自體骨髓制劑在骨缺損修復中的應用

先天性疾病、創傷、感染、腫瘤手術切除引起的骨缺損和畸形影響著功能和外觀。它的恢復和重建一直是骨科和整形外科等相關學科的重要課題之一。雖然自體骨在其修復中占據著主要地位,但需開辟第2術區,增加額外手術創傷,且骨源有限。因此,新型骨替代材料如異體骨、生物材料等,有望在骨重建領域發揮重要作用。臨床常用的骨替代物有塊狀和顆粒狀兩種形態,但近年來隨著微創傷外科技術(如經皮注射及關節腔鏡外科)的發展,研制和應用可注射性骨替代材料已成為一個重要的努力方向。采用注射方法具有組織損傷小、不破壞修復區血供、操作簡單、手術并發癥少、費用較低、容易被患者接受等優點。現對目前文獻報道的幾種可注射性骨替代物綜述如下。一、自體骨髓移植骨不連血的臨床骨髓有造血和基質系統兩大部分,其中基質系統含有豐富的定向性骨祖細胞和誘導性祖母細胞兩種類型成骨細胞前體,已被證實具有強大的成骨活性。同時,自體骨髓來源豐富,取材方便安全,供區并發癥少,移植后不發生免疫反應,并可用于注射。鑒于此,學者們在X線透視下通過經皮注射技術將自體骨髓移植于骨缺損等病損部位,就其修復能力進行大量研究和臨床實踐。Connolly將自體骨髓注射于骨不連兔動物模型發現,骨髓促進骨愈合效果顯著;Lokiec等則為10例患者抽取單房性骨囊腫囊液后腔內直接注射自體骨髓,獲得滿意療效。國內梁雨田等也報道,經皮注射自體骨髓臨床治療骨折不愈合患者31例,經X線等檢查發現,平均7個月后其中26例達到愈合。但單純骨髓植入后易擴散,成骨效能低,需選擇合適的載體釋放系統。有學者利用與自體骨髓有協同成骨作用的顆粒狀異體脫鈣骨基質作為釋放載體,將二者復合物經皮注射修復各種原因導致的骨缺損及骨不連,動物實驗與臨床應用均取得成功。盡管經皮注射自體骨髓制劑修復各種原因引起的骨缺損已被比較廣泛地應用于臨床,并取得令人滿意的治療效果,但在骨髓濃縮、干細胞分離、注射劑量、載體選擇等方面仍需進一步的深入研究。二、pmmac的黏固作用以聚甲丙烯酸甲酯骨水泥(polymethylmethacrylatecement,PMMAC)為代表的傳統丙烯酸酯類骨水泥,是一種有粉劑和液劑組成的室溫自凝黏固劑,還可以加入金屬粉、鋇顯影劑等制成可在X線下顯影的骨水泥。使用時按比例將液劑加入粉劑后不斷攪拌,混合物在室溫下依次經歷砂漿期、稀粥期、面團期并最終固化。PMMAC在面團期具有可任意塑形的特性和良好的黏固作用,固化后能保持面團期的形狀,并且具有較強的機械強度,主要應用在人工關節置換術和惡性腫瘤引起的病理性骨折固定術中起黏接、固定功能。由于PMMAC在固化之前的一段時間內呈糊狀,還可用于注射。Martin等報道,在全麻下經數字減影X線透視引導,通過直徑2～3mm的注射針頭注射PMMAC,對因骨質疏松、血管瘤等所致椎體病變的40例患者的68個椎體進行重建整形。術后經臨床隨訪及問卷調查,結果表明成功率達80%,并發癥發生率在6%以下。San等對原發或繼發骨腫瘤病損腔內注射的PMMAC種植體進行病理學研究,認為骨水泥聚合過程產生的熱量和丙烯酸的細胞毒性作用使瘤體組織發生壞死。生物惰性材料PMMAC的黏固作用屬于機械鑲嵌,不能與宿主骨組織形成有機的化學界面結合。另外,凝固聚合過程中產生熱量,單體的細胞毒性作用,可操作時間有限以及材料注射劑量的評估等,都限制了其臨床應用。三、可注射磷酸鹽鈣材料1.cpc的生物生態學特性磷酸鈣骨水泥(calciumphosphatecement,CPC)又稱為羥基磷灰石骨水泥,由固相與液相兩部分組成,屬于非陶瓷類羥基磷灰石材料。固相以兩種或兩種以上磷酸鈣鹽為主要成分,液相則常用蒸餾水、血清或稀酸。常溫下將固相與液相按一定比例混合后,磷酸鈣鹽在液相條件下發生溶解、沉淀及離子交換等一系列理化反應,形成一種可任意塑形并可用于注射的糊狀物,并且在一定時間內通過晶體化反應,最終形成羥基磷灰石(hydroxylapatite,HA)或磷碳灰石(dahllite)而固化。研究表明,固化產物HA是骨骼和牙體中最重要的無機成分,具有良好的生物相容性并能與宿主骨發生化學性結合。固化后的CPC是由無定形HA晶體不規則排列而成的具有微孔結構的固體。微孔的數量及大小視固化操作時的壓力和固相成分不同而各異。Constantz等研究發現,CPC固化后磷碳酸鈣結晶在形態學方面與自然骨非常接近相似,其晶體大小約20nm,孔隙直徑30nm。CPC最終固化后具有一定的抗壓縮和抗張強度,對于硬組織修復材料是一個相當重要的特征,可用于重建修復一定承力區的骨缺損及內固定加強。目前,經美國食品和藥品管理局(FDA)批準應用于臨床的CPC有BoneSource、TureBone、NorianSRS3種。一般認為,CPC被置入骨組織缺損區后在被降解吸收的同時通過骨傳導作用促進新骨形成,不具有骨誘導作用。Costantino等應用CPC置入貓的皮下及肌袋內未見成骨,而置入顱骨缺損區經過組織學觀察發現,新生骨由置入物的表面逐漸向深層長入,6個月時平均長入深度約7mm,12個月時可達11.4mm;Constantz等將CPC注射到手腕部、脛骨骨折部位發現,CPC能為患部提供內在的穩定性,并促進骨折愈合。總之,CPC作為顱頜面外科及骨整形外科的一種新材料,具有以下特點:⑴有與骨組織中的礦物質相似的X線衍射性;⑵在體溫條件下自然固化;⑶可注射于骨折或缺損區;⑷優于松質骨的抗壓強度;⑸可與宿主骨發生化學性結合;⑹有較好的骨傳導性。CPC現已被廣泛應用于臨床。2.聚合酶cpcs材料磷酸鈣陶瓷混懸液(calciumphosphateceramicsuspension,CPCS)是一種新型可注射磷酸鈣骨替代物,由Weiss等最早報道。該替代物是雙相鈣磷陶瓷顆粒和高分子聚合物水溶液(如2%的甲羥基丙基纖維素水溶液)復合而成的一種懸浮液。適宜濃度的聚合物水溶液具有黏附性和流動性,使陶瓷顆粒的沉積與懸浮達到動態平衡而保持穩定,并且可用于注射。復合物中陶瓷顆粒間被大分子聚合物占據并分隔開,猶如多孔隙相互交錯的松質骨或磷酸鈣陶瓷塊。選用雙相鈣磷陶瓷具有以下優點:HA較β-磷酸三鈣(tricalciumphosphate,TCP)更具有長期穩定性和優良的骨引導潛力,β-TCP有高度生物反應活性,被吸收時向周邊環境釋放Ca2+與PO43-促進成骨,該纖維素聚合物的黏稠性和親水性有利于細胞黏附增殖并與礦化基質結合。CPCS經120℃蒸氣消毒21min并保存1年,仍保持其理化特性和穩定性。Weiss等將CPCS置于兔股骨缺損區并對種植體進行掃描電鏡觀察發現,材料對細胞及生物流體保持有較高的滲透性,置入早期就見新骨長入。Grimandi等通過體外細胞毒性實驗和細胞培養增殖實驗證實,CPCS具有良好的細胞及生物相容性,同時還將CPCS注射入兔股骨髁間部缺損區,術后做組織病理學分析,結果表明置入1周即有新生骨出現,并與其中的磷酸鈣顆粒緊密結合;隨著時間的延長新生骨量逐漸增多,且由表面長入置入物內部中央。CPCS在注射后并不立即硬化,僅靠早期新生骨長入來提供一定的力學強度,雙相鈣磷陶瓷顆粒之間的孔隙有利于其發揮骨引導作用,纖維素聚合物的黏附性利于成骨細胞等的貼附增殖。隨著新生骨的長入,初步的骨機械強度很快建立。Gauthier等實驗表明,置入CPCS3周,新生骨小梁與雙相鈣磷陶瓷顆粒共同建立的機械強度已經接近正常松質骨。雖然目前文獻報道的兩種可注射性磷酸鈣材料具有諸多的優點,但作為硬組織——骨的替代材料仍存在一些不足。例如,它們都缺乏骨誘導性、注射后早期仍具有流動性及生物力學強度不足等。流動性使材料可以被注射,同時也給材料注射后外形及位置的保持帶來不便。在實驗中,Gauthier等就采用雙相鈣磷陶瓷塊堵住缺損口以防止CPCS溢出。因此,改善可注射性磷酸鈣材料的理化性能,以控制流動性、加強力學強度適應性,將其與骨生長因子復合而具有骨誘導性等,都亟待進一步的研究。四、工程骨組織修復與重建的途徑組織工程是近年來新興的綜合學科,核心是應用工程科學和生命科學原理,研究與開發用于修復、改善損傷組織或器官形態功能的生物學替代物。骨組織工程的研究主要包括成骨細胞來源、支架材料、組織工程骨構建3部分,其蓬勃發展將為骨組織的修復與重建開辟新的途徑。Paige等采用藻酸鈣包埋軟骨細胞