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应用骨组织工程技术修复节段性骨缺损的研究进展

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兰堂箜兰塑.139.文献综述

应用骨组织工程技术

修复节段性骨缺损的研究进展

朱洪光综述徐欣审校

喃要l目前临床上治疗节段性骨缺损仍以自体骨移植方式为主,该方法存在一些问题。

应用骨组织工程技术修复节段性骨缺损的研究已经广泛开展,从最初的单纯材料修复到细胞复合材料,再到后来的对种子细胞进行转基因修饰,以及对不同种子细胞.不同材料、不同成骨因子的成骨效果进行评估,研究不断深入并显示出了骨组织工程技术应用于修复节段性骨缺损的巨大潜力。

I关键词l骨组织工程;节段骨缺损;骨形态发生蛋白-2;基因治疗

中图分类号:

R782.2+3文章标识码:

A文章编号:

1007—3957（200914—04一1390

因外伤、炎症及外科手术等造成的大块节段性骨缺损的修复仍然是一个临床难题,当前主要以自体骨移植的“金标准”治疗为主,但仍存在许多问题。

骨组织工程是指将分离的自体成骨细胞、骨髓基质干细胞等,经体外培养后,与一种具有良好生物相容性、可被人体逐步降解吸收的支架材料复合构成组织工程骨,然后将这种附上细胞的组织工程骨植入骨缺损的部位,在生物材料逐步降解的同时,骨细胞不断增殖,最终达到修复骨组织缺损的目的,目前应用骨组织工程技术修复节段性骨缺损的研究已经广泛开展。

1节段性骨缺损的传统治疗

自体骨移植一直被认为是治疗骨缺损的“金标准”,具有较高的治愈率,但仍存在一些问题,如对供区组织造成损害Ⅲ等,尤其是在修复大面积的骨缺损时更易产生并发症甚至发生不愈合的情况眨3】,常难以达到满意治疗效果。

异体骨移植尽管避免了对于供区部位的损害,但又带来了感染率高及引起免疫排斥反应的危险h5】。

当然,骨移植技术也在不断改善,目的是减少其并发症降低感染率。

Kalicke等‘e3将抗菌素与可降解的聚乳酸材料制成薄膜,用来包绕钛板,经此处理的钛板无论在体内还是体外实验中均显著降低了感染概率。

尽管如此,寻找一种新的能够避免骨移植不良反应的修复大块骨缺损的方法仍然是具有重要意义的。

也有人应用骨牵引术来修复节段性骨缺损,骨牵引术是通过在截开的骨皮质和骨段之间产生持续的牵引力来刺激骨及周围软组织的再生,骨牵引术避免了骨移植的缺陷,但该方法痛苦较大且疗程较长【7】,病人往往难以忍受。

2组织工程修复节段性骨缺损

2.1细胞复合材料修复节段性骨缺损

对于节段性的骨缺损,单纯使用可吸收支架材料难以达到修复效果,通常使用的支架材料如磷酸钙、生物陶瓷、生物玻璃等仅具有骨传导的性能,但并不具有诱导骨再生作用18],因而,将材料与细胞联合应用必将成为修复大块骨缺损的必然选择。

骨组织工程应用最多的种子细胞是骨髓基质细胞（BMSC和成骨细胞。

骨髓基质细胞来源于骨髓,具有强大的增殖能力和多向分化潜能,其来源方便,易于分离和培养扩增,多次传代扩增后仍具有干细胞特性,不存在免疫排斥。

成骨细胞是骨形成的主要功能细胞,负责骨基质的合成、分泌和矿化,成骨细胞主要由多能的骨髓基质细胞在成骨诱导的环境下分化而来。

BMSC的成骨潜能早已得到证实,有研究者…0]用BMSC复合13一TCP（p一磷酸三钙支架材料成功修复了犬下颌骨长3cm的基准大小的节段性骨缺损。

材料的性能如降解速度等对于骨的再生影响较作者单位:

250012山东大学口腔医学院种植中心。

万方数据

.140.

大,B-TCP材料因其内部多孔结构和孔间互联性具有良好的骨传导性能m1,在骨组织工程得到了广泛应用。

Petite等[123用BMSC复合珊瑚材料修复绵羊股骨基准大小节段缺损,实验组7例中仅有3例获得成功,分析原因是因珊瑚材料过快降解所致。

而羟基磷灰石（HA具有更合适的降解速度,Kon等n31用BMSC复合HA支架材料构建组织工程骨修复绵羊胫骨基准大小的节段骨缺损时取得了更为显著的修复效果。

通过细胞复合材料修复节段骨缺损取得了重要的成果,但也存在一些问题。

Blokhuis等[1劬使用骨髓中浸泡的磷酸钙颗粒修复羊胫骨3cm的节段骨缺损,效果远远好于单纯使用磷酸钙颗粒,然而与自体骨修复效果相比仍有差距,因而进一步引入成骨因子来发挥促进成骨作用对于节段骨缺损的修复具有重要意义。

2.2BMP的成骨作用

骨形态发生蛋白（BMPs具有极强的促进成骨的能力,主要成骨作用是诱导间充质细胞分化为成骨细胞,进而产生新生骨,在应用组织工程技术进行骨缺损修复的过程中引入BMP分子,尤其是BMP一2和BMP-7,极大促进了缺损部位的骨再生。

选择一个合适的支架载体与BMP分子结合对于BMP发挥促进成骨作用具有重要意义[1副,目前常用的有天然或人工高分子聚合物材料、无机材料或以上材料的混合物。

Kirker-Head等n刚用rhBl归复合丝蛋白支架材料成功修复裸大鼠股骨基准大小的节段缺损,并观察到了丝蛋白支架材料良好的生物相容性。

Kokubo等[171用PLGA涂层的明胶海绵（PGS复合重组rhBMP一2成功修复日本大白兔单侧胫骨干1.5am长节段性缺损,并且发现术后8周PGS材料完全吸收,周围组织无异常反应。

Mu—rakamiN等【181将BMP-2掺入可降解高分子凝胶材料,外面包以圆柱形状的钛网以维持形态,成功修复兔肱骨15mm节段性骨缺损,证明bmp一2分子的存在极大加强了成骨的作用。

Cook等【l刚用重组人成骨蛋白一l（即骨形态发生蛋白-7,bmp一7复合小牛骨中提取的I型胶原做成的支架材料修复非洲绿猴的尺骨基准大小阶段缺损,并且于术后20周观察到骨改建及血管再生活动。

中国口腔种植学杂志2009年第14卷第4期

以上通过引入BMP因子来发挥促进成骨作用的实验虽然取得了成效,然而,rhBMP价格昂贵,限制了其在临床上的大量使用,因而通过转基因治疗的方法对种子细胞进行修饰,使其可以在体内大量分泌BMP分子,成为一种更为经济和有效的治疗骨缺损的途径。

2.3转基因治疗

转基因治疗是指通过重组DNA技术将目的基因与质粒病毒等载体连接,然后转入不含该基因的受体细胞,使受体细胞可以产生该基因编码的蛋白而获得新的遗传特性。

目前,一系列实验围绕使用不同的载体、不同支架材料以及转入不同的目的基因而展开。

Tsuchida等㈨用腺病毒载体介导的bmp2基因修饰的鼠BMSC复合聚乙烯固定板支架材料成功修复鼠股骨基准大小的节段性缺损,并且证明被转染的BMSC不仅通过表达bmp一2分子间接发挥成骨诱导作用,而且可以直接参与成骨作用。

Li等[2¨将含bmp-2基因的腺病毒载体（Ad—B胛一2与纤维蛋白胶混合,然后附于可降解PLA/PCL支架,成功修复兔桡骨1.5am长节段骨缺损,且证明Ad—BMP一2组效果好于不使用转基因途径的rhBMP-2组。

Betz等蚴通过直接注射Ad—BMP一2至骨缺损部位的方法修复了鼠股骨基准大小的节段缺损,再生骨以松质骨为主,骨矿化正常并具有一定的机械强度。

一系列实验已证实腺病毒介导的BMP一2修饰的BMSC在骨修复过程中的促进成骨作用。

Betz等∞’研究了不同载体浓度对于骨缺损修复结果的影响,证明Ad—BEP一2的浓度在2.7x109pfu时,促进成骨能力最强,如载体浓度低同时影响成骨数量和质量。

该研究小组㈨还研究了术后不同时间给予Ad—BHP一2对于治愈鼠股骨节段缺损的影响,结果发现术后5天或10天注射Ad—BMP一2的组成骨效果（86%愈合好于术后立即或者1天后注射Ad-BMP一2的组,证明基因治疗骨缺损与骨组织再生的时间有密切关系。

以上都是用腺病毒作为载体,用于基因工程的载体还有很多,如腺相关病毒、逆转录病毒、慢病毒、单纯疱疹病毒等,这些不同的载体各有优缺点,腺病毒和单纯疱疹病毒有一定细胞毒性、腺相

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中国口腔种植学杂志2009年第14卷第4期

关病毒能引起免疫反应,逆转录病毒可能引起突变,另外,不同载体整合目的基因与宿主染色体基因的能力不同、能够携带目的基因片段的大小不同、能够持续表达目的基因得时程也有差异嘲。

如慢病毒载体就能够长期表达目的基因,Hsu等嘲用含有bmp-2基因的慢病毒载体转染鼠BMSC成功修复了鼠股骨基准大小的骨缺损,并观察到了慢病毒载体长期表达目的基因的能力。

BMP是目前最广泛研究的成骨因子,其他一些因子如VEGF也具有促进成骨愈合能力,Li等跏通过基于细胞的转基因疗法将血管内皮生长因子（VEGF基因转入成纤维细胞来修复兔胫骨骨折,证明转入的VEGF基因对于加强兔长骨节段性缺损愈合过程具有显著的促进血管再生和骨再生作用。

3总结与展望

应用骨组织工程技术修复节段性骨缺损虽然已取得了一定成功,但仍然需要不断地改善:

BM—SC取自骨髓组织,其获取过程仍会给患者造成痛苦,是否能够通过其他组织如脂肪组织中的多能干细胞来替代;当缺损较大时,支架内部种子细胞能否得到足够的营养支持;能否人工合成更理想的支架材料,使其降解速度与机械强度能够完全适应骨组织再生的需要;骨再生的同时能否伴随血管与神经组织的再生等等。

随着对骨组织工程中各种问题的解决及修复方法的不断改善,骨组织工程技术有望成为修复节段性骨缺损的最为有效的治疗途径。

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