缺血性骨缺损治疗现状和产氧型材料的应用进展

赵旭晨，徐顶立，练雷栋，干开丰，马维虎

外伤、肿瘤等情况导致的骨缺损常常造成严重的后果。尽管年轻人的骨骼具有较高的再生潜力，但血供中断仍会严重影响骨再生的能力，甚至导致骨坏死，尤其是股骨颈、舟状骨和距骨等血供相对较差的部位。近年来，间充质干细胞（MSC）已经广泛地应用于骨缺损的治疗中。然而，由于骨缺损导致的血液供应中断会导致相关组织的缺氧，从而使移植的MSC发生缺血缺氧性改变，最终导致骨再生失败。目前有不少关于产氧型生物材料的应用研究，在缺血性骨缺损的治疗方面取得了不同程度的效果。通过在缺血性骨缺损部位植入产氧型生物材料，可以进一步提高骨修复治疗的水平。本文回顾了骨折的病理生理过程，并讨论产氧型生物材料在进一步增强骨折修复中的应用，报道如下。

1 缺血对骨愈合再生的影响

骨骼有一定的再生潜力，但由于骨折或脱位造成的血液循环中断，使骨骼血液供应丧失，会阻碍细胞修复，并可能导致骨坏死[1]。充足的氧气供应能保障细胞的物质代谢、胶原合成及细胞外基质形成，是防止伤口感染、促进伤口愈合过程的前提条件[2-3]。Thapa 等[4]回顾性分析了50 例股骨头骨折行手术治疗的患者，随访中发现2 例患者出现骨坏死，4 例患者骨折延迟愈合。即使在非骨质疏松患者，缺乏血供对骨折愈合再生的影响也是灾难性的，Slobogean 等[5]分析了41 篇关于非骨质疏松患者股骨颈骨折术后并发症的研究，发现在1558 例患者中术后出现缺血性骨坏死的占14.3%（223 例），骨不愈合占9.3%（145例）。同样腕关节骨骨折也具有较高的缺血性坏死和骨不愈合风险，Hermena等[6]分析了62 例腕舟状骨骨折的患者，发现术后4 例出现骨不愈合。Israel 等[7]回顾性分析了65 例接收手术治疗的腕月骨折（其中27例合并腕舟骨骨折）的患者，在长达8 年的随访过程中发现骨折部位缺血性骨坏死的发生率为7.7%（5例），另外26%（17 例）患者出现腕关节炎。因此，血供中断导致的骨缺损部位缺血缺氧，即使采用手术治疗也无法避免骨坏死和骨不愈合的发生。

骨缺损的常用处理方法包括：牵拉成骨、骨移植、截肢术等[8]。其中广义的骨移植技术包括：自体骨移植技术、异体骨移植技术和组织工程骨移植技术[9]。但是由于不愈合率高、供骨量有限、治疗周期长及治疗费用负担高等问题，这些方法在临床应用中受到很大限制[10-11]。而通过生物材料技术实现缺损骨组织再生是目前公认的最有可能在临床取得突破性进展的研究领域之一[12]。其中，MSC 是目前治疗缺血性骨缺损较为常用的方法，而产氧型材料的诞生，让研究者们看到了新的方向。

2 MSC 治疗骨缺损的优缺点

MSC 已经被临床广泛地用于治疗缺血性骨缺损。Ajiboye 等[13]曾报道将MSC 用于80 例接收经椎间孔腰椎融合手术的患者，发现74 例（92.5%）患者在1 年内获得完全骨融合。Ismail 等[14]报道5 例长骨萎缩性骨不愈合的患者接受骨髓MSC治疗，另外5 例采用髂骨植骨术。发现骨髓MSC 治疗组患者影像学上的骨愈合情况、术后DASH 功能评分和VAS 疼痛评分明显优于髂骨植骨组（均P ＜0.05）。相较于传统治疗方法，MSC治疗具有骨再生周期短、功能恢复快、无供骨区并发症和免疫排斥等优势[15]。随着研究的深入，较多学者认为MSC 具有分化潜能，可以分化为骨细胞、脂肪细胞、血细胞等中胚层来源的细胞，在合适的细胞微环境下干细胞分化为骨细胞是其治疗骨缺损的关键[16]。当骨缺损部位因为解剖原因缺乏血供或外伤导致血供减少时，缺氧的微环境会影响MSC 的增殖、分化和活性，甚至导致细胞死亡[17]。Valorani 等[18]报道低氧环境可以上调MSC Sca-1 和CD44 的表达，促使其向脂肪细胞的分化；另外Samal 等[19]报道当MSC 处于氧浓度＜1%的环境时，其增殖能力和细胞活性受抑制并且成脂肪分化增强。Kim 等[20]通过人脂肪MSC 实验发现，缺氧环境会增加人脂肪MSC 活性氧的产生。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/丝苏氨酸激酶（PI3K/Akt）信号通路导致胰岛素样生长因子结合蛋白3（IGFBP3）的表达被上调，IGFBP3 不仅可以抑制其成骨分化能力，而且抑制其增殖活性。因此，缺乏血供导致的缺氧环境会抑制间MSC治疗骨缺损的能力，所以补充适当的氧气可以改善这种情况。通过为成骨MSC 提供常氧条件来弥补其治疗缺血性骨缺损时的不足。

3 产氧性生物材料在缺血性骨缺损中的应用

血液中溶解氧的扩散距离有限，限制了组织工程骨中心区域的细胞存活。Mc Murtery[21]报道了当体内移植物在1 cm 厚度范围内氧分压较高，而随着厚度增加，其内部氧分压急剧降低。因此，在组织工程骨中形成一个缺氧坏死的核心，再生过程将会失败。近年来，有研究人员设计了产氧性生物材料，并在增强缺血组织存活能力和保存缺血组织的细胞代谢、细胞分化等方面取得了不同程度的成功。由产氧性生物材料持续提供氧源，将是急性创伤治疗和缺血性骨缺损后骨组织恢复的一个重大治疗进展。

3.1 载过碳酸钠聚乳酸材料 Harrison 等[22]报道了D，L-乳酸-共乙醇酸（Poly-PLGA）薄膜与过碳酸钠（SPO）结合可持续释放氧。这种材料通过延缓组织细胞降解，包括凋亡、乳酸积累和皮肤变色等过程达到延长皮肤细胞存活时间的作用。原位产氧虽然可以减少小鼠模型缺血组织中的细胞凋亡和组织坏死，但是当组织工程材料的产氧能力持续较短，并且血供尚未恢复时，组织细胞仍会凋亡。有研究报道，载SPO的聚乳酸生物材料作为皮肤伤口愈合剂时能够延缓无血供区细胞坏死，但3 d 后细胞开始出现坏死。Oh 等[23]报道了在3D 组织工程构建中的缺氧成纤维细胞增殖研究中，使用过氧化物结合聚乳酸膜可以增强细胞活性，而且接种在载过氧化钙-PLGA支架上的3T3 细胞，在1%氧气条件下的存活率远高于对照组。另外，Ward 等[24]发现缺氧条件会导致骨骼肌代谢和功能的丧失。产氧的PLGA-SPO 生物材料已被证明能支持缺血条件下静息骨骼肌的稳态，并减轻在常氧条件下收缩疲劳后的肌细胞静息张力的升高。在缺氧情况下，SPO 生物材料可以减少HIF-1 的积累、氧化应激，并改善肌内糖原的消耗。实验证明，在大鼠的缺血骨骼肌中植入SPO 材料，可增强骨骼肌收缩性，改善肌内糖原消耗。虽然载SPO 的聚乳酸材料具有延缓无血供区细胞坏死，增强骨骼肌生物活性的能力，但是存在供养时间短等不足之处。

3.2 载过氧化钙的聚二甲基硅氧烷材料 过氧化钙（CPO）在固态时水解反应发生得太快，导致高氧化合物产生的可能性增加，同时致使反应中间体过氧化氢（H2O2）的产生。此外，该反应还有副作用发生的可能，如产生羟基自由基（OH－）[25]。因此有学者提出，使用生物稳定的疏水聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料作为扩散屏障，用于降低封装的CPO 的反应速度。实验证明，PDMS 结合的固体CPO 可以控制氧气向周围的释放，持续时间超过40 d。该系统的产氧量取决于水进入PDMS-CaO2的扩散速率和其中固体CPO 量。PDMS 对氧气具有高渗透性，所产生的氧气可以有效地扩散出系统以供细胞使用。学者通过优化PDMS-CaO2的几何尺寸和其中固体CPO量，设计出具有理想氧释放动力学的氧生成系统。对固体过氧化物水解反应速率的调节和最终产物的快速清除保证了该系统的正向反应的动态性，从而消除过氧化氢中间体和羟基自由基等副反应的积累。因此，PDMS-CaO2是一种适合在缺血缺氧条件下维持移植细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能使缺氧诱导的细胞功能障碍和细胞凋亡的情况得到改善，其中包括细胞代谢的功能改善、葡萄糖依赖性胰岛素的产生受到调节。同时，在缺血条件下，通过PDMS-CaO2的持续供应氧气，细胞系活力提高了近1 个月[26]。载过碳酸钙的聚二甲基硅氧烷材料具有持续稳定产氧的能力，但是副作用会产生羟基自由基（OH－），同时分解产生的钙离子增加了肾脏排泄的负担。

3.3 双层膜包裹过氧化氢 Abdi等[27]提出采用双层膜包裹的纯H2O2以产生用于生物组织回收应用的清洁氧气。相较于过氧化钠和过氧化钙，直接使用双层膜封装的H2O2可以防止包括金属阳离子在内的副产物产生，并且只产生无毒的氧气和水[28]。因此，预固定过氧化氢酶的海藻酸盐包覆PLGA 基质作为保护层，促进H2O2分解。在这种方法中，可以通过控制包裹H2O2的微球中的海藻酸盐浓度来控制氧的释放。在制备的双层系统中，封装的H2O2分解产生持续氧气供应的方法，已被证明可以提高缺血条件下的细胞存活率[29]。但是，双层膜包裹H2O2作为一种无金属离子副产物的单一生物材料，需要解决其在制备保存过程中过氧化氢容易分解的问题。

4 总结和展望

组织工程技术和MSC 治疗在面对缺血性骨组织的缺氧微环境时，有着细胞凋亡和组织坏死的风险。向缺血性骨缺损部位提供足够的氧气，能最大限度地提高移植细胞的存活率，并对移植细胞整合到缺损部位上有着重要意义。产氧型生物材料作为可移植物的技术，可以向局部组织持续注入氧气，以加速组织再生和分化，从而改善缺氧时细胞凋亡和组织坏死。然而，其也有潜在的局限性：因为相较于骨缺损中长期存在的受损血管系统，产氧型生物材料的产氧持续时间短暂。

目前看来，持续原位产生氧气的产氧型生物材料在缺血性骨缺损组织的修复应用中很有前景，因为其可以提高手术中移植组织的存活率，并使移植组织在缺氧环境中能正常增殖。此外，由于一定程度上减少了低氧诱导的细胞凋亡，产氧型生物材料的植入，避免了多次手术来重新填充工程组织移植物的情况。因此，产氧生物材料有利于骨缺损愈合过程，是治疗缺血性骨缺损的理想生物材料。

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