骨移植理论与骨生长因子
骨移植理论与骨生长因子
胡蕴玉 李丹
一、骨移植
移植骨可发挥3种生理作用：（1）诱导成骨作用，即通过募集具有成骨潜能的细胞在局部诱导新骨形成。（2）骨传导作用，指移植骨作为支架引导来自受骨床的新生毛细血管、血管周围组织和骨原细胞长入移植骨，继之新骨沉积于其表面及周围。（3）移植骨是骨形成细胞的来源，特别是新鲜自体骨。各种植骨方法在不同程度上体现了其中一种或数种作用。骨移植依其材料来源可分为自体骨、同种异体骨、异种骨和人工骨。自体骨因兼有骨诱导活性和骨传导作用，且携有具成骨作用之骨髓细胞，成骨效果最好，故目前仍奉为“金标准”。但自体骨来源有限，且取骨增加患者痛苦，尤不适用于儿童和老人。同种异体骨来源也有限，如检疫不严还有传播肝炎和艾滋病的危险。异种骨移植近年受到重视，如有报道Kiel骨复合自体红骨髓移植取得满意效果，国内研制的重组合异种骨为异种骨的临床应用开辟了新的前
景。人工骨特别是生物陶瓷类在骨科的应用受到瞩目，但单纯人工骨植入只能起支架作用，而并无诱导成骨活性。
1、自体骨移植
临床上自体骨多采自髂骨、胫骨和腓骨，分别提供松质骨、皮质骨和全骨。（1）非血管化自体移植骨因缺乏血供，大多数细胞死亡，仅表面0.1～0.3mm范围的少数细胞依赖受区组织液的弥散得以存活。移植骨内的骨原细胞主要来自骨膜和骨髓，故松质骨之成骨能力大于皮质骨。松质骨血运重建较快，早期以成骨活动占优势，死骨逐渐进行内部改建，被破骨细胞吸收，继之新骨内有红骨髓聚集，移植骨于是完全被新骨取代。松质骨常用于对移植骨强度无特殊要求时，可采取松质骨碎骨、全厚松质骨、髂骨外板和包括两侧骨皮质的髂嵴长条。常用的植骨方法有：外周薄片植骨、嵌入植骨、骨腔内充填骨和脊柱融合植骨术等。皮质骨血运重建较晚，早期有活跃的破骨活动，破骨活动和成骨活动交替进行，逐渐完成移植骨的修复。皮质骨适于提供功能性支持，胫骨、腓骨、股骨、桡骨和肋骨均可供骨，一般在胫骨内侧面取骨。常用的植骨方法有单侧上盖植骨术、双侧上盖植骨术、钢板加单侧上盖植骨术、嵌入植骨术和骨钉植骨术。全骨移植骨通常取腓骨的中1/3段或上1/
2段，用于修复儿童长骨如尺、桡骨缺损。（2）血管化自体移植骨因带有自身的血供系统，不会发生骨坏死和吸收，只须与受区骨发生愈合，其修复过程类似新鲜骨折，无须经过爬行替代。移植骨血供可来自肌蒂或吻合血管。行带肌蒂骨瓣移植时，保留移植骨的肌肉附着部及骨膜，移植骨通过肌蒂滋养血管或知名血管供血。常用的有股方肌蒂骨瓣、缝匠肌股直肌蒂骨瓣移植术、带肌蒂腓骨段转移术和带肌蒂皮质骨片移植术。带血管自体骨移植适用于受骨床瘢痕多、局部循环差或常规植骨不易愈合时。带血管复合骨肌皮瓣移植可对皮肤、肌肉和骨复合缺损一次进行修复。常用方法有带血管髂骨游离移植、带血管腓骨游离移植和带血管肋骨游离移植，所用血管须有足够的长度和管径，起源及位置较恒定。
2、同种异体骨移植
与自体骨移植相比，同种骨材料来源较多，且因其具有天然结构、形状和强度，有一定的诱导活性，在骨移植中有其不可替代的地位。但同种骨移植如检疫不严有传播肝炎、艾滋病等疾病的危险。此外据报道，对人工关节置换术中切除的1146个股骨头进行病理检查，发现91例除骨关节炎外还有其它病变，包括软骨钙质沉着、缺血性坏死、骨瘤、恶性肿瘤、骨代谢疾病和炎症性关节炎，故建议凡进入骨库的异体骨材料均须经过组织学检查。
同种骨特别是新鲜同种骨，常引起免疫排斥反应，导致移植骨吸收而失败。此种免疫反应以活性淋巴细胞和细胞毒性抗体的产生为特征，细胞膜表面的糖蛋白是引起免疫反应的主要抗原成分，后者受主要组织相容性复合体（MHC）控制表达。受体对同种骨移植的免疫反应以细胞免疫为主，体液免疫不直接参与，但多数情况下受体循环中出现针对移植骨的特异性抗体。出现排异时干扰素和肿瘤坏死因子含量会增高，推测其在排异反应中可能起一定作用。为消除或减弱同种骨的抗原性，常采用各种物理、化学方法进行处理，常用且证明效果较好的方法有：（1）冷冻法：在-20～-196℃保存2w以上，可多少减弱其抗原性；（2）冷冻干燥法：冷冻至-85℃，在真空状态使水分升华干燥，其抗原性低于冷冻骨，且可在室温下长期保存；（3）脱钙法：多行部分脱钙处理，因其具有良好诱导成骨活性，并保有一定的机械强度。大段同种骨关节移植物可采用深低温或冷冻干燥法保存，冷冻前须用10%甘油等冷冻保护剂浸洗，尽可能保存软骨细胞。
冷冻、冻干和脱钙同种骨均已应用于临床。主要用于骨腔充填、骨段移植术、关节融合术和假体重建术等方面。脱钙骨经化学灭菌、提取抗原和自溶消化处理，消除了可溶性同种抗原，植入后骨形成比新鲜骨、冻干全骨或60钴辐照灭菌的冻干骨更多。
3、异种骨移植
动物骨来源广，避免了自体骨取骨可能引起的并发症，也无同种异体骨可能传播人类疾病的危险。但未经处理的异种骨移植后必然引起排斥反应，导致手术失败，是近百年来异种骨移植面临的主要难题。参与异种骨移植免疫反应的因素，包括特异性细胞免疫和体液免疫。曾采用冷冻、冻干和脱钙法处理异种骨，以消除其抗原性，均因效果不佳而不再使用。还曾使用各种脱蛋白骨，如Kiel骨、Oswestry骨和Bio-Oss骨，虽然抗原性极弱，但也丧失了诱导成骨活性而仅能起被动的骨传导和保护性支架作用。经如此处理的异种骨多以复合形式应用，如将Kiel骨复合自体红骨髓治疗包括假关节、良性骨肿瘤和创伤性骨缺损等多种伤病和关节融合术，疗效满意。但自体红骨髓来源有限，这种复合异种骨未能在临床推广应用。如何消除异种骨的抗原性同时保留其诱导成骨能力，是异种骨应用于临床必须解决的问题。国内胡蕴玉等研制的“重组合异种骨”，突破了异种骨处理的传统观念，对异种骨的抗原性和诱导成骨活性分别进行处理，即从异种皮质骨中提取BMP，将异种松质骨制成无抗原载体，然后将二者重新组合。小牛松质骨载体经脱脂、部分脱蛋白、表面脱钙和冻干等一系列处理，基本消除了抗原性，并保持了天然多孔结构，复合BMP后具有高效诱骨活性。小鼠肌袋模型实验表明，仅含0.5mg BMP的重组合异种骨，异位植入14d即有骨组织形成，28d后诱导产生成熟的骨组织。将其植入15mm兔桡骨缺损，4w后有新生
骨软骨形成，16w缺损完全修复。临床上重组合异种骨用于治疗骨不连、骨缺损和难愈性骨折，疗效好，移植骨多在2～6个月愈合，无明显排斥反应。
4、人工骨
许多人工骨材料已被应用于骨重建，复合有成骨潜能的细胞或生长因子后效果较好，但其植入后的长期可靠性是一个问题。人工骨材料须能满足以下基本要求：（1）具有良好的生物相容性；（2）具有一定的机械稳定性；（3）有微孔结构，使新生骨组织得以长入；（4）其吸收速度与新骨生长速度大致保持同步；（5）易于加工成所需大小和形状。生物陶瓷和可降解高分子生物材料是目前常用的两大类人工骨材料。
生物陶瓷作为植入物能满足人工骨的一般要求，其优点是生物相容性好，缺点是机械性能较差，硬而脆，易断裂。根据植入物与受体骨组织界面所发生组织反应的类型，可将生物陶瓷分为4型：（1）近乎惰性的晶体生物陶瓷：无生物活性，植入后与骨组织之间形成纤维膜，易松动脱落。临床上得到广泛应用的是氧化铝，可用作人工髋关节假体部件。（2）多孔陶瓷：包括多孔多晶氧化铝和羟基磷灰石（HA）涂层的金属，其特点为呈生物惰性，但在骨组织长入其孔隙时却形成高度迂曲的界面，从而提供了机械稳定性。（3）表面活性
陶瓷：包括生物活性玻璃（bioglass）、玻璃陶瓷（glass-ceramics）和羟基磷灰石，其化学组成与人体骨组织相近，可借助化学键直接与骨结合，即具有生物活性。近年研制出一种称为ceravital的玻璃陶瓷，与骨结合性能甚好，已成功地应用于脊柱外科和制造人工骨盆。HA陶瓷多与其它材料复合使用，如HA与自体骨、自体红骨髓、胶原、BMP、同种异体骨（脱钙骨基质或去抗原自溶脱钙同种骨）、煅石膏、聚合物和氧化铝陶瓷等复合，可克服HA缺乏骨诱导性和颗粒性材料成形困难的缺点。HA植入后不吸收。（4）可吸收的陶瓷：在宿主体内逐渐吸收而被形成的新骨替代，以磷酸三钙（TCP）为其代表。TCP之生物学特性与HA大致相同，其优于HA之处为植入后在体内缓慢降解吸收。现多用TCP作为载体复合各种生物活性因子使用，如TCP复合BMP，可发挥骨传导与骨诱导之双重作用。
可降解高分子生物材料生物相容性较好，可降解，且具有一定的机械强度，主要有聚乳酸（PLA）和聚乙醇酸（PGA），植入体内可作为支架起骨传导作用。但此二种材料降解后有酸性代谢产物积聚，特别是聚乳酸，可在体内形成无菌性窦道。利用此种材料较理想的降解速度，用以作为载体与具强诱导成骨能力的生长因子结合制成复合材料，比其它人工骨具有更多优点。
二、骨生长因子
生长因子能促进细胞增殖、分化和细胞外基质合成，对骨折修复的启动、发展、调控及改建起重要作用。鉴于此，应用生长因子试图促进骨折愈合就是很自然的了，而生长因子动物实验和临床应用结果也表明，生长因子用于骨折延迟连接或骨不连的治疗确有良好效果。虽然有许多生长因子参与调节骨折愈合，但目前只对少数几种的作用有所了解，其中研究较多的是骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein, BMP)、β转化生长因子（transforming growth factor β，TGF-β）、成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor, FGF)胰岛素样生长因子（insulin-like growth factor，IGF）和血小板衍生生长因子（platelet-derived growth factor,PDGF)。这几种因子由炎症细胞、成骨细胞和软骨细胞合成，在骨折愈合的整个期间均有表达。
1. BMP
由动物骨提取的天然BMP是几种不同分子量蛋白质的混合物，其临床应用在80年代末就有报道。Urist首先将BMP用于难愈性骨不连的治疗。其后Johnson等将高度浓缩的人BMP（内含BMP-2、BMP-4和OP-1）复合非胶原蛋白和去抗原异体骨植入骨折部位，治疗28例骨不连与骨缺损，其中26例（93%）一次治愈，2例经再次手术植入BMP也治愈。另一组4
7例胫骨和股骨不连接，植入天然BMP后均达到骨愈合。国内用天然牛BMP复合去抗原牛松质骨制成“重组合异种骨”，治疗骨不连和骨缺损，效果也很好。天然BMP产量毕竟有限，应用重组DNA技术生产的BMP(如rhBMP)与天然提取物相比，具有产量大、纯度高的优点，为广泛应用于临床提供了实际可能。现已从牛骨分离出7种BMP，并已用重组DNA技术表达了相应的人BMP，其中BMP-2和BMP-7(成骨蛋白-1,OP-1)研究较为透彻，已有关于临床应用的报道。
