骨搬移技術的現狀及研究進展

王藝欽 陽富春

廣西醫科大學第一附屬醫院（南寧530021）

骨搬移技術，是遵循張力應力法則利用活性骨塊搬移治療大段骨缺損的外科技術。由20 世紀50年代Ilizarov 發現并命名的Ilizarov 技術經過三個階段的發展：環形外固定支架、牽張成骨、骨搬移，已經越來越多地廣泛應用于醫療領域。隨著社會快速發展，高能量損傷導致的大段骨缺損病例越來越多，骨搬移在治療大段骨缺損方面被廣泛使用，能很大程度上避免了其他技術如自體骨移植、同種異體骨移植等的不足。骨搬移主要分3個階段：潛伏期、搬移期、固化期。潛伏期是截骨術后至搬移期開始前時期，一般為5～7 d。潛伏期的生物活性與骨折愈合初期相似，主要表現為血腫形成，骨折斷端的骨細胞、破損的骨膜和周圍細胞發生壞死，并釋放多種成骨因子。搬移期，利用外固定支架以恒定的速度（一般為1 mm/d）持續穩定的牽張分離兩截骨端，在外界持續穩定的機械牽張刺激下，骨搬移區的成骨性因子和成骨性細胞始終保持高水平和高活性狀態，持續刺激搬移區的骨質再生。隨著搬移期的牽張延長，搬移區逐漸分為幾個區域，中央纖維區、編織骨區、小梁骨區和軟骨組織區[1]。搬移期結束后即進入到固化期，在固化期堅強固定的靜止條件下，搬移區的類骨質轉化為礦化骨，搬移骨再生過程中合成分泌的高濃度代謝生長因子隨著骨骼重塑形成成熟皮質和松質骨而逐漸下降至正常水平。由于骨搬移技術從安裝支架開始到成功拆除支架，所需時間較長，故臨床治療期間會受到多種因素的干擾，影響搬移骨再生。本文簡要回顧了骨搬移技術目前的主要研究方向及臨床主要相關影響因素。

1 骨搬移促骨痂再生實驗研究

1.1 成骨因子研究顯示，骨搬移過程中，搬移區成骨因子水平明顯升高，在搬移過程中具有啟動和持續刺激骨再生的作用。其中被研究最多的成骨因子是骨形態發生蛋白2（BMP2）[2]和轉化生長因子β1（TGFβ1）[3-4]。BMP2和TGFβ1 均屬于轉化生長因子超家族成員，主要經過Smads信號通路級聯作用，促進骨髓間充質干細胞增殖分化為成骨細胞或成軟骨細胞，刺激成骨細胞分泌骨基質參與成骨，對成骨過程具有啟動和刺激誘導作用。生長因子具有良好的促成骨作用，是當前的研究熱門。主要方面有局部應用BMP2[5]和TGFβ 1 促進搬移骨再生和BMP2和TGFβ1 基因治療[3，6]等。美國FDA 已批準BMP2 用于臨床骨折和椎體融合治療。我國也有BMP2的相關產品應用于臨床，如骨優導等。雖然BMP2 有良好的促進成骨作用，但有臨床病例報道其具有促進異位骨化[7]風險。臨床應用BMP2 出現異位骨化等風險的高低與使用劑量濃度是否呈相關性仍需進一步研究證實。也可嘗試聯合應用生長因子和其他促成骨方式如機械刺激等方式來綜合促進搬移骨再生。

1.2 富血小板血漿富血小板血漿是全血經過離心沉淀后獲取的上層富含高濃度血小板的血漿。血小板與機體的凝血功能有關，也具有修復血管內皮功能，此外，血小板是除了骨組織外內含有TGFβ1 因子最高的組織[8]。在骨搬移區注射富血小板血漿，有助于血腫轉化為血凝塊，促進肉芽組織的形成，同時TGFβ1的作用下，促進間充質細胞增殖分化為成骨細胞或成軟骨細胞，促進成骨。有研究結果顯示，自體富血小板血漿局部注射于骨搬移區，能夠促進骨搬移區的愈合[9]。臨床上自體富血小板血漿收集方便，具有明顯的安全性和一定的臨床應用前景和實用價值[10-11]。但LATAlSKI[12]的臨床報告顯示，患者注射自體富血小板血漿后，24 h內出現皮疹，伴有咽炎，扁桃體腫大，咽后部黏液膿性分泌物和眼瞼腫脹，使用雷氯他定等抗組胺藥物治療后，皮疹消失，皮內試驗陽性（10 × 13 mm），研究者認為，雖然純自體富血小板血漿應用于自身是安全的，但是由于目前制備方法多樣，導致有可能在制備過程中的干預會降低對自身使用的安全性。因此，在使用自體富血小板血漿用于治療前，應規范化采集富血小板血漿的操作流程，避免其他來源物質的影響；且應常規進行皮試，以避免發生過敏性休克的可能。自體富血小板血漿取材方便、制備簡單及可吸收等特點使其在骨缺損修復方面擁有著廣闊的應用前景。但是目前仍沒有規范統一的高效穩定的制備方法，以減少因外界干預導致可能出現的不良反應。另外，能否使用同種異體的富血小板血漿，這樣就能減少對患者的二次傷害。這些都是今后潛在研究方向。

1.3 細胞移植細胞移植主要包括干細胞移植和成骨細胞移植。移植干細胞來源主要有：骨髓間充質干細胞、內皮祖細胞、脂肪間充質干細胞、牙髓干細胞等，移植的方式主要為搬移區局部注射干細胞懸液、植入生物支架或細胞膜片等，通過保持骨搬移區局部相關骨生成細胞的濃度，達到促進骨再生目的。

傳統的干細胞植入方法如局部注射干細胞懸液，由于去除了細胞外基質成分，存在弱化或抑制干細胞分化成骨能力的可能性。細胞膜片組織工程技術是一種保存細胞外基質的細胞處理方法，RANSOM 等[13]研究表明，搬移再生區域骨質主要來源于骨骼中的干細胞，在骨搬移期間，骨組織干細胞通過粘著斑激酶（FAK）進行機械轉導激活基因調控程序，在骨搬移區中刺激骨再生。MA 等[14]在研究中，將實驗動物新西蘭兔分為兩組，實驗組為將骨髓間充質干細胞膜片種植在羥基磷灰石表面形成種植體，植入兔脛骨搬移區內，對照組為在兔脛骨搬移區內局部注射骨髓間充質干細胞懸液作為對照組，結果顯示實驗組的成骨效果比對照組明顯增多，提示細胞膜片技術比局部注射干細胞懸液具有更優的成骨能力。盡管干細胞移植在促進搬移骨再生方面具有良好的效果，但是由于在臨床上干細胞提取相對困難，且價格昂貴，目前仍難以在臨床推廣應用，故今后的研究方向應集中在細胞移植方式的簡單化和廉價化，才真正有可能在臨床普及推廣。

1.4 低強度脈沖超聲低強度脈沖超聲（low intensity pulsed ultrasound，LIPUS）是一種聲壓波，具有無創性和機械刺激效應。近年來，有實驗研究利用低強度脈沖超聲的機械能量，促進搬移骨再生與成熟的治療[15-16]，大部分研究結果提示應用低強度脈沖超聲具有促成骨作用，且該技術操作簡單，易于在臨床推廣應用，具有良好的臨床應用前景。有許多實驗都描述了低強度脈沖超聲對骨折或骨搬移的愈合有促進作用，但均未能從微觀層面分析產生結果的原因。在此可以嘗試分析，低強度脈沖超聲具有固定的脈沖強度和脈沖頻率，以機械能量形式作用于骨折或骨缺損區，骨細胞主要通過腔隙小管系統的壓力變化來感知外界的機械信號，從而完成機械信號轉導調節破骨細胞的形成和活性[17]。與骨搬移技術通過牽張產生機械壓力相似，低強度脈沖超聲通過特定強度和頻率的脈沖產生機械壓力通過腔隙小管系統將信號轉導到骨組織細胞，從而促進搬移骨再生。但也有實驗得出不同的結論，即低強度脈沖超聲并不能有效縮短搬移骨再生的時間[18-19]，故有待進一步更精細的實驗研究加以驗證其成骨原理，從更深層面揭示低強度脈沖超聲是否真正具有促成骨作用。

2 影響臨床搬移骨再生因素

2.1 患者體質和營養狀態有研究表明，營養不良或腸道吸收不良的疾病，如厭食[20-21]和乳糜瀉[22]會嚴重影響骨骼健康，并對成骨不利。LUMPKIN等[23]將骨搬移鼠模型分為正常進食組（對照組）和腸內營養組（實驗組），結果顯示對照組體重在固化期結束時才恢復至術前體重，而腸內營養組在搬移期間體重就達到術前水平。放射學和組織學結果顯示，相同搬移時間的實驗組骨痂再生量比對照組高，且實驗組搬移區成骨細胞和破骨細胞均比對照組高，提示骨搬移術后良好的營養支持能有效促進搬移骨再生。而長期酗酒具有顯著的抑制骨再生功能[24]。BROWN 等[25]在研究中對比了單純骨搬移鼠和骨搬移并乙醇干預鼠的骨再生情況，結果表明乙醇干預鼠的骨再生量明顯比對照組低，提示乙醇暴露會影響搬移骨再生。此外，煙草中含有的尼古丁成分也對骨再生愈合產生抑制效果，包括搬移期和固化期的骨再生[19，26]。LI 等[27]研究顯示，尼古丁暴露上調缺氧誘導因子1α和血管內皮生長因子VEGF的表達，增強血管生成，但抑制骨形態發生蛋白2BMP2的表達。結果表明，兔骨搬移治療中，尼古丁的血管增強效應不能補償尼古丁對骨愈合的抑制效應，總體結果是導致骨愈合能力下降。該研究顯示，尼古丁可促進血管VEGF 生成，卻抑制BMP2，從而導致最終骨愈合能力下降，在隨后的研究中如能揭示尼古丁抑制BMP2的促成骨作用，則有望為未來的臨床治療策略提供新的思路。

2.2 糖尿病及其治療藥物糖尿病是臨床上的常見病，并且廣泛影響機體的組織和器官的正常功能，而且糖尿病對骨折修復有顯著影響。CARlOS等[28]研究了在骨搬移過程中，Ⅱ型糖尿病可能對搬移骨再生有抑制作用。另外，Ⅱ型糖尿病的治療藥物羅格列酮也可能會對骨形成有進一步的抑制作用。STAGE 等[29]研究了羅格列酮對骨缺損修復模型和骨搬移修復模型的影響，結果表明羅格列酮通過抑制間充質干細胞增殖分化和血管生成因子表達機制，對骨缺損修復模型和骨搬移修復模型的骨生成均產生抑制效果。DESMOND 等[30]研究顯示，二甲雙胍與成骨細胞結合，在成骨細胞中抑制細胞內的活性氧種類產生并誘導單磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMPK）磷酸化/活化。這增加了一氧化氮合酶的活性和一氧化氮的產生，促進了成骨細胞的增殖。此外，活化的AMPK通過RUNT相關轉錄因子2和小異二聚體伴侶的表達上調成骨細胞的分化和礦化，同時通過降低成骨細胞核因子-κB 配體的還原受體激活劑/骨保護素比率降低破骨細胞的募集和骨吸收活性，增強成骨作用。綜上所述，骨搬移治療修復骨缺損期間應用羅格列酮可能對骨再生有抑制作用，而二甲雙胍治療則可能具有促進骨再生作用。

2.3 骨質疏松及其治療藥物臨床上不乏老年患者或者骨質疏松患者需要使用骨搬移技術治療大段骨缺損等骨科疾病，但是老年人或者骨質疏松患者的骨再生能力較正常成年人的骨再生能下低下，所以以正常骨搬移速度進行搬移牽拉，容易導致骨質生長緩慢或骨再生停止[31]。臨床上往往需要對這類患者的術前血清鈣濃度進行檢測和對術后骨搬移速度進行個體化的調整，以達到相適應的搬移速度。但目前由于缺乏相應的診斷標準來確定個體化的搬移速度，而只能依靠臨床醫生的經驗進行調整，而搬移速度過快或者過慢均容易導致早期固結或者骨質不生長情況發生，影響后續的治療。

臨床上治療骨質疏松藥主要有雙磷酸鹽、雌激素及其受體調節劑、降鈣素等抗骨吸收藥和甲狀旁腺激素等促骨形成藥物。其中雙膦酸鹽和甲狀旁腺激素是臨床上運用最多的抗骨質疏松藥物。甲狀旁腺激素是依賴于機體內維生素D和鈣含量發揮促進骨生成和礦化的生物活性物質，目前也已被批準用于臨床治療骨質疏松的代謝性藥物[32]。臨床上不乏患骨質疏松患者需使用骨搬移技術進行治療骨缺損等外科疾病[33]。對于是否在此類患者身上應用甲狀旁腺激素能有效促進骨質疏松患者的搬移骨再生愈合，WAGNER 等[34]研究發現，在搬移期開始，每日給予甲狀旁腺激素類似物特立帕肽0.2 μg 皮下注射，連續使用8周，骨密度結果顯示，實驗組比空白對照組的固化期骨質再生明顯增加。但MILSTREY 等[35]研究不同劑量（10、40、200 μg/kg）甲狀旁腺激素對骨折骨質再生的影響時發現，甲狀旁腺激素劑量依賴性地刺激骨折早期骨痂形成，但骨的生物力學剛度并未呈劑量依賴性增加，相反，在體外實驗中，200 μg/kg甲狀旁腺激素處理組的礦化骨痂反而減少，考慮高劑量甲狀旁腺激素對骨有代謝分解作用。目前關于甲狀腺激素促進骨再生的研究結果基本呈現促成骨作用，但具體作用機制未明確，有待后續研究跟進，明確甲狀旁腺激素的信號通路網絡及與其他成骨活性分子間相互作用后，將有可能成為臨床上取代或協同BMP2 用于促進搬移骨再生的生物活性物質。

雙膦酸鹽能特異性與骨質中的羥膦灰石結合，抑制破骨細胞活性，從而抑制骨質吸收，也是臨床上常用的抗骨質疏松藥物。有實驗表明雙膦酸鹽能有效促進動物模型中局部肢體骨礦物密度的改善和再生強度。PATRICK 等[36]的臨床對比研究顯示，骨搬移聯合雙膦酸鹽治療組比單純骨搬移組的骨密度高，提示骨搬移治療期間聯合使用雙膦酸鹽能有效促進搬移骨再生，縮短治療時間。

2.4 骨搬移期間的處理在搬移期和固化期，患者適當的活動和負重對搬移骨再生成熟具有重要作用[1]。搬移截骨術后使用抗生素，對于搬移骨再生無抑制作用[37]。非甾體抗炎藥是否對搬移骨再生有促進或者抑制影響仍未明確[38-39]。然而，在血清中具有較短半衰期的藥物，例如布洛芬，短期使用中等劑量的情況下，對成骨作用和骨的愈合并無抑制作用。但也有研究顯示，吲哚美辛似乎與其他的非甾體類抗炎藥不同，吲哚美辛具有抑制成骨作用[40-41]。有實驗顯示，預防性使用抗凝劑利伐沙班和依諾肝素預防骨科手術的血栓栓塞，對骨再生愈合無影響[42]。惡性骨腫瘤的術后化療對骨愈合是否有影響，目前仍未有大規模動物或臨床試驗探究驗證，但有研究顯示，術后化療對骨搬移成骨無明顯促進或者抑制作用[43]，但具體結論還需更深入研究探索。

3 進展及展望

隨著對骨搬移技術研究的深入，越來越多具有促進搬移骨再生潛力的治療方法被人們發現。在此基礎上，聯合使用上述方法也許會達到更好效果[44]，更能有效促進骨再生，縮短骨痂愈合的時間，具體實施還需有待更進一步的研究。在臨床上，患者營養狀態、系統性疾病如糖尿病和骨質疏松、藥物的使用通常會影響再生骨的質量[25]，而如何對這些患者進行個體化糾正方案和監控以達到最優化治療就成了臨床醫生最關注的方面。在需要時或可通過注射富血小板血漿、成骨因子（BMP2 等）或聯合應用雙磷酸鹽和甲狀旁腺激素來促進骨再生，達到輔助骨搬移技術治療大段骨缺損的治療目的。