创伤性异位骨化发病机制及治疗的研究进展

危振元 仲飙

创伤性异位骨化(THO)是获得性异位骨化中最常见的类型[1]，是指由创伤导致的组织损伤刺激软组织中异位生成新骨的病理过程。当THO发生于关节周围时，可引起局部疼痛和肿胀、关节活动受限等临床表现。THO经历骨形成和骨重构的过程[2]，这与肌肉因损伤出血导致钙化成骨的骨化性肌炎有显著不同[3]。本文对THO发病机制中成骨前体细胞、成骨信号转导通路、成骨组织微环境相关的研究进展，及以预防为主治疗方案的研究进展进行综述。

1 发病机制

THO的发病机制至今仍未完全阐明。Chalmers等[4]总结了THO发生的3个要素，即成骨前体细胞、成骨诱导因子和诱导成骨的组织细胞微环境。Kaplan等[5]在此基础上提出，与成骨相关的信号转导通路也是THO发生的重要影响因素之一，并提出未定向分化的间充质干细胞(MSC)可能在THO的发生和发展中起重要作用。成骨前体细胞、成骨相关信号转导通路和局部组织微环境是目前THO发病机制研究的重点。

1.1 成骨前体细胞

引发THO发生的成骨前体细胞尚未得到证实。目前被普遍接受的观点为，创伤部位周围软组织来源的MSC受骨形态发生蛋白(BMP)信号转导通路刺激后发生迁移、增殖和分化，成为THO发生的成骨前体细胞[6]。动物实验中移植的造血干细胞具有包括成骨在内的多向分化潜能，因此该类干细胞也可能是引起THO的成骨前体细胞之一[7]。Medici等[8]的研究发现，异位骨化的软骨及骨组织具有内皮组织的起源特征，因此提出内皮细胞的内皮-间质转化可能是THO成骨前体细胞的来源之一。他们认为，在THO中，BMP-2、BMP-4以及转化生长因子(TGF)-β均可以诱导血管内皮细胞的内皮-间质转化过程。这些内皮细胞转化为MSC后，在炎症信号刺激下分化为软骨细胞和成骨细胞。随后这些细胞生成软骨组织，并通过软骨内骨化形成骨组织。该研究为探索THO发生中成骨前体细胞的来源提供了新思路。

1.2 信号转导通路

与成骨相关的信号转导通路主要在成骨前体细胞向成骨细胞转化中发挥作用。BMP为一种发现于骨细胞外基质，并能在软组织中诱导异位骨化的物质。与其相关的激活素受体样激酶(ALK)2/BMP-Smad信号转导通路在骨形成、骨修复以及异位骨化中均发挥核心作用。在THO的动物模型中，可观察到BMP信号转导通路水平上调以及BMP的过表达[6,9]。BMP通过激活BMPⅠ型受体(如ALK2)和Ⅱ型受体使Smad1、Smad5等磷酸化，磷酸化后的Smad1、Smad5与Smad4形成复合物，然后进入细胞核。在细胞核中，这些复合物与其他成骨转录因子如Runt相关转录因子-2相互作用，然后与靶基因(如成骨细胞特异性顺式作用元件2)结合调节成骨过程。创伤刺激与ALK2突变均可使BMP的生理功能放大，进而引起THO发生[10]。当抑制BMP-Smad信号转导通路时，可以抑制THO的发生和发展[11-12]。

调控骨与软骨生长的维甲酸(RAR)信号转导通路也参与THO的发生和发展。在肢体骨骼发育早期，RARα受体在肢体间质中广泛表达。随着软骨细胞分化成熟，RARα受体数量下调，仅在软骨膜中保持高表达，而RARγ受体表达则始终局限于软骨基质中。生理状态下，RAR受体信号转导通路可抑制成骨前体细胞聚集以及向软骨细胞分化[13]。因此，在创伤组织中，RAR信号转导通路异常可能促进THO发生。研究发现，缺氧诱导因子(HIF)-α信号转导通路与发育时期的骨骼和血管生长相耦联，在骨组织形成时为其提供相应的血供系统，因此该信号转导通路可能与THO形成有关[14]。研究表明，THO动物模型中HIF-α通路的信号水平明显增高，导致促血管生成因子如血管内皮生长因子(VEGF)等增加，并可诱导软骨转录因子Sox9表达增加，诱导血管与软骨的形成，并进一步重建为成熟的异位骨组织[15]。

1.3 局部组织微环境

局部组织微环境也是THO形成的影响因素之一。创伤发生后的早期，急性期反应使损伤处的炎性因子水平升高，诱发局部的炎症反应和组织修复发生，同时使相关信号转导通路的信号水平以及TGF-β等成骨诱导因子水平增高，引起成骨前体细胞的增殖分化和血管生成，刺激THO发生[16-17]。此外，损伤处聚集的特异性和非特异性免疫细胞在此过程中也发挥重要作用[18]。Kraft等[19]的研究发现，创伤后损伤处聚集的巨噬细胞可诱导BMP-4表达增加而促进THO发生；中性粒细胞和辅助性T细胞17释放的炎性因子可刺激成骨细胞分化，破坏成骨与破骨平衡，进而诱发异位骨形成。另一项研究发现，THO动物模型中损伤处聚集的细胞可分泌肿瘤坏死因子(TNF)-α、白细胞介素(IL)-1β、IL-6、单核细胞趋化蛋白(MCP)-1等因子，且其在局部组织液的含量变化与血液中一致，因此这些因子可作为判断THO发生风险的潜在指标[20]。

2 治疗

THO的治疗方案可分为预防性治疗和手术切除治疗。

2.1 预防性治疗

预防性治疗主要包括非甾体类抗炎药(NSAID)治疗和放射治疗。由于治疗指征缺乏统一标准以及治疗本身存在的不良反应，THO预防性治疗的应用目前仍存在争议[21]。

2.1.1 NSAID治疗

NSAID治疗是应用最广泛的THO预防性治疗方法[22]，其通过减轻全身及局部的炎症反应，抑制炎性细胞分泌诱导成骨的因子，并直接减弱BMP信号转导通路，从而抑制THO的发生和发展[23]。NSAID可分为非选择性环氧化酶(COX)-2抑制剂和选择性COX-2抑制剂。前者的代表药物是吲哚美辛，常规用法是术后每日口服，连用6周。一项关于吲哚美辛对THO预防效果的系统综述研究显示，对该研究中纳入的1 662例髋关节置换术患者的术后随访发现，对照组患者中13.4%出现THO影像学表现，而吲哚美辛治疗组为3.3%，明显低于对照组[24]。其他临床研究采用的非选择性COX-2抑制剂还有布洛芬、双氯芬酸、萘普生、酮洛酸等，其中布洛芬防治THO的效果已被证实。研究发现，吲哚美辛(每天50 mg口服)与布洛芬(每次400 mg，每日3次口服)在预防THO的疗效上无明显差异[25]。由于选择性COX-2抑制剂(如塞来昔布和罗非昔布)可避免发生胃肠道出血等不良反应，因此在THO的预防治疗中日益受到重视。有荟萃分析研究发现，选择性与非选择性COX-2抑制剂在预防THO的疗效及药物毒性作用的剂量依赖性上均无显著差异，但选择性COX-2抑制剂的胃肠道不良反应和骨不连的发生率均明显更低[26]。

NSAID预防性治疗的优势在于成本较低且无需使用专业设备。在一项纳入75例髋臼手术患者的临床对照研究中，39例患者按常规用法接受吲哚美辛治疗，33例患者术后3日内接受800 cGy的髋臼局部放射治疗。结果显示，吲哚美辛组THO发生率为9%，与放射治疗组(12.8%)无显著差异，但吲哚美辛组的治疗费用仅为放射治疗组的1/200[27]。成本优势使NSAID预防治疗成为目前应用最广泛的THO预防方法，不过目前尚无研究证实该疗法的最优用药疗程和用药剂量[1]。Kjaersgaard-Andersen等[28]的研究显示，髋关节手术患者术后使用吲哚美辛治疗2周，其THO发病率降至5.2%，这与使用6周吲哚美辛治疗的预防效果相同。由于NSAID类药物仍是预防THO的主要方法，因此有必要对不同药物的最佳用药疗程、最佳用药方式以及用药剂量开展进一步的研究。

NSAID可能延缓骨折愈合。其原因在于，非选择性COX-2类药物可直接抑制由前列腺素介导的骨重塑以及骨祖细胞的分化过程，从而导致骨折延迟愈合，甚至发生骨不连[29]。而使用选择性COX-2抑制剂或局部应用NSAID类药物可能会减少此类问题，对此仍需开展进一步的研究。

2.1.2 放射治疗

低剂量放射治疗是另一种较为常用的THO预防方法。有研究显示，髋臼手术患者接受放射治疗后THO发生率可降至10%以下，且放射治疗预防THO复发的效果较好[1，30]。

放射治疗预防THO 发生可能与高能射线可抑制MSC向成骨细胞转化有关[16]。Legosz等[25]指出，目前通常采用术后单次700 cGy照射预防THO的治疗方案，而照射剂量自6 cGy到2 500 cGy均可降低THO发生率；在治疗时机上，术前照射和术后照射的预防效果也无明显差异。与NSAID疗法一样，放射治疗的最佳治疗剂量和治疗时机尚需获得循证医学证据的支持。除此之外，放射治疗还存在导致细胞损伤和死亡的可能，并进而引起骨折不愈合和致癌风险增加的问题[29]。由此可见，放射治疗虽然能降低THO发生率，但由于设备限制以及不良反应等问题，其整体效果仍存在争议。

2.1.3 针对信号转导通路的治疗

针对THO形成的信号转导通路进行治疗是近年研究的热点，其中针对BMP-Smad信号转导通路受体拮抗剂的研究获得更多关注。有研究显示，BMP-Smad信号转导通路受体拮抗剂能有效抑制BMP蛋白表达，减少骨基质生成，进而抑制THO发生[31]。研究发现，针对BMP-Smad信号转导通路中BMP I型受体的拮抗剂LDN-193189可减少动物模型的THO发生率，改善伤后肢体的活动范围[11]。虽然BMP受体拮抗剂的相关临床试验尚未开展，但相关基础研究为THO的预防治疗提供了潜在药物靶点。另一治疗靶点是针对RAR信号转导通路的。研究显示，在动物模型上使用RARγ受体激动剂可抑制软骨形成，并阻止THO的发生。其机制可能是通过抑制骨分化，同时减少Smad磷酸化水平，从而下调BMP-Smad信号转导通路的信号水平，抑制THO发生。但是动物实验也发现，常规剂量的RARγ受体激动剂可对骨骺产生损伤，从而延缓骨折愈合，并导致滑膜过度生长，这些弊端限制了其临床应用[32]。近来，有关HIF-α信号转导通路受体拮抗剂的研究也备受关注。Agarwal等[33]的研究表明，HIF-α信号转导通路拮抗剂(如PX-478)和雷帕霉素能显著降低动物模型中THO的发生率。但目前尚未开展相关的临床研究。

2.1.4 其他疗法

利用双膦酸盐等药物延缓羟基磷灰石晶体的结晶速度从而抑制异位骨形成曾是治疗思路之一[34]，但后续临床研究表明，双膦酸盐并不能阻断异位骨的骨基质产生[25，35]。创伤后组织的缺血缺氧环境诱发生成的自由基也与THO发生相关。研究表明，在动物模型中使用自由基清除剂(别嘌呤醇与N-乙酰半胱氨酸的联合制剂)预防THO生成的效果甚至优于吲哚美辛[36]。不过目前相关实验的数据较少，亟待开展进一步的研究。有学者认为，术后积极的功能锻炼有预防THO发生的可能，但对于炎症状态下进行关节活动会促进还是抑制THO发生仍存争议，且对于功能锻炼方式也缺乏统一标准，至今对运动疗法的效果仍无法证实。

2.2 手术治疗

对于已形成异位骨且影响关节活动的患者，手术切除是基本治疗方法。手术时机通常在伤后6～8个月异位骨完全成熟之后[16]，因过早切除异位骨可加大THO 复发的风险[1]。 Brouwer等[37]的临床研究显示，对于肘关节THO患者，不管关节活动度如何，手术切除后患者均可获得明显恢复。虽然手术切除对THO患者的肢体活动有明显改善，但手术本身可引起失血、术后疼痛等不良反应，并存在THO复发风险，因此术前必须谨慎考虑手术利弊。对于既往有THO史的高复发风险患者，术后应及时行预防治疗，以降低THO复发的风险。

3 结语

THO是骨折等创伤后的常见并发症之一，可对患者的关节活动造成严重影响。目前对THO的发病机制仍缺乏了解，创伤部位[38]、创伤类型[39-40]以及患者的遗传差异[41]均会影响THO的发生。个体之间THO的发生概率不同可能与其成骨前体细胞、成骨信号转导通路以及组织微环境的微小差异有关，提示针对相关发病机制进行“精准”研究可能是下一步的研究方向。对于目前的预防及治疗措施，应制定标准方案以供临床医生参考。