三花接骨散對股骨骨不連模型大鼠BMP-7/Runx2通路及骨愈合的影響

路鵬飛 田俊華 楊 程

1 重慶市長壽區人民醫院骨一科 401220； 2 中國人民解放軍聯勤保障部隊第九九〇醫院骨科； 3 岳陽市第一人民醫院骨科

股骨骨不連指股骨骨折經過治療，8個月后仍達不到骨性愈合，連續3個月未見任何愈合現象，稱之為股骨骨不連[1]。股骨骨不連主要包括萎縮性、肥大性以及滑膜假關節形成性骨不連[2]，然而其具體發生機制尚不明確。目前認為原因有軟組織破壞、血運不佳、大塊骨缺損、骨折端固定不牢等，造成新生骨折斷端部分骨質喪失、缺損間隙纖維瘢痕肉芽組織填充、骨折斷端間連續骨痂形成缺少、骨性愈合延長或骨不連[3-4]。近有研究發現，骨形態發生蛋白(Bone morphogenetic protein，BMP7)/轉錄因子蛋白2(Transcription factor protein 2，Runx2)信號通路可調節成骨分化及礦化并參與骨骼生長、修復、股骨形成、骨愈合等生理過程[5-6]。本研究所采用的三花接骨散具有活血化瘀、消腫止痛、接骨續筋等功效，臨床上常用于治療骨折筋傷、瘀血腫痛等癥狀[7]。但三花接骨散對股骨骨不連骨愈合的作用未見報道。本研究建立大鼠股骨骨不連模型，對此進行探討，以期為臨床用藥提供參考。

1 材料和方法

1.1 實驗動物 清潔級(SPF)同遺傳背景SD雄性大鼠60只，體重200～220g，6～7周育齡，購自首都醫科大學實驗動物科學部[SCXK(京)2014-0018]。所有大鼠于本院動物房中飼養，飼養條件：自然光照，自由飲食、飲水，溫度25℃，相對濕度50%。實驗動物遵循3R原則。

1.2 主要試劑及儀器 三花接骨散(批號：2019122501，購自營口三花制藥有限公司，規格：5g/袋)；復方骨肽注射液(批號：2019062101，購自南京新百藥業有限公司，規格：5ml∶75mg/支)；HE染色試劑盒(貨號E677218-0200，購自上海生物公司)；血管內皮生長因子(VEGF)ELISA試劑盒(貨號：LCS30913，購自廈門侖昌碩生物科技有限公司)；血小板衍生因子(PDGF)ELISA試劑盒(貨號：70-EK9137-96，購自杭州聯科生物技術股份有限公司)；BMP-7、骨鈣素(Osteocalcin，OCN)、轉錄因子蛋白2(Runx2)等抗體(貨號：ab129156、ab93876、ab76956)等，均購自美國abcam公司；BCA蛋白定量試劑盒(貨號：P0768，購自美國Pierce公司)。光學顯微鏡(型號SMZ745，日本尼康公司)；半干轉膜儀(型號Trans-Blot SD，美國Bio-Rad公司)等。

1.3 方法

1.3.1 大鼠股骨骨不連模型建立及分組給藥：參照文獻[8]構建股骨骨不連模型，具體操作方法為：用3%戊巴比妥鈉麻醉，將動物俯臥位固定于手術臺上，取右側髕旁縱行5mm切口，牽開髕骨暴露股骨遠端內外側髁，用電鉆將1根克氏針從內外髁之間逆行打入至髓腔并自股骨近側端穿出皮膚，將遠端克氏針截斷并保證其埋入膝關節面下。于股骨中段外側切約1mm切口，沿肌間隙暴露股骨，用線鋸鋸斷(注意保護周圍肌肉血管等軟組織)，將骨折端兩側骨膜各灼燒2mm(仔細操作防止灼燒致骨皮質壞死)，用無菌生理鹽水沖洗切口及皮膚并用尼龍線縫合，術后大鼠自然清醒，右下肢活動欠佳視為造模成功。正常對照組10只大鼠骨折端不做處理，其余同模型組。將造模成功SD大鼠隨機分為模型組，三花接骨散低(1g/kg)、中(4g/kg)、高(8g/kg)劑量組，復方骨肽注射液組(陽性組，25mg/kg)，每組10只。術后待大鼠清醒開始給藥，三花接骨散參照文獻[7]及人大鼠等效劑量換算設置各劑量組，并用生理鹽水配置為0.10、0.40、0.80g/ml的混懸液，以10ml/kg劑量灌胃給藥；陽性組參照文獻[9]經皮下以10ml/kg的劑量注射復方骨肽注射液(2.50mg/ml)；正常對照組、模型組灌胃給予等劑量生理鹽水。均連續給藥8周，2次/d。

1.3.2 X射線檢測大鼠股骨愈合情況：末次給藥禁食禁水12h后，用3%戊巴比妥鈉麻醉大鼠，采用Faxitron小動物活體成像系統對右后肢股骨骨折處拍攝數字X線攝影(Digital radiography，DR)片，并進行評分。各組評分取平均值，評分越高，預示骨折愈合情況越好。

1.3.3 標本采集：做完X射線檢測后，將各組大鼠麻醉，經腹主動脈取血3ml置于肝素鈉抗凝管中，抗凝15min后，在3 000r/min條件下離心10min，取上清液，置于-20℃冰箱中保存；斷頭處死大鼠，剝離大鼠右后肢皮膚，取右后肢完整股骨，查看骨折愈合情況，包括骨痂色澤、質地、斷端活動等。用小刀刮取骨折線處結痂組織0.5g置于-80℃冰箱保存，取骨折端、骨不連連接區組織及兩側正常股骨約1cm，置于4%中性多聚甲醛固定24h備用。

1.3.4 血清VEGF、PDGF指標檢測：取1.3.3項下-20℃保存的血清，置于4℃冰箱中解凍后，采用ELISA試劑盒分別檢測血清VEGF、PDGF水平，具體操作按說明書進行。

1.3.5 股骨組織HE染色：取1.3.3中固定24h后的股骨組織，用10%乙二胺四乙酸脫鈣1周，若注射器針頭可輕松刺入骨質中表示脫鈣完成。然后進行常規透明、浸蠟、包埋、切片，取部分切片進行HE染色，光鏡下觀察股骨組織形態變化，并參照文獻[10]根據骨愈合(NILSSON)組織學分級標準進行評分。

1.3.6 Western blot法檢測骨痂組織BMP-7、OCN、Runx2蛋白的表達：取1.3.3中-80℃保存骨痂組織，用蛋白提取試劑盒提取蛋白，BCA試劑盒檢測蛋白總濃度。取50μg蛋白上樣，進行電泳和轉膜反應，TBST溶液清洗后，加入5%脫脂牛奶室溫下封閉1h，TBST溶液清洗3次后，加入一抗[BMP-7、OCN、Runx2、β-actin(內參)抗體，稀釋倍數分別為1∶500，1∶500，1∶5 000，1∶1 000]，4℃搖床室溫孵育過夜，TBST振洗后加入HRP羊抗兔二抗(稀釋倍數1∶2 000)，37℃搖床室溫孵育1h，TBST清洗3次后，采用增強化學發光法顯色后拍照，并以Image-J軟件分析各組蛋白相對表達。

2 結果

2.1 各組大鼠股骨標本肉眼觀察結果 正常對照組大鼠股骨折斷處肉眼可見正常骨性連接。與正常對照組相比，模型組大鼠肉眼可見軟組織包繞骨折端，斷端硬化且間隙增大；與模型組相比，三花接骨散低、中、高劑量組及陽性組大鼠肉眼可見斷端骨性連接形成增加。

2.2 各組大鼠骨折部位X射線觀察結果 正常對照組正常愈合骨折線基本消失。模型組大鼠骨折線明顯，骨折兩側未剝離骨膜處有少量新生骨痂形成，無明顯骨性連接，X射線評分顯著低于正常對照組(P<0.05)。三花接骨散低、中、高劑量組及陽性組大鼠骨折線模糊，骨折斷端間有大量骨性連接形成，骨折間隙消失，骨折愈合進入骨板形成塑型期，且X射線評分顯著高于模型組(P<0.05)，三花接骨散各劑量組X射線評分依次升高，見圖1、表1。

表1 各組大鼠股骨X射線評分

2.3 各組大鼠骨折組織病理形態檢測結果 正常對照組大鼠斷端皮質與新生骨界限不明顯，連接軟骨區域的愈傷組織幾乎消失，骨折被覆蓋，新形成的小梁骨已愈合，編織骨再造厚度較小。與正常對照組相比，模型組可見斷端纖維組織填充、骨小梁排列紊亂、大量纖維瘢痕組織包繞骨折端，編織骨表面縫隙較大，骨愈合組織學評分降低(P<0.05)。與模型組相比，三花接骨散低、中、高劑量組及陽性組大鼠可見斷端骨愈傷組織之間的間隙減小，骨小梁及骨性骨痂形成較多，骨細胞沉積較多，且骨愈合組織學評分升高(P<0.05)，見圖2、表2。

表2 各組大鼠股骨骨愈合組織學評分

2.4 各組大鼠血清VEGF、PDGF水平檢測結果 與正常對照組相比，模型組大鼠血清VEGF、PDGF水平均降低(P<0.05)；與模型組相比，三花接骨散低、中、高劑量組及陽性組大鼠血清VEGF、PDGF水平均升高(P<0.05)，且隨著三花接骨散劑量升高上述指標依次升高。三花接骨散高劑量組與陽性組上述指標差異無統計學意義(P>0.05)，見表3。

表3 各組大鼠血清VEGF、PDGF水平檢測結果

2.5 各組大鼠骨痂組織BMP-7、OCN、Runx2蛋白表達的影響 與正常對照組相比，模型組大鼠BMP-7、OCN、Runx2蛋白表達均降低(P<0.05)。與模型組相比，三花接骨散低、中、高劑量組及陽性組大鼠BMP-7、OCN、Runx2蛋白表達均升高(P<0.05)，且隨著三花接骨散劑量升高上述指標依次升高。三花接骨散高劑量組與陽性組上述指標差異無統計學意義(P>0.05)，見圖3、表4。

表4 各組大鼠骨痂組織BMP-7、OCN、Runx2蛋白表達水平

圖3 各組大鼠骨痂組織BMP-7、OCN、Runx2蛋白免疫印跡圖

3 討論

目前常以X線病理診斷分為萎縮性、肥大性以及滑膜假關節形成性骨不連[11]，其中萎縮性骨不連發生率相對較高，其X線表現為骨折斷端間充滿纖維結締組織或纖維瘢痕肉芽組織、間隙消失、新生骨痂量少、斷端硬化等[12]。本研究參照文獻[8]造模方法，通過髓腔內克氏針固定并在橫行骨折端兩側各灼燒骨膜2mm，建立大鼠股骨骨不連模型。結果發現，模型組大鼠X射線評分及骨愈合組織學評分均低于正常對照組，肉眼可見軟組織包繞骨折端，斷端間隙較大，X線照射顯示骨折兩側無明顯骨性連接，HE染色可見斷端有大量纖維組織填充及纖維瘢痕組織包繞，骨小梁排列紊亂，與萎縮性骨不連病理組織學形態一致，表明造模成功。

骨折形成早期，血小板可分泌大量PDGF，促進骨折局部成纖維細胞增殖和分化，積極參與骨折愈合過程，且在萎縮性骨不連患者中檢測到PDGF及其受體PDGF-BB明顯降低，給予重組人PDGF-BB治療后患者骨缺損愈合增強，推測PDGF可能是萎縮性骨折不愈合的敏感標志物[12-14]。另外，VEGF是成骨和血管生成的關鍵因子，在骨折早期階段其水平增加有利于促進血管形成和骨折愈合[12,15]。本研究檢測到模型組大鼠血清VEGF、PDGF水平明顯低于正常對照組，預示骨愈合過程中VEGF、PDGF缺少，可能抑制血管形成及成骨細胞分化，使得骨折處血運不佳、骨形成緩慢，導致骨不連。三花接骨散主要由活血祛瘀藥如紅花、三七，補肝腎強筋骨藥物如續斷、骨碎補、牛膝等藥物組成，臨床上常用于治療骨折筋傷、瘀血腫痛等癥狀。趙啟亮等[7]發現三花接骨散可促進糖尿病患者骨折愈合，表明三花接骨散對骨愈合有一定促進作用。但三花接骨散對萎縮性骨不連骨愈合的作用效果還未見報道。本研究發現，三花接骨散低、中、高劑量組及陽性組大鼠骨折斷端間骨性連接及骨小梁形成較多，X射線評分、骨愈合組織學評分、血清VEGF、PDGF水平均明顯高于模型組，提示給予三花接骨散治療后，大鼠骨折端骨不連情況明顯改善，但其促進骨愈合的具體分子生物學機制還不明確，本研究對此進行研究。

骨愈合過程復雜，包括血腫期、炎癥反應期、纖維骨痂形成期、骨性痂塑形期，涉及BMP等多種細胞因子參與[16]。研究證實BMP-7能刺激未分化的間充質細胞向成骨細胞分化，并促進成骨細胞增殖及成骨形成[17]，應用重組人BMP-7治療骨缺損已取得較好效果，表明BMP-7可誘導成骨活性和修復骨缺損[18]。另有研究發現，BMP-7可提升堿性磷酸酶活性，上調成骨基因Runx2及OCN表達，促進成骨細胞分化、抑制破骨細胞活化、加快骨礦化、促進新骨形成和穩定骨代謝[19]。Deng等發現，抑制miRNA-9可通過提高股骨骨不連大鼠骨折部位BMP-7、Runx2及OCN表達，增強骨愈合[20]。本研究發現，模型組大鼠骨痂組織中BMP-7、Runx2、OCN表達均低于正常對照組，推測骨不連骨愈合緩慢或不愈合可能與BMP-7/Runx2/OCN通路抑制、成骨形成及礦化作用緩慢有關。而三花接骨散可增加大鼠骨痂組織中BMP-7、Runx2、OCN表達，提示三花接骨散可能通過活化BMP-7/Runx2/OCN信號通路促進成骨形成，促進骨不連大鼠骨愈合。

綜上所述，三花接骨散可能通過活化BMP-7/Runx2/OCN信號通路，促進股骨骨不連大鼠骨愈合。但中醫藥治療疾病具有多靶點、多途徑作用，本研究僅就其中一條通路進行探究，三花接骨散治療促進骨愈合的具體分子生物學機制，還有待進一步驗證。