腦外傷影響肢體骨折愈合相關機制的研究進展

李 磊 夏德萌 許碩貴

現代創傷所導致的骨折患者中有很大比例常在愈合期間發生骨不連，發生率達10%，因此探究促進骨折愈合的相關機制顯得尤為重要[1]。在臨床上20世紀就有相關報道，合并有腦外傷的四肢骨折患者與單純骨折患者的骨折愈合比較過程有所不同。相關研究表明伴有腦外傷的四肢骨折患者骨痂的形成常常快于單純骨折患者[2]。因此本文從研究腦外傷對骨折愈合的影響因素出發，對當前已有機制假說等研究成果進行綜述，以期能深入了解骨折愈合的機制，為臨床應用提供參考。目前對于這一現象的作用因素的假說主要有：①堿中毒學說；②機械刺激學說；③神經調節學說；④體液學說。

一、堿中毒學說

骨折愈合受到局部理化因素的影響，腦外傷常常引起患者的過度通氣，使血的pH值升高。Newman等[3,4]的回顧性研究通過對比合并腦外傷的骨折患者的動脈血pH值，發現該類患者的平均動脈pH值為7.49(7.35～7.45)較正常值升高，呈堿中毒。他們推斷合并腦外傷的骨折患者輕度堿中毒的內環境促進血鈣在骨折處沉淀，進而加速骨痂形成及骨折愈合。但目前未發現有研究者對該假說進行驗證。

二、機械刺激學說

骨折處動態的微動可能會刺激新骨形成從而促進骨折愈合。其中Yamaji等[5]認為在骨折間隙較小的情況下骨折處的微動可以在早期促進骨痂形成并加速骨折愈合。因此國內有研究者猜想合并腦外傷昏迷的骨折患者因腦外傷導致大腦皮質興奮，患者常有躁動或肢體肌肉痙攣，使得骨折處存在不同程度的活動，刺激骨折處骨形態發生蛋白合成分泌從而骨痂形成加速促進骨折愈合[6]。Perkins等[7]通過髓內針固定的方法排除了骨折處的微動因素，發現合并腦外傷的骨折患者與單純骨折患者比較，骨痂量仍多且形成速度快。因此，機械因素是否是合并腦外傷的骨折患者骨折愈合加速的主要因素仍有待進一步研究探討。

三、神經調節學說

研究表明不同水平的神經損傷對骨折愈合影響不同。有研究發現顱腦和外周神經的損傷可以加速骨折愈合而脊髓損傷導致成骨延遲[8]。骨折時骨及骨膜上感覺神經會釋放一種神經肽(neuropeptide，NP)，已有研究證實神經肽在骨痂愈合和促進骨折愈合的過程中有重要作用。目前已報道可以促進骨折愈合的神經肽主要有降鈣素基因相關肽(calcitonin gene related peptide, cGRP)、P物質(substance P, SP)、血管活性腸肽(vasoactice intestinal peptide, VIP)等[9]。釋放這些神經肽的肽能神經在骨組織分布廣泛，主要是骨膜、干骺端等骨組織生長活躍部位，其中含量較多的是免疫反應陽性的cGRP肽能神經。國內關于腦外傷加速骨折愈合的神經機制研究也主要是關于cGRP的研究。Hara-Irie等[10]對正常大鼠和失坐骨神經支配的大鼠的骨小梁進行比較，發現失神經支配的大鼠骨小梁密度明顯增加，說明骨骺區破骨細胞活動受到降鈣素基因相關肽陽性神經纖維的調節。

四、體液學說

Bidner等[11]用腦外傷患者的血清培養大鼠成骨細胞，發現合并腦外傷患者的血清促進成骨細胞有絲分裂活性強于無腦外傷患者且效應存在劑量依賴性，因而提出體液學說。現階段關于腦外傷后骨折愈合加速的機制的研究主要集中在體液學說方面，即合并腦外傷的骨折患者機體中最廣泛的體液成分變化對骨折愈合的影響。研究目標主要是腦脊液和血清中在腦外傷合并骨折患者中有顯著變化能夠促進骨折愈合的體液因子。目前主要研究的體液種類有兩個：激素和細胞因子或生長因子。

1.激素：患者遭受腦外傷后，由于應激以及顱腦功能的影響，其內分泌系統往往有一系列變化，各種激素水平的變化可能會對骨折愈合產生影響。綜合發現可能促進合并腦外傷患者骨折愈合的激素有生長激素(growth hormone, GH)、瘦素(leptin, LP)、甲狀旁腺激素(parathyroid hormine, PTH)和催乳素(prolactin, PRL)。(1)生長激素:生長激素除了對于機體的一般性促生長作用以外，還可以通過直接刺激成骨代謝，作用于軟骨細胞等方法促進骨折愈合。生長激素也可以通過刺激胰島素樣生長因子(insulin-like growth factor, IGF)合成表達，從而刺激骺板軟骨細胞增殖。Bail等[12]通過微型豬骨折愈合模型證明重組GH可以加速骨折愈合。Wilderburger等[13]研究發現單純骨折患者血清的GH水平在創傷早期有一過性升高，而合并腦外傷的骨折患者血清中的GH會有二次上升，且生長激素介導的IGF升高可長達14周，表明生長激素是促成腦外傷患者骨折加速的可能因素。(2)瘦素：瘦素是肥胖基因(OB)編碼合成的一種多肽激素，在能量代謝、神經內分泌、血管生成等方面發揮重要作用。 研究表明瘦素在中樞系統抑制成骨，而在外周促進成骨。Gordeladze等[14]在體外培養的成骨細胞中加入瘦素，結果發現瘦素能夠通過促進膠原合成從而促使成骨細胞轉變為骨細胞。汪雷等[15]檢測對比單純腦外傷、單純骨折及骨折合并腦外傷患者血清瘦素水平，發現創傷后瘦素水平升高。姚翔等[16]研究發現腦外傷中后期血清中瘦素升高明顯，提示瘦素可能是加速骨折愈合的因素之一。(3)甲狀旁腺激素：甲狀旁腺激素是甲狀旁腺主細胞分泌的多肽激素，生理功能主要是促進血鈣升高，血磷降低。PTH對骨的作用有雙向性，大劑量可促進破骨細胞分化，引起骨質吸收；小劑量間斷給予PTH刺激成骨細胞，成骨增加。國內外研究者也發現合并腦外傷的骨折患者血清PTH值比單純骨折患者和單純腦外傷患者高，表明PTH可能是加速骨折愈合的因素之一。 (4)催乳素：催乳素能夠誘導人骨髓間充質干細胞(human mesenchymal stem cell， hMSCs)增殖及向軟骨細胞分化[17]。除了生理狀態下的波動，PRL在應激狀態或受到包括腦外傷在內的多種創傷影響激素水平會顯著改變。Wilderburger等[18]研究發現，腦外傷合并四肢骨折的患者在創傷后5周血清PRL水平明顯升高，其濃度峰值出現于成骨活躍階段，提示PRL是影響成骨的因素之一。

2.細胞因子:合并腦外傷的骨折患者血液中可以發現許多促進骨折愈合的細胞因子，這些細胞因子在骨折愈合過程中相互影響共同誘導成骨，又稱骨誘導生長因子。目前研究的主要細胞因子有堿性成纖維細胞生長因子(basic fibroblast growth factor, bFGF)、胰島素樣生長因子(insulin-like growth factors, IGF)、血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)、轉化生長因子(transforming growth factor, TGF)、血小板衍生性生長因子(platelet derivative growth factor, PDGF)、骨形態發生蛋白(bone morphogenetic protein, BMP)等。(1)堿性成纖維細胞生長因子：FGF主要有aFGF和bFGF兩種形式，aFGF主要促進軟骨細胞生長，bFGF主要促進成骨過程。bFGF可以促進細胞有絲分裂、趨化、分化、血管形成，促進成骨細胞增生，加速骨、軟骨等組織的修復。Wilderburger等[19]發現單純骨折患者和單純腦外傷患者血清中的bFGF水平短暫升高，而腦外傷合并骨折患者血清bFGF水平呈現持續性升高。且Wilderburger團隊還發現血清中bFGF的增加往往伴隨堿性磷酸酶的顯著增加，他們猜測這種變化與腦外傷促進骨折愈合有著重要關系。國內研究者也針對bFGF進行了許多實驗，均發現合并腦外傷的骨折患者血清bFGF水平高于其他組且骨折愈合加快。他們推斷腦外傷加速骨折愈合的原因可能是以下兩點：①腦外傷后血清中bFGF水平增加，直接作用于骨折處，促進成骨細胞增殖，加速愈合;②bFGF作用于骨折處，對成骨細胞產生趨化作用，使更多干細胞向骨折處聚集，加速骨折愈合。(2)胰島素樣生長因子:胰島素樣生長因子受生長激素影響，生長激素在上文已有簡述，IGF主要分為IGF-1和IGF-2兩種。現有研究表明IGF-1是促進成骨的重要因子，它能減少骨膠質退化，加速膠原形成，增加骨質沉積，促進成骨細胞分化增殖。Wilderburger等[13]研究發現合并腦外傷的骨折患者血清IGF-1水平較單純骨折及單純腦外傷患者高。隨后國內對于IGF的研究均驗證此現象并發現IGF濃度高峰延遲。鄭少濤等[20]研究發現，IGF-2在促進骨折愈合過程中有一定作用。(3)血管內皮生長因子：血管內皮生長因子作為一種主要的生長因子， VEGF誘導骨折處血管生成，改善缺氧狀態并為成骨組織提供充足營養支持從而加速骨折愈合。腦外傷后患者缺氧狀態提示VEGF可能是加速骨折愈合的一個可能因素。Tarkka等[21]第一次通過腺病毒VEGF-A基因轉移方式驗證了VEGF在骨折愈合中的作用。國內研究發現合并腦外傷的骨折患者骨折局部的血清VEGF表達高峰提前且峰值增加，并證實腦外傷程度和VEGF表達呈正相關。(4)轉化生長因子：TGF-β是轉化生長因子超家族因子中的一種，能夠調節細胞生長分化，在骨生長及修復中有重要作用。Schmidmaier等[22]研究證實使用TGF-β可以在早期加速大鼠脛骨骨折愈合。有觀點認為骨折早期骨折處血腫內炎細胞和血小板分泌TGF-β促進骨折愈合，而合并腦外傷的骨折患者顱腦血腫進一步分泌TGF-β并通過受損的血腦屏障作用于骨折處加速骨折愈合。但王守君等[23]研究發現合并腦外傷的骨折患者血清TGF-β降低，骨折局部的TGF-β濃度升高。他們推測TGF-β水平降低的原因是腦外傷合并骨折后TGF-β向損傷區趨化加速修復，而損傷處的修復消耗大量TGF-β導致血清TGF-β水平下降，在骨折愈合后恢復正常。(5)血小板衍生性生長因子：血小板衍生性生長因子作為骨生長因子能夠促進成骨細胞，成纖維細胞，平滑肌細胞的分裂與增殖，協同其他生長因子促進骨折愈合。國內研究者研究發現在合并腦外傷的骨折患者的腦組織及骨折處可檢測出PDGF顯著表達，體外實驗亦證實PDGF對骨折愈合的顯著促進作用。由此推測PDGF可能是腦外傷促進骨折愈合的一種可能因素。(6)骨形態發生蛋白：骨形態發生蛋白屬于TGF-β超家族，具有誘導成骨作用。Park等[24]研究發現BMP-2成骨能力更強，在局部成骨作用強，且體內外均能成骨，可以加速骨折愈合。郭啟等[25]通過免疫組化和RT-PCR檢測合并腦外傷的骨折患者骨痂中BMP-2及其基因表達發現，該類患者骨折處BMP-2 mRNA表達顯著高于單純骨折和單純腦外傷患者。

五、展 望

骨折愈合是指損傷后骨組織及其功能的生理性修復，是涉及成骨細胞、破骨細胞等多種細胞和影響因子共同參與的復雜過程。而腦外傷的預后取決于創傷后原發性和繼發性損傷。顱腦在遭受創傷打擊時發生由腦震蕩、腦挫傷、撕裂傷和軸突牽拉傷組成的原發性腦損傷。在原發性損傷后顱腦在復雜的免疫、生化、生理變化下產生繼發性腦損傷。而繼發性腦損傷受到不同過程的多種因子影響，如炎癥、水腫、細胞死亡、線粒體損傷、自由基產生和血-腦脊液屏障的破壞。骨折愈合與腦外傷之間的相互關系一直是研究的熱點。

雖然早在1960年Gibson等首次報道合并腦外傷的股骨骨折患者的骨折處有大量骨痂形成，但關于驗證腦外傷加速骨折愈合的臨床研究仍有待嚴格的隨機對照研究。現有研究關于合并腦外傷的骨折患者骨折愈合加速機制的猜想主要有4種，其中堿中毒和機械因素已有研究將其可能排除，而體液學說是目前研究的重點[7]。體液因子加速骨折愈合的機制可能有：(1)腦外傷導致血-腦脊液屏障損傷，顱腦內某種體液因子釋放入血，富集到骨折處加速骨折愈合。(2)腦外傷導致顱腦功能破壞，激素水平變化，某種促成骨激素水平升高或抑制成骨激素降低從而促進成骨。(3)神經學說在某種程度上因為神經支配局部釋放的因子可以看作是體液的一種，亦可以依照體液學說的研究方法進行評估。

目前針對體液學說的研究大多聚焦于某種單一影響因子，如TGF、VEGF、BMP等，通過在已知血清中促進成骨的因子中篩選腦外傷后快速增加的因子進行實驗，實驗方法多是通過將實驗動物分為單純骨折組、單純腦外傷組、腦外傷合并骨折組以及空白對照組，對各組血清中研究因子進行測量對比得出結論。骨折愈合過程復雜，影響因素影響因子繁多，且不同因子間相互聯系共同構成促進成骨的體液網絡，研究單一的體液因子往往忽視了體液整體的促成骨作用。筆者也注意到有些因子，例如GH和IGF等，并非同時產生，它們之間有著從上至下的整條通路。已有研究者針對某些基因進行研究，試圖在上游找到影響骨折愈合的真正原因[13]。故筆者針對目前現有基礎研究建議可以通過近年來分子生物學中基因組學、蛋白組學、代謝組學等角度對這一現象進行深入研究。而在實驗動物的選擇上，筆者發現嚙齒類動物SD大鼠是眾多研究的首選，但存在著大鼠經受腦外傷后易死亡，骨折模型難以建立等問題。

綜上所述，目前體液學說是否能正確解釋這一現象以及哪些體液因子能夠加速腦外傷患者的骨折愈合至今尚未有定論。但本文上述的各類原因有較大可能性解釋這個持續了半個多世紀的困惑。倘若能夠針對這幾種因子及其上下游進行深入研究，最終闡明這一機制并探明確切因子，利用該因子臨床醫生便能夠促進腦外傷患者骨折快速愈合，同時應用臨床治療骨折延遲愈合或骨不連患者，極大改善患者的預后。