鋰生物材料在骨缺損修復(fù)的研究進(jìn)展△

成杰，丁銀亮，趙海燕，王文己*

（1.蘭州大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，甘肅蘭州 730000；2.蘭州大學(xué)第一醫(yī)院骨科，甘肅蘭州 730000）

損傷、炎癥、腫瘤、創(chuàng)傷、感染和外科手術(shù)是引起骨缺損的主要原因［1，2］，全球每年因上述原因造成需手術(shù)修復(fù)的骨缺損患者數(shù)量高達(dá)上百萬例，當(dāng)前針對(duì)骨缺損尚未有令人滿意的修復(fù)材料，為了克服這一難題，迫切需要尋找一種無毒、環(huán)保、價(jià)格低廉的替代材料以重建骨骼連續(xù)性及穩(wěn)定性。鋰（Lithium，Li）是一種常見的金屬元素，既往研究表明，含Li化合物與甲狀腺激素釋放密切相關(guān)［3～5］。另外，Li 還可引起鈣磷代謝紊亂，進(jìn)而導(dǎo)致高鈣血癥及腎臟疾病的發(fā)生［6～8］。而甲狀腺激素和血清鈣濃度與骨代謝高度相關(guān)，二者共同參與成骨。因此，利用Li 及其相關(guān)生物醫(yī)學(xué)材料來實(shí)現(xiàn)骨組織再生修復(fù)成為了一種新思路和新方法。

1 Li 與Li 生物材料

既往研究表明，碳酸鋰與甲狀腺激素釋放密切相關(guān)，其機(jī)制可能是：（1）抑制甲狀腺濾泡細(xì)胞膠質(zhì)的形成，改變甲狀腺球蛋白的結(jié)構(gòu)，阻斷甲狀腺球蛋白分子中的酪氨酸殘基與活性碘結(jié)合受阻；（2）減少血清中游離甲狀腺素的清除，從而間接降低I 型和II型5-脫碘酶的活性，減少T4 在肝臟的脫碘作用，T4清除率下降［3，9］。Li 離子（Li+）作為細(xì)胞內(nèi)的主要陽離子，是生命必需的微量元素之一，其具有抗自殺、抗病毒、免疫調(diào)節(jié)和神經(jīng)保護(hù)作用［10，11］。許多研究表明，含Li 化合物的應(yīng)用可降低骨折和骨質(zhì)疏松的風(fēng)險(xiǎn)，在人類骨骼健康中起著重要作用［12～14］。因此，Li 及其相關(guān)生物材料作為一種潛在的骨修復(fù)材料受到了廣泛關(guān)注。

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，Li 生物醫(yī)用材料主要包括含Li 元素的骨基質(zhì)材料、含Li 生物支架材料、含Li 水凝膠等。含Li 生物醫(yī)學(xué)材料具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）通過改變Li+濃度來達(dá)到可調(diào)控性［15］；（2）Li+釋放的緩釋性，可在特殊條件下適應(yīng)缺損形狀的可塑性［16］；（3）孔隙率高，負(fù)載藥物能力強(qiáng)，與成骨相關(guān)藥物具有協(xié)同作用［17］；（4）Li 生物材料機(jī)械強(qiáng)度高。以上優(yōu)勢(shì)使得含Li 生物材料在骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用前景廣泛，可適應(yīng)各種復(fù)雜的骨缺損。

2 Li 在骨缺損修復(fù)中的作用機(jī)制

2.1 促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖

Li 與骨代謝的相關(guān)性可能是由于其對(duì)糖原合成酶激酶-3（glycogen synthase kinase-3 beta,GSK-3β）的抑制調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞數(shù)量和對(duì)Wnt/β-catenin 信號(hào)調(diào)節(jié)骨組織對(duì)機(jī)械負(fù)荷的反應(yīng)［18］。Li 等［19］發(fā)現(xiàn)，在小鼠MC3T3-E1 細(xì)胞中，Li 通過骨形態(tài)發(fā)生蛋白2（bone morphogenetic protein 2,BMP-2）信號(hào)介導(dǎo)促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs）的晚期成骨分化，而在C2C12 細(xì)胞中，Li 通過骨保護(hù)素（osteoprotegerin,OPG）—核因子受體激活劑-κB 配體（receptor activator of nuclear factor-kappa B ligand,RANKL）通路促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖，增加骨量。Li 鹽能激活Wnt/β-catenin 信號(hào)通路，通過促進(jìn)BMSCs 增殖，刺激前成骨細(xì)胞的復(fù)制，誘導(dǎo)成骨細(xì)胞的生成，以及抑制成骨細(xì)胞凋亡等多種機(jī)制增加骨量［20］。

2.2 促進(jìn)BMSCs 成骨分化和調(diào)節(jié)自噬

利用BMSCs 的增殖及成骨潛能為骨組織修復(fù)提供了新的方向［21］。Yang 等［22］研究表明，LiCl 通過MAPK 途徑增加抗炎（下調(diào)CD86 表達(dá)和上調(diào)CD163表達(dá)）和骨相關(guān)細(xì)胞因子BMP-2 和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor,VEGF）的釋放，促進(jìn)BMSCs 的成骨分化能力，并且在LiCl 存在的情況下，白細(xì)胞介素（interleukin,IL）的分泌發(fā)生改變，促炎型分泌IL-6 減少，抗炎型IL-4 和IL-10 分泌增加。Huang 等［23］將LiCl 應(yīng)用于骨質(zhì)疏松模型，LiCl 可通過調(diào)控Wnt 信號(hào)通路誘導(dǎo)BMSCs 成骨分化，并通過調(diào)節(jié)自噬促進(jìn)成骨。Tan 等［24］將Li 和銅做成支架材料，當(dāng)Cu2+和Li+緩慢釋放時(shí)可以在Wnt和缺氧誘導(dǎo)因子-1α （hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α）信號(hào)通路之間進(jìn)行串?dāng)_，從而耦合BMSCs中的成骨和血管生成。Li 等［17］證明含Li 水凝膠（Li-nHA）通過磷脂酰肌醇3-激酶（Phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K）/蛋白激酶B（Akt）信號(hào)通路在BMSCs 分化為成骨細(xì)胞，誘導(dǎo)骨缺損修復(fù)。

2.3 上調(diào)成骨分化因子的表達(dá)及促進(jìn)新生血管形成

Wu 等［16］發(fā)現(xiàn)在體外，含有5%濃度Li+生物水凝膠促進(jìn)成骨分化因子骨鈣素（osteocalcin,OCN）、Runt 相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2（runt-related transcription factor 2,Runx-2）、成骨細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子Osterix 的表達(dá)，并在高血糖微環(huán)境下調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞（Macrophages,M）從促炎型（M1）轉(zhuǎn)變?yōu)榭寡仔停∕2），同時(shí)分泌BMP-2 和VEGF，促進(jìn)成骨和新生血管的形成，在體內(nèi)，含有的Li+復(fù)合水凝膠釋放Li+緩解炎癥，為成骨和血管生成提供抗炎的微環(huán)境。Peng等［25］發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)添加Li 通過激活PI3K/AKT 信號(hào)通路調(diào)控骨免疫，誘導(dǎo)新生血管形成，刺激成骨。Li等［26］相關(guān)研究表明，在類固醇相關(guān)性骨壞死（Steroid associated osteonecrosis,SAON）小鼠模型中，微小RNA（microRNAs,miR）335-5p 四面體DNA/肝素Li 水凝膠可以遞送Li 和MiR335-5p，二者協(xié)同上調(diào)Wnt 信號(hào)通路，促進(jìn)骨生成和血管生成以及增強(qiáng)SAON 中的骨再生。Liu 等［14］通過研究證明，含有Li生物材料刺激BMSCs 來源的外泌體miR-130a 的分泌和張力蛋白同源磷酸酶基因（phosphodiesterase and tensin homologs,PTEN）/AKt 信號(hào)通路，促進(jìn)血管生成基因的上調(diào)表達(dá)，從而促進(jìn)血管化骨再生。有研究發(fā)現(xiàn)［27］，局部使用GSK-3β 抑制劑（LiCl）有兩種途徑促進(jìn)成骨，一種是激活Wnt/β-catenin 信號(hào)和增加Runx-2 的表達(dá)促進(jìn)成骨作用，另外通過抑制破骨細(xì)胞生成的一個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子活化T 細(xì)胞c1 核因子（nuclear factor of activated T-cells,cytoplasmic 1,NFATc1）的表達(dá)來抑制破骨細(xì)胞的生成，下調(diào)酒石酸酸性磷酸酶（tartrate resistant acid phosphatase,TRAP）干擾破骨細(xì)胞的骨吸收能力。因此，Li 既可通過調(diào)節(jié)上述通路影響成骨相關(guān)基因的表達(dá)及調(diào)控骨免疫，又能單獨(dú)刺激成骨，從而在骨缺損修復(fù)中發(fā)揮作用。

綜上所述Li 的成骨調(diào)節(jié)主要是通過激活Wnt、PI3K/Akt 和BMP-2 信號(hào)軸調(diào)節(jié)，對(duì)破骨細(xì)胞生成的抑制是通過RANKL/OPG 系統(tǒng)調(diào)節(jié)，通過巨噬細(xì)胞和VEGF 信號(hào)調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)和血管生成。GSK-3β 可能是骨缺損修復(fù)過程的許多信號(hào)通路的關(guān)鍵因子，因此通過添加含元素Li 的成分抑制GSK-3β 可能是治療骨缺損的潛在靶點(diǎn)。Li 是一種有前途的骨再生元素，Li 可以通過促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖、BMSCs 成骨分化、新生血管生成及上調(diào)成骨分化因子的表達(dá)等多種途徑在骨缺損修復(fù)中發(fā)揮作用（表1）。

表1 Li 通過調(diào)節(jié)相關(guān)因子發(fā)揮作用結(jié)果

3 Li 生物材料在骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用

通過摻入功能性元素到生物材料中，以改變生物材料的理化性質(zhì)，而Li+已證明具有成骨潛力，因此通過新型醫(yī)用生物材料和Li 的組合表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能和良好的成骨能力。普遍認(rèn)為理想的修復(fù)材料應(yīng)該具有以下特點(diǎn)［28］：（1）能夠以理想的速率釋放，甚至可以持續(xù)釋放，為組織的生長(zhǎng)提供足夠的時(shí)間；（2）細(xì)胞毒性?。唬?）積極引導(dǎo)組織再生同時(shí)防止植入后并發(fā)癥；（4）遞送系統(tǒng)具有可調(diào)控性。

3.1 含Li 骨基質(zhì)材料

骨基質(zhì)的分子組成主要由無機(jī)成分羥基磷灰石、磷酸鈣和有機(jī)成分I 型膠原（Collagen type I alpha 1,COL-1）組成。骨基質(zhì)合成的相關(guān)材料因其良好的骨傳導(dǎo)性而被廣泛用作骨替代品［29］。Hurle 等［15］制備摻雜Li+磷酸鈣的新型骨水泥，通過檢測(cè)堿性磷酸酶（alkaline phosphatase,ALP）活性和COL-1 表達(dá)證明其在調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的增殖和分化方面具有重要作用，并且可以通過上調(diào)脂肪干細(xì)胞中晚期成骨標(biāo)志物的表達(dá)來促進(jìn)骨缺損修復(fù)，且該骨水泥可以通過控制摻入Li+濃度控制水泥的凝固時(shí)間。Tao 等［30］制備一種Li和阿司匹林改性磷酸鈣骨水泥（Asp-Li/CPC），細(xì)胞試驗(yàn)證明Asp-Li/CPC 比單純CPC 或Li 改性CPC 具有更好的促進(jìn)MC3T3-E1 細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞、表達(dá)成骨基因（ALP、OP、Runx-2、OCN 和COL-1）的能力，該材料在修復(fù)卵巢切除術(shù)（ovariectomy，OVX）大鼠的股骨干骺端骨缺損方面可以加速骨缺損中的骨再生，從而增強(qiáng)骨愈合。

3.2 含Li 水凝膠材料

可注射水凝膠能夠以微創(chuàng)的方式進(jìn)行局部注射，然后進(jìn)行自我修復(fù)，恢復(fù)其機(jī)械性能，通常作為遞送藥物、離子、生長(zhǎng)因子、干細(xì)胞或非編碼RNA 的載體，進(jìn)一步刺激骨再生?？勺⑸渌z具有以下特點(diǎn)［31］：（1）可以微創(chuàng)的方式給藥，填補(bǔ)患者原有組織缺損；（2）促進(jìn)較大骨缺損的骨愈合；（3）不需要手術(shù)去除。Wu 等［16］開發(fā)出的Li 改性生物玻璃水凝膠是專門用于糖尿病患者的骨缺損修復(fù)材料，這種水凝膠具有抗炎和成骨的雙重作用，以協(xié)同調(diào)控糖尿病微環(huán)境中的骨再生。Li 等［26］發(fā)現(xiàn)通過注射型肝素Li水凝膠遞送MiR335-5p-四面體DNA 納米結(jié)構(gòu)置入SAON 模型后，骨壞死的內(nèi)部骨缺損得到修復(fù)。

3.3 含Li 生物支架材料

支架材料在大面積骨缺損具有優(yōu)勢(shì)，目前已開發(fā)出多種材料作為骨再生的支架替代品，包括金屬、無機(jī)、有機(jī)和復(fù)合材料。研究表明［32］，摻雜離子（Mg2+、Sr2+、Ce3+、Co2+、Zn2+等）的方法可以賦予生物支架材料新的生物學(xué)功能，提供促成骨和抗破骨細(xì)胞生成的雙重治療作用。Li 等［17］在SAON 兔的股骨頭鉆出缺損通道（3 mm×5 mm，相當(dāng)于人股骨頸直徑的70%～80%），將多孔納米Li-羥基磷灰石/凝膠微球/促紅細(xì)胞生成素（Li-nHA/GMs/rhEPO）復(fù)合支架置入，結(jié)果顯示，Li-nHA/GMs/rhEPO 支架能夠持續(xù)釋放Li 和rhEPO，修復(fù)大面積的缺損。Li 等［33］用摻有Li 的組織工程異種脫蛋白骨（heterogeneous deproteinized bone,HDPB）支架修復(fù)節(jié)段性骨缺損，發(fā)現(xiàn)HDPB+LiCl+BMSCs 生物支架較單純的BMSCs 支架可顯著增強(qiáng)骨缺損段脛骨的機(jī)械強(qiáng)度、骨量和骨密度。Deng 等［34］利用3D 打印技術(shù)合成了含Li 和硅（Si）的生物材料（LCS）支架，他們發(fā)現(xiàn)Li+和Si2+協(xié)同激活HIF 途徑促進(jìn)刺激軟骨細(xì)胞的增殖、成熟并激活自噬和抑制Hh 通路保護(hù)骨關(guān)節(jié)炎中的軟骨細(xì)胞，動(dòng)物模型進(jìn)一步證明LCS 支架具有軟骨修復(fù)和缺損部位骨再生的雙重生物活性。Zhao 等［35］通過在β-磷酸三鈣（β-TCP） 中摻入Li 而獲得Ca10Li（PO4）7（CLP），通過3D 打印技術(shù)制造的CLP 和β-TCP 的支架，與β-TCP 的支架相比，CLP 支架具有更高的機(jī)械強(qiáng)度和良好的生物相容性。He 等［36］合成的Li2Mg2(PO4)2生物陶瓷支架比不含Li 的生物陶瓷支架更具有高強(qiáng)度和刺激成骨和血管生成的特點(diǎn)。

3.4 含Li 納米涂層材料

納米技術(shù)可以幫助藥物在納米尺度上充分釋放，以達(dá)到治療目的。納米結(jié)構(gòu)還可以裝載多種藥物，如抗骨質(zhì)疏松癥藥物、抗癌藥物和抗生素，并用作局部藥物遞送系統(tǒng)［37］。Liu 等［38］利用微弧氧化（microarc oxidation,MAO）技術(shù)在AZ91 鎂合金上鍍上一層Li 化物的納米多孔涂層（Li-MAO），通過體內(nèi)與體外試驗(yàn)證實(shí)，與單純AZ91 或MAO 組相比，Li-MAO組具有更好的耐腐蝕性、生物相容性、血管生成和成骨能力。Liu 等［39］發(fā)現(xiàn)，纏繞型多孔鈦（entangled titanium wire porous,ETP）具有良好的機(jī)械性能和可供相互連接的多孔結(jié)構(gòu)，通過MAO 技術(shù)在ETP 上添加了一個(gè)含Li 的納米孔涂層（Li-MAO-ETP），含Li濃度較高的L2-MAO 涂層為成骨細(xì)胞粘附和生長(zhǎng)提供了有利的環(huán)境，L2-MAO 涂層上培養(yǎng)的MG63 細(xì)胞的成骨基因表達(dá)（ALP、OPN、OCN、Col1a1 和Runx-2）的表達(dá)水平高于單獨(dú)MAO 和含Li 濃度低的L1-MAO 涂層，Li-MAO-ETP 可能是一種合適的骨缺損修復(fù)材料。

3.5 含Li 生物高分子材料

生物高分子材料通過加入金屬離子、抗菌肽，在解決置入物相關(guān)感染和置入物-骨界面之間的骨結(jié)合問題。耿磊等［40］利用通過靜電紡絲制備的纖維膜在載藥緩釋修復(fù)創(chuàng)面方面取得很好的療效。研究表明，利用聚乙烯醇（poly vinyl alcohol,PVA）作為封端劑合成的納米級(jí)Li2CO3顆粒PVA/nLi 能夠刺激牙髓干細(xì)胞（dental pulp stem cells,DPSCs）的成骨分化［41］。聚醚醚酮（polyether ether ketone,PEEK）的彈性模量、物理性能與骨骼相接近，Li 等［42］制備出一種負(fù)載Li+和抗菌肽的多功能PEEK 生物材料（SPEEKLi-AMP），賦予PEEK 表面抗菌（大腸桿菌和金黃色葡萄球菌）和骨整合的雙重生物活性，這使得這種材料在關(guān)節(jié)置換術(shù)后感染造成的骨缺損修復(fù)中具有一定應(yīng)用價(jià)值。

4 小結(jié)和展望

Li 是一種具有治療價(jià)值和刺激骨再生的元素，除了局部直接給藥發(fā)揮作用外，還可以通過各種生物材料來達(dá)到緩慢釋放、精準(zhǔn)釋放的目的。現(xiàn)有的含Li 生物材料大多具有良好的生物相容性以及刺激成骨和血管生成的能力，可期望應(yīng)用于骨缺損修復(fù)的骨組織工程。但目前Li 生物修復(fù)材料尚處于細(xì)胞及動(dòng)物試驗(yàn)階段，在骨再生治療領(lǐng)域缺乏足夠的臨床研究來證實(shí)現(xiàn)有的研究結(jié)果，未來應(yīng)積極研究最佳的Li修復(fù)材料進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有效的骨缺損修復(fù)，進(jìn)一步促進(jìn)臨床轉(zhuǎn)化。