颅骨游离骨瓣移植后成活机制的研究进展

马伦昆 张智勇

【提要】 在颅颌面外科及神经外科领域，颅骨游离骨瓣的应用较为广泛。可切断颅骨的固有血供，将游离的颅骨骨瓣重新排列，以重塑发育畸形的颅腔。游离颅骨瓣也可用于因去颅瓣减压术或创伤等引起的颅骨缺损的修补。颅骨瓣移植后的愈合及成骨是一个复杂的过程，多种因素参与并影响了这一过程。本文就游离颅骨瓣移植后的成活机制及相关影响因素进行文献综述。

颅面外科发展的一个重要理论基础：眼眶、颅骨或颧骨可以被切断，使其与固有血供完全分离，并重新放置游离骨瓣，而不至发生骨的坏死及骨量的丢失[1]。这表明颅骨具有独一无二的骨愈合能力。游离颅骨骨瓣的临床应用也较为广泛，在颅面外科手术中，通常需要将畸形的颅骨取出塑形并重新排列，尽管这些非血管化的游离颅骨移植物被切断了其固有血供，但移植的颅骨瓣能够恢复活力，并保持长期的结构稳定。此外，严重的颅脑损伤、脑卒中和脑肿瘤等造成颅内压增高时常常需要行去颅骨瓣减压术，由此造成的颅骨缺损需进行二期手术修补，而自体颅骨瓣是最佳的颅骨缺损修补材料。Zanotti等[2]评估了颅骨成形术中所使用的材料，指出自体颅骨由于其生物学及遗传学上的相容性、相对较强的抗感染能力、较强的硬度，以及用于儿童时自体颅骨有望随年龄增长而同步生长等优点，应成为颅骨成形术的首选材料。杨纪明等[3]研究了65例采用自体颅骨进行颅骨修补术的患者，结果显示所有患者均一期愈合，表明自体颅骨修复颅骨缺损安全可靠，在颅骨修补中具有较高的应用价值。游离颅骨骨瓣在颅颌面外科及神经外科都有较为广泛的应用，且术后具有较高的移植物成活率及体积保存率。本文就游离颅骨骨瓣移植后的愈合成骨过程及相关影响因素进行综述，为临床应用提供参考。

1 游离颅骨骨瓣移植后的愈合及成骨机制

任何类型的骨移植都是通过3种可能的机制完成骨愈合及骨再生的，即直接成骨、骨传导和骨诱导[4]。

直接成骨是指移植物中的成骨细胞形成类骨质进而形成骨，当移植物中存在成活的成骨细胞或成骨前体细胞(干细胞)时，会发生成骨过程，因此自体骨是唯一具有成骨性能的移植材料。骨传导是指毛细血管和骨祖细胞从受体部位向移植材料中迁移生长，移植骨逐步被新骨取代，移植物被吸收[5]；此过程中，自体骨起到了细胞迁移、血管生成和建立瞬时基质的支架作用，使血管、成骨细胞和干细胞能够向移植物内生长，从而与宿主骨发生愈合，当植入低活力或低细胞密度(如皮质骨)的自体骨时就是这种情况。骨诱导成骨是指干细胞从宿主床招募到移植物部位，通过生物化学转化和刺激分化成为成骨细胞进而形成骨的过程，骨形态发生蛋白是已知的最好的骨诱导剂。Franceschi等[6]认为，在骨诱导机制中，骨形态发生蛋白可早期诱导骨膜的修复或重建、骨表面血管化和毛细血管逐渐向骨深部延伸。

在非血管化的游离块状移植骨中，骨细胞常由于包裹在矿物质基质中以及血供的中断而死亡，而移植骨内存活的少量成骨细胞以及干细胞可通过成骨作用形成新骨。另外，矿物质吸收过程中释放的骨形成蛋白和胰岛素生长因子等通过骨诱导机制以及移植物本身作为框架的骨传导作用形成新骨。因此，游离块状移植骨的愈合及新骨形成大部分是通过邻近骨缘的骨诱导和骨传导机制，小部分则通过存活的细胞直接成骨[7]。

Shand等[8]研究了新鲜冷冻同种异体颅骨与自体颅骨移植修复兔颅骨缺损，结果显示，在所有移植物的整个标本中都有新生血管生成，新生骨存在于骨内膜和骨膜表面以及移植物内的岛状结构；组织学和荧光标记显示移植物中央有多个新骨区域形成。研究认为，异体移植物也是通过骨传导和骨诱导过程与宿主骨结合在一起。

自体骨移植的愈合及成骨机制是一致的，与供骨部位无关。然而，移植物的愈合率和最终的骨形成量随供体部位和来源的不同而不同。颅骨、面骨、锁骨和颌骨是膜内成骨，这些骨骼的发育、生长和愈合是通过间充质细胞的直接骨化来实现的，而其他部位的骨骼则是通过软骨内骨化过程从预先形成的软骨中产生的。Zins等[9]在兔和猴的颅面区域自体骨移植试验中发现，膜骨比软骨内骨能在更大程度上保持其体积且具有更大比例的活骨成分。Kusiak等[10]认为膜骨移植物更大程度地保持其体积和活性是由于发生了快速而广泛的血管化。

2 硬脑膜及颅骨膜对游离颅骨瓣移植的影响

颅骨骨瓣移植受体部位的某些局部因素具有成骨潜力，硬脑膜和颅骨骨膜已被证明具有一定的成骨作用，硬脑膜是促进颅骨血运重建和骨愈合的主要因素。

Hopper等[11]在研究硬脑膜和颅骨膜对新鲜颅骨移植影响的动物实验中，以硅胶片将颅骨移植物与硬脑膜或骨膜隔离，10周后取材进行移植物的表面积、形态学、定量组织学、荧光染色及血运重建分析。结果显示，与未隔离的对照组移植物相比，隔离硬脑膜或骨膜的兔自体颅骨移植物在血管计数、骨结合以及成熟骨的横截面积等方面都显著减少。此外，他们确定了硬脑膜和骨膜除了成骨之外的另一种作用，即主动(通过产生生长因子)或被动引导来自相邻颅骨骨髓的成骨和血管生成成分穿过界面。Gosain等[12]评估了硬脑膜和颅骨膜分别对新鲜的(含成活成骨细胞)和经过冷冻的(成骨细胞已失活)颅骨移植物存活的影响，结果表明颅骨具有独特的生物环境，使其成为一个优良的骨移植受区，经过冷冻的颅骨虽然缺乏成活的成骨细胞，但仍可成功地结合到颅骨中，且仍有新骨形成。因此，与硬脑膜和颅骨膜的接触有助于颅骨骨瓣的成骨，硬脑膜可以促进新鲜和冷冻的颅骨移植物的成骨，而颅骨膜只能促进含有成活骨细胞的新鲜移植物在颅周表面的成骨，硬脑膜则是促进颅骨移植物存活及成骨的主要原因。

Power等[13]的研究表明，在血管化及非血管化的游离颅骨移植的模型中，血管化移植物的愈合主要通过骨岛形成(80%)，而游离移植物的愈合主要发生在缺损边缘(70%)；认为非血管化的游离颅骨移植的改建和血运重建可能成为主导过程，从而使硬脑膜成骨修复颅骨缺损的效率降低。

硬脑膜及颅骨膜的成骨能力与年龄相关。动物实验表明，未成熟动物的硬脑膜及颅骨膜的成骨能力强于成熟动物[14-15]。有研究评估了与硬脑膜成骨能力相关的分子机制，包括转化生长因子-β1、碱性成纤维细胞生长因子、Ⅲ型胶原蛋白、骨钙素和碱性磷酸酶等成骨的关键生长因子和细胞外基质蛋白。实验证明，与成熟硬脑膜相比，未成熟的硬脑膜细胞比成熟的硬膜细胞增殖更快，产生更多的转化生长因子-β1、核抗原、成纤维细胞生长因子-2与碱性磷酸酶，且未成熟硬脑膜细胞培养的转化生长因子-β1、骨钙素以及Ⅲ型胶原蛋白的基因表达含量较成熟硬脑膜分别增加了9倍、8倍和21倍。硬脑膜除了提供体液因子的基本环境外，未成熟的硬脑膜细胞还提供了颅骨再生所需的细胞成分，如成骨细胞，来增强成骨能力[16-17]。

3 细胞因子对颅骨移植愈合及存活的作用

颅骨中某些细胞因子可能促进了颅骨移植物的成活及愈合，并且使颅骨作为供骨组织时比其他部位骨组织具有更高的存活率。

胰岛素样生长因子(IGFs)可刺激骨细胞和成骨前体细胞的增殖以及成熟的成骨细胞合成基质蛋白。转化生长因子(TGF)是一种多功能生长因子，TGF-β已被证明具有刺激骨形成[18]和骨修复[19]作用。Finkelman等[20]认为颅骨中可能富含一种或多种在骨修复过程中起重要调节作用的生长因子，他们发现颅骨中的IGF-Ⅱ和TGF-β含量明显高于髂骨或椎体骨，因此颅骨中这些生长因子浓度的增加可能是颅骨修复能力增强以及移植物存活率较高的原因。

基质金属蛋白酶(MMPs)是一类锌依赖的内肽酶家族，在成骨、骨重建[21]以及其他组织重建过程中发挥作用。金属蛋白酶组织抑制因子(TIMPs)通过形成非共价双分子复合物使MMPs失活，阻止MMP原的活化，从而调节MMPs的活性，在骨形成和重塑过程中发挥了重要作用[22]。TIMP-1是其最主要的形式，能抑制大多数MMPs。在兔颅骨缺损模型中，Twitty等[23]检测了TIMP-1在自体颅骨(起源于膜内)和股骨(起源于软骨)骨移植模型中的时序表达模式，以了解TIMP-1对移植骨愈合的影响。研究发现，在软骨内成骨骨移植物中，TIMP-1在移植后第1～3天有表达，而膜内骨移植物直到第6～9天才有TIMP-1的表达。TIMP-1在软骨内成骨和膜内成骨骨移植中的时间表达差异提示，植骨类型在影响宿主组织介导的愈合过程中起重要作用，移植骨新生血管生成需要MMPs来分解细胞外基质，以允许内皮细胞迁移。此外，研究还发现，MMPs还可以分解移植骨、释放细胞因子，TIMP-1在膜内成骨骨移植物中的延迟表达能使膜内成骨骨移植物更早发生血管化。

4 总结

游离颅骨移植物的愈合及成骨是一个复杂的过程，主要依赖于直接成骨、骨传导及骨诱导三种机制，且有多种因素影响着这一过程。颅骨移植的独特之处在于硬脑膜与颅骨膜参与且影响其愈合及成骨过程，其中硬脑膜起主要作用，是颅骨成为独特的骨移植受区部位的主要原因。另外，与其他骨骼相比，颅骨中含有较丰富的胰岛素样生长因子(IGFs)及转化生长因子(TGF)，这些因素共同促使颅骨瓣具有较高的存活率，成为优良且独特的骨移植物。临床上游离颅骨移植的应用较为广泛，在颅骨成形术中，最好的材料应该是术中即刻取出并妥善保存的自体颅骨瓣。只有充分了解颅骨愈合的相关机制及其影响因素，才能更好地应用这些辅助骨移植存活的因素来改善颅骨移植的长期效果。例如，在术中保证硬脑膜及骨膜的完整性(尤其是硬脑膜)、使用相关生长因子促进颅骨愈合、加强术中内固定、增加移植物的接触面积等措施。对于无法完整移植的骨瓣，可将其碎片化后进行回植，也可利用自体颅骨粉末加医用人体纤维蛋白胶黏合剂修复颅骨缺损。但自体颅骨回植后的吸收及感染也时有发生，良好的软组织覆盖、避免感染是保证骨瓣愈合、减少吸收的重要手段；另外还需要探索出能够更好地把离体游离骨瓣中活性成分保存下来的方法[24]，以保证用于回植的颅骨骨瓣的生理活性、再植术后颅骨的高愈合率，并降低骨吸收的概率。