移植骨融合的影响因素

【关键词】  骨折；骨融合；烟草；尼古丁

骨折尤其是伴有骨缺损时，经常采用骨移植的方法来治疗。骨移植的方法包括：自体骨移植、异体骨移植、陶瓷移植、自体移植骨中加入富含血小板的血清（plateletrich plasma,PRP）等，其骨诱导性、骨传导性及成骨特性则构成骨移植成功的基础。自体骨移植是骨移植的金标准，其临床上的成功率可达60%～95%；但融合失败后易致假关节的生成，术后继续表现腰椎症状的病人高达57%。异体骨移植的诱导活性低，融合骨质量较差，吸收率较高，易诱发免疫排斥反应、炎症反应等，还不是自体骨的理想替代物。陶瓷移植具有骨传导的自然特性，但易碎，不过在手术中作为复合成分的一部分存在时还是获得了一定的成功。自体移植骨中加入PRP在多例口腔手术应用中已获得重大成功［1］，其可能机制一是血小板来源的生长因子的作用，二是血凝块的固定作用。但其效果具有不确定性。总之，既有的骨移植方法其临床疗效还具有局限性；而且其影响因素也很多，如烟草即是其中之一。近年来，对骨愈合研究又有新的进展，现将一些新方法、新技术以及烟草对骨愈合的不良影响作一综述。

    1  骨形态发生蛋白的应用

    骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)属于TGFβ超家族，能够在骨折中沿着成骨线诱导多能成骨细胞的分化。现在称作骨形成蛋白系列的分子已超过40个。而BMP是强有力的诱导因子之一，其至少有17种之多；其中诱导成骨最强的是BMP2、BMP4、BMP7［2］。BMPs诱导成骨的作用大致分为4个时期:趋化期、分化期、骨质形成及重塑期，即间充质细胞发生化学趋向、聚集、分化形成软骨和骨，最后形成骨髓［3］。BMPs是有效的分化因子，能诱导间充质干细胞分化为骨软骨原细胞和成骨前体细胞［4］，它诱导成骨的方式主要是软骨内化骨，但也可以膜内成骨［6］。Wan等［6］将BMP植入软组织内，就曾发现其可异位诱导新骨的形成，而且骨折后骨愈合过程当中局部BMP的表达水平明显增高，且局限于骨折骨痂愈合区。由于其能形成一种治疗模式来诱导或促进骨的融合，因此骨形成蛋白的发现在近些年已引起了人们的极大关注。而在重组人BMP（recombinant human BMP,rhBMP）中可用于临床的商业化成品主要是rhBMP2和rhBMP7（osteogenic protein1,OP1）。

    1．1  rhOP1  骨形态发生蛋白7(bone morphogenetic protein7,BMP7)，又称成骨蛋白1 (osteogenic protein1, OP1)属于DppNgl亚群［7］。其作为骨形态发生蛋白家族的一员，具有很强的在位或异位诱骨活性［8］，可以通过分子克隆技术进行分离并注入中国仓鼠的卵巢细胞内以表达rhOP1，它是一种高二聚体，通过柱状层析法提纯能达到97%以上的纯度［9］。其商业成品由Stryker Biotech生产：3.5 mg的rhOP1冻干骨加入到IgI型牛骨胶原中，形成的rhOP1的密度是0.875 mg/ml。这种干粉可在植入前加盐形成糊状，被矫形外科应用。230 mg的羟甲基纤维素加到OP1中形成一种油灰而常被用到椎骨融合的临床实验中。

    Magin和Delling［10］在绵羊身上分别用OP1、羟基磷灰石和自体骨进行了实验，测定后发现OP1的效果最好。实验已证明DBM和牛胶原均为rhOP1良好载体，而rhOP1的体内骨诱导活性随剂量的增加而增高，新骨生成量和植入量呈正相关［11］。有学者［12］对16个有退化性腰椎脱位椎管狭窄的病人分别用自体骨和自体骨+ OP1进行了实验。6个月后，9/12（75%）的自体+ OP1患者获得了愈合，2/4（50%）的仅自体骨的患者获得愈合，而且用自体+ OP1的患者中没有产生副作用。在动物模型中发现，它还能克服尼古丁对骨融合造成的负面影响。不过，还需要进一步研究解决其临床的合适剂量、rhOP1吸收以及能否在更广的范围内代替自体骨等问题。

    1.2  rhBMP2  Cho 等［13］通过对骨折后愈合阶段的小鼠胫骨的研究，发现在骨折后第1天BMP2和生长分化因子8（GDF8）都有最高的表达。Sandhu 等［14］把rhBMP2应用在狗的骨融合实验中，结果发现在3个月内获得了100%的骨融合，而自体骨却没有出现骨融合，这说明其骨融合刺激性要比自体骨强。胶原负载的rhBMP2曾在上颌骨大面积缺损并切除了大半下颌骨的猴实验中应用［15］，且同时用钛板进行了固定。结果显示，在5～6个月的时间内缺损被重建。而在14位患退化性腰椎间盘病变的患者中分别用rhBMP2和自体骨进行对比试验［16］，结果发现所有用rhBMP2的11个患者都获得了成功，而用自体骨移植的2/3的病人获得成功。

    成骨蛋白在骨融合中的促进作用已作了大量的动物实验及临床试验的验证，但在临床应用中其浓度的释放还是不稳定的。曾经有学者设想，设计一些载体，让此蛋白受控地、持续地释放，使其在骨融合部位能稳定地保持治疗剂量。当然一个理想的载体还未获得，不过基因的介入也许能解决这个问题。

    2  基因治疗

    基因治疗（gene therapy）是通过核酸（如RNA、DNA）的转移来达到治疗或预防某种疾病的目的。其在骨愈合中的应用同样引起了人们的极大关注。如果能克隆有特殊编码的基因序列，如BMPs，就能通过基因技术来控制骨愈合处的细胞，使其能持续、稳定地产生一定浓度的内源性生长因子，就能保持骨愈合的高效、快速进行。目前，这项技术在骨愈合方面的应用上已获得了一定的突破，取得了一定的成绩，但在一些情况下其失败率达到了40%［10］。

    2.1  基因载体  基因治疗所用的相关信息要到达病人体内需要有相关载体的参与，目前常用的基因载体包括逆转录病毒、腺病毒、腺结合病毒及非病毒等。其中，逆转录病毒是通过单链RNA逆转录形成DNA而把其信息传给子细胞的，其形式具有稳定性和可靠性。腺病毒则是一种双链DNA，进入人体细胞后能独立存在，携带信息量也较大，可达到逆转录病毒的4倍。 腺结合病毒能把相关DNA和人体基因结合，且因插入的位置较特殊，诱导风险也就相对降低。 非病毒载体则是利用生化物质把基因信息传递给人体细胞，其生产容易、化学稳定性好、携带信息量大，且大多也不会产生免疫应答。总之，以上基因载体虽各具特色，但其广泛应用却使疾病的基因治疗成为可能。

    2.2  临床应用  目前，基因治疗主要应用在一些遗传性或致命性基因病（如癌症等）上，它是把相关的基因信息转导入目标细胞及其它所有细胞当中，并通过基因表达而达到治疗或治愈的目的。这种作用能长期甚至一生都能得到稳定保持。近来，一些学者提出，需骨愈合的病例（如骨折、口腔种植体等）也可进行基因治疗。但因常见需骨愈合病例需时较短、疗效显著，其基因治疗的必要性也就受到了临床医师的质疑，且其安全性也备受关注。例如，某些受抑制的肿瘤基因可能在引入治疗基因的同时也被随机引入，从而引起正常细胞的恶化而形成癌症；治疗用灭活病毒跟体内活病毒结合时也会因具有复制力而引起主体感染，如有患者就曾因肝内注入过高剂量的腺病毒导致炎症反应过度而死亡。由此可见，基因治疗是一把双刃剑，既可治疗疾病又能致病，这对目前尚缺乏治疗措施的致命疾病来说既是一种诱惑也是一种希望；但对目前治疗手段完善、治疗效果显著的疾病来说，任何风险都会成为临床医师踌躇的理由，更不用说这种尚不明确、风险系数较高的治疗手段。但随着人们对基因工程的深入了解，使基因治疗成为一种低风险甚至无风险的治疗手段也不是没有可能，其应用前景还是可预期的。

    3  烟草的作用

    烟草中已被确认的成分有4 000多种，氮、氧、CO2约占烟重的85%。每支香烟燃烧后产生的烟雾，气体成分约占92%，剩下8%则是一些特殊成分，主要是一些有机酸、含氮物质、高温分解的产物松香等；烟草中也包含了一些有毒成分如尼古丁、CO、亚硝胺、羟基醌以及一些重金属盐（如镉和硫氰酸盐）等。

    3.1  烟草对骨折的危害  在腰椎融合患者中，吸烟导致假关节的出现率是不吸烟者的5倍［18］，术后停止吸烟则可部分减少其不利影响。同样，吸烟对股骨骨折愈合产生不良影响，研究发现，吸烟数量越大、烟龄越长其需要的临床愈合时间越长。而在胫骨骨折患者中，吸烟者的愈合时间是不吸烟者的1.5倍。Van der Voort 等［19］研究发现，在烟龄超过35年的50～80岁停经妇女中，其骨折的风险是提高的。Law 等［20］也认为老年者的椎骨骨折风险是不吸烟者的5倍。新西兰学者通过对吸烟和不吸烟老年妇女的绝经情况进行对比后发现，吸烟能使绝经提前1.9年，而停经引起的雌激素的变化则对骨密度的降低具有显著意义。

    3.2  烟草毒素对骨的影响

    3.2.1  对成骨细胞的影响：体外实验曾证明烟草确能破坏成骨细胞的增殖、分化和功能。尼古丁对成骨细胞具有毒性作用，芳香烃能限制成骨细胞的分化及其功能，不过其机制尚不清楚。de Vernejoul 等［21］对吸烟者进行活检后发现，其骨小梁及小梁壁的厚度都是降低的，吸烟者骨小梁间的接触比较疏松。Cullen 等在对鼠的实验中也发现，烟雾能引起骨小梁体积及表面矿化程度的下降，而骨小梁的矿化程度与成骨细胞的作用是密切相关的；至于破骨细胞则没有证据可证明烟雾能直接刺激其造成骨的吸收。

    3.2.2  对钙吸收的影响：曾有作者报道，吸烟者的肠钙吸收是降低的，这可能是由血清中骨化三醇的降低引起的。许多研究认为在吸烟者中甲状旁腺素（PTH）的分泌受到抑制，这可能是血清骨化三醇及肠钙吸收降低的根本原因。Brot 等［22］在对吸烟和不吸烟者的对比中发现，吸烟者的血清1，25（OH）2D3和PTH都是降低的。至于血清中钙离子的浓度，吸烟对其没有影响；而另有研究则证明吸烟者比不吸烟者高。关于尿钙的分泌，Brot 等［22］在绝经后吸烟妇女当中并没有发现尿钙/肌酸酐的任何变化，其它的一些研究也证实了这种看法。

    3.2.3  对骨密度、骨强度等的影响：Slemenda 等［23］通过对美国老兵的研究发现，16年内吸烟者的骨密度下降了0.104 g/cm3而不吸烟者为0.072 g/cm3。在美籍日本人中进行的调查中发现［22］，过去吸烟者和现在吸烟者分别和不吸烟者相比，其跟骨密度分别低4.8%、4.3%，桡骨远端分别低1.8%、3.3%。其实，骨密度的降低不仅与吸烟者的吸烟数量有关，也与个体对烟的耐受性有关。

    综上所述，相关研究已证明了成骨蛋白及基因技术在骨融合中的作用，虽然它还处于实验阶段而未在临床普及使用，但却具有了临床应用的可行性和可预期性，应用前景广阔。同样，烟草对骨愈合的不利影响也已得到证实，因此在骨愈合期间戒烟是有益的。明确了影响骨愈合的有利、不利因素以后，就能在骨折愈合当中或骨种植当中用利除弊，从而能使更多的病人得到更好的治疗。

【参考文献】
  ［1］ Tischler M. Platelet rich plasma: the use of autologous growth factors to enhance bone and soft tissue grafts［J］.NY State Dent J 2002, 68(3):2224.

［2］ 路继业,王岩,蔡胥.骨髓基质干细胞成骨的研究进展［J］.中华创伤骨科杂志，2004, 6(5):578580.

［3］ 赵甜娜,韩金祥,王世立.成骨蛋白1的研究及应用进展［J］.生物技术通讯,2005,16 (4):435437.

［4］ Shea CM，Edgar CM，Einhorn TA，et al.BMP treatment of C3H10T1/2 mesenchymal stem cells induces both chondrogenesis and osteogenesis［J］.Cell Biochem,2003,90(6):11121127.

［5］ 陈雅娟，张彦定.骨形态发生蛋白的骨诱导活性及其应用研究现状［J］.中国药物与临床，2003,3(4):277280.

［6］ Wan M,Cao X.BMP signaling in skeletal development ［J］,Biochem Biophys Res Commun,2005,328(3):651657.

［7］ Cook SD,Salkeld SL,Patron LP,et al.Healing course of primate ulna segmental defects treated with osteogenic protein1［J］.J Invest Surg,2002,15(2):6979.

［8］ Den boer FC, Bramer JA, Blokhuis TJ,et al.Effect of recombinant human osteogenic protein1 on the healing of a freshly closed diaphyseal fracture［J］.Bone, 2002,31 (1):158164.

［9］ Cunningham BW, Kanayama M, Parker LM,et al. Osteogenic protein versus autologous interbody arthrodesis in the sheep thoracic spine［J］.Spine，1999，24(6): 509518.

［10］ Magin MN, Delling G. Improved lumbar vertebral interbody fusion using rhOP1: a comparison of autogenous bone graft, bovine hydroxylapatite (BioOss), and BMP7 (rhOP1) in sheep［J］.Spine，2001，26(5): 469478.

［11］ 王敏,韩金祥,宋长征. 不同载体对重组人成骨蛋白1骨诱导活性的影响［J］.中国临床康复,2004,8(5):963965.

［12］ Vaccaro AR, Patel T, Fischgrund J,et al. A 2year followup pilot study evaluating the safety and efficacy of op1 putty (rhbmp7) as an adjunct to iliac crest autograft in posterolateral lumbar fusions［J］.Eur Spine J，2005,14(7):623629.

［13］ Cho TJ, Gerstwnfeld LC,Einhorn TA.Ditterential temporal expression of members of the transformation growth factor beta superfamily during murine healing［J］.Bone Miner Res,2002,17(3):513520.

［14］ Sandhu HS, Kanim LEA, Kabo JM,et al.Effective doses of recombinant human bone morphogenetic protein2 in experimental spinal fusion［J］.Spine，1996,21(18):21152122.

［15］ Boyne PJ.Application of bone morphogenetic proteins in the treatment of clinical oral and maxillofacial osseous defects［J］.J Bone Joint Surg Am，2001,83A Suppl 1(Pt 2):S146150.

［16］ Boden SD, Zdeblick TA, Sandhu HS,et al.The use of rhBMP2 in interbody fusion cages. Definitive evidence of osteoinduction in humans: a preliminary report［J］.Spine,2000, 25(3):376381.

［17］ Depalma AF, Rothman RH. The nature of pseudoarthrosis［J］.Clin Orthop Relat Res，1992, (284):39

［18］ Brown CW, Orme TJ, Richardson HD. The rate of pseudoarthrosis (surgical nonunion) in patients who are smokers and patients who are nonsmokers: a comparison study［J］.Spine, 1986,11(9):942943.

［19］ Van der Voort DJ, Geusens PP, Dinant GJ.Risk factors for osteoporosis related to their outcome: Fractures［J］.Osteoporos Int，2001,12(8): 630638.

［20］ Law MR, Wald NJ, Meade TW.Strategies for prevention of osteoporosis and hip fracture［J］. BMJ,1991,303(6800): 453459.

［21］ de Vernejoul MC, Bielakoff J, Herve M,et al.Evidence for defective osteoblastic function. A role for alcohol and tobacco consumption in osteoporosis in middleaged men［J］.Clin Orthop Relat Res,1983,(179): 107115.

［22］ Brot C, Jorgensen NR, Sorensen OH.The influence of smoking on vitamin D status and calcium metabolism［J］.Eur Clin Nutr,1999，53(12): 920926.

［23］ Slemenda CW, Christian JC, Reed T,et al.Longterm bone loss in men: effects of genetic and environmental factors［J］.Ann Intern Med,1992，117(4): 286291.

作者单位：滨州医学院口腔学院 滨州市 256603