骨膜在骨组织修复过程中的作用

付繁刚，张锴

(滨州医学院附属医院创伤骨科，山东 滨州 256600)

骨膜在骨组织修复过程中的作用

付繁刚，张锴*

(滨州医学院附属医院创伤骨科，山东 滨州 256600)

骨膜是被覆在骨表面(除关节外)的结构复杂而有序的结缔组织包膜，含有多种具有成骨潜能的细胞和丰富的血管，具有良好的成骨能力。自从骨膜成骨的理论被提出后，人们不断对其在骨组织修复(骨折、骨缺损等)领域进行研究并已取得一定的成就，本文即对骨膜在骨组织修复过程中的作用及其在骨科相关领域中的应用作一综述。

1 骨膜的解剖与成骨方式

1.1 骨膜的结构 骨膜是被覆在骨表面(除关节外)的坚固的含有微血管的结缔组织包膜，通过Sharpey氏纤维与其下面的骨皮质表面紧密结合在一起[1]。骨膜分为内骨膜和外骨膜，而我们通常所说的骨膜指的是外骨膜。近年来，对骨组织学和解剖学的研究认为，骨膜有3层结构，外侧的纤维层、中间的未分化层及内侧的生发层。纤维层主要由高度组织化性和方向性的胶原纤维组成；未分化层主要含有未分化的细胞和毛细血管，它能为生发层和纤维层提供祖细胞并为骨组织提供营养；生发层较薄，是间充质干细胞、成骨细胞、破骨细胞、成纤维细胞及周细胞等的聚集地，是骨再生与修复中细胞的主要来源[2-3]。

1.2 骨膜成骨的方式及过程 骨膜的成骨方式主要有两种，膜内成骨和软骨内成骨[4-5]。膜内成骨指在骨折端或骨缺损等部位，间充质细胞聚集、分化为骨祖细胞，其中部分骨原细胞增大形成成骨细胞，成骨细胞分泌类骨质并包埋于类骨质中，演变为骨细胞；继而类骨质钙化成骨基质，形成最早出现的骨组织。软骨内成骨过程较膜内成骨复杂，填充于骨折断端和骨髓腔内的纤组织先转化成软骨组织，然后成骨细胞侵入软骨基质，软骨细胞发生变性、凋亡，最后软骨基质发生钙化，形成新骨。

2 骨膜在骨组织修复过程中的作用

2.1 骨膜为新骨生成提供各种必要的细胞 骨膜作为间充质干细胞的主要来源之一，具有极佳的成骨能力。有实验证明，取自马胫骨的骨膜源性的间充质干细胞在合适的培养条件下100%地分化成了成骨细胞。人来源的间充质干细胞用于修复骨缺损也有一些成功的报道。有学者分离出人颅骨骨膜的间充质干细胞，然后进行细胞培养、增殖，待细胞达到一定量后植入小鼠骨缺损处，结果发现骨缺损处有大量新骨生成，骨缺损得到有效修复[6]。潘朝晖等[7]建造兔股骨缺损模型，试验组切除骨断端周围骨膜，对照组不切除骨膜，一段时间后发现试验组兔股骨缺损处新骨生成量明显少于对照组。在另一项研究中，兔间充质干细胞经体外扩增分化后植入颅骨缺损部位，在该处形成新骨，修复了缺损。间充质干细胞具有多向分化潜能，当骨膜受到各种理化因子的刺激时，它能迅速增殖分化为骨祖细胞、成骨细胞、成软骨细胞和破骨细胞等多种细胞[8]。

成骨细胞是骨组织生成的主要功能细胞之一，能合成、分泌并矿化骨基质，在新骨组织生成的过程中起着十分重要的作用。成骨细胞表达许多调控因子的受体，这些因子包括甲状旁腺素、甲状旁腺素相关蛋白、前列腺素、性激素、肾上腺素等，这些调控因子可以通过它们的受体来增强或抑制成骨细胞及其前体细胞的增殖分化，从而在骨的重建与修复中发挥作用[9-10]。季鸣等[11]以家兔为实验对象进行实验，人为制造双侧桡骨骨折模型(3 mm骨缺损)，其中剥离一侧骨折端周围2～3 cm的骨膜，另一侧不剥离，术后取骨痂标本通过电子显微镜观察发现剥离骨膜侧的桡骨与不剥离骨膜侧的桡骨相比，新生骨痂中成骨细胞出现较晚，且数量也较少；钙盐沉积速率较慢，骨折愈合时间延迟。

2.2 骨膜为骨修复提供充足的营养物质及必要的细胞支持 骨组织的修复速率与局部血流量密切相关，骨膜含有丰富的血管，为骨修复带来具有成骨潜能的各种细胞、营养、氧气以及骨质矿化所需的矿物质，并带走代谢废物，加快新骨生成的速度。韩慧等[12]以家兔为实验对象，制造双侧桡骨骨折模型，其中右侧剥离骨折端周围的骨膜(试验组)，左侧不剥离骨膜(对照组)，术后定期行中国墨汁血管灌注后取标本行HE染色观察，发现1～4周内试验组与对照组相比骨折区周围骨外侧皮质的骨细胞变性坏死，骨基质发生溶解；骨折端新生毛细血管管腔狭窄、闭塞；成骨细胞活性降低，骨折愈合时间延迟。此外，骨膜来源细胞具有致血管生成的潜能，进一步为骨的修复提供了丰富的血运。Van Gastel等[13]首次描述了小鼠PDCs的致血管生成的能力。

2.3 骨膜中富含各种生长因子，促进骨折愈合 骨膜能合成骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein，BMPs)、转化生长因子(transforming growth factor beta，TGF-β)及胰岛素样生长因子等重要的生长因子[14]，参与骨组织的再生与修复。骨折的愈合是一个复杂的过程，不同的愈合阶段有不同的骨生长因子参与并发挥作用。越来越多的促进骨愈合的生长因子被发现，其机制、特点也越来越被学者及骨科医生所重视，深化对这些生长因子的认识与研究，有助于推动骨折治疗向微创、甚至无创方面发展，同时也可为骨不连、骨缺损等疑难病症的治疗提供新思路、新方案。

骨的修复与生长受多种生长因子调控，BMP是其中最重要的一种，它已被公认为是目前最强的骨诱导因子。BMPs作用于骨祖细胞，通过一系列机制诱导骨祖细胞向成骨细胞和成软骨细胞分化。BMPs在骨科中主要应用于骨折的修复，如治疗骨折的不完全愈合或加速单纯性骨折的愈合。它也用于治疗大片段的骨缺损，以及需要大量新生骨的脊柱融合治疗。大量的动物研究已经证实BMPs能够加速动物模型中骨折的愈合，结果显示BMPs可使愈合时间缩短30%～50%，骨痂形成增加并且加速骨痂成熟[15-16]。目前，已有许多有关临床应用BMP的报道。Burkus等[17]对279例腰椎间盘退行性疾病患者进行研究，结果发现应用人重组BMP-2的试验组与应用自体髂骨移植的对照组相比脊柱融合率明显提高。Govender等[18]对450例开放性胫骨骨折患者进行预期性、随机对照研究，结果显示rhBMP-2植入组能显著地加速骨折愈合，并能降低术后感染的发生率。BMP具有极强的骨诱导能力、高效性、化学趋向性及低抗原性，其修复骨缺损的作用已得到证实与认可，在骨科临床上的应用会越来越广泛。

生长因子TGF-β是骨膜组织中多种重要的生长因子之一，对成骨细胞有明显的刺激作用[19-20]，作为一种诱导新骨形成的介质发挥作用。有学者把分离出的TGF-β注射到小鼠股骨骨膜下，发现该因子能诱导骨膜间充质细胞向成骨细胞及成软骨细胞分化，并刺激这些细胞增殖和细胞外基质蛋白的形成。有学者利用大白兔尺骨骨缺损模型来证明TGF-β复合明胶海绵的成骨作用，该实验发现复合TGF-β组的骨缺损的成骨量明显超过未复合组，证明了该因子用于治疗骨不连、骨缺损等的临床可行性。此外，因子IGFs可以促进成骨细胞的分裂，还能够促进骨胶原及基质的合成，在维持骨基质及骨密度等方面起着重要的作用。

3 骨膜成骨在相关领域中的应用

3.1 骨膜原位成骨 骨膜具有很强的成骨潜能，局部较小的骨缺损可在骨膜自身增殖下完成骨的修复与重建。潘巨利等[21]用小型猪作为动物模型进行实验，在小猪下颌骨处人为地制造骨缺损并将其分为试验组(保留骨膜组)和对照组(去除骨膜组)，实验结果表明试验组中5 cm以内的骨缺损都得到有效修复，而对照组即使是2 cm的骨缺损在3个月内也未得到有效的修复。该方法创伤小、相对简易可行，但同时也存在成骨量较小等缺点。

3.2 骨膜牵张成骨(PDO) 有学者进行骨膜成骨的实验研究，发现不切开骨皮质，只对骨膜进行牵引就能在骨膜下形成新的骨组织，从而提出“骨膜牵张成骨”这一理论。当牵张力施加在骨断端后，机体组织的代谢功能及合成功能被激活，可以诱导骨膜中的间充质干细胞和未完全分化的成骨细胞分化为具有较高活性的成骨细胞，合成、分泌骨基质，进而钙化形成骨组织。Schmidt等[22]首次在兔下颌骨骨膜下安置牵张装置，将骨膜牵开，通过实验发现在被牵开的骨膜下有较多骨质沉积。

3.3 骨膜移植成骨 骨膜移植可分为游离骨膜移植和带血管蒂的骨膜移植。Ritsila等[23]在临床上用游离骨膜移植修复先天性上颌骨缺损，后来又用游离骨膜进行脊柱融合，均获得成功。与传统脊柱融合法相比，用游离骨膜移植来融合脊柱可降低术后椎管狭窄等并发症发生。有学者在临床上用患者自体胫骨骨膜片游离移植来修复长管状骨骨缺损，经过长期随访，绝大部分患者骨缺损得到有效修复。随着显微外科技术的发展，人们开始用带血管蒂的骨膜移植来修复骨缺损，临床上已成功应用带血管蒂的骨膜移植治疗股骨颈骨折导致的骨缺损。与用游离骨膜移植修复骨缺损相比，带血管蒂的骨膜移植有血运重建快、骨修复时间缩短及安全有效等优点。Ritsila等[24-25]曾用带血管蒂的骨膜移植来修复兔胫骨骨缺损，将实验动物分为试验组(带血管蒂的骨膜移植)和对照组(游离骨膜移植)，他们通过实验观察到试验组兔的骨缺损处所生成的新骨量明显多于对照组生成的骨量。目前，临床上通过骨膜瓣修复不同部位骨缺损、骨不连的报道屡见不鲜，如用桡骨骨膜瓣移植治疗舟骨骨不连、胫骨骨膜瓣治疗胫骨骨不连及骨缺损等。骨膜移植成骨虽然具有成骨量较大、不对供区的负重骨产生破坏等优点，但是当骨缺损较大、需求量较多时，骨膜移植亦显现出其不足之处。

3.4 组织工程骨膜 组织工程骨膜是指运用组织工程的方法将自体骨膜细胞进行培养、扩增，用来修复骨缺损等的方法。骨组织工程主要包括理想的种子细胞、合适的骨引导支架材料及有效的骨诱导因子。先将种子细胞在体外培养、扩增，获得足够的种子细胞后将其接种于支架材料上，然后将细胞-支架复合体植入骨缺损处。随着支架材料逐渐被机体降解、吸收，种子细胞逐渐形成具有正常生理结构与功能的新生骨组织，最终达到修复骨缺损等的目的。Vacanti首次将骨膜成骨细胞进行体外培养、扩增，并结合生物可降解材料PGA形成复合体，然后把该复合体移植于小鼠肢体骨缺损处，一段时间后见患处有明显的骨组织生成。随着对骨膜成骨分子机制研究的不断深入，Breitbart等首先用人的BMP-7成功转染兔骨膜细胞，然后把这些细胞接种到可降解材料PGA上，然后将复合体移植到兔颅骨缺损处，成功修复了兔的颅骨缺损。他们通过在细胞-支架复合体上加入生长因子进一步提高了骨膜成骨的能力。此外，还有许多有关的报道，如自体骨膜包绕肌腱复合碱性成纤维细胞生长因子作月骨替代物；用微粒骨膜-三维支架修复大面积关节软骨缺损；组织工程骨膜异体体内成骨修复兔骨缺损；用自传代的骨膜成细胞与多孔磷酸钙陶瓷复合种植在裸鼠体内来修复骨缺损等。

虽然组织工程的兴起为骨缺损等的治疗开辟了新的途径，并且组织工程骨膜有高效、对供区损伤小等一系列优势，但其同样也遇到了诸如种子细胞成活率、构建骨组织三维立体显微结构、在体外构建微血管系统等的难题，因此未能广泛的应用于临床。目前，在现有的研究基础上，拓振合等[26]用成骨诱导后的间充质干细胞与猪小肠黏膜下层复合构建组织工程骨膜，用来修复兔桡骨4 cm的大段骨缺损，他们切除兔桡骨4 cm长的骨段，制备桡骨缺损动物模型，然后用该人工仿生骨膜覆盖骨缺损处并加以缝合，实验结果显示兔桡骨处的缺损得到了有效的修复。人工仿生骨膜[27-28]的制备与生物相容性研究是治疗骨缺损的新技术，符合医学原理和发展趋势，在将来有望在临床上用来修复大段骨缺损，但这一研究成果目前还处于实验阶段，要在临床中应用还需要进一步的完善和改进。

4 小 结

骨膜除了具有极佳的成骨潜能、良好的材料学特性和屏障膜特性外，还具有不存在免疫原性、对供区破坏小等诸多优点，近年来得到了骨科医生越来越多的关注。骨膜主要通过不同形式的骨膜组织移植和以分离骨膜来源的细胞及其各种生长因子为基础的组织工程来修复骨缺损，目前许多实验及部分临床研究均已取得一定的成果。虽然目前应用骨膜促进修复骨组织在临床上还未得到广泛的应用，但随着人们对骨膜成骨研究的不断深入，骨膜将会凭借其独特的优势在骨的修复中拥有广阔的应用前景。

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1008-5572(2017)10-0908-04

R683

A

山东省自然科学基金(ZR2015HL026)；*本文通讯作者：张锴

付繁刚，张锴.骨膜在骨组织修复过程中的作用[J].实用骨科杂志，2017，23(10)：908-911.

2017-06-02

付繁刚(1991- )，男，研究生在读，滨州医学院附属医院创伤骨科，256600。