骨髓富集骨移植材料在青少年特发性脊柱侧弯矫治中的应用*

杨鹏 侯天勇 邢军超 罗飞 许建中*

青少年特发性脊柱侧弯（adolescent idiopathic scoliosis，AIS）是在青少年时期出现的原因不明的非先天性三维脊柱畸形，总体发病率为1% ～3%，其中超过0.02%的患者需要手术治疗[1]。随着 AIS 手术治疗理念的不断更新，矫形内固定加植骨融合术已成为临床应用最广泛且疗效最确切的外科治疗方法，AIS 的手术治疗不仅依靠器械矫形，更关键在于术后固定节段的牢固融合[2]。自体骨被认为是脊柱融合术中骨移植材料的“金标准”[3]，但伴有骨丢失、神经损伤、持续性疼痛、感染等供区并发症[4]。尤其对于 Lenke 分型为Ⅰ-Ⅲ型的AIS 患者来说，术中通常不需要切除肋骨，术中获得的自体骨不能满足植骨需要，且青少年骨发育可能还未完全成熟，取自体髂骨容易破坏骨骺。同种异体骨虽无自体取骨的并发症，但经处理后骨诱导活性和生物力学性能降低、新骨爬行替代过程缓慢，骨不连发生率高[5]。因此，寻找具有良好生物学活性和强度的植骨替代材料已引起广泛重视。本研究利用选择性细胞滞留（selective cell retention，SCR）技术富集自体骨髓，与同种异体骨复合构建骨髓富集骨移植材料，探讨其用于AIS 植骨融合的临床效果。

1 资料与方法

1.1 一般资料

经本院伦理委员会批准及患者家属同意，自2014 年7月至2016 年9 月共31 例 AIS 患者参与本研究，其中男14例，女17 例，年龄12 ～ 20 岁，平均年龄15 岁。纳入标准:脊柱侧弯畸形严重影响美观，侧弯角度大于45°或每年进展超过5°，Lenke 分型为Ⅰ-Ⅲ型[6];年龄10 ～ 20岁，不限性别;无其他系统疾病及吸烟史;近期未参加其他研究。排除标准:脊柱僵硬的伴剃刀背畸形需要切除肋骨;合并强直性脊柱炎、脊柱结核、脊柱肿瘤等其他脊柱疾病;合并其他系统疾病或有吸烟史;患精神心理疾病不能按计划完成随访。按患者就诊先后顺序，随机（数字表法）分为对照组和观察组。其中对照组14 例，采用同种异体骨作为植骨融合材料; 观察组17 例，采用骨髓富集骨移植材料作为植骨融合材料。

1.2 方法

1.2.1 自体骨髓采集

配制1 000 U/mL 的肝素生理盐水，提前吸入注射器中备用。选择髂前上棘或髂后上棘或预植入椎弓根螺钉的椎弓根为骨髓穿刺点，用含肝素盐水的注射器抽取适量的骨髓，每个位点抽吸骨髓5 mL，即刻摇匀，每个点间隔2 cm 以上，总量以每克植骨材料准备5 ～6 mL 骨髓为宜。

1.2.2 骨髓富集

将骨髓注入已装填同种异体骨（松质骨颗粒和皮质骨粉1∶1 混合）的椎杯中，盖紧外盖，均匀用力按压骨生长富集器（富沃，重庆）手柄至平齐顶部后松开，在恒力弹簧提供的负压作用下，自动完成1 次骨髓富集操作，并将骨髓回吸入回流筒中。待骨髓完全回流、手柄恢复到初始位置后，再次按压手柄开始第2 次循环。累计4 次上述富集操作，即完成骨髓富集骨移植材料的构建，总过程为5 ～10 min。

1.2.3 手术方法

两组患者手术均由同一位医师主刀。患者全麻俯卧位，行后正中切口，逐层切开皮肤、皮下组织和椎旁肌肉，显露双侧椎板、上下关节突和横突。于进针点咬除骨皮质，定位器定位、开孔，探针探查孔壁四周为骨性结构，选择合适大小的椎弓根螺钉植入，将预弯好的棒置入椎弓根螺钉内，去旋转，矫正畸形，C 臂 X 线机再次透视见侧弯畸形在冠状面、矢状面矫正均满意，旋紧螺钉及棒。对拟融合椎体两侧椎板去皮质化，根据组别植入不同骨移植材料，留置引流管和逐层缝合切口。术中行神经电生理监测，矫形结束时行唤醒试验。

1.3 术后处理

术后常规使用抗生素24 h 预防感染，术后48 ～72 h 视术区引流情况予以拔除术区引流管，术后1 周在支具保护下逐步下床活动。

1.4 随访及观察指标

治疗后随访24 个月，对两组患者的围手术期资料、影像学表现、临床疗效等进行评估。围手术期资料: 手术时间、术中出血量、住院时间;影像学表现: 矫正率、矫正丢失、按脊柱融合 Lenke 分级标准评定融合情况（见表1，A 级和B 级均评定为骨融合）[7];临床疗效: 视觉模拟评分（VAS）、Oswestry 功能障碍指数（ODI）[8]、脊柱侧凸研究协会30 项（SRS-30）[9]、并发症。

表1 脊柱融合Lenke 字母分级标准

1.5 统计学方法

采用SPSS 20.0（SPSS 公司，美国）统计软件进行统计学分析。计量资料均以均数±标准差表示，组间比较采用独立样本 检验，组内手术前后比较采用配对样本 检验; 计数资料比较采用检验，<0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 受试者数量分析

31 例患者全部获得随访，均进入结果分析，无脱落。

2.2 两组患者基本资料比较

两组患者在性别比、年龄、Lenke 分型、融合节段数、植骨量等方面差异无统计学意义（>0.05），具有可比性，见表 2。

表2 两组患者基本资料比较

2.3 两组患者围手术期资料比较

两组患者在术中出血量、手术时间、住院时间等方面差异无统计学意义（>0.05），见表 3。

2.4 两组患者矫形效果和融合情况比较

观察组术后矫正率、末次随访矫正丢失略优于对照组，但差异无统计学意义（>0.05），见表 4。观察组术后 6 个月融合率高于对照组，对照组融合率为（1+7）/14=57.14%,观察组融合率为（5+8）/17=76.47%，见表5。末次随访时两组间患者脊柱融合 Lenke 分级比较差异有统计学意义见表 6。

2.5 两组患者临床评分比较

末次随访时所有患者 VAS、ODI 评分较术前均明显下降（<0.01），但两组间术前及末次随访比较，差异均无统计学意义（>0.05）。末次随访时所有SRS-30 总分及疼痛、自我形象、满意度 3 个维度的评分较术前均明显上升（<0.01）; 心理、功能/活动2 个维度的评分与术前比较，差异无统计学意义（>0.05），两组间SRS-30 总分和各维度评分在术前与末次随访时均差异无统计学意义，见表7。

表3 两组患者围手术期资料比较

表4 两组患者畸形矫正数据比较

表5 两组患者术后6 个月脊柱融合Lenke 分级比较

表6 两组患者末次随访脊柱融合Lenke 分级比较

表7 两组患者临床评分比较分）

表7 两组患者临床评分比较分）

指标 术前 末次随访对照组（n=14） 观察组（n=17） 对照组（n=14） 观察组（n=17）VAS 1.71±0.61 2.00±0.78 0.21±0.43 0.35±0.49 ODI 6.03±2.53 6.80±2.62 1.27±1.43 1.31±1.35 SRS-30疼痛 4.15±0.32 4.23±0.50 4.40±0.23 4.48±0.11心理 4.16±0.20 4.21±0.16 4.18±0.17 4.22±0.22功能/活动 3.92±0.27 3.93±0.17 4.01±0.88 4.01±0.93自我形象 3.22±0.50 3.34±0.41 4.06±0.25 4.19±0.18满意度3.39±0.33 3.44±0.27 4.27±0.18 4.33±0.09

2.6 并发症

两组患者均未发生螺钉松动、断裂和断棒等并发症，观察组1例患者术后出现伤口愈合不良，经清创及抗感染治疗后痊愈。

典型病例1: 对照组患者，女，15 岁，青少年脊柱侧弯畸形（Lenke ⅠA 型），行脊柱侧弯矫形+同种异体骨植骨融合术（见图1）。

图1 A.术前X 线片;B.术后1 周X 线片;C.术后2 年X 线片;D.术中植骨照片;E.术后6 个月CT 扫描矢状面;F.术后6 个月CT 扫描横断面，脊柱融合Lenke 分级评定为C 级;G、H.术后2 年矫形效果良好

典型病例2: 观察组患者，男，16 岁，青少年脊柱侧弯畸形（Lenke ⅡC 型），行脊侧弯矫形+骨髓富集骨移植材料植骨融合术（见图2）。

图2 A.术前X 线片;B.术后1 周X 线片;C.术后2 年X 线片;D.术中植骨照片;E.术后6 个月CT 扫描矢状面;F.术后6 个月CT 扫描横断面，脊柱融合Lenke 分级评定为A 级;G、H.术后2 年矫形效果良好

3 讨论

目前，脊柱融合术已经成为治疗创伤、肿瘤、感染、退变、畸形等脊柱疾病的常见方法[10]。通过使用骨移植材料行脊柱融合术已得到广泛应用，由于脊柱融合对骨移植材料数量和质量要求较高，所以骨移植材料被认为是影响脊柱融合手术成功的重要因素。干细胞治疗的兴起为克服自体骨和异体骨等传统骨移植材料的缺陷，构建理想的骨移植材料提供了新的希望。

研究证实，骨髓中含有可促进脊柱融合的多种干细胞和生长因子[11]。然而，这些细胞和因子在骨髓中浓度较低，如可分化为成骨细胞的骨髓间质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）仅占骨髓有核细胞的0.001%～0.01%[12]。已有学者报道，注射到骨折断端或是骨不连部位可以促进骨愈合[13]，但骨髓不经任何细胞分离或纯化等处理，无法达到高浓度，直接回植疗效常不稳定。组织工程技术已在临床应用并取得了不错的治疗效果[14]，但BMSCs 体外培养扩增操作程序尚无统一标准且耗时过长，还不能广泛运用于临床。骨髓富集技术可提高单位体积内干细胞和生长因子的数量，极大提高骨髓成骨的有效成分，为更好地利用骨髓、促进成骨提供了新思路。Sauerbier 等[15]利用离心技术富集骨髓，发现富集后的骨髓与牛骨矿物质混合后可达到自体骨与牛骨矿物质混合的成骨能力。Gan 等[16]通过离心技术富集BMSCs，并复合 -磷酸三钙应用到41 例患者的脊柱后路融合术中，随访34.5 个月后95.1%的患者实现了良好的融合效果。但利用离心技术富集骨髓所需骨髓量较大，且需要一个专门的实验室及专业人员进行操作，其他有利于成骨的生长因子未能得到利用。另一种骨髓富集技术是由Muschler 等[17]提出的SCR 技术，其基本原理是利用富集材料合适的网孔结构和良好的表面黏附性能，在骨髓以一定流速流经富集材料时，可将骨髓中成骨相关的干细胞和细胞因子选择性滞留于富集材料中。Hou 等[18]对富集材料进行修饰后，发现利用SCR 技术可将骨髓中的有核细胞、单核细胞、BMCs 以及造血干细胞富集5、12、11.5、10.2 倍，骨形态发生蛋白6、人血小板衍生生长因子 BB、血管内皮生长因子以及表皮细胞生长因子富集 1.38、1.30、1.65、3.95倍。在动物实验中，Brodke 等[19]以犬为动物模型，利用SCR 技术将骨髓富集在脱钙骨基质和松质骨屑中，发现其修复股骨缺损的能力与自体骨相当。Gupta 等[20]以羊为动物模型，利用SCR 技术将骨髓富集在磷酸三钙（TCP）中，发现其与自体骨在羊后外侧腰椎融合术中实现了相似的融合率。在临床研究中，Lee 和Goodman[21]以脱钙骨基质和松质骨屑为富集材料，复合 SCR 技术富集的自体骨髓治疗3例广泛性股骨髁坏死，随访2 年发现患者功能恢复良好。Fitzgibbons 等[22]将SCR 技术应用到足踝手术中，以同种异体骨为富集材料，发现可以提高材料的骨诱导、骨传导和骨生成能力。

本研究第一次将SCR 技术应用到脊柱侧弯畸形的矫治中，且是第一个关于SCR 技术临床应用的前瞻性随机对照研究。经过随访24 个月发现，观察组矫正率和矫正丢失略优于对照组，但差异无统计学意义（>0.05），即两种材料均能达到治疗目的，实现良好的畸形矫正和矫正维持效果。在脊柱融合方面，术后6 个月观察组融合率高于对照组，说明骨髓富集材料实现脊柱融合速度快于单纯同种异体骨材料。末次随访时观察组脊柱融合Lenke 分级情况略优于对照组，说明骨髓富集材料最终融合效果稍优于对照组。分析临床评分发现，末次随访时所有患者 VAS、ODI 评分均低于术前，但两组间比较差异无统计学意义，说明两种骨移植材料均能使患者的疼痛及功能情况得到改善。末次随访时所有患者 SRS-30 总分较术前明显增加，其中疼痛、自我形象、满意度3 个维度的评分较术前增加，心理、功能/活动2 个维度的评分较术前无明显变化，可能是由于入组患者畸形程度并未明显影响日常活动有关[23]。两组间SRS-30 总分及各维度评分在术前与末次随访时比较差异均无统计学意义，说明两种骨移植材料均能使患者的生活质量得到提高。除了观察组1 例患者出现伤口愈合不良外，随访期间未观察到其余并发症，说明骨髓富集骨移植材料的临床应用是安全可靠的。

在本研究中，同种异体骨被用做富集材料，并将其松质骨颗粒和皮质骨粉进行1∶1 混合，以减小材料孔径，增加富集效率。经过脱脂、脱蛋白等降抗原性处理后，同种异体骨的骨诱导和骨生成能力降低，但仍保留了骨组织天然的三维结构，且具有原有的骨小梁和骨小梁间隙，有利于细胞的黏附和生长[24]。同种异体骨复合富集骨髓构建的骨髓富集骨移植材料既能为成骨提供较高浓度的干细胞和细胞因子，又能为骨生长提供支架，有与自体骨相似的功能，较单纯同种异体骨融合效果更好。此外，利用SCR 技术富集骨髓操作简单安全，需要骨髓量较少，耗时短，可实现术中即刻构建骨移植材料，规避了许多技术与伦理学方面的限制。

综上所述，研究初步证实，利用SCR 技术富集自体骨髓并复合同种异体骨构建的骨髓富集材料，将其应用于脊柱融合之中，可获得理想的效果，为临床上术中即刻构建高活性骨移植材料提供了新的思路。