組織工程治療早期股骨頭缺血性壞死的研究進(jìn)展

作者：黨洪勝,綜述,裴福興,審校　　作者單位：鄖陽(yáng)醫(yī)學(xué)院附屬太和醫(yī)院骨科，湖北 十堰 442000

　　【關(guān)鍵詞】 股骨頭缺血性壞死;細(xì)胞生長(zhǎng)因子;細(xì)胞移植

　　股骨頭缺血性壞死(avascular necrosis of the femoral head，ANFH)是由于多種病因破壞股骨頭的血供，使骨的活性成分(包括骨細(xì)胞、骨髓細(xì)胞和脂肪細(xì)胞)死亡所引起的一個(gè)病理過程，隨后機(jī)體對(duì)壞死區(qū)進(jìn)行自然修復(fù)，壞死骨小梁被逐步吸收，股骨頭力學(xué)強(qiáng)度下降，塌陷變形，從而導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)的嚴(yán)重?fù)p傷。其病因大致分為創(chuàng)傷性和非創(chuàng)傷性兩大類。目前對(duì)于ANFH的治療頗為棘手,主要方法可歸納為非手術(shù)治療、姑息性手術(shù)治療和人工關(guān)節(jié)置換術(shù)。ANFH的理想治療應(yīng)在早期階段，目的主要是阻止骨質(zhì)繼續(xù)壞死，促進(jìn)骨再生，改善股骨頭內(nèi)血液循環(huán)，恢復(fù)股骨頭的解剖和組織結(jié)構(gòu)，防止塌陷，改善臨床癥狀，緩解疼痛，恢復(fù)功能，延緩進(jìn)行人工髖關(guān)節(jié)置換的時(shí)間[1]。然而，早期ANFH治療方法雖多，但效果均不理想[2]。近年來(lái)隨著骨組織工程學(xué)的發(fā)展，有人提出用組織工程化骨重建股骨頭，通常組織工程技術(shù)包含三個(gè)要素：種子細(xì)胞、基質(zhì)材料以及細(xì)胞生長(zhǎng)因子，現(xiàn)將這三要素應(yīng)用于ANFH的治療綜述如下。

　　1 種子細(xì)胞在早期股骨頭缺血壞死中的應(yīng)用

　　骨組織是可再生組織，目前應(yīng)用于骨構(gòu)建的種子細(xì)胞大多來(lái)源于成骨細(xì)胞及骨髓間充質(zhì)細(xì)胞。成骨細(xì)胞可取自骨膜深面的生發(fā)層、松質(zhì)骨及骨髓，具有很強(qiáng)成骨能力。國(guó)內(nèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)報(bào)道[3]將培養(yǎng)的骨膜細(xì)胞移植到缺血壞死的股骨頭內(nèi)，6周后股骨頭內(nèi)新骨形成活躍，而對(duì)照組原已壞死的骨小梁繼續(xù)萎縮無(wú)新骨形成，說明骨膜細(xì)胞移植對(duì)缺血壞死的股骨頭具有明顯的修復(fù)作用，移植的骨膜細(xì)胞不僅可直接增殖分化成骨;而且還能誘導(dǎo)受區(qū)組織成骨。同樣，有人用帶血管蒂的骨膜移植為缺血壞死的股骨頭帶入大量的成骨效應(yīng)細(xì)胞，經(jīng)傳導(dǎo)或誘導(dǎo)作用在壞死骨小梁表面形成新骨[4]。

　　常用于骨組織工程的骨髓間充質(zhì)細(xì)胞具有較強(qiáng)的分化潛能和增殖能力，其對(duì)治療股骨頭壞死骨缺損都有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[5]。Hernigou等[6]報(bào)道在髓芯減壓術(shù)的基礎(chǔ)上移植經(jīng)離心方法處理的自體骨髓細(xì)胞用于治療ANFH。通過病人隨訪5～10年，手術(shù)效果用Harris 評(píng)分、X線表現(xiàn)和髖關(guān)節(jié)置換的必要性來(lái)衡量。股骨頭塌陷(Ⅰ～Ⅱ期)前進(jìn)行手術(shù)的病人145例中9例需行全髖關(guān)節(jié)手術(shù)，股骨頭塌陷后手術(shù)的病人(Ⅲ～Ⅴ期)44例髖中有25例需行全髖關(guān)節(jié)手術(shù)，取得了良好的療效。他認(rèn)為效果的好壞和患者的病程關(guān)系密切，同時(shí)移植成功的祖細(xì)胞的數(shù)量越多療效越好。隨后國(guó)外許多學(xué)者[7]做了類似的臨床研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)移植細(xì)胞對(duì)緩解病情進(jìn)展和減少塌陷有較好的效果，通過骨髓移植治療ANFH可增加股骨頭內(nèi)的骨髓基質(zhì)干細(xì)胞數(shù)量，增強(qiáng)其修復(fù)能力。國(guó)內(nèi)嚴(yán)軍等[8]進(jìn)行自體骨髓移植治療兔Perthes病模型的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)自體骨髓移植組壞死骨修復(fù)較空白對(duì)照組活躍，髓板損傷處可見少量軟骨細(xì)胞，單純鉆孔組以纖維修復(fù)為主。他們認(rèn)為由于骨髓中基質(zhì)干細(xì)胞數(shù)目較少，自體骨髓移植治療兔Perthes病模型能力有限，體外培養(yǎng)增殖骨髓中基質(zhì)干細(xì)胞，增加植入細(xì)胞數(shù)目，結(jié)合適當(dāng)?shù)募?xì)胞載體，或許更有利于ANFH的修復(fù)。雖然上述移植細(xì)胞治療ANFH取得了良好的效果，但存在自體骨髓中基質(zhì)干細(xì)胞數(shù)量有限，影響移植后的修復(fù)效果。另外，對(duì)于骨外來(lái)源的種子細(xì)胞,如肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞等人們常作為轉(zhuǎn)基因的靶細(xì)胞來(lái)促進(jìn)骨的重建，但尚沒有用于ANFH的治療。

　　2 基質(zhì)材料在早期ANFH中的應(yīng)用

　　骨組織工程三要素中的中心環(huán)節(jié)是支架材料。理想的骨支架材料應(yīng)該具有[910]：⑴良好的生物相容性;⑵可降解性和降解速率的可控性;⑶具有三維內(nèi)聯(lián)多孔隙結(jié)構(gòu)，有較高面積和體積比;⑷易加工，易塑形;⑸有一定的機(jī)械強(qiáng)度及韌性;⑹材料表面有利于細(xì)胞的黏附生長(zhǎng)，利于細(xì)胞的分化。

　　目前的支架材料大體歸納為以下幾類：⑴鈣磷陶瓷材料，如羥基磷灰石(HA) 、磷酸三鈣( βTCP )、珊瑚羥基磷灰石(CHA)和天然無(wú)機(jī)骨等;⑵天然的高分子材料，如膠原、纖維素和脫鈣骨基質(zhì)等;⑶人工合成高分子材料，如聚乳酸(PLA)、聚羥基乙酸(PGA)和二者共聚體PLGA等;⑷金屬材料，如316L不銹鋼、317L不銹鋼，鈦鋼等。各類骨支架材料各有其特性，但迄今人們還沒有找到一種材料能符合理想骨支架材料所要求的所有特性。因此也就不能替代自體骨移植這種“特殊”的材料。

　　ANFH的晚期常常導(dǎo)致關(guān)節(jié)面的塌陷和骨關(guān)節(jié)病的發(fā)生。通過力學(xué)及有限元分析[11]證實(shí)壞死骨周圍的應(yīng)力集中是病情進(jìn)展的主要原因，應(yīng)力集中可導(dǎo)致股骨頭內(nèi)骨折，不僅影響局部力學(xué)性能，而且還阻斷壞死組織的修復(fù)?；诖巳藗儾捎昧硕喾N移植材料來(lái)加強(qiáng)對(duì)股骨頭軟骨下的支撐，促進(jìn)缺血壞死區(qū)的修復(fù)重建，其理論依據(jù)有：⑴增加了股骨頭的機(jī)械支撐力量，可以預(yù)防股骨頭塌陷;⑵增加了股骨頭的血供來(lái)源，有利于股骨頭的修復(fù);⑶去除了死骨，植入了帶血供的自體骨，有利于股骨頭再生修復(fù);⑷同時(shí)手術(shù)起到了股骨頭髓芯減壓作用，可中斷骨內(nèi)高壓和缺血的惡性循環(huán);⑸這類手術(shù)不破壞髖關(guān)節(jié)的大體結(jié)構(gòu)，不影響以后的手術(shù)。均取得一定療效，但晚期效果不完全滿意。

　　國(guó)外對(duì)ANFH采取的移植物治療有2種類型：結(jié)構(gòu)性和骨誘導(dǎo)性。結(jié)構(gòu)性移植物是帶血管或不帶血管骨瓣，它不僅為軟骨下骨提供結(jié)構(gòu)的支撐，也能促進(jìn)骨形成，取得了一定的療效[12-13]。Iwata[14]報(bào)道19例病人23髖，應(yīng)用帶旋髂前和旋髂深血管的髂骨瓣治療ANFH，術(shù)后平均隨訪3年，17髖獲得滿意的效果，不成功的病例多發(fā)生在應(yīng)用激素的病人中，術(shù)后平均負(fù)重時(shí)間為6個(gè)月。但這類手術(shù)特點(diǎn)是需要分離血管，保證植入帶血運(yùn)的骨瓣，術(shù)中不切斷血管，同時(shí)還要防止血管扭曲及過度牽拉，這樣增加了手術(shù)的難度和手術(shù)時(shí)間，血管解剖變異常延長(zhǎng)手術(shù)時(shí)間、增加失血量、增加神經(jīng)血管和臟器損傷機(jī)會(huì)，術(shù)后出現(xiàn)供骨區(qū)疼痛等并發(fā)癥。骨誘導(dǎo)性移植物如脫鈣骨基質(zhì)也已在臨床上應(yīng)用[15]，它可刺激骨形成，并可替代或加強(qiáng)自體移植物。脫鈣骨基質(zhì)包含一定數(shù)量的骨誘導(dǎo)成分，主要成分為骨形態(tài)發(fā)生蛋白轉(zhuǎn)移生長(zhǎng)因子超基因家族，還可能在此基礎(chǔ)上刺激新生血管形成和骨誘導(dǎo)。但不能對(duì)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行增強(qiáng)，對(duì)于Ficat Ⅲ期的ANFH效果差。此外，國(guó)外Hernigou[16-17]等報(bào)道采用丙烯酸骨水泥注入治療ANFH引起的股骨頭塌陷。認(rèn)為與其它手術(shù)相比，此手術(shù)具有有效恢復(fù)股骨頭的圓形輪廓，術(shù)后可早期活動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，但廣泛清除死骨會(huì)進(jìn)一步破壞臨近骨的血運(yùn)，填充骨水泥會(huì)增加股骨頭內(nèi)壓，骨水泥是生物惰性材料，彈性模量與骨組織不同，植入骨組織后將被纖維組織包裹，不能與骨組織直接結(jié)合。骨水泥與骨的界面將產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)和較大剪力，并引起骨吸收等缺點(diǎn)，故應(yīng)對(duì)其效果作長(zhǎng)期的隨訪觀察。

　　國(guó)內(nèi)采用組織工程支架材料治療股骨頭缺血壞死的研究有較多報(bào)道。徐曉良等[18]在動(dòng)物模型中用BMP/膠原/珊瑚復(fù)合人工骨治療股骨頭缺損模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)組織工程化骨具有較強(qiáng)骨誘導(dǎo)及骨傳導(dǎo)作用，可作為修復(fù)ANFH的材料，但組織工程化骨存在不能改善股骨頭血供，股骨頭軟骨下骨生物力學(xué)性能等缺陷。周強(qiáng)等[19]采用聚磷酸鈣纖維(CPPf)/聚乳酸(PLLA)的復(fù)合多孔生物材料植入激素誘導(dǎo)性股骨頭壞死內(nèi)，發(fā)現(xiàn)CPPf/PLLA多孔材料是生長(zhǎng)因子的良好吸附載體，具有較好的生物相容性和生物可降解性，適宜新組織長(zhǎng)入，是一種較好的生物材料。孫偉等[20]利用納米晶膠原基骨治療兔股骨頭壞死缺損的研究發(fā)現(xiàn)該材料具有較強(qiáng)的組織相容性和適當(dāng)?shù)目山到庑?，能在降解過程中逐漸被新骨替代，認(rèn)為是一種較理想的支架材料。為了加強(qiáng)對(duì)軟骨下骨的支撐作用，國(guó)內(nèi)有人設(shè)計(jì)出記憶金屬網(wǎng)球支架以及空心鈦支撐架[21]治療股骨頭缺血性壞死，利用金屬的“鋼筋水泥”作用起到持續(xù)有力的機(jī)械支撐，降低局部應(yīng)力，同時(shí)利用松質(zhì)骨等生物骨材料以加速骨質(zhì)修復(fù)過程。但該術(shù)破壞股骨頭血供，且手術(shù)創(chuàng)傷大，術(shù)后骨質(zhì)愈合能力差，長(zhǎng)期療效有待于進(jìn)一步觀察。

　　3 細(xì)胞生長(zhǎng)因子在早期股骨頭缺血壞死中的應(yīng)用

　　隨著生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的進(jìn)步，人們開始著手利用細(xì)胞因子治療ANFH中研究。Mont等[22]提出細(xì)胞生長(zhǎng)和分化相關(guān)因子可能對(duì)ANFH起輔助治療作用。用生物活性因子治療ANFH，這些具有活性結(jié)構(gòu)的骨誘導(dǎo)生長(zhǎng)因子在局部作用于具有成骨潛能的效應(yīng)細(xì)胞可以加速局部組織愈合，填補(bǔ)組織缺損，有利于新骨形成，起到重要的輔助治療作用，為早期治療ANFH提供有效手段。目前利用各種細(xì)胞因子來(lái)促進(jìn)修復(fù)過程中的血管再生及新骨形成有三類[22]：⑴促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖的細(xì)胞因子，包括成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β、胰島素樣生長(zhǎng)因子、血小板源性生長(zhǎng)因子等;⑵具有骨誘導(dǎo)活性的骨形態(tài)發(fā)生蛋白;⑶血管生長(zhǎng)因子如VEGF、血管生成素、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子等。但專門針對(duì)ANFH的細(xì)胞因子的研究不多，研究較多的主要是骨誘導(dǎo)活性的骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)。早在90年代初Mazieres等[23]首先開展了應(yīng)用生長(zhǎng)分化因子治療ANFH的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，在豬的ANFH模型上將雙側(cè)股骨頭中心減壓，一側(cè)用復(fù)合rhBMP2的血凝塊填塞減壓孔道，對(duì)側(cè)作空白對(duì)照，通過X線片、MRI和組織學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)rhBMP2治療側(cè)術(shù)后1個(gè)月時(shí)的組織學(xué)表現(xiàn)與對(duì)照側(cè)術(shù)后3個(gè)月時(shí)的組織學(xué)表現(xiàn)相似。Mont[24]2003年報(bào)道采用在股骨頭頸處開窗，植入富含BMP同種異體骨治療ANFH，治療19例21髖，隨訪36～55月，平均48月，優(yōu)良率為86%，2例在X線表現(xiàn)上，有輕度進(jìn)展，但塌陷<2 mm，放射學(xué)成功率70%。認(rèn)為，在避免年輕病人過早地進(jìn)行全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)方面很有成效，尤其對(duì)年齡小于30歲的病人，即使壞死程度較重，其術(shù)后放射學(xué)表現(xiàn)上也很好。這個(gè)治療方法，相對(duì)簡(jiǎn)單快捷，其前景是誘人的。Simank等[25]在透視下自接注射乙醇至羊的股骨頭內(nèi)造成骨壞死模型后第1組植入可吸收載體與重組骨形態(tài)發(fā)生蛋白2 (BMP2) 300 μg治療，第2組植入生長(zhǎng)分化因子5 (GDF5)，對(duì)照組只用載體，于術(shù)后3、6、12周取材研究發(fā)現(xiàn)，使用BMP2和GDF5組于術(shù)后3周即已出現(xiàn)新骨形成，明顯快于對(duì)照組。這種方法無(wú)需取自體骨的優(yōu)點(diǎn)，這些臨床試驗(yàn)的成功，顯示了生長(zhǎng)因子用于治療ANFH具有廣闊的前景。然而對(duì)于其他生長(zhǎng)分化因子治療ANFH的作用尚有待于研究。

　　國(guó)內(nèi)應(yīng)用各類細(xì)胞因子對(duì)ANFH的研究報(bào)道較多。應(yīng)用促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖的細(xì)胞因子如堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子bFGF，利用它具有增加骨細(xì)胞內(nèi)骨鈣素含量，誘導(dǎo)成骨細(xì)胞增殖，還能刺激毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞遷移和增殖的作用[26]。促進(jìn)血管生成的生長(zhǎng)因子如血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子VEGF，通過與血管內(nèi)皮上特異性受體結(jié)合，具有強(qiáng)大的促內(nèi)皮增殖、促血管生成作用。Yang等[27]將血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子真核表達(dá)質(zhì)粒pCD2hVEGF165與膠原混合植入壞死的兔股骨頭內(nèi)，結(jié)果術(shù)后2周免疫組化證實(shí)基因轉(zhuǎn)染組股骨頭內(nèi)有VEGF表達(dá)，組織形態(tài)學(xué)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)術(shù)后2、4周轉(zhuǎn)染基因的股骨頭內(nèi)血管生長(zhǎng)快于對(duì)照組，術(shù)后4周轉(zhuǎn)染基因股骨頭新骨形成多于對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明VEGF基因轉(zhuǎn)染可促進(jìn)骨組織內(nèi)血管再生，進(jìn)一步促進(jìn)骨再生，提示VEGF基因轉(zhuǎn)染在治療ANFH疾病中具有廣闊的應(yīng)用前景。另外，胰島素樣生長(zhǎng)因子[28]應(yīng)用于ANFH的研究也有報(bào)道。但這些研究仍處于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，必須認(rèn)識(shí)到ANFH疾病的細(xì)胞因子治療尚處于起步階段。一些研究比較成熟的細(xì)胞因子在治療領(lǐng)域中，盡管實(shí)驗(yàn)室效果很好，但所獲得的人類臨床實(shí)驗(yàn)并不理想。各種細(xì)胞因子治療猶如一把雙刃劍，一方面在合適的劑量可以產(chǎn)生所預(yù)期的治療效果，另一方面也可能因超量改變正常的組織代謝，更有甚者，致細(xì)胞死亡或者加重病變。但隨著相關(guān)基礎(chǔ)研究的深入以及分子生物技術(shù)的飛速發(fā)展，各類細(xì)胞因子治療的范圍必然會(huì)擴(kuò)大。

　　近年來(lái)隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，使基因治療各種疾病成為可能，有人提出將組織工程和基因工程結(jié)合起來(lái)，被稱作基因增強(qiáng)的組織工程[29]。利用基因工程技術(shù)將編碼特定功能因子的目標(biāo)基因轉(zhuǎn)移到種子細(xì)胞或附著在支架材料上，使其能在體內(nèi)表達(dá)，發(fā)揮促進(jìn)種子細(xì)胞的增殖和分化、降低異體免疫性、促進(jìn)血管化等作用，進(jìn)而促進(jìn)組織修復(fù)。并且彌補(bǔ)了單純組織工程三大要素的不足，基因轉(zhuǎn)移的靶細(xì)胞可持續(xù)表達(dá)目的基因以調(diào)控其自身及其它效應(yīng)細(xì)胞的生長(zhǎng)，從而獲得人們所需的特定功能;基因轉(zhuǎn)移的靶細(xì)胞位于需要修復(fù)的部位，合成分泌的內(nèi)源性蛋白在效應(yīng)部位的濃度和活性更高，所需產(chǎn)物量更小，減少了外源性重組蛋白大劑量反復(fù)使用的副作用，質(zhì)粒或病毒載體制備容易、穩(wěn)定性好、半衰期長(zhǎng)、持續(xù)表達(dá)的時(shí)間能滿足骨修復(fù)的需要;生物活性支架的應(yīng)用改變了單純細(xì)胞治療的不足，滿足了骨修復(fù)所必須的“骨傳導(dǎo)性”的特殊要求。總之，盡管在組織工程成功地用于治療臨床ANFH疾病之前尚存在很多障礙，但可以預(yù)見組織工程將為ANFH的治療提供了有價(jià)值的臨床模式。

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