组织工程治疗早期股骨头缺血性坏死的研究进展

　　作者：党洪胜,综述,裴福兴,审校　　作者单位：郧阳医学院附属太和医院骨科，湖北 十堰 442000

　　【关键词】 股骨头缺血性坏死;细胞生长因子;细胞移植

　　股骨头缺血性坏死(avascular necrosis of the femoral head，ANFH)是由于多种病因破坏股骨头的血供，使骨的活性成分(包括骨细胞、骨髓细胞和脂肪细胞)死亡所引起的一个病理过程，随后机体对坏死区进行自然修复，坏死骨小梁被逐步吸收，股骨头力学强度下降，塌陷变形，从而导致髋关节的严重损伤。其病因大致分为创伤性和非创伤性两大类。目前对于ANFH的治疗颇为棘手,主要方法可归纳为非手术治疗、姑息性手术治疗和人工关节置换术。ANFH的理想治疗应在早期阶段，目的主要是阻止骨质继续坏死，促进骨再生，改善股骨头内血液循环，恢复股骨头的解剖和组织结构，防止塌陷，改善临床症状，缓解疼痛，恢复功能，延缓进行人工髋关节置换的时间[1]。然而，早期ANFH治疗方法虽多，但效果均不理想[2]。近年来随着骨组织工程学的发展，有人提出用组织工程化骨重建股骨头，通常组织工程技术包含三个要素：种子细胞、基质材料以及细胞生长因子，现将这三要素应用于ANFH的治疗综述如下。

　　1 种子细胞在早期股骨头缺血坏死中的应用

　　骨组织是可再生组织，目前应用于骨构建的种子细胞大多来源于成骨细胞及骨髓间充质细胞。成骨细胞可取自骨膜深面的生发层、松质骨及骨髓，具有很强成骨能力。国内动物实验报道[3]将培养的骨膜细胞移植到缺血坏死的股骨头内，6周后股骨头内新骨形成活跃，而对照组原已坏死的骨小梁继续萎缩无新骨形成，说明骨膜细胞移植对缺血坏死的股骨头具有明显的修复作用，移植的骨膜细胞不仅可直接增殖分化成骨;而且还能诱导受区组织成骨。同样，有人用带血管蒂的骨膜移植为缺血坏死的股骨头带入大量的成骨效应细胞，经传导或诱导作用在坏死骨小梁表面形成新骨[4]。

　　常用于骨组织工程的骨髓间充质细胞具有较强的分化潜能和增殖能力，其对治疗股骨头坏死骨缺损都有独特的优势[5]。Hernigou等[6]报道在髓芯减压术的基础上移植经离心方法处理的自体骨髓细胞用于治疗ANFH。通过病人随访5～10年，手术效果用Harris 评分、X线表现和髋关节置换的必要性来衡量。股骨头塌陷(Ⅰ～Ⅱ期)前进行手术的病人145例中9例需行全髋关节手术，股骨头塌陷后手术的病人(Ⅲ～Ⅴ期)44例髋中有25例需行全髋关节手术，取得了良好的疗效。他认为效果的好坏和患者的病程关系密切，同时移植成功的祖细胞的数量越多疗效越好。随后国外许多学者[7]做了类似的临床研究，结果发现移植细胞对缓解病情进展和减少塌陷有较好的效果，通过骨髓移植治疗ANFH可增加股骨头内的骨髓基质干细胞数量，增强其修复能力。国内严军等[8]进行自体骨髓移植治疗兔Perthes病模型的实验研究，发现自体骨髓移植组坏死骨修复较空白对照组活跃，髓板损伤处可见少量软骨细胞，单纯钻孔组以纤维修复为主。他们认为由于骨髓中基质干细胞数目较少，自体骨髓移植治疗兔Perthes病模型能力有限，体外培养增殖骨髓中基质干细胞，增加植入细胞数目，结合适当的细胞载体，或许更有利于ANFH的修复。虽然上述移植细胞治疗ANFH取得了良好的效果，但存在自体骨髓中基质干细胞数量有限，影响移植后的修复效果。另外，对于骨外来源的种子细胞,如肌细胞、成纤维细胞等人们常作为转基因的靶细胞来促进骨的重建，但尚没有用于ANFH的治疗。

　　2 基质材料在早期ANFH中的应用

　　骨组织工程三要素中的中心环节是支架材料。理想的骨支架材料应该具有[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具有三维内联多孔隙结构，有较高面积和体积比;⑷易加工，易塑形;⑸有一定的机械强度及韧性;⑹材料表面有利于细胞的黏附生长，利于细胞的分化。

　　目前的支架材料大体归纳为以下几类：⑴钙磷陶瓷材料，如羟基磷灰石(HA) 、磷酸三钙( βTCP )、珊瑚羟基磷灰石(CHA)和天然无机骨等;⑵天然的高分子材料，如胶原、纤维素和脱钙骨基质等;⑶人工合成高分子材料，如聚乳酸(PLA)、聚羟基乙酸(PGA)和二者共聚体PLGA等;⑷金属材料，如316L不锈钢、317L不锈钢，钛钢等。各类骨支架材料各有其特性，但迄今人们还没有找到一种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体骨移植这种“特殊”的材料。

　　ANFH的晚期常常导致关节面的塌陷和骨关节病的发生。通过力学及有限元分析[11]证实坏死骨周围的应力集中是病情进展的主要原因，应力集中可导致股骨头内骨折，不仅影响局部力学性能，而且还阻断坏死组织的修复。基于此人们采用了多种移植材料来加强对股骨头软骨下的支撑，促进缺血坏死区的修复重建，其理论依据有：⑴增加了股骨头的机械支撑力量，可以预防股骨头塌陷;⑵增加了股骨头的血供来源，有利于股骨头的修复;⑶去除了死骨，植入了带血供的自体骨，有利于股骨头再生修复;⑷同时手术起到了股骨头髓芯减压作用，可中断骨内高压和缺血的恶性循环;⑸这类手术不破坏髋关节的大体结构，不影响以后的手术。均取得一定疗效，但晚期效果不完全满意。

　　国外对ANFH采取的移植物治疗有2种类型：结构性和骨诱导性。结构性移植物是带血管或不带血管骨瓣，它不仅为软骨下骨提供结构的支撑，也能促进骨形成，取得了一定的疗效[12-13]。Iwata[14]报道19例病人23髋，应用带旋髂前和旋髂深血管的髂骨瓣治疗ANFH，术后平均随访3年，17髋获得满意的效果，不成功的病例多发生在应用激素的病人中，术后平均负重时间为6个月。但这类手术特点是需要分离血管，保证植入带血运的骨瓣，术中不切断血管，同时还要防止血管扭曲及过度牵拉，这样增加了手术的难度和手术时间，血管解剖变异常延长手术时间、增加失血量、增加神经血管和脏器损伤机会，术后出现供骨区疼痛等并发症。骨诱导性移植物如脱钙骨基质也已在临床上应用[15]，它可刺激骨形成，并可替代或加强自体移植物。脱钙骨基质包含一定数量的骨诱导成分，主要成分为骨形态发生蛋白转移生长因子超基因家族，还可能在此基础上刺激新生血管形成和骨诱导。但不能对支撑结构进行增强，对于Ficat Ⅲ期的ANFH效果差。此外，国外Hernigou[16-17]等报道采用丙烯酸骨水泥注入治疗ANFH引起的股骨头塌陷。认为与其它手术相比，此手术具有有效恢复股骨头的圆形轮廓，术后可早期活动等优点，但广泛清除死骨会进一步破坏临近骨的血运，填充骨水泥会增加股骨头内压，骨水泥是生物惰性材料，弹性模量与骨组织不同，植入骨组织后将被纤维组织包裹，不能与骨组织直接结合。骨水泥与骨的界面将产生相对运动和较大剪力，并引起骨吸收等缺点，故应对其效果作长期的随访观察。

　　国内采用组织工程支架材料治疗股骨头缺血坏死的研究有较多报道。徐晓良等[18]在动物模型中用BMP/胶原/珊瑚复合人工骨治疗股骨头缺损模型，结果发现组织工程化骨具有较强骨诱导及骨传导作用，可作为修复ANFH的材料，但组织工程化骨存在不能改善股骨头血供，股骨头软骨下骨生物力学性能等缺陷。周强等[19]采用聚磷酸钙纤维(CPPf)/聚乳酸(PLLA)的复合多孔生物材料植入激素诱导性股骨头坏死内，发现CPPf/PLLA多孔材料是生长因子的良好吸附载体，具有较好的生物相容性和生物可降解性，适宜新组织长入，是一种较好的生物材料。孙伟等[20]利用纳米晶胶原基骨治疗兔股骨头坏死缺损的研究发现该材料具有较强的组织相容性和适当的可降解性，能在降解过程中逐渐被新骨替代，认为是一种较理想的支架材料。为了加强对软骨下骨的支撑作用，国内有人设计出记忆金属网球支架以及空心钛支撑架[21]治疗股骨头缺血性坏死，利用金属的“钢筋水泥”作用起到持续有力的机械支撑，降低局部应力，同时利用松质骨等生物骨材料以加速骨质修复过程。但该术破坏股骨头血供，且手术创伤大，术后骨质愈合能力差，长期疗效有待于进一步观察。

　　3 细胞生长因子在早期股骨头缺血坏死中的应用

　　随着生物医学工程技术的进步，人们开始着手利用细胞因子治疗ANFH中研究。Mont等[22]提出细胞生长和分化相关因子可能对ANFH起辅助治疗作用。用生物活性因子治疗ANFH，这些具有活性结构的骨诱导生长因子在局部作用于具有成骨潜能的效应细胞可以加速局部组织愈合，填补组织缺损，有利于新骨形成，起到重要的辅助治疗作用，为早期治疗ANFH提供有效手段。目前利用各种细胞因子来促进修复过程中的血管再生及新骨形成有三类[22]：⑴促进成骨细胞增殖的细胞因子，包括成纤维细胞生长因子、转化生长因子β、胰岛素样生长因子、血小板源性生长因子等;⑵具有骨诱导活性的骨形态发生蛋白;⑶血管生长因子如VEGF、血管生成素、成纤维细胞生长因子等。但专门针对ANFH的细胞因子的研究不多，研究较多的主要是骨诱导活性的骨形态发生蛋白(BMP)。早在90年代初Mazieres等[23]首先开展了应用生长分化因子治疗ANFH的动物实验，在猪的ANFH模型上将双侧股骨头中心减压，一侧用复合rhBMP2的血凝块填塞减压孔道，对侧作空白对照，通过X线片、MRI和组织学检查发现rhBMP2治疗侧术后1个月时的组织学表现与对照侧术后3个月时的组织学表现相似。Mont[24]2003年报道采用在股骨头颈处开窗，植入富含BMP同种异体骨治疗ANFH，治疗19例21髋，随访36～55月，平均48月，优良率为86%，2例在X线表现上，有轻度进展，但塌陷<2 mm，放射学成功率70%。认为，在避免年轻病人过早地进行全髋关节置换术方面很有成效，尤其对年龄小于30岁的病人，即使坏死程度较重，其术后放射学表现上也很好。这个治疗方法，相对简单快捷，其前景是诱人的。Simank等[25]在透视下自接注射乙醇至羊的股骨头内造成骨坏死模型后第1组植入可吸收载体与重组骨形态发生蛋白2 (BMP2) 300 μg治疗，第2组植入生长分化因子5 (GDF5)，对照组只用载体，于术后3、6、12周取材研究发现，使用BMP2和GDF5组于术后3周即已出现新骨形成，明显快于对照组。这种方法无需取自体骨的优点，这些临床试验的成功，显示了生长因子用于治疗ANFH具有广阔的前景。然而对于其他生长分化因子治疗ANFH的作用尚有待于研究。

　　国内应用各类细胞因子对ANFH的研究报道较多。应用促进成骨细胞增殖的细胞因子如碱性成纤维细胞生长因子bFGF，利用它具有增加骨细胞内骨钙素含量，诱导成骨细胞增殖，还能刺激毛细血管内皮细胞迁移和增殖的作用[26]。促进血管生成的生长因子如血管内皮生长因子VEGF，通过与血管内皮上特异性受体结合，具有强大的促内皮增殖、促血管生成作用。Yang等[27]将血管内皮生长因子真核表达质粒pCD2hVEGF165与胶原混合植入坏死的兔股骨头内，结果术后2周免疫组化证实基因转染组股骨头内有VEGF表达，组织形态学检测发现术后2、4周转染基因的股骨头内血管生长快于对照组，术后4周转染基因股骨头新骨形成多于对照组，实验结果表明VEGF基因转染可促进骨组织内血管再生，进一步促进骨再生，提示VEGF基因转染在治疗ANFH疾病中具有广阔的应用前景。另外，胰岛素样生长因子[28]应用于ANFH的研究也有报道。但这些研究仍处于动物实验阶段，必须认识到ANFH疾病的细胞因子治疗尚处于起步阶段。一些研究比较成熟的细胞因子在治疗领域中，尽管实验室效果很好，但所获得的人类临床实验并不理想。各种细胞因子治疗犹如一把双刃剑，一方面在合适的剂量可以产生所预期的治疗效果，另一方面也可能因超量改变正常的组织代谢，更有甚者，致细胞死亡或者加重病变。但随着相关基础研究的深入以及分子生物技术的飞速发展，各类细胞因子治疗的范围必然会扩大。

　　近年来随着分子生物学的发展，使基因治疗各种疾病成为可能，有人提出将组织工程和基因工程结合起来，被称作基因增强的组织工程[29]。利用基因工程技术将编码特定功能因子的目标基因转移到种子细胞或附着在支架材料上，使其能在体内表达，发挥促进种子细胞的增殖和分化、降低异体免疫性、促进血管化等作用，进而促进组织修复。并且弥补了单纯组织工程三大要素的不足，基因转移的靶细胞可持续表达目的基因以调控其自身及其它效应细胞的生长，从而获得人们所需的特定功能;基因转移的靶细胞位于需要修复的部位，合成分泌的内源性蛋白在效应部位的浓度和活性更高，所需产物量更小，减少了外源性重组蛋白大剂量反复使用的副作用，质粒或病毒载体制备容易、稳定性好、半衰期长、持续表达的时间能满足骨修复的需要;生物活性支架的应用改变了单纯细胞治疗的不足，满足了骨修复所必须的“骨传导性”的特殊要求。总之，尽管在组织工程成功地用于治疗临床ANFH疾病之前尚存在很多障碍，但可以预见组织工程将为ANFH的治疗提供了最有价值的临床模式。

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