骨搬移技术治疗骨不连的分子机制研究初探

于大淼(综述),廉永云(审校)

(哈尔滨医科大学附属第四医院骨科,哈尔滨 150001)

骨不连是临床骨科中常见的并发症,也是骨折治疗面临的重要难题,骨不连的发生率在5%～10%[1]。以往人们对于骨不连细胞的认识多局限于功能退化,对在骨不连治疗过程中如何促进成骨细胞的分化以及抑制破骨细胞的分化研究较少。近年来,随着关于骨组织对力信号研究逐渐深入,在骨搬移技术治疗骨不连过程中需要逐渐弄清在矢量力打击下对骨细胞直接以及间接影响,包括什么是力的信号,骨细胞与力信号量化关系,经力打击后两种骨细胞之间的消亡与分化情况,生理条件下的应力与外加应力之间的关系,以及如何合理运用压应力。本文主要针对压应力诱导破骨细胞分化作用的影响,探讨在未来临床实践中作用和意义。

1 骨不连的定义

经过长期临床观察，反复X线摄片及相应影像学复查,骨折断端经过治疗(包括内固定手术治疗或石膏夹板等外固定治疗),超过通常愈合时间(3个月)不愈,再度延长8个月仍没有愈合迹象或愈合趋势，或出现骨溶解、骨吸收,称之为骨不连,也有文献称为骨不愈合[1]。

2 骨不连的分类

根据影像学表现，骨不连可分为萎缩性和增生性两大类。增生性骨不连的骨折端大量肥大骨痂形成,萎缩性骨不连的骨折端萎缩光滑,无任何骨痂生成迹象,偶伴有骨溶解。对于增生性骨不连接，大部分可以达到治疗满意效果[2-4]；而对于萎缩性骨不连，尤其伴有明显的骨缺损的治疗相对困难,传统的治疗方式是切除骨折断端硬化骨,清除骨不连断端间组织、凿通髓腔、坚强内固定和植骨[5-6]。

3 骨搬移技术

骨搬移技术是Ilizarov 独创的一种治疗骨缺损的方法。具体方法是不直接处理骨折断端,而是将长骨端健存部骨截断,利用外固定架上固定骨的可移动钢针,每日间断均匀移动1 mm距离的活性骨块,共20次(具体愈合时间主要取决于骨缺损面积的大小)。要求每次相隔时间相等,力量均等,对骨折骨不连处给予持续缓慢的应力刺激,使骨不连处的软组织逐渐吸收,并出现骨折愈合迹象,而截骨处牵拉使部分骨组织延长再生,从而达到修复骨缺损、治疗骨不连、矫正肢体畸形的目的,同时也能够促成周围软组织化骨[7-8]。所以，骨搬移技术就是通过骨外固定技术,对局部软组织及其骨不连细胞给予持续缓慢的压应力刺激,促使向成骨细胞分化,抑制破骨细胞分化,并且使不必要的组织细胞凋亡,从而达到修复骨缺损、治疗骨不连的目的。

4 破骨细胞、成骨细胞、细胞核因子κB 受体活化因子及其配基的信号通路

破骨细胞在骨折愈合的各个时期都表现出吞噬能力,尤其是骨折第一期也就是纤维连接期最为明显,导致骨折端连接脆弱,骨痂消失,无法适应来自不同方向的力的需要[9]。骨折端硬化和髓腔闭塞是骨不连的先兆,而成骨细胞的作用与其相反,它主要是通过促成骨折断端之间骨纤维连接从而促成骨痂的生成。但是，骨痂如何形成与骨折复位时的解剖结构关系很大,与骨折复位时骨膜的损伤情况即营养骨折断端血运密不可分[10]。骨组织是一类较为复杂的结构,以下是产生骨不连组织的几点可能的因素：①破骨细胞的吞噬能力明显较成骨细胞的增生能力强；②成骨细胞转化为骨细胞的外界条件不充分以及转化速度较慢；③老化细胞吸收情况较差；④死骨的排除渠道较少以及排除速度较慢；⑤新骨生成状况不佳等。研究表明，骨保护素(osteoproteprin，OPG)/核因子κB 受体活化因子配基(receptor activator of nuclear faetor-κB ligand，RANKL)/核因子κB 受体活化因子(receptor activator of nuclear faetor-κB,RANK)信号通路系统在破骨过程中尤为活跃[11]，说明此生物学信号与骨不连密切相关。

RANKL是肿瘤坏死因子受体家族成员之一，其来源点很多,多见于巨噬细胞、成骨细胞、T细胞。可溶性RANKL的活性更为明显[12]。OPG也是肿瘤坏死因子家族成员，仅由成骨细胞系细胞表达。RANK本身是破骨细胞前体细胞上的一种肿瘤坏死因子受体蛋白，被RANKL识别后能将破骨细胞分化作用发挥出来,而且RANK是起该作用的唯一靶信号受体。那么，OPG、RANKL和RANK三者关系是什么呢？仅以成骨/基质细胞上表达的RANKL为例,在各种破坏因素及刺激因子，如骨损伤、骨缺血、骨破坏、骨溶解、骨吸收因子作用下,RANKL与破骨前体细胞上的RANK结合,瞬间可将RANKL自身信号转移至破骨前体细胞,随即引起连锁反应,加剧扩增,这一过程完成后破骨前体细胞转变成成熟的破骨细胞。RANKL为OPG的配体。OPG仅为多种成骨细胞系细胞表达,如何使抑制破骨细胞成熟,OPG起到关键作用,当OPG与RANKL结合,阻断了RANKL与破骨前体细胞上的RANK信号通路,使其相互作用消失[13]。综上所述,RANKL信号通路在破骨细胞各个阶段调节中的作用非常重要。骨量的维持是一个动态平衡,必不可少的条件是身体需要维持一定范围的生理压力，含量最丰富的骨组织中的骨细胞是骨组织组成的主要物质。

5 压应力如何抑制破骨细胞分化

近些年来发现，多种中药,如淫羊藿、杜仲、大黄等对OPG/RANKL/RANK系统有影响[14]。但是，在有关压应力如何发挥对OPG/RANKL/RANK系统的影响目前相关文献报道甚少。而骨组织与力的关系有着复杂的互动关系,成骨细胞分化骨细胞，骨组织中应力的主要感受靶器官是骨细胞[15]。除已知通过OPG/RANKL/RANK系统成骨细胞和破骨细胞相互作用外,骨细胞也可以通过相应的生物学信号对破骨细胞有一定的抑制力。目前认为仍是骨细胞的OPG/RANKL/RANK系统在起作用[16]。You 等[17]通过观察RANKL/OPG比值的显著变化,认为对骨细胞施加脉冲剪切应力是有效果的。Mulcahy 等[18]的骨细胞损伤试验表明,RANKL释放程度与骨损伤程度(包括损伤时间和损伤大小)呈正比，而与OPG释放程度呈反比。目前认为机械压应力能使RANKL和RANK相互作用消失,而有效地抑制破骨细胞的作用,加强成骨细胞的作用,刺激骨痂的形成。在压应力作用下,RANKL /OPG 比值是发生变化的,比值大时倾向于发生骨吸收，比值小时倾向于骨形成。可见,在压应力作用下,RANKL/OPG 比值的大小反映破骨细胞能力的大小。当然,破骨细胞形成个数与RANKL/OPG 的比值在降低时间点还没有一个完全的量化关系,也就是说并不是一一对称的,RANKL在加力后4 h 降至最小点,OPG在加力后1 h降至最小点[19]。从而看出,破骨细胞形成成熟过程较为复杂。在不同的压应力下RANKL降低与OPG增长的幅度不尽相同,现在已知RANKL/OPG的变量对骨密度以及骨强度有一定的参考作用[20]，但力学信号和信号的参数关系目前还在进一步探讨中。

6 结 语

生理条件下的应力是人体生长发育所必须的要素之一,与骨组织的形成息息相关,与自身修复损伤骨组织密不可分。但在长期临床观察中发现，很多患者通过自身生理条件下的应力无法承担损伤骨组织的修复功能,现在考虑主要是因为缺乏力量强度。这就给予临床以及科研一个思考和研究的方向,也提供了一个广阔研究空间,而且对临床的指导意义极大。通过对生理条件下的应力以及外加压应力的研究找到两者的相互补充的量化指标；深入探讨和认识压应力-骨生长关系,尤其对压应力分子机制的认识,可以为临床治疗中面临的压应力刺激不足的组织修复难题提出新的解决方案。

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