創傷性異位骨化的發病機制及診療進展

曾 恒，占新華 綜述 牛云飛 審校

創傷性異位骨化(traumatic heterotopic ossification，THO)是指創傷后在非骨骼組織(肌肉、肌腱及其他軟組織)內形成病理性骨組織，常發生于關節置換術后，髖關節置換術后發病率高達約30%。THO大部分沒有明顯的臨床癥狀，少部分患者會引起局部腫脹、疼痛，關節活動受限，嚴重影響患者生活。THO的發生機制尚不完全清楚，在治療上也存在很大爭議，本文主要就THO的發病機制及診療進展進行綜述。

1 發病機制

目前，對THO發病機制的認識尚不完全清楚，多數學者認為THO的形成須具備3個條件；成骨的前體細胞、成骨誘導物及其信號傳導通路、局部微環境。局部組織在長期慢性炎性刺激以及靜脈瘀滯的條件下，正常骨組織細胞向周圍軟組織釋放多種成骨誘導因子，原始的間充質干細胞(msenchymal stem cells，MSCs)及其他細胞在成骨誘導因子的刺激下分化為成骨細胞，從而形成成熟板層狀新生骨。Foley等依據組織學變化將THO分為六個階段；(1)血管周圍淋巴細胞浸潤；(2)淋巴細胞遷移到軟組織；(3)反應性纖維增生；(4)新生血管的形成；(5)軟骨形成；(6)軟骨內骨化。

1.1 成骨前體細胞 THO過程需要能分化為成骨或軟骨的前體細胞，近年來，細胞譜系示蹤技術及細胞植入技術的應用為穩定追蹤細胞群及評估細胞成骨能力提供了有效途徑。目前MSCs、內皮細胞、成纖維/成脂肪祖細胞、肌衛星細胞、肌腱/肌腱祖細胞等在THO過程中扮演的角色得到了越來越多的認識。軟組織遭受創傷刺激后，細胞受損且在組織缺氧的微環境作用下，淋巴細胞、巨噬細胞等炎性細胞被募集至結締組織周圍，激發受損組織釋放骨生成誘導因子。MSCs被認為是參與形成THO的主要細胞群，未定向MSCs在成骨誘導因子刺激下改變了原始的分化方向，繼而轉向分化為軟骨細胞及骨細胞。Lounev等利用Cre-loxP細胞譜系示蹤技術，發現內皮細胞標記物(Tie2陽性)在骨形成蛋白-2/4在成骨的各個階段均存在。這為可能參與成骨提供了證據。Medici等發現，THO的軟骨及成骨組織具有內皮起源特性，血管內皮細胞通過上皮-間質轉換從而產生MSCs，進而在局部炎性反應及組織缺氧微環境下MSCs分化為成骨細胞。此外動物模型實驗證明造血干細胞也具備有分化為成骨細胞的潛能，因此也可能是引起THO的前體細胞之一。

1.2 成骨誘導因子及信號傳導通路 THO的病理過程大致可以分為兩個步驟；(1)結締組織產生炎性反應和破壞；(2)成骨和軟骨的形成。異位骨化過程中存在許多重要信號傳導通路，目前報道參與這一過程的主要分子有骨形成發生蛋白(bone morphogenetic proteins，BMP)、缺氧誘導因子1-α(hypoxia inducible factor1-α,HIF1-α)、轉化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)、維甲酸受體 (retinoic acid receptor，RAR )、炎性因子、骨硬化蛋白等。BMP是轉化生長因子家族超成員信號調節蛋白，廣泛參與細胞調節活動，BMP能使Smad(1、5、8)蛋白磷酸化，磷酸化后的Smad(1、5、8)蛋白在細胞核內與Smad4結合形成復合物誘導前體細胞轉化為骨組織，BMP在整個THO過程中起著非常關鍵的作用。Yoshida等發現，Tob蛋白是BMP-Smad信號通路的負性調節劑，Tob蛋白與Smad(1、5、8)受體結合，通過抑制Smad蛋白調節受體的活性而負向調節成骨細胞的增殖和分化，這也表明了BMP-Smad信號通路的重要性。

1.3 局部組織微環境 組織微環境的改變也是THO的重要影響因素，創傷后局部血管破壞造成缺氧環境，這些改變了HIF-1α的穩定性，并由此產生血管內皮生長因子、堿性成纖維細胞生長因子、血小板衍生的生長因子和血管生成素-2等多種血管生成因子，從而使血管內皮細胞運動、聚集和增殖，因而THO的形成機制可能是由于微環境缺氧條件下，局部炎性反應導致組織釋放成骨誘導因子誘導成骨前體細胞形成異位骨化。炎性因子與THO的形成有著緊密聯系，組織損傷后引發炎性因子釋放從而誘導局部發生炎性反應，致使BMP、TGF-β等成骨誘導因子水平增高，進而誘導成骨前體細胞分化及血管生成，活化的TGF-β可招募MSCs等成骨前體細胞參與局部THO的形成。

2 診 斷

大多數THO無明顯臨床癥狀，部分表現為創傷后關節活動受限，極少數THO可引起疼痛、局部腫脹及關節僵硬等癥狀，嚴重影響患者生活質量。

2.1 影像學檢查 目前臨床上對于THO的診斷主要依靠影像學檢查，X線是應用最廣泛、最經濟有效的檢查手段，但早期異位骨化沒有明確的骨小梁形成，僅顯示為模糊的鈣化灶區域，因此在骨化初期X線不能觀察到THO 的形成。CT可以顯示THO的位置和形態，在發現微小骨化病灶上優于X線，檢出率也顯著高于X線，但CT診斷出THO時成熟板層骨已形成，因此對于早期診斷意義不大。MRI對軟組織有較強的分辨率，在MRI圖像上可觀察到早期異位骨化，表現為 T加權相上局灶性等低信號，在T加權相上表現為低信號灶及周圍水腫區域的高信號，但MRI對骨組織的顯影不及X線和CT，早期不成熟的HO往往與血腫、腫塊或感染灶相類似，聯合MRI和CT表現可以更有利于明確診斷。

2.2 核醫學檢查 THO的診斷常常滯后于臨床表現，三相核素骨掃描是檢測異位骨化最敏感的檢測方法，最早可在損傷后2周內顯示，可以監測異位骨組織的骨代謝活動，甚至通過定量監測示蹤劑攝取率來判斷骨組織成熟度和成骨活躍性，以此來選擇最佳手術時機。單光子發射計算機斷層掃描/CT對異位骨化的檢測也是十分敏感的，能夠提供更為精準的定位及病變性質，然而由于核醫學檢查價格昂貴，且需要注射放射性藥物，因此限制了其在臨床上的使用。Hastings和Graham根據臨床和影像學表現，將肘關節異位骨化分為3級(表1)。

表1 創傷性異位骨化Hastings和Graham分級

2.3 超聲檢查 超聲對局部軟組織損傷和鈣化比較敏感，能很好地將THO與血腫、血栓等區分，早期未成熟的THO可表現為周圍軟組織腫脹，病變區域可出現不連續、邊界不清的混合高、低混合回聲，典型表現為云狀改變，賀倩倩等利用小鼠模型描述了THO不同發展階段的聲像特征，驗證了彩色多普勒超聲可以早期診斷THO，而且可以連續觀察異位骨組織的成熟過程。超聲具有便攜方便、價格低廉、檢查方式簡單的優勢，給早期診斷及評價異位骨化提供了良好的檢查方法。

2.4 實驗室檢驗 目前尚未發現有效的證據支持實驗室檢驗可以作為診斷的指標，但具有提示作用，組織損傷期間血清堿性磷酸鹽水平顯著升高，因此其在預測THO上的作用價值一直被研究者們懷疑，然而目前尚無研究顯示出有效的證據支持。趙航和肖海軍發現，骨硬化蛋白低于179.49 ng/L，BMP-4高于273.69 ng/L時提示異位骨化形成的風險極高，骨硬化蛋白和BMP-4對THO的診斷提示有著較高的特異度和敏感度。

3 預防與治療

THO的治療方式大體可以分為預防性治療和手術切除，非甾體抗炎藥和放射性治療是目前應用最廣、最有效的預防，常用藥物包括吲哚美辛、布洛芬及雙氯芬酸鈉等。手術切除是唯一根治性治療方式。

3.1 藥物治療

3.1.1 非甾體抗炎藥 非甾體類抗炎藥(non-steroidal anti-inflammatory drugs，NSAIDs)是目前最常用的預防性治療藥物，其機制是抑制環氧化酶阻止前列腺素合成從而減輕全身及局部炎性反應，繼而抑制炎性細胞分泌成骨誘導因子。口服NSAIDs可以預防THO的發生，但同時也會引起各種胃腸道不良反應，如胃潰瘍、胃穿孔等的發生增加。吲哚美辛在體外可以抑制成骨細胞的活性，同時不對傷口愈合產生負面影響，因此體外局部運用NSAIDs可能是預防THO的最佳方法，同時避免了各種胃腸道不良反應。Zhu等經Mate分析發現選擇性和非選擇性非甾體抗炎藥對預防全髖關節置換術并發THO具有相同的效果。Migliorini等通過貝葉斯網絡薈萃分析隨機臨床試驗(RCTs)比較了所有可用的NSAIDs預防全髖關節置換術后THO的發生，26項研究6396例病例被納入，涉及的藥物有雙氯芬酸鈉、萘普生、塞來昔布等，其結果表明塞來昔布預防效果最好。作者對近年來所報道取得良好預防效果常用NSAIDs劑量及療程列舉如表2。

表2 創傷性異位骨化常用NSAIDs劑量及療程

3.1.2 其他藥物 四磷酸鹽的作用機制是抑制非晶形磷酸鈣轉化成磷酸鈣，從而減慢骨礦化過程，但不能阻止骨基質形成，即僅能延遲而不能阻止THO的骨化過程，因而停藥后容易復發。成骨分化是一個高度依賴ATP的過程，AMP激活蛋白激酶(AMPK)是一種細胞內的能量穩態傳感器，AMPK在能量不足時被激活，能量過剩時則被抑制。Lin等發現，二甲雙胍可抑制BMP6誘導的成骨細胞Smad1/5磷酸化，同時上調Smad6的表達及激活AMPK，預防THO的產生。

3.2 放射性治療 THO形成過程中，周圍軟組織中MSCs首先轉化為骨祖細胞，骨祖細胞增殖并分化為骨和軟骨細胞，利用骨祖細胞的放射敏感性，低劑量輻射作用可以預防THO的發生。放射性治療是對高危患者有效的預防性治療手段，但射線具有致癌作用，因此放療預防THO存在一定風險。Cai等對選擇性NSAIDs、非選擇性NSAIDs及放療對全髖關節置換術(THA)后預防THO的療效進行Mate分析，發現放療是預防全髖關節置換術后THO總體(Brooker Ⅳ、Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ級)發生率降低最有效的治療方式。Morcos等發現，對于THA后未接受預防性治療已經發展為THO的患者，低劑量放療也能有效防止THO進一步發展。目前推薦創傷后72 h內行單次7～8 Gy劑量單次局部放療方案，該放射劑量也可以有效預防THO的進展，特別是高危患者首選7 Gy的單一劑量，也有報道稱放射劑量20～24 Gy預防效果最佳，多次照射預防比單次效果好，術前照射也能取得有效預防。

3.3 小分子生物制劑 THO是在一定微環境和調控因子作用下，由一系列成骨前體細胞分化為骨細胞的病理過程。該過程受到諸多信號分子調控，通過受體激動劑或抑制劑靶向調控信號通路實現預防和治療THO是近年來的研究熱點。BMP-Smad信號轉導通路受體拮抗劑能降低BMP，減少骨基質的產生，從而抑制THO。基于這一原理，Strong等在高能量爆炸致傷大鼠模型上研究ALK3-Fc(BMP配體-陷阱)在軟組織內抑制間充質祖細胞早期和晚期成骨分化的作用，發現ALK3-Fc抑制了炎性反應相關基因表達，用ALK3-Fc處理的大鼠模型間充質祖細胞成骨分化顯著減少，這就說明ALK3-Fc能預防THO的發生。維甲酸受體(retinoic acid receptor，RAR)是軟骨形成的抑制性受體，以三種亞型(RARα、RARβ和RARγ)存在，維生素A能非選擇性激動RAR而抑制軟骨的形成。Shimono等研究證實三種受體亞型中RARγ起主要作用，RARγ通過降低Smad 1/5/8蛋白磷酸化并致使其在蛋白酶體中被破壞從而減少BMP的信號傳導，繼而減少MSCs分化成具有成骨潛能的細胞。另一種針對BMP-Smad信號通路預防THO的策略是降低ATP或ADP形式中可用磷酸水平，減少局部可利用能量，如局部應用腺苷三磷酸雙磷酸酶水解ATP和ADP以抑制THO的發生。Mao等利用小鼠模型發現苦參堿抑制TGF-β誘導的Smad2/3磷酸化從而降低了THO的發生率。然而，針對信號轉導通路的預防治療研究基本處于動物模型階段，尚未開展臨床試驗。

3.4 基因治療 Runx2基因表達是MSCs向成骨細胞譜系表達的必需條件，成骨細胞的早期分化主要受Runx2的表達調控，如果成骨細胞中缺失Runx2基因，其早期分化將完全被抑制。Tu等發現，miR-203通過作用于靶標Runx2在體內具有抑制異位骨化的作用。Mishra等將siRNA包埋并遞送至多功能細胞C2C12中，siRNA沉默Runx2的表達，從而抑制了THO的形成。

3.5 手術治療 當THO患者具有顯著臨床癥狀，影響患者關節功能活動時，應當采取手術切除。手術治療是THO最直接最有效的治療方式，可以部分甚至完全恢復受累關節的功能，但僅限于成熟THO，對于手術時機存在較多爭議，多數研究建議在術后6～8個月切除，有專家認為，盡早切除THO是安全有效的，而且能預防復發，實現更好地功能恢復，術前等待的時間越長導致的殘疾就會越嚴重。然而，手術治療THO花費較高，且容易反復。Cole等記錄并回顧性分析14年髖關節術后THO切除患者原發傷、THO的危險因素以及術后THO的切除時間等，其結果表明早期手術切除THO可有效減少復發。然而并非所有的異位骨化都適用于手術切除，原發性異位骨化禁止采用使用手術治療，否則將會加重病情，甚至造成關節永久性功能活動喪失。

3.6 中醫藥治療 中醫學認為，THO多為組織損傷或術后致使筋脈損傷從而氣滯血瘀、經脈痹阻或致血溢脈外，衛外不固，風寒濕邪乘虛而入，筋骨痹阻。治法當以補氣活血、化瘀止痛、軟堅散結為主。臨床上可選擇中藥內服、中藥熏洗、小針刀松解等預防THO。張慧法等使用活血止痛湯[當歸12 g, 川芎5 g, 赤芍6 g, 桃仁6 g, 大黃10 g, 丹皮6 g, 枳殼6 g, 地鱉蟲15 g, 乳香6 g, 沒藥6 g, 三七粉3 g(沖服),陳皮6 g, 澤蘭瀉各10 g,玄胡10 g]活血通絡、行瘀止痛、利水消腫，每日1劑, 2～3次口服, 連服15 d，其在預防HO發生率方面與布洛芬效果相當，最重要的是活血止痛湯胃腸道不良反應發生率顯著低于布洛芬。楊文雪等從分子水平證實中藥補腎舒脊顆粒能顯著降低BMP-7，同時正向調節骨硬化蛋白水平，有效控制組織中的炎性因子水平，補腎舒脊顆粒對骨化因子的改善效果甚至優于塞來昔布。

綜上所述，THO是常見的骨科疾病，特別是關節置換術后多發，目前THO的確診主要依靠影像學檢查，口服NSAIDs及放療可以實現有效預防，對于成熟THO，手術切除是唯一有效治療方式，但存在較高復發風險；有研究報道小劑量單次照射(6～7 Gy)聯合口服吲哚美辛(25 mg tid 療程，6周)可以實現良好的復發預防效果，切除術后復發率僅為1.3%。目前臨床上暫無統一的預防和治療方案，幾種常見的預防與治療方式各有優缺點。