骨搬移技术的现状及研究进展

王艺钦 阳富春

广西医科大学第一附属医院（南宁530021）

骨搬移技术，是遵循张力应力法则利用活性骨块搬移治疗大段骨缺损的外科技术。由20 世纪50年代Ilizarov 发现并命名的Ilizarov 技术经过三个阶段的发展：环形外固定支架、牵张成骨、骨搬移，已经越来越多地广泛应用于医疗领域。随着社会快速发展，高能量损伤导致的大段骨缺损病例越来越多，骨搬移在治疗大段骨缺损方面被广泛使用，能很大程度上避免了其他技术如自体骨移植、同种异体骨移植等的不足。骨搬移主要分3个阶段：潜伏期、搬移期、固化期。潜伏期是截骨术后至搬移期开始前时期，一般为5～7 d。潜伏期的生物活性与骨折愈合初期相似，主要表现为血肿形成，骨折断端的骨细胞、破损的骨膜和周围细胞发生坏死，并释放多种成骨因子。搬移期，利用外固定支架以恒定的速度（一般为1 mm/d）持续稳定的牵张分离两截骨端，在外界持续稳定的机械牵张刺激下，骨搬移区的成骨性因子和成骨性细胞始终保持高水平和高活性状态，持续刺激搬移区的骨质再生。随着搬移期的牵张延长，搬移区逐渐分为几个区域，中央纤维区、编织骨区、小梁骨区和软骨组织区[1]。搬移期结束后即进入到固化期，在固化期坚强固定的静止条件下，搬移区的类骨质转化为矿化骨，搬移骨再生过程中合成分泌的高浓度代谢生长因子随着骨骼重塑形成成熟皮质和松质骨而逐渐下降至正常水平。由于骨搬移技术从安装支架开始到成功拆除支架，所需时间较长，故临床治疗期间会受到多种因素的干扰，影响搬移骨再生。本文简要回顾了骨搬移技术目前的主要研究方向及临床主要相关影响因素。

1 骨搬移促骨痂再生实验研究

1.1 成骨因子研究显示，骨搬移过程中，搬移区成骨因子水平明显升高，在搬移过程中具有启动和持续刺激骨再生的作用。其中被研究最多的成骨因子是骨形态发生蛋白2（BMP2）[2]和转化生长因子β1（TGFβ1）[3-4]。BMP2和TGFβ1 均属于转化生长因子超家族成员，主要经过Smads信号通路级联作用，促进骨髓间充质干细胞增殖分化为成骨细胞或成软骨细胞，刺激成骨细胞分泌骨基质参与成骨，对成骨过程具有启动和刺激诱导作用。生长因子具有良好的促成骨作用，是当前的研究热门。主要方面有局部应用BMP2[5]和TGFβ 1 促进搬移骨再生和BMP2和TGFβ1 基因治疗[3，6]等。美国FDA 已批准BMP2 用于临床骨折和椎体融合治疗。我国也有BMP2的相关产品应用于临床，如骨优导等。虽然BMP2 有良好的促进成骨作用，但有临床病例报道其具有促进异位骨化[7]风险。临床应用BMP2 出现异位骨化等风险的高低与使用剂量浓度是否呈相关性仍需进一步研究证实。也可尝试联合应用生长因子和其他促成骨方式如机械刺激等方式来综合促进搬移骨再生。

1.2 富血小板血浆富血小板血浆是全血经过离心沉淀后获取的上层富含高浓度血小板的血浆。血小板与机体的凝血功能有关，也具有修复血管内皮功能，此外，血小板是除了骨组织外内含有TGFβ1 因子最高的组织[8]。在骨搬移区注射富血小板血浆，有助于血肿转化为血凝块，促进肉芽组织的形成，同时TGFβ1的作用下，促进间充质细胞增殖分化为成骨细胞或成软骨细胞，促进成骨。有研究结果显示，自体富血小板血浆局部注射于骨搬移区，能够促进骨搬移区的愈合[9]。临床上自体富血小板血浆收集方便，具有明显的安全性和一定的临床应用前景和实用价值[10-11]。但LATAlSKI[12]的临床报告显示，患者注射自体富血小板血浆后，24 h内出现皮疹，伴有咽炎，扁桃体肿大，咽后部黏液脓性分泌物和眼睑肿胀，使用雷氯他定等抗组胺药物治疗后，皮疹消失，皮内试验阳性（10 × 13 mm），研究者认为，虽然纯自体富血小板血浆应用于自身是安全的，但是由于目前制备方法多样，导致有可能在制备过程中的干预会降低对自身使用的安全性。因此，在使用自体富血小板血浆用于治疗前，应规范化采集富血小板血浆的操作流程，避免其他来源物质的影响；且应常规进行皮试，以避免发生过敏性休克的可能。自体富血小板血浆取材方便、制备简单及可吸收等特点使其在骨缺损修复方面拥有着广阔的应用前景。但是目前仍没有规范统一的高效稳定的制备方法，以减少因外界干预导致可能出现的不良反应。另外，能否使用同种异体的富血小板血浆，这样就能减少对患者的二次伤害。这些都是今后潜在研究方向。

1.3 细胞移植细胞移植主要包括干细胞移植和成骨细胞移植。移植干细胞来源主要有：骨髓间充质干细胞、内皮祖细胞、脂肪间充质干细胞、牙髓干细胞等，移植的方式主要为搬移区局部注射干细胞悬液、植入生物支架或细胞膜片等，通过保持骨搬移区局部相关骨生成细胞的浓度，达到促进骨再生目的。

传统的干细胞植入方法如局部注射干细胞悬液，由于去除了细胞外基质成分，存在弱化或抑制干细胞分化成骨能力的可能性。细胞膜片组织工程技术是一种保存细胞外基质的细胞处理方法，RANSOM 等[13]研究表明，搬移再生区域骨质主要来源于骨骼中的干细胞，在骨搬移期间，骨组织干细胞通过粘着斑激酶（FAK）进行机械转导激活基因调控程序，在骨搬移区中刺激骨再生。MA 等[14]在研究中，将实验动物新西兰兔分为两组，实验组为将骨髓间充质干细胞膜片种植在羟基磷灰石表面形成种植体，植入兔胫骨搬移区内，对照组为在兔胫骨搬移区内局部注射骨髓间充质干细胞悬液作为对照组，结果显示实验组的成骨效果比对照组明显增多，提示细胞膜片技术比局部注射干细胞悬液具有更优的成骨能力。尽管干细胞移植在促进搬移骨再生方面具有良好的效果，但是由于在临床上干细胞提取相对困难，且价格昂贵，目前仍难以在临床推广应用，故今后的研究方向应集中在细胞移植方式的简单化和廉价化，才真正有可能在临床普及推广。

1.4 低强度脉冲超声低强度脉冲超声（low intensity pulsed ultrasound，LIPUS）是一种声压波，具有无创性和机械刺激效应。近年来，有实验研究利用低强度脉冲超声的机械能量，促进搬移骨再生与成熟的治疗[15-16]，大部分研究结果提示应用低强度脉冲超声具有促成骨作用，且该技术操作简单，易于在临床推广应用，具有良好的临床应用前景。有许多实验都描述了低强度脉冲超声对骨折或骨搬移的愈合有促进作用，但均未能从微观层面分析产生结果的原因。在此可以尝试分析，低强度脉冲超声具有固定的脉冲强度和脉冲频率，以机械能量形式作用于骨折或骨缺损区，骨细胞主要通过腔隙小管系统的压力变化来感知外界的机械信号，从而完成机械信号转导调节破骨细胞的形成和活性[17]。与骨搬移技术通过牵张产生机械压力相似，低强度脉冲超声通过特定强度和频率的脉冲产生机械压力通过腔隙小管系统将信号转导到骨组织细胞，从而促进搬移骨再生。但也有实验得出不同的结论，即低强度脉冲超声并不能有效缩短搬移骨再生的时间[18-19]，故有待进一步更精细的实验研究加以验证其成骨原理，从更深层面揭示低强度脉冲超声是否真正具有促成骨作用。

2 影响临床搬移骨再生因素

2.1 患者体质和营养状态有研究表明，营养不良或肠道吸收不良的疾病，如厌食[20-21]和乳糜泻[22]会严重影响骨骼健康，并对成骨不利。LUMPKIN等[23]将骨搬移鼠模型分为正常进食组（对照组）和肠内营养组（实验组），结果显示对照组体重在固化期结束时才恢复至术前体重，而肠内营养组在搬移期间体重就达到术前水平。放射学和组织学结果显示，相同搬移时间的实验组骨痂再生量比对照组高，且实验组搬移区成骨细胞和破骨细胞均比对照组高，提示骨搬移术后良好的营养支持能有效促进搬移骨再生。而长期酗酒具有显著的抑制骨再生功能[24]。BROWN 等[25]在研究中对比了单纯骨搬移鼠和骨搬移并乙醇干预鼠的骨再生情况，结果表明乙醇干预鼠的骨再生量明显比对照组低，提示乙醇暴露会影响搬移骨再生。此外，烟草中含有的尼古丁成分也对骨再生愈合产生抑制效果，包括搬移期和固化期的骨再生[19，26]。LI 等[27]研究显示，尼古丁暴露上调缺氧诱导因子1α和血管内皮生长因子VEGF的表达，增强血管生成，但抑制骨形态发生蛋白2BMP2的表达。结果表明，兔骨搬移治疗中，尼古丁的血管增强效应不能补偿尼古丁对骨愈合的抑制效应，总体结果是导致骨愈合能力下降。该研究显示，尼古丁可促进血管VEGF 生成，却抑制BMP2，从而导致最终骨愈合能力下降，在随后的研究中如能揭示尼古丁抑制BMP2的促成骨作用，则有望为未来的临床治疗策略提供新的思路。

2.2 糖尿病及其治疗药物糖尿病是临床上的常见病，并且广泛影响机体的组织和器官的正常功能，而且糖尿病对骨折修复有显著影响。CARlOS等[28]研究了在骨搬移过程中，Ⅱ型糖尿病可能对搬移骨再生有抑制作用。另外，Ⅱ型糖尿病的治疗药物罗格列酮也可能会对骨形成有进一步的抑制作用。STAGE 等[29]研究了罗格列酮对骨缺损修复模型和骨搬移修复模型的影响，结果表明罗格列酮通过抑制间充质干细胞增殖分化和血管生成因子表达机制，对骨缺损修复模型和骨搬移修复模型的骨生成均产生抑制效果。DESMOND 等[30]研究显示，二甲双胍与成骨细胞结合，在成骨细胞中抑制细胞内的活性氧种类产生并诱导单磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMPK）磷酸化/活化。这增加了一氧化氮合酶的活性和一氧化氮的产生，促进了成骨细胞的增殖。此外，活化的AMPK通过RUNT相关转录因子2和小异二聚体伴侣的表达上调成骨细胞的分化和矿化，同时通过降低成骨细胞核因子-κB 配体的还原受体激活剂/骨保护素比率降低破骨细胞的募集和骨吸收活性，增强成骨作用。综上所述，骨搬移治疗修复骨缺损期间应用罗格列酮可能对骨再生有抑制作用，而二甲双胍治疗则可能具有促进骨再生作用。

2.3 骨质疏松及其治疗药物临床上不乏老年患者或者骨质疏松患者需要使用骨搬移技术治疗大段骨缺损等骨科疾病，但是老年人或者骨质疏松患者的骨再生能力较正常成年人的骨再生能下低下，所以以正常骨搬移速度进行搬移牵拉，容易导致骨质生长缓慢或骨再生停止[31]。临床上往往需要对这类患者的术前血清钙浓度进行检测和对术后骨搬移速度进行个体化的调整，以达到相适应的搬移速度。但目前由于缺乏相应的诊断标准来确定个体化的搬移速度，而只能依靠临床医生的经验进行调整，而搬移速度过快或者过慢均容易导致早期固结或者骨质不生长情况发生，影响后续的治疗。

临床上治疗骨质疏松药主要有双磷酸盐、雌激素及其受体调节剂、降钙素等抗骨吸收药和甲状旁腺激素等促骨形成药物。其中双膦酸盐和甲状旁腺激素是临床上运用最多的抗骨质疏松药物。甲状旁腺激素是依赖于机体内维生素D和钙含量发挥促进骨生成和矿化的生物活性物质，目前也已被批准用于临床治疗骨质疏松的代谢性药物[32]。临床上不乏患骨质疏松患者需使用骨搬移技术进行治疗骨缺损等外科疾病[33]。对于是否在此类患者身上应用甲状旁腺激素能有效促进骨质疏松患者的搬移骨再生愈合，WAGNER 等[34]研究发现，在搬移期开始，每日给予甲状旁腺激素类似物特立帕肽0.2 μg 皮下注射，连续使用8周，骨密度结果显示，实验组比空白对照组的固化期骨质再生明显增加。但MILSTREY 等[35]研究不同剂量（10、40、200 μg/kg）甲状旁腺激素对骨折骨质再生的影响时发现，甲状旁腺激素剂量依赖性地刺激骨折早期骨痂形成，但骨的生物力学刚度并未呈剂量依赖性增加，相反，在体外实验中，200 μg/kg甲状旁腺激素处理组的矿化骨痂反而减少，考虑高剂量甲状旁腺激素对骨有代谢分解作用。目前关于甲状腺激素促进骨再生的研究结果基本呈现促成骨作用，但具体作用机制未明确，有待后续研究跟进，明确甲状旁腺激素的信号通路网络及与其他成骨活性分子间相互作用后，将有可能成为临床上取代或协同BMP2 用于促进搬移骨再生的生物活性物质。

双膦酸盐能特异性与骨质中的羟膦灰石结合，抑制破骨细胞活性，从而抑制骨质吸收，也是临床上常用的抗骨质疏松药物。有实验表明双膦酸盐能有效促进动物模型中局部肢体骨矿物密度的改善和再生强度。PATRICK 等[36]的临床对比研究显示，骨搬移联合双膦酸盐治疗组比单纯骨搬移组的骨密度高，提示骨搬移治疗期间联合使用双膦酸盐能有效促进搬移骨再生，缩短治疗时间。

2.4 骨搬移期间的处理在搬移期和固化期，患者适当的活动和负重对搬移骨再生成熟具有重要作用[1]。搬移截骨术后使用抗生素，对于搬移骨再生无抑制作用[37]。非甾体抗炎药是否对搬移骨再生有促进或者抑制影响仍未明确[38-39]。然而，在血清中具有较短半衰期的药物，例如布洛芬，短期使用中等剂量的情况下，对成骨作用和骨的愈合并无抑制作用。但也有研究显示，吲哚美辛似乎与其他的非甾体类抗炎药不同，吲哚美辛具有抑制成骨作用[40-41]。有实验显示，预防性使用抗凝剂利伐沙班和依诺肝素预防骨科手术的血栓栓塞，对骨再生愈合无影响[42]。恶性骨肿瘤的术后化疗对骨愈合是否有影响，目前仍未有大规模动物或临床试验探究验证，但有研究显示，术后化疗对骨搬移成骨无明显促进或者抑制作用[43]，但具体结论还需更深入研究探索。

3 进展及展望

随着对骨搬移技术研究的深入，越来越多具有促进搬移骨再生潜力的治疗方法被人们发现。在此基础上，联合使用上述方法也许会达到更好效果[44]，更能有效促进骨再生，缩短骨痂愈合的时间，具体实施还需有待更进一步的研究。在临床上，患者营养状态、系统性疾病如糖尿病和骨质疏松、药物的使用通常会影响再生骨的质量[25]，而如何对这些患者进行个体化纠正方案和监控以达到最优化治疗就成了临床医生最关注的方面。在需要时或可通过注射富血小板血浆、成骨因子（BMP2 等）或联合应用双磷酸盐和甲状旁腺激素来促进骨再生，达到辅助骨搬移技术治疗大段骨缺损的治疗目的。