骨搬移技術治療骨不連的分子機制研究初探

于大淼(綜述),廉永云(審校)

(哈爾濱醫科大學附屬第四醫院骨科,哈爾濱 150001)

骨不連是臨床骨科中常見的并發癥,也是骨折治療面臨的重要難題,骨不連的發生率在5%～10%[1]。以往人們對于骨不連細胞的認識多局限于功能退化,對在骨不連治療過程中如何促進成骨細胞的分化以及抑制破骨細胞的分化研究較少。近年來,隨著關于骨組織對力信號研究逐漸深入,在骨搬移技術治療骨不連過程中需要逐漸弄清在矢量力打擊下對骨細胞直接以及間接影響,包括什么是力的信號,骨細胞與力信號量化關系,經力打擊后兩種骨細胞之間的消亡與分化情況,生理條件下的應力與外加應力之間的關系,以及如何合理運用壓應力。本文主要針對壓應力誘導破骨細胞分化作用的影響,探討在未來臨床實踐中作用和意義。

1 骨不連的定義

經過長期臨床觀察，反復X線攝片及相應影像學復查,骨折斷端經過治療(包括內固定手術治療或石膏夾板等外固定治療),超過通常愈合時間(3個月)不愈,再度延長8個月仍沒有愈合跡象或愈合趨勢，或出現骨溶解、骨吸收,稱之為骨不連,也有文獻稱為骨不愈合[1]。

2 骨不連的分類

根據影像學表現，骨不連可分為萎縮性和增生性兩大類。增生性骨不連的骨折端大量肥大骨痂形成,萎縮性骨不連的骨折端萎縮光滑,無任何骨痂生成跡象,偶伴有骨溶解。對于增生性骨不連接，大部分可以達到治療滿意效果[2-4]；而對于萎縮性骨不連，尤其伴有明顯的骨缺損的治療相對困難,傳統的治療方式是切除骨折斷端硬化骨,清除骨不連斷端間組織、鑿通髓腔、堅強內固定和植骨[5-6]。

3 骨搬移技術

骨搬移技術是Ilizarov 獨創的一種治療骨缺損的方法。具體方法是不直接處理骨折斷端,而是將長骨端健存部骨截斷,利用外固定架上固定骨的可移動鋼針,每日間斷均勻移動1 mm距離的活性骨塊,共20次(具體愈合時間主要取決于骨缺損面積的大小)。要求每次相隔時間相等,力量均等,對骨折骨不連處給予持續緩慢的應力刺激,使骨不連處的軟組織逐漸吸收,并出現骨折愈合跡象,而截骨處牽拉使部分骨組織延長再生,從而達到修復骨缺損、治療骨不連、矯正肢體畸形的目的,同時也能夠促成周圍軟組織化骨[7-8]。所以，骨搬移技術就是通過骨外固定技術,對局部軟組織及其骨不連細胞給予持續緩慢的壓應力刺激,促使向成骨細胞分化,抑制破骨細胞分化,并且使不必要的組織細胞凋亡,從而達到修復骨缺損、治療骨不連的目的。

4 破骨細胞、成骨細胞、細胞核因子κB 受體活化因子及其配基的信號通路

破骨細胞在骨折愈合的各個時期都表現出吞噬能力,尤其是骨折第一期也就是纖維連接期最為明顯,導致骨折端連接脆弱,骨痂消失,無法適應來自不同方向的力的需要[9]。骨折端硬化和髓腔閉塞是骨不連的先兆,而成骨細胞的作用與其相反,它主要是通過促成骨折斷端之間骨纖維連接從而促成骨痂的生成。但是，骨痂如何形成與骨折復位時的解剖結構關系很大,與骨折復位時骨膜的損傷情況即營養骨折斷端血運密不可分[10]。骨組織是一類較為復雜的結構,以下是產生骨不連組織的幾點可能的因素：①破骨細胞的吞噬能力明顯較成骨細胞的增生能力強；②成骨細胞轉化為骨細胞的外界條件不充分以及轉化速度較慢；③老化細胞吸收情況較差；④死骨的排除渠道較少以及排除速度較慢；⑤新骨生成狀況不佳等。研究表明，骨保護素(osteoproteprin，OPG)/核因子κB 受體活化因子配基(receptor activator of nuclear faetor-κB ligand，RANKL)/核因子κB 受體活化因子(receptor activator of nuclear faetor-κB,RANK)信號通路系統在破骨過程中尤為活躍[11]，說明此生物學信號與骨不連密切相關。

RANKL是腫瘤壞死因子受體家族成員之一，其來源點很多,多見于巨噬細胞、成骨細胞、T細胞。可溶性RANKL的活性更為明顯[12]。OPG也是腫瘤壞死因子家族成員，僅由成骨細胞系細胞表達。RANK本身是破骨細胞前體細胞上的一種腫瘤壞死因子受體蛋白，被RANKL識別后能將破骨細胞分化作用發揮出來,而且RANK是起該作用的唯一靶信號受體。那么，OPG、RANKL和RANK三者關系是什么呢？僅以成骨/基質細胞上表達的RANKL為例,在各種破壞因素及刺激因子，如骨損傷、骨缺血、骨破壞、骨溶解、骨吸收因子作用下,RANKL與破骨前體細胞上的RANK結合,瞬間可將RANKL自身信號轉移至破骨前體細胞,隨即引起連鎖反應,加劇擴增,這一過程完成后破骨前體細胞轉變成成熟的破骨細胞。RANKL為OPG的配體。OPG僅為多種成骨細胞系細胞表達,如何使抑制破骨細胞成熟,OPG起到關鍵作用,當OPG與RANKL結合,阻斷了RANKL與破骨前體細胞上的RANK信號通路,使其相互作用消失[13]。綜上所述,RANKL信號通路在破骨細胞各個階段調節中的作用非常重要。骨量的維持是一個動態平衡,必不可少的條件是身體需要維持一定范圍的生理壓力，含量最豐富的骨組織中的骨細胞是骨組織組成的主要物質。

5 壓應力如何抑制破骨細胞分化

近些年來發現，多種中藥,如淫羊藿、杜仲、大黃等對OPG/RANKL/RANK系統有影響[14]。但是，在有關壓應力如何發揮對OPG/RANKL/RANK系統的影響目前相關文獻報道甚少。而骨組織與力的關系有著復雜的互動關系,成骨細胞分化骨細胞，骨組織中應力的主要感受靶器官是骨細胞[15]。除已知通過OPG/RANKL/RANK系統成骨細胞和破骨細胞相互作用外,骨細胞也可以通過相應的生物學信號對破骨細胞有一定的抑制力。目前認為仍是骨細胞的OPG/RANKL/RANK系統在起作用[16]。You 等[17]通過觀察RANKL/OPG比值的顯著變化,認為對骨細胞施加脈沖剪切應力是有效果的。Mulcahy 等[18]的骨細胞損傷試驗表明,RANKL釋放程度與骨損傷程度(包括損傷時間和損傷大小)呈正比，而與OPG釋放程度呈反比。目前認為機械壓應力能使RANKL和RANK相互作用消失,而有效地抑制破骨細胞的作用,加強成骨細胞的作用,刺激骨痂的形成。在壓應力作用下,RANKL /OPG 比值是發生變化的,比值大時傾向于發生骨吸收，比值小時傾向于骨形成。可見,在壓應力作用下,RANKL/OPG 比值的大小反映破骨細胞能力的大小。當然,破骨細胞形成個數與RANKL/OPG 的比值在降低時間點還沒有一個完全的量化關系,也就是說并不是一一對稱的,RANKL在加力后4 h 降至最小點,OPG在加力后1 h降至最小點[19]。從而看出,破骨細胞形成成熟過程較為復雜。在不同的壓應力下RANKL降低與OPG增長的幅度不盡相同,現在已知RANKL/OPG的變量對骨密度以及骨強度有一定的參考作用[20]，但力學信號和信號的參數關系目前還在進一步探討中。

6 結 語

生理條件下的應力是人體生長發育所必須的要素之一,與骨組織的形成息息相關,與自身修復損傷骨組織密不可分。但在長期臨床觀察中發現，很多患者通過自身生理條件下的應力無法承擔損傷骨組織的修復功能,現在考慮主要是因為缺乏力量強度。這就給予臨床以及科研一個思考和研究的方向,也提供了一個廣闊研究空間,而且對臨床的指導意義極大。通過對生理條件下的應力以及外加壓應力的研究找到兩者的相互補充的量化指標；深入探討和認識壓應力-骨生長關系,尤其對壓應力分子機制的認識,可以為臨床治療中面臨的壓應力刺激不足的組織修復難題提出新的解決方案。

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