大块骨缺损治疗研究进展

陈澍东，林宗汉

(1．广西中医药大学研究生院,广西 南宁 530000;2.广西中医药大学附属瑞康医院骨科,广西 南宁 530000)

目前,针对大块骨缺损的定义尚不明确。SCHMITZ等[1]通过动物实验首次提出了“骨缺损临界值”的观点,即当骨缺损长度达到长骨直径的1.5倍这一临界值时,骨难以自行愈合。有报道称,当骨缺损长度超过6 cm时不愈合的发生率达80%以上[2]。MAUFFREY等[3]把骨缺损长度超过长骨直径的1/2或缺损长度超过2 cm以上的缺损定义为大段骨缺损。当骨缺损程度超出了骨自行修复的最大能力范围时,缺损将无法自行愈合,需要人工修补才能恢复骨骼功能。大块骨缺损的治疗一直都是骨科临床治疗的重点、难点,如不治疗或治疗不当会使肢体功能丧失。目前临床上治疗大块骨缺损的方法较多,主要有自体骨移植、同种异体骨移植、Ilizarov 技术、骨诱导膜技术和人工骨替代材料[4]移植等。为了解各种治疗方法的疗效及存在的问题,本文就上述治疗方法在大块骨缺损中的应用进展进行综述,以期为临床上选择治疗大块骨缺损合适的方法提供参考。

1 骨移植技术

1.1 自体骨移植技术

自体骨移植无免疫排异反应,适应性良好,骨诱导及骨生成率高;与其他骨移植物相比自体骨移植物能够更快、更完全地整合到宿主骨中[5]。因此,自体骨移植被认为是骨移植的“金标准”[6],也是评估其他骨移植物和骨替代物的基本标准[7]。自体骨移植时多采用腓骨、胫骨、髂骨、肋骨及肩胛骨等,松质骨、皮质骨和骨髓也可使用,其中带血管的腓骨移植的移植效果更优,骨吸收更少,诱导成骨能力强,且具有一定的承重能力。LIU等[8]采用带血管腓骨移植治疗骨缺损,并随访至完全骨性愈合,结果发现,移植愈合率达100%。谭磊等[9]认为,带血管腓骨移植是长管骨移植高愈合率的重要保障。自体骨移植目前仍然是修复骨缺损最常用的方法[10],但由于自体骨来源及骨量非常有限,只适合用来修复5 cm以内的骨缺损[11],且取骨处易引起感染、疼痛、骨折等二次伤害[12],严重时供区或需手术治疗[13]。以上这些问题限制了自体骨移植在临床上的推广应用。

1.2 同种异体骨移植技术

同种异体骨移植是骨移植治疗骨缺损的又一伟大尝试。同种异体骨供体须是青壮年,保证骨源足够的骨质和活力,另外须检查供体是否患有感染、传染性疾病、肿瘤、免疫性疾病、血液病等以及是否长期吸毒等。同种异体骨可取自活供体和死亡供体的骨体。同种异体骨在取材后需进行清洗,去除骨髓,并在消毒、脱脂脱钙、切割粉碎后干燥冷冻保存。同种异体骨移植的骨来源相对较多,诱导成骨能力较强,但同种异体骨可能存在传播疾病、感染、免疫排斥等不良反应[14]。有研究表明,将富含自体血小板生长因子与骨膜间充质干细胞同种异体骨相混合后治疗骨缺损,可有效降低同种异体骨移植的排斥反应[15]。 CHENG等[16]研究发现,同种异体移植物与骨形态发生蛋白-2(bone morphogenetic protein-2,BMP-2)结合可以促进骨缺损的愈合;在同种异体骨中加入缩聚脱氧核糖异丁酸酯聚合物可使同种异体骨产生生物活性表层,增强Wistar大鼠同种异体骨移植愈合率。王国伟等[17]将12只健康成年新西兰白兔随机分为冷冻骨组和脱钙冻干骨组,每组6只,2组兔均锯除桡骨中段1.5 cm制成骨缺损模型,造模后2组兔分别植入同种异体冷冻骨和同种异体脱钙冻干骨;植入术后第2、4、8和12周进行观察,结果发现,冷冻骨组兔桡骨中段最大弯曲力和抗压强度,以及最大扭矩和抗扭强度均显著大于脱钙冻干骨组;表明同种异体骨移植中冷冻异体骨的治疗效果优于脱钙冻干异体骨。

2 Ilizarov技术

Ilizarov 技术又称为牵引成骨术或骨搬运术,苏联医生 Ilizarov首先提出该技术在骨缺损方面具有骨修复作用,随后经过不断地研究、发展和改进,使得许多因大块骨缺损而失去活动能力的患者获得了恢复的希望。Ilizarov技术是通过外固定架或髓内钉对骨骼断端保持一定的张力、应力,对骨生长产生刺激作用,促使骨折端再生长。Ilizarov技术需要固定保持骨端每天延伸1 mm(每天延长4次,每次延长0.25 mm),给予肢体组织持续而稳定的牵拉力,持续激活骨骼的再生能力,促使骨骼细胞的分裂生长,持续的牵拉刺激还可激活周围组织细胞的再生和生长,从而实现骨骼与周围软组织的同步生长。由此可见,Ilizarov技术是一种再生技术,而非组织的修复过程。外固定支架固定后,在治疗过程中可以适量地调整肢体的力线畸形并通过牵拉修补骨体缺损。厉孟等[18]研究报道,与内固定术比较,Ilizarov技术具有可降低肢体畸形、手术创伤小、愈合期短、术后抗感染能力强、患者可进行早期功能锻炼等优势。AKTUGLU等[19]研究认为,Ilizarov 技术是治疗胫骨临界骨缺损的金标准。采用Ilizarov技术治疗大块骨缺损的周期较长,POPKOV等[20]将16只杂种狗胫骨造成17.15 mm缺损,然后随机分为2组,第1组(n=8)将涂有羟基磷灰石的1.8 mm髓内钛丝引入胫骨管,然后进行Ilizarov框架安装;第2组(n=8)只进行Ilizarov框架安装,不使用髓内钉;结果发现,第1组狗的骨牵引时间较第2组减少3倍,并且骨愈合结果理想。但有研究发现,采用Ilizarov技术治疗大块骨缺损存在骨骼延迟愈合或不愈合、针孔感染、护理不便、肢体活动受限及长期外固定引起的心理障碍等问题[21]。另外,Ilizarov技术治疗时间较长,影响了其在临床中的推广应用。

3 Masquelet技术

Masquelet技术又称为骨诱导膜技术,20世纪80年代, MASQUELET等[22]将该技术用于治疗骨缺损,发现骨缺损处愈合良好,治疗效果理想。之后该技术被广泛应用于大块骨缺损的临床治疗中,为大块骨缺损的治疗打开了新的思路。骨诱导膜技术是通过植入聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥刺激周围骨组织生长出具有丰富的血供和活性因子诱导膜。诱导膜具有和骨膜相类似的结构和功能,可以诱导成骨。该技术手术分2期完成:Ⅰ期手术进行完全清创,清除坏死骨块和组织,置入含抗生素骨水泥,填充缺损骨位置,闭合创口,固定体位。待感染得到控制,诱导膜完全覆盖骨缺损处时行Ⅱ期手术。Ⅱ期手术切开诱导膜,尽量减少破坏诱导膜,去除骨水泥,植入自体松质骨或人工松质骨,闭合诱导膜,充分引流,冲洗缝合伤口,定期进行X线检查。骨缺损修复的关键在于诱导膜,TOTH等[23]认为,诱导膜在 Masquelet 技术中至关重要。TANG等[24]研究表明,诱导膜在形成过程中分泌的几种功能蛋白,如BMP-2、转化生长因子-β、血管内皮生长因子 A和血管性血友病因子,参与了成骨细胞的增殖和分化。在采用Masquelet技术进行Ⅱ期手术时需要植入松质骨以帮助骨缺损愈合。HAKOZAKI等[25]研究发现,因为从双侧前后髂嵴采集的自体松质骨总量有限,所以采用自体骨移植治疗骨缺损时,只能用于修复<6 cm 的节段性骨缺损。GUPTA等[26]研究发现,将β-磷酸三钙与自体松质骨按3：1比例混合后用作自体松质骨的替代品,可治疗>6 cm以上的骨缺损,且骨愈合良好。在使用自体骨移植重建骨缺损的情况下,推荐使用多个骨折固定装置进行刚性固定。有学者认为,诱导膜技术具有操作简单、效果可靠、治疗周期短、患者耐受程度好及舒适感较好等优点[27]。但该技术也存在不足之处,如诱导膜中血管生成不足和生长因子缺乏等,应用该技术治疗骨缺损时须植入自体松质骨,在提取自体松质骨时不仅会造成取骨区的损伤,还会抑制植骨区周围软组织的生长,因此,在骨缺损伴有周围软组织缺损时不合适采用该技术进行治疗。

4 骨组织工程

目前,采用自体骨移植治疗大块骨缺损存在自体骨的来源有限这个弊端,而采用同种异体骨移植治疗大块骨缺损又存在排异反应和传染病菌等危险性,所以关于人工骨移植材料的研究越来越多,骨组织工程种类也不断涌现,如生物金属材料、生物陶瓷材料、高分子材料、纳米材料、多孔支架复合材料等。标准的骨修复材料应该具有生物相容性、生物降解性、骨传导性、诱导成骨性等特性。骨修复材料是通过使用工程化支架来引导骨形成的[28]。为了达到诱导骨组织再生并避免机体发生免疫反应的目的,毛克亚等[29]认为,应采用具有生物亲和力高、生物活性佳、分子级别低、机械性能优等特性的材料作为骨修复材料,骨修复材料中应含有可促进成骨的细胞因子或药物等活性成分以刺激细胞黏附、增殖和分化,促进新骨形成、诱导成骨。

目前应用于临床的金属材料有不可降解的钛、钽和可降解的镁等。金属材料具有生物相容性好,骨功能佳等优点。金属材料的缺陷是无骨诱导性,需要进一步修饰或与生长因子联合应用;未达到完全骨性愈合标准的骨缺损可通过自体修复达到完全骨愈合,植入金属材料后会造成二次损伤,甚至可能延长骨愈合时间[30]。ZHONG等[31]将15只3月龄新西兰雄性白兔随机分为3D打印金属涂层聚多巴胺组(n=5)、3D打印金属组(n=5)和空白组(n=5),使用骨钻机在各组兔股骨沟中造成宽2 mm、深3 mm的骨缺损,然后空白组兔未植入任何植入物,其余2组兔分别植入 3D打印金属涂层聚多巴胺和3D打印金属组;观察6、12周后发现,3D打印金属涂层聚多巴胺组兔形成的骨性愈合组织显著多于3D打印金属组和空白组。

生物陶瓷原料种类较多,主要以羟基磷灰石、β-磷酸三钙为基础。人的骨骼多由羟基磷灰石组成,通过3D打印技术制成的多孔磷酸钙生物陶瓷是较优的骨移植材料。生物陶瓷材料的优点是具有高效降解性、诱导成骨性和生物亲和性。OMAR等[32]采用钛金属网加生物陶瓷来修复羊颅骨,观察21个月后发现,羊颅骨缺损得到有效修复,且恢复的新骨结构和成分与正常骨相似。

高分子材料结构复杂多样,在人工合成时可根据需要调整材料的成分、形态、机械强度、可降解度等;高分子材料的典型代表有天然高分子多糖类和蛋白质类。高分子材料的不足主要表现为生物信号识别不高,细胞难以附着、生长。GE等[33]认为,在新型仿生矿化复合支架材料中加入锶可以增加材料的生物亲和力和骨诱导性。有学者将20周龄雄性新西兰大白兔27只随机分为A、B、C 3组,每组9只,然后采用电毛刺剥离横突并暴露松质骨的方法制备兔L5、L6节段脊柱后外侧融合模型;造模后分别于A组、B组、C 组兔骨缺损处植入1.5 mL自体髂骨、1.5 mL(30 mm×10 mm×5 mm)单纯骼金人工骨修复材料和1.5 mL(30 mm×10 mm×5 mm)骼金人工骨修复材料复合兔自体骨髓(1：1比例混合);12周后,3组兔分别有 5 只(83.3%)、4 只(66.7%)、5 只(83.3%)植骨融合,说明骼金人工骨修复材料复合自体骨髓具有良好的骨诱导性和成骨引导作用[34]。

复合材料由多种材料混合制成,具有生物亲和性、可控降解性、无毒无致癌性、诱导成骨佳、机械性能好等优点。研究表明,复合材料是骨移植相对理想的新型骨再生修复替代材料[35-36]。ZHANG等[37]将BMP-2样肽、氧化石墨烯、β-磷酸三钙、聚乳酸-乙醇酸、二氯甲烷、Dulbecco、胎牛血清等多种材料通过低温3D打印技术制造出复合材料,并将该复合材料用于治疗大鼠颅骨缺损,结果发现,此种复合材料可显著改善大鼠颅骨缺损的体内骨再生。

间充质干细胞在骨缺损修复中起着至关重要的作用。骨骼缺损后会引起间充质干细胞主动迁移到受损部位进行修复,这种现象称为“归巢”。间充质干细胞可通过刺激血管生成和协调骨重塑来加快骨愈合。间充质干细胞已被证明可以通过直接分化成骨形成细胞并通过分泌生长因子和抗炎细胞因子调节生物内环境来增强骨再生[38]。募集的间充质干细胞还会分泌如趋化因子、细胞因子和生长因子等因子[39],这些因子是骨再生的重要保障。骨再生主要有2种途径:一是膜内骨化,二是软骨内骨化。骨缺损骨折间隙较大,只有通过软骨内骨化的典型愈合阶段使软骨组织先硬化,最后再重塑骨缺损部位。在这种骨再生模式下,骨折处血肿最初被免疫细胞浸润,主要是中性粒细胞和巨噬细胞。巨噬细胞不仅在骨折部位吞噬坏死细胞和组织碎片,还可启动骨膜、骨髓和循环中间充质干细胞和血管骨祖细胞的募集。随着炎症消退,间充质干细胞和其他骨祖细胞增殖,形成肉芽组织,最终形成软骨愈合组织以稳定骨折部位。除了提供机械稳定性外,软骨还可作为成骨细胞介导的骨沉积支架,使愈合组织矿化并闭合骨折间隙;然后,破骨细胞再吸收未成熟的编织骨和软骨基质,随后沉积成熟的层状骨,骨骼恢复到骨缺损前的结构和完整性。

5 结论

骨移植目前是临床除输血以外的第2大器官移植,自体骨移植是骨移植的“金标准”,但骨量取材有限,在大块骨缺损中难以解决大量骨需求。同种异体骨移植的取材范围较大,但在日益增长的骨需求中依然难以满足临床需要,且还存在病毒感染风险。Ilizarov技术通过机械牵引诱导成骨,但临床出现骨不愈合问题时有发生,一些医师将人工骨移植物联合使用,取得了良好的临床效果。Masquelet 技术通过聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥的植入诱导类似骨膜的诱导膜生长,再通过植入自体骨或人工松质骨;通过诱导膜中丰富的血运和生长因子,促使骨爬行替代成骨。骨组织工程种类繁多,近年更热衷于3D打印复合材料,复合材料中混合有自体骨髓间质干细胞,可降低免疫排斥性,增强诱导成骨性,促进骨愈合。最新研究在3D的基础上加入时间概念形成4D打印技术,4D技术是动态的3D打印,随着时间的推移,材料结构和细胞功能的成熟,功能成熟的细胞将最大限度地激活干细胞的成骨作用;这为骨组织工程的发展提供了巨大的潜力[40]。有研究发现,在骨缺损处移植线粒体受体骨髓间充质干细胞后骨缺损处表现出显著增强的增殖活力,并在成骨诱导后增加成骨[41],因此,线粒体转移可能是一种优化干细胞治疗功能的有前途的新型技术。甲状旁腺激素是体内钙稳态的关键调节剂,在骨代谢中起着重要作用。性激素对骨生长也起着至关重要的促进作用。

目前大块骨缺损的治疗手段都取得了较大的成就。每种治疗手段都有各自的优势和不足,目前临床多尝试多种治疗手段联合治疗,效果明显优于单一治疗手段。随着对大块骨缺损治疗的探索,未来骨缺损的治疗将拥有更广阔的前景。