細(xì)胞的物質(zhì)代謝、膠原合成及細(xì)胞外基質(zhì)形成，是防止傷口感染、促進(jìn)傷口愈合過程的前提條件[2-3]。Thapa 等[4]回顧性分析了50 例股骨頭骨折行手術(shù)治療的患者，隨訪中發(fā)現(xiàn)2 例患者出現(xiàn)骨壞死，4 例患者骨折延遲愈合。即使在非骨質(zhì)疏松患者，缺乏血供對(duì)骨折愈合再生的影響也是災(zāi)難性的，Slobogean 等[5]分析了41 篇關(guān)于非骨質(zhì)疏松患者股骨頸骨折術(shù)后并發(fā)癥的研究，發(fā)現(xiàn)在1558 例患者中術(shù)后出現(xiàn)缺血性骨壞死的占14.3%（223 例），骨不愈合占9.3%（145例）。同樣腕關(guān)節(jié)骨骨折也具有較高的缺血性壞死和骨不愈合風(fēng)險(xiǎn)，Hermena等[6]分析了62 例腕舟狀骨骨折的患者，發(fā)現(xiàn)術(shù)后4 例出現(xiàn)骨不愈合。Israel 等[7]回顧性分析了65 例接收手術(shù)治療的腕月骨折（其中27例合并腕舟骨骨折）的患者，在長達(dá)8 年的隨訪過程中發(fā)現(xiàn)骨折部位缺血性骨壞死的發(fā)生率為7.7%（5例），另外26%（17 例）患者出現(xiàn)腕關(guān)節(jié)炎。因此，血供中斷導(dǎo)致的骨缺損部位缺血缺氧，即使采用手術(shù)治療也無法避免骨壞死和骨不愈合的發(fā)生。

骨缺損的常用處理方法包括：牽拉成骨、骨移植、截肢術(shù)等[8]。其中廣義的骨移植技術(shù)包括：自體骨移植技術(shù)、異體骨移植技術(shù)和組織工程骨移植技術(shù)[9]。但是由于不愈合率高、供骨量有限、治療周期長及治療費(fèi)用負(fù)擔(dān)高等問題，這些方法在臨床應(yīng)用中受到很大限制[10-11]。而通過生物材料技術(shù)實(shí)現(xiàn)缺損骨組織再生是目前公認(rèn)的最有可能在臨床取得突破性進(jìn)展的研究領(lǐng)域之一[12]。其中，MSC 是目前治療缺血性骨缺損較為常用的方法，而產(chǎn)氧型材料的誕生，讓研究者們看到了新的方向。

2 MSC 治療骨缺損的優(yōu)缺點(diǎn)

MSC 已經(jīng)被臨床廣泛地用于治療缺血性骨缺損。Ajiboye 等[13]曾報(bào)道將MSC 用于80 例接收經(jīng)椎間孔腰椎融合手術(shù)的患者，發(fā)現(xiàn)74 例（92.5%）患者在1 年內(nèi)獲得完全骨融合。Ismail 等[14]報(bào)道5 例長骨萎縮性骨不愈合的患者接受骨髓MSC治療，另外5 例采用髂骨植骨術(shù)。發(fā)現(xiàn)骨髓MSC 治療組患者影像學(xué)上的骨愈合情況、術(shù)后DASH 功能評(píng)分和VAS 疼痛評(píng)分明顯優(yōu)于髂骨植骨組（均P ＜0.05）。相較于傳統(tǒng)治療方法，MSC治療具有骨再生周期短、功能恢復(fù)快、無供骨區(qū)并發(fā)癥和免疫排斥等優(yōu)勢(shì)[15]。隨著研究的深入，較多學(xué)者認(rèn)為MSC 具有分化潛能，可以分化為骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、血細(xì)胞等中胚層來源的細(xì)胞，在合適的細(xì)胞微環(huán)境下干細(xì)胞分化為骨細(xì)胞是其治療骨缺損的關(guān)鍵[16]。當(dāng)骨缺損部位因?yàn)榻馄试蛉狈ρ┗蛲鈧麑?dǎo)致血供減少時(shí)，缺氧的微環(huán)境會(huì)影響MSC 的增殖、分化和活性，甚至導(dǎo)致細(xì)胞死亡[17]。Valorani 等[18]報(bào)道低氧環(huán)境可以上調(diào)MSC Sca-1 和CD44 的表達(dá)，促使其向脂肪細(xì)胞的分化；另外Samal 等[19]報(bào)道當(dāng)MSC 處于氧濃度＜1%的環(huán)境時(shí)，其增殖能力和細(xì)胞活性受抑制并且成脂肪分化增強(qiáng)。Kim 等[20]通過人脂肪MSC 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，缺氧環(huán)境會(huì)增加人脂肪MSC 活性氧的產(chǎn)生。其中活性氧激活促分裂原活化的蛋白激酶（MAPK）和磷脂酰肌醇三激酶/絲蘇氨酸激酶（PI3K/Akt）信號(hào)通路導(dǎo)致胰島素樣生長因子結(jié)合蛋白3（IGFBP3）的表達(dá)被上調(diào)，IGFBP3 不僅可以抑制其成骨分化能力，而且抑制其增殖活性。因此，缺乏血供導(dǎo)致的缺氧環(huán)境會(huì)抑制間MSC治療骨缺損的能力，所以補(bǔ)充適當(dāng)?shù)难鯕饪梢愿纳七@種情況。通過為成骨MSC 提供常氧條件來彌補(bǔ)其治療缺血性骨缺損時(shí)的不足。

3 產(chǎn)氧性生物材料在缺血性骨缺損中的應(yīng)用

血液中溶解氧的擴(kuò)散距離有限，限制了組織工程骨中心區(qū)域的細(xì)胞存活。Mc Murtery[21]報(bào)道了當(dāng)體內(nèi)移植物在1 cm 厚度范圍內(nèi)氧分壓較高，而隨著厚度增加，其內(nèi)部氧分壓急劇降低。因此，在組織工程骨中形成一個(gè)缺氧壞死的核心，再生過程將會(huì)失敗。近年來，有研究人員設(shè)計(jì)了產(chǎn)氧性生物材料，并在增強(qiáng)缺血組織存活能力和保存缺血組織的細(xì)胞代謝、細(xì)胞分化等方面取得了不同程度的成功。由產(chǎn)氧性生物材料持續(xù)提供氧源，將是急性創(chuàng)傷治療和缺血性骨缺損后骨組織恢復(fù)的一個(gè)重大治療進(jìn)展。

3.1 載過碳酸鈉聚乳酸材料 Harrison 等[22]報(bào)道了D，L-乳酸-共乙醇酸（Poly-PLGA）薄膜與過碳酸鈉（SPO）結(jié)合可持續(xù)釋放氧。這種材料通過延緩組織細(xì)胞降解，包括凋亡、乳酸積累和皮膚變色等過程達(dá)到延長皮膚細(xì)胞存活時(shí)間的作用。原位產(chǎn)氧雖然可以減少小鼠模型缺血組織中的細(xì)胞凋亡和組織壞死，但是當(dāng)組織工程材料的產(chǎn)氧能力持續(xù)較短，并且血供尚未恢復(fù)時(shí)，組織細(xì)胞仍會(huì)凋亡。有研究報(bào)道，載SPO的聚乳酸生物材料作為皮膚傷口愈合劑時(shí)能夠延緩無血供區(qū)細(xì)胞壞死，但3 d 后細(xì)胞開始出現(xiàn)壞死。Oh 等[23]報(bào)道了在3D 組織工程構(gòu)建中的缺氧成纖維細(xì)胞增殖研究中，使用過氧化物結(jié)合聚乳酸膜可以增強(qiáng)細(xì)胞活性，而且接種在載過氧化鈣-PLGA支架上的3T3 細(xì)胞，在1%氧氣條件下的存活率遠(yuǎn)高于對(duì)照組。另外，Ward 等[24]發(fā)現(xiàn)缺氧條件會(huì)導(dǎo)致骨骼肌代謝和功能的喪失。產(chǎn)氧的PLGA-SPO 生物材料已被證明能支持缺血條件下靜息骨骼肌的穩(wěn)態(tài)，并減輕在常氧條件下收縮疲勞后的肌細(xì)胞靜息張力的升高。在缺氧情況下，SPO 生物材料可以減少HIF-1 的積累、氧化應(yīng)激，并改善肌內(nèi)糖原的消耗。實(shí)驗(yàn)證明，在大鼠的缺血骨骼肌中植入SPO 材料，可增強(qiáng)骨骼肌收縮性，改善肌內(nèi)糖原消耗。雖然載SPO 的聚乳酸材料具有延緩無血供區(qū)細(xì)胞壞死，增強(qiáng)骨骼肌生物活性的能力，但是存在供養(yǎng)時(shí)間短等不足之處。

3.2 載過氧化鈣的聚二甲基硅氧烷材料 過氧化鈣（CPO）在固態(tài)時(shí)水解反應(yīng)發(fā)生得太快，導(dǎo)致高氧化合物產(chǎn)生的可能性增加，同時(shí)致使反應(yīng)中間體過氧化氫（H2O2）的產(chǎn)生。此外，該反應(yīng)還有副作用發(fā)生的可能，如產(chǎn)生羥基自由基（OH－）[25]。因此有學(xué)者提出，使用生物穩(wěn)定的疏水聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料作為擴(kuò)散屏障，用于降低封裝的CPO 的反應(yīng)速度。實(shí)驗(yàn)證明，PDMS 結(jié)合的固體CPO 可以控制氧氣向周圍的釋放，持續(xù)時(shí)間超過40 d。該系統(tǒng)的產(chǎn)氧量取決于水進(jìn)入PDMS-CaO2的擴(kuò)散速率和其中固體CPO 量。PDMS 對(duì)氧氣具有高滲透性，所產(chǎn)生的氧氣可以有效地?cái)U(kuò)散出系統(tǒng)以供細(xì)胞使用。學(xué)者通過優(yōu)化PDMS-CaO2的幾何尺寸和其中固體CPO量，設(shè)計(jì)出具有理想氧釋放動(dòng)力學(xué)的氧生成系統(tǒng)。對(duì)固體過氧化物水解反應(yīng)速率的調(diào)節(jié)和最終產(chǎn)物的快速清除保證了該系統(tǒng)的正向反應(yīng)的動(dòng)態(tài)性，從而消除過氧化氫中間體和羥基自由基等副反應(yīng)的積累。因此，PDMS-CaO2是一種適合在缺血缺氧條件下維持移植細(xì)胞的生存能力和生物功能的理想材料。在缺血缺氧部位植入PDMS-CaO2能使缺氧誘導(dǎo)的細(xì)胞功能障礙和細(xì)胞凋亡的情況得到改善，其中包括細(xì)胞代謝的功能改善、葡萄糖依賴性胰島素的產(chǎn)生受到調(diào)節(jié)。同時(shí)，在缺血條件下，通過PDMS-CaO2的持續(xù)供應(yīng)氧氣，細(xì)胞系活力提高了近1 個(gè)月[26]。載過碳酸鈣的聚二甲基硅氧烷材料具有持續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氧的能力，但是副作用會(huì)產(chǎn)生羥基自由基（OH－），同時(shí)分解產(chǎn)生的鈣離子增加了腎臟排泄的負(fù)擔(dān)。

3.3 雙層膜包裹過氧化氫 Abdi等[27]提出采用雙層膜包裹的純H2O2以產(chǎn)生用于生物組織回收應(yīng)用的清潔氧氣。相較于過氧化鈉和過氧化鈣，直接使用雙層膜封裝的H2O2可以防止包括金屬陽離子在內(nèi)的副產(chǎn)物產(chǎn)生，并且只產(chǎn)生無毒的氧氣和水[28]。因此，預(yù)固定過氧化氫酶的海藻酸鹽包覆PLGA 基質(zhì)作為保護(hù)層，促進(jìn)H2O2分解。在這種方法中，可以通過控制包裹H2O2的微球中的海藻酸鹽濃度來控制氧的釋放。在制備的雙層系統(tǒng)中，封裝的H2O2分解產(chǎn)生持續(xù)氧氣供應(yīng)的方法，已被證明可以提高缺血條件下的細(xì)胞存活率[29]。但是，雙層膜包裹H2O2作為一種無金屬離子副產(chǎn)物的單一生物材料，需要解決其在制備保存過程中過氧化氫容易分解的問題。

4 總結(jié)和展望

組織工程技術(shù)和MSC 治療在面對(duì)缺血性骨組織的缺氧微環(huán)境時(shí)，有著細(xì)胞凋亡和組織壞死的風(fēng)險(xiǎn)。向缺血性骨缺損部位提供足夠的氧氣，能最大限度地提高移植細(xì)胞的存活率，并對(duì)移植細(xì)胞整合到缺損部位上有著重要意義。產(chǎn)氧型生物材料作為可移植物的技術(shù)，可以向局部組織持續(xù)注入氧氣，以加速組織再生和分化，從而改善缺氧時(shí)細(xì)胞凋亡和組織壞死。然而，其也有潛在的局限性：因?yàn)橄噍^于骨缺損中長期存在的受損血管系統(tǒng)，產(chǎn)氧型生物材料的產(chǎn)氧持續(xù)時(shí)間短暫。

目前看來，持續(xù)原位產(chǎn)生氧氣的產(chǎn)氧型生物材料在缺血性骨缺損組織的修復(fù)應(yīng)用中很有前景，因?yàn)槠淇梢蕴岣呤中g(shù)中移植組織的存活率，并使移植組織在缺氧環(huán)境中能正常增殖。此外，由于一定程度上減少了低氧誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，產(chǎn)氧型生物材料的植入，避免了多次手術(shù)來重新填充工程組織移植物的情況。因此，產(chǎn)氧生物材料有利于骨缺損愈合過程，是治療缺血性骨缺損的理想生物材料。

利益沖突 所有作者聲明無利益沖突