同种异体骨移植的研究进展

邵杰　杨长伟　李明

·综述·

同种异体骨移植的研究进展

邵杰杨长伟李明

同种异体骨移植是目前临床广泛使用于治疗各种骨缺损和促进脊柱融合的方法。根据处理方式的不同，同种异体骨可以分为:新鲜异体骨、深冻骨、冷冻干燥骨（fresh frozen allograft，FFA）和脱钙骨基质（demineralized bone matrix，DBM）。同种异体骨与新鲜的自体骨的愈合机制有着本质不同，其主要依靠“爬行替代”实现与宿主骨的融合，因此愈合速度慢、愈合质量差，容易发生骨不连和移植骨骨折，故存在较高的失败率。而复合生长因子、复合间充质干细胞以及红骨髓等方法可以提高异体骨愈合的速度。利用组织工程的原理与方法，采用复合移植的方法使异体骨得到活化，是今后异体骨移植研究与应用的发展方向。

骨移植；移植，同种；骨形态发生蛋白质类；组织工程

骨移植是临床常见的用来治疗各种骨缺损和促进脊柱融合的方法。自体骨、异体骨及各种新型生物人工骨材料是骨科常用的三大植骨材料。其中自体骨移植以其良好的骨传导、骨诱导和骨生成作用，被普遍认为是植骨融合的金标准［1］。但自体骨移植存在供骨量不足、手术时间延长等局限性，并常伴有供区出血、神经损伤、疼痛和感染等并发症［2］，使其应用受到了限制。目前各种新型人工骨替代材料发展迅猛，组织工程技术的复合材料显示了良好的骨组织修复的效果，但目前大多数材料仍停留在实验阶段，许多材料与自体骨的生物学和生物力学性能相比还有较大差距［3-5］。

同种异体骨移植已有百年历史，早在1867年法国学者Ollier就进行了异体骨移植的动物实验研究，其后很多医生将其应用到了骨科手术中［6］。但由于存在受体的免疫排异、传染病的传播、愈合不良、无菌性松动及供体不足等问题［7］，同种异体骨移植在临床应用中的发展受到了限制。20世纪中后期，随着异体骨处理和保存技术的进步、相关管理制度的制定以及骨库建设的发展，上述问题基本得到了解决。现今同种异体骨在治疗各种骨缺损和促进脊柱融合术中得到了广泛使用，占全球200万例/年骨移植手术的40%［8］，是临床使用最多的骨替代材料，成为仅次于输血最常采用的移植术。现将同种异体骨移植目前研究的进展情况进行综述。

一、同种异体骨的种类

根据处理方式的不同，同种异体骨可以分为新鲜异体骨、深冻骨、冷冻干燥骨（fresh frozen allograft，FFA）和脱钙骨基质（demineralized bone matrix，DBM）等。

新鲜异体骨移植指供体取出后不经处理直接进行移植，其缺点在于容易引起受体的免疫排斥，以及增大了传染病的传播风险，故在临床手术中已经淘汰。深冻骨是对异体骨进行加工后，根据需要修剪成不同形状的骨移植物，放在低温下保存，保留了原本的力学强度［8］。FFA是通过分离解冻后冷冻骨内的水分，充分脱水，将骨组织内的水分控制在5%以下，损失了相应的应力强度，消毒灭菌后真空包装，便于携带和使用［9］。深冻骨的免疫原性高于FFA，而FFA的结构强度低于深冻骨。DBM是通过一系列化学方法对同种异体骨进行脱钙、去脂等处理，降低了免疫原性，保留骨形成蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）等多种成骨因子，通过这些成骨因子诱导成骨而发挥作用［10］。另外，经过处理后的DBM结构孔隙多，更容易与细胞因子结合，提高了骨传导的可能性，促进了骨质的形成［11］。虽然DBM结构强度下降，骨的承载能力缺失，但在骨缺损的修复和填补中具有独特的临床优势［12］。

二、异体骨移植愈合机制

（一）同种异体骨与新鲜自体骨在移植后的融合存在本质的区别

自体骨含有活细胞及骨诱导蛋白底物可以诱导产生新骨，但是经处理后的异体骨其细胞成分多已坏死，骨诱导活性和生物力学性能降低，植入后的愈合主要由宿主端形成新骨，通过“爬行替代”过程逐渐整合重塑［1，13］。

爬行替代原理是指新植入的异体骨，通过为新生骨提供成骨的基质及框架，使新生骨逐渐生长，并随着异体骨自身分解，最终取代了植入骨的位置。异体骨密度越小，其自身降解速率也愈快。异体骨在受体中主要起到支架和诱导骨生长的作用。在长阶段的异体骨移植中，异体骨所起到的支架作用尤为重要。

（二）异体移植骨与宿主骨的整合修复过程具有几个独立的重复周期

愈合过程首先由炎性反应介导，然后发生宿主的血管侵入，由此导致可分化成为骨形成细胞的脊髓间充质干细胞进入，最后是以移植骨修复和重塑。对于骨皮质与骨松质这是不同的过程，由于多孔疏松的原因，松质骨血管化的发生很快，通过爬行替代能够快速地得到结合与重塑，这个过程中成骨细胞首先产生类骨质于坏死骨的表面，类骨质很快被破骨细胞移去，逐渐吸收塌陷坏死的骨小梁，并且最终替代移植骨成为新骨。和松质骨相比，皮质骨的血管化很少。因此，移植骨的修复从宿主-移植物界面开始，并扩展到结构性移植骨的中部［14］。骨皮质重塑的发生率很低，坏死的骨皮质不能完全被新骨所取代，有限的骨形成和重塑由于骨不连或骨折而具有25%～35%的失败率。骨折常发生于植骨后的1～ 2年，并且和坏死的皮质骨的微小骨折的扩展有关。

三、复合异体骨移植

单纯异体骨移植整合愈合过程缓慢，随着组织工程学、细胞分子学及基因工程学的发展，异体骨作为骨生长支架，复合各类生物材料的骨组织工程学得到发展。例如:同种异体骨支架复合骨髓间充质干细胞用来修复下颌骨关节的缺损［15］；同种异体骨与自体骨和DBM结合可以强化力学结构，更好地修复股骨头坏死。类似于复合自体红骨髓的同种异体骨移植，复合骨髓间充质干细胞的同种异体骨移植，复合细胞因子的同种异体骨移植和复合带血管的自体骨瓣、骨膜瓣复合异体骨移植等新的复合移植技术在不断地更新。

（一）复合骨生长因子的异体骨移植

在骨质的愈合和重塑过程中，存在一些促进骨生长的活性因子。而目前应用和研究最多的是骨形成发生蛋白（BMPs）家族。该蛋白最初作为一种可诱导异位成骨的物质于1965年被Urist发现，至今已经过大量实验验证实其有强大、稳定的控制成骨活性［16］。BMP能促进间充质干细胞转化为成骨细胞。

虽然异体骨本身包含骨诱导性生长因子，但经处理的大块异体骨的诱导性能很弱［17］，众多动物实验研究表明应用Ⅰ型胶原载体携带基因重组骨形态形成蛋白（recombinants human bone morphogenetic proteins，rhBMPs）能增加异体骨移植的整合能力［18，19］。Hood等［20］应用复合rhBMPs的生物植骨材料治疗寰枢关节不稳，大大提高了的寰枢椎的融合率，减少了以往因自体髂骨的破坏而引发的各种并发症，缩短了手术时间。FDA已经批准了在需要促进骨融合的手术中使用BMP。

（二）复合间充质干细胞的异体骨移植

骨髓间充质干细胞（bone marrow mesechymal stem cell，BMSCs）是构建组织工程骨中较为理想、应用最为广泛的种子细胞，因其容易获取，并且在一定条件下可成功分化为骨、肌肉、软骨、脂肪和纤维等组织。骨髓间充质细胞具有很强的成骨潜力。Malinin等［21］在狒狒股骨远端异体半关节移植术后长时间跟踪中注意到，植入骨在愈合时，会被大量的间充质细胞包围，伴随新骨生长及新生毛细血管长入。赵谦等［22］用自体BMSCs复合异体松质骨基质修复兔桡骨节段性骨缺损，结果表明在成骨速度及质量方面均优于单纯异体骨移植组。柴岗等［23］应用自体BMSCs复合各种同种异体骨和人工支架材料构建的组织工程骨，可弥补单纯异体骨基质所缺乏的骨生成作用，而异体骨基质也为促进细胞分化成骨提供良好的微环境。但有研究表明单纯复合BMSCs并不能促进异体骨愈合，除非经过基因工程处理能够表达BMP的BMCs复合移植［24，25］。复合的异体骨移植兼具了骨生成、骨传导和增强的骨诱导的特点，加快了成骨速率，缩短了愈合时间。

目前将BMSCs复合各种植骨材料及人工框架材料构建异体植入骨的报道很多，其基本技术已近成熟，在骨科的临床工作中比重增多。

（三）其他复合移植

Giavaresi等［26］报道了50%透明质酸与Cu2+的添加可促进异体骨的愈合。黄文良等［27］将自体红骨髓与同种异体植骨材料骨复合在一起进行植骨，其效果与自体骨移植近似，而单独采用红骨髓移植则疗效不佳。在临床中也有采用异体骨与自体骨混合移植的报道［28］。

四、异体骨移植展望

异体骨是目前临床应用最多的骨替代材料，但由于其“爬行替代”过程的缓慢，其单独应用的效果与临床需求还有一定差距。利用组织工程的原理与方法，采用复合移植的方法使异体骨得到活化，是今后异体骨移植研究与应用的发展方向。

［1］Lomas R，Chandrasekar A，Board TN.Bone allograft in the U.K.: perceptions and realities［J］.Hip Int，2013，23（5）:427-433.

［2］Ito H，Koefoed M，Tiyapatanaputi P，et al.Remodeling of cortical bone allografts mediated by adherent rAAV-RANKL and VEGF gene therapy［J］.Nat Med，2005，11（3）:291-297.

［3］Beswick A，Blom AW.Bone graft substitutes in hip revision surgery:a comprehensive overview［J］.Injury，2011，42 Suppl 2:S40-S46.

［4］Calori GM，Mazza E，Colombo M，et al.The use of bone-graft substitutes in large bone defects:any specific needs？［J］.Injury，2011，42，Suppl 2:S56-S63.

［5］Chau AM，Mobbs RJ.Bone graft substitutes in anterior cervical discectomy and fusion［J］.Eur Spine J，2009，18（4）:449-464.

［6］Urabe K，Itoman M，Toyama Y，et al.Current trends in bone grafting and the issue of banked bone allografts based on the fourth nationwide survey of bone grafting status from 2000 to 2004［J］.J Orthop Sci，2007，12（6）:520-525.

［7］Sternheim A，Drexler M，Kuzyk PR，et al.Treatment of failed allograft prosthesis composites used for hip arthroplasty in the setting of severe proximal femoral bone defects［J］.J Arthroplasty，2014，29（5）:1058-1062.

［8］康焱，廖威明.同种异体骨移植的研究和应用现状（文献综述）［J］.国外医学（外科学分册），2004（4）:221-225.

［9］Aponte-Tinao LA，Ritacco LE，Albergo JI，et al.The principles and applications of fresh frozen allografts to bone and joint reconstruction［J］.Orthop Clin North Am，2014，45（2）:257-269.

［10］Blokhuis TJ，Lindner T.Allograft and bone morphogenetic proteins:an overview［J］.Injury，2008，39，Suppl 2:S33-S36.

［11］Al-jandan BA，Al-Harkan A，Pompura J，et al.Evaluation of deproteinized bone mineral（DBM）as an onlay bone-graft in the rabbit mandible［J］.The Saudi Journal for Dental Research，2015，6（2）: 133-139.

［12］双峰，赵彦涛，侯树勋.同种异体脱钙骨基质研究现状［J］.临床军医杂志，2012（2）:480-481.

［13］Tang Y，Tang W，Lin Y，et al.Combination of bone tissue engineering and BMP-2 gene transfection promotes bone healing in osteoporotic rats［J］.Cell Biol Int，2008，32（9）:1150-1157.

［14］Fox EJ，Hau MA，Gebhardt MC，et al.Long-term followup of proximal femoral allografts［J］.Clin Orthop Relat Res，2002（397）:106-113.

［15］刘昌奎，谭新颖，罗金超，等.同种异体骨支架复合自体骨髓间充质干细胞修复下颌骨节段缺损动物模型的建立［J］.口腔医学研究，2015（1）:27-30.

［16］Wall A，Board T.Bone:formation by autoinduction［M］.Classic Papers in Orthopaedics，Banaszkiewicz PA，Kader DF.London: Springer，2014:449-451.

［17］Tsiridis E，Ali Z，Bhalla A，et al.In vitro and in vivo optimization of impaction allografting by demineralization and addition of rh-OP -1［J］.J Orthop Res，2007，25（11）:1425-1437.

［18］Froum SJ，Wallace S，Cho SC，et al.Histomorphometric comparison of different concentrations of recombinant human bone morphogenetic protein with allogeneic bone compared to the use of 100% mineralized cancellous bone allograft in maxillary sinus grafting［J］.Int J Periodontics Restorative Dent，2013，33（6）:721-730.

［19］Runyan CM，Ali ST，Chen W，et al.Bone tissue engineering by way of allograft revitalization:mechanistic and mechanical investigations using a porcine model［J］.J Oral Maxillofac Surg，2014，72 （5）:1000 e1-e11.

［20］Hood B，Hamilton DK，Smith JS，et al.The use of allograft and recombinant human bone morphogenetic protein for instrumented atlantoaxial fusions［J］.World Neurosurg，2014，82（6）:1369-1373.

［21］Malinin T，Temple HT，Garg A.Cancellous and cortical microparticulate allograft for dental implantation:an experimental study in non-human primates［J］.Implant Dent，2009，18（5）:420-427.

［22］赵谦，顾洁夫，蔡林.自体骨髓基质细胞与异体松质骨基质复合修复兔桡骨缺损的实验研究［J］.医学新知杂志，2002（3）:126-128.

［23］柴岗，曹谊林，尹健.骨组织工程应用研究进展［J］.实用美容整形外科杂志，2002（5）:264-266.

［24］Zhang X，Xie C，Lin AS，et al.Periosteal progenitor cell fate in segmental cortical bone graft transplantations:implications for functional tissue engineering［J］.J Bone Miner Res，2005，20（12）:2124-2137.

［25］Zhang M，Wang K，Shi Z，et al.Osteogenesis of the construct combined BMSCs with beta-TCP in rat［J］.J Plast Reconstr Aesthet Surg，2010，63（2）:227-232.

［26］Giavaresi G，Fini M，Salvage J，et al.Bone regeneration potential of a soybean-based filler:experimental study in a rabbit cancellous bone defects［J］.J Mater Sci Mater Med，2010，21（2）:615-626.

［27］黄文良，邓江，贾东林，等.自体红骨髓构建非细胞型组织工程化骨修复骨缺损［J］.中国组织工程研究，2012，16（21）:3819-3822.

［28］Burrus MT，Werner BC，Crow AJ，et al.Increased failure rates after anterior cruciate ligament reconstruction with soft-tissue autograft-allograft hybrid grafts［J］.Arthroscopy，2015，31（12）:2342-2351.

10.3969/j.issn.1674-8573.2016.04.018

200433上海，第二军医大学长海医院骨科

李明，E-mail:limingch@21cn.com

（2015-07-06）