缺血性骨缺損治療現狀和產氧型材料的應用進展

趙旭晨，徐頂立，練雷棟，干開豐，馬維虎

外傷、腫瘤等情況導致的骨缺損常常造成嚴重的后果。盡管年輕人的骨骼具有較高的再生潛力，但血供中斷仍會嚴重影響骨再生的能力，甚至導致骨壞死，尤其是股骨頸、舟狀骨和距骨等血供相對較差的部位。近年來，間充質干細胞（MSC）已經廣泛地應用于骨缺損的治療中。然而，由于骨缺損導致的血液供應中斷會導致相關組織的缺氧，從而使移植的MSC發生缺血缺氧性改變，最終導致骨再生失敗。目前有不少關于產氧型生物材料的應用研究，在缺血性骨缺損的治療方面取得了不同程度的效果。通過在缺血性骨缺損部位植入產氧型生物材料，可以進一步提高骨修復治療的水平。本文回顧了骨折的病理生理過程，并討論產氧型生物材料在進一步增強骨折修復中的應用，報道如下。

1 缺血對骨愈合再生的影響

骨骼有一定的再生潛力，但由于骨折或脫位造成的血液循環中斷，使骨骼血液供應喪失，會阻礙細胞修復，并可能導致骨壞死[1]。充足的氧氣供應能保障細胞的物質代謝、膠原合成及細胞外基質形成，是防止傷口感染、促進傷口愈合過程的前提條件[2-3]。Thapa 等[4]回顧性分析了50 例股骨頭骨折行手術治療的患者，隨訪中發現2 例患者出現骨壞死，4 例患者骨折延遲愈合。即使在非骨質疏松患者，缺乏血供對骨折愈合再生的影響也是災難性的，Slobogean 等[5]分析了41 篇關于非骨質疏松患者股骨頸骨折術后并發癥的研究，發現在1558 例患者中術后出現缺血性骨壞死的占14.3%（223 例），骨不愈合占9.3%（145例）。同樣腕關節骨骨折也具有較高的缺血性壞死和骨不愈合風險，Hermena等[6]分析了62 例腕舟狀骨骨折的患者，發現術后4 例出現骨不愈合。Israel 等[7]回顧性分析了65 例接收手術治療的腕月骨折（其中27例合并腕舟骨骨折）的患者，在長達8 年的隨訪過程中發現骨折部位缺血性骨壞死的發生率為7.7%（5例），另外26%（17 例）患者出現腕關節炎。因此，血供中斷導致的骨缺損部位缺血缺氧，即使采用手術治療也無法避免骨壞死和骨不愈合的發生。

骨缺損的常用處理方法包括：牽拉成骨、骨移植、截肢術等[8]。其中廣義的骨移植技術包括：自體骨移植技術、異體骨移植技術和組織工程骨移植技術[9]。但是由于不愈合率高、供骨量有限、治療周期長及治療費用負擔高等問題，這些方法在臨床應用中受到很大限制[10-11]。而通過生物材料技術實現缺損骨組織再生是目前公認的最有可能在臨床取得突破性進展的研究領域之一[12]。其中，MSC 是目前治療缺血性骨缺損較為常用的方法，而產氧型材料的誕生，讓研究者們看到了新的方向。

2 MSC 治療骨缺損的優缺點

MSC 已經被臨床廣泛地用于治療缺血性骨缺損。Ajiboye 等[13]曾報道將MSC 用于80 例接收經椎間孔腰椎融合手術的患者，發現74 例（92.5%）患者在1 年內獲得完全骨融合。Ismail 等[14]報道5 例長骨萎縮性骨不愈合的患者接受骨髓MSC治療，另外5 例采用髂骨植骨術。發現骨髓MSC 治療組患者影像學上的骨愈合情況、術后DASH 功能評分和VAS 疼痛評分明顯優于髂骨植骨組（均P ＜0.05）。相較于傳統治療方法，MSC治療具有骨再生周期短、功能恢復快、無供骨區并發癥和免疫排斥等優勢[15]。隨著研究的深入，較多學者認為MSC 具有分化潛能，可以分化為骨細胞、脂肪細胞、血細胞等中胚層來源的細胞，在合適的細胞微環境下干細胞分化為骨細胞是其治療骨缺損的關鍵[16]。當骨缺損部位因為解剖原因缺乏血供或外傷導致血供減少時，缺氧的微環境會影響MSC 的增殖、分化和活性，甚至導致細胞死亡[17]。Valorani 等[18]報道低氧環境可以上調MSC Sca-1 和CD44 的表達，促使其向脂肪細胞的分化；另外Samal 等[19]報道當MSC 處于氧濃度＜1%的環境時，其增殖能力和細胞活性受抑制并且成脂肪分化增強。Kim 等[20]通過人脂肪MSC 實驗發現，缺氧環境會增加人脂肪MSC 活性氧的產生。其中活性氧激活促分裂原活化的蛋白激酶（MAPK）和磷脂酰肌醇三激酶/絲蘇氨酸激酶（PI3K/Akt）信號通路導致胰島素樣生長因子結合蛋白3（IGFBP3）的表達被上調，IGFBP3 不僅可以抑制其成骨分化能力，而且抑制其增殖活性。因此，缺乏血供導致的缺氧環境會抑制間MSC治療骨缺損的能力，所以補充適當的氧氣可以改善這種情況。通過為成骨MSC 提供常氧條件來彌補其治療缺血性骨缺損時的不足。

3 產氧性生物材料在缺血性骨缺損中的應用

血液中溶解氧的擴散距離有限，限制了組織工程骨中心區域的細胞存活。Mc Murtery[21]報道了當體內移植物在1 cm 厚度范圍內氧分壓較高，而隨著厚度增加，其內部氧分壓急劇降低。因此，在組織工程骨中形成一個缺氧壞死的核心，再生過程將會失敗。近年來，有研究人員設計了產氧性生物材料，并在增強缺血組織存活能力和保存缺血組織的細胞代謝、細胞分化等方面取得了不同程度的成功。由產氧性生物材料持續提供氧源，將是急性創傷治療和缺血性骨缺損后骨組織恢復的一個重大治療進展。

3.1 載過碳酸鈉聚乳酸材料 Harrison 等[22]報道了D，L-乳酸-共乙醇酸（Poly-PLGA）薄膜與過碳酸鈉（SPO）結合可持續釋放氧。這種材料通過延緩組織細胞降解，包括凋亡、乳酸積累和皮膚變色等過程達到延長皮膚細胞存活時間的作用。原位產氧雖然可以減少小鼠模型缺血組織中的細胞凋亡和組織壞死，但是當組織工程材料的產氧能力持續較短，并且血供尚未恢復時，組織細胞仍會凋亡。有研究報道，載SPO的聚乳酸生物材料作為皮膚傷口愈合劑時能夠延緩無血供區細胞壞死，但3 d 后細胞開始出現壞死。Oh 等[23]報道了在3D 組織工程構建中的缺氧成纖維細胞增殖研究中，使用過氧化物結合聚乳酸膜可以增強細胞活性，而且接種在載過氧化鈣-PLGA支架上的3T3 細胞，在1%氧氣條件下的存活率遠高于對照組。另外，Ward 等[24]發現缺氧條件會導致骨骼肌代謝和功能的喪失。產氧的PLGA-SPO 生物材料已被證明能支持缺血條件下靜息骨骼肌的穩態，并減輕在常氧條件下收縮疲勞后的肌細胞靜息張力的升高。在缺氧情況下，SPO 生物材料可以減少HIF-1 的積累、氧化應激，并改善肌內糖原的消耗。實驗證明，在大鼠的缺血骨骼肌中植入SPO 材料，可增強骨骼肌收縮性，改善肌內糖原消耗。雖然載SPO 的聚乳酸材料具有延緩無血供區細胞壞死，增強骨骼肌生物活性的能力，但是存在供養時間短等不足之處。

3.2 載過氧化鈣的聚二甲基硅氧烷材料 過氧化鈣（CPO）在固態時水解反應發生得太快，導致高氧化合物產生的可能性增加，同時致使反應中間體過氧化氫（H2O2）的產生。此外，該反應還有副作用發生的可能，如產生羥基自由基（OH－）[25]。因此有學者提出，使用生物穩定的疏水聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料作為擴散屏障，用于降低封裝的CPO 的反應速度。實驗證明，PDMS 結合的固體CPO 可以控制氧氣向周圍的釋放，持續時間超過40 d。該系統的產氧量取決于水進入PDMS-CaO2的擴散速率和其中固體CPO 量。PDMS 對氧氣具有高滲透性，所產生的氧氣可以有效地擴散出系統以供細胞使用。學者通過優化PDMS-CaO2的幾何尺寸和其中固體CPO量，設計出具有理想氧釋放動力學的氧生成系統。對固體過氧化物水解反應速率的調節和最終產物的快速清除保證了該系統的正向反應的動態性，從而消除過氧化氫中間體和羥基自由基等副反應的積累。因此，PDMS-CaO2是一種適合在缺血缺氧條件下維持移植細胞的生存能力和生物功能的理想材料。在缺血缺氧部位植入PDMS-CaO2能使缺氧誘導的細胞功能障礙和細胞凋亡的情況得到改善，其中包括細胞代謝的功能改善、葡萄糖依賴性胰島素的產生受到調節。同時，在缺血條件下，通過PDMS-CaO2的持續供應氧氣，細胞系活力提高了近1 個月[26]。載過碳酸鈣的聚二甲基硅氧烷材料具有持續穩定產氧的能力，但是副作用會產生羥基自由基（OH－），同時分解產生的鈣離子增加了腎臟排泄的負擔。

3.3 雙層膜包裹過氧化氫 Abdi等[27]提出采用雙層膜包裹的純H2O2以產生用于生物組織回收應用的清潔氧氣。相較于過氧化鈉和過氧化鈣，直接使用雙層膜封裝的H2O2可以防止包括金屬陽離子在內的副產物產生，并且只產生無毒的氧氣和水[28]。因此，預固定過氧化氫酶的海藻酸鹽包覆PLGA 基質作為保護層，促進H2O2分解。在這種方法中，可以通過控制包裹H2O2的微球中的海藻酸鹽濃度來控制氧的釋放。在制備的雙層系統中，封裝的H2O2分解產生持續氧氣供應的方法，已被證明可以提高缺血條件下的細胞存活率[29]。但是，雙層膜包裹H2O2作為一種無金屬離子副產物的單一生物材料，需要解決其在制備保存過程中過氧化氫容易分解的問題。

4 總結和展望

組織工程技術和MSC 治療在面對缺血性骨組織的缺氧微環境時，有著細胞凋亡和組織壞死的風險。向缺血性骨缺損部位提供足夠的氧氣，能最大限度地提高移植細胞的存活率，并對移植細胞整合到缺損部位上有著重要意義。產氧型生物材料作為可移植物的技術，可以向局部組織持續注入氧氣，以加速組織再生和分化，從而改善缺氧時細胞凋亡和組織壞死。然而，其也有潛在的局限性：因為相較于骨缺損中長期存在的受損血管系統，產氧型生物材料的產氧持續時間短暫。

目前看來，持續原位產生氧氣的產氧型生物材料在缺血性骨缺損組織的修復應用中很有前景，因為其可以提高手術中移植組織的存活率，并使移植組織在缺氧環境中能正常增殖。此外，由于一定程度上減少了低氧誘導的細胞凋亡，產氧型生物材料的植入，避免了多次手術來重新填充工程組織移植物的情況。因此，產氧生物材料有利于骨缺損愈合過程，是治療缺血性骨缺損的理想生物材料。

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