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【关键词】 脊柱
近年来，脊柱融合手术在骨科中实施的频率越来越多，据报道美国目前每年有超过20万例此类手术，而相应地对于植骨材料的需求亦越来越多。由于自体骨来源有限，且取自体骨常会带来额外的并发症，因此它的应用受到限制。为了在保持可以接受的融合率的基础上增加可用于植骨的骨量以及减少并发症，开发了多种植骨替代材料。理想的植骨替代材料不但应该象自体骨那样具备成骨活性、骨诱导性及骨传导性能，此外还应该提供足够的力学支持，然而目前尚未有任何一种具备了上述所有特点的植骨替代材料。本综述拟就近年来文献中常用于脊柱融合的植骨替代材料作一回顾，简单分析一下各材料的优缺点，以便更好的指导临床应用和进一步研究。
1 同种异体骨
同种异体骨是传统上应用最广泛的植骨替代材料。这种材料具有骨传导性能以及极小的骨诱导潜力，一般认为它不具有成骨性能。同种异体骨需要通过冷冻或冻干法加工以去除其抗原性并延长贮存时间，在灭菌过程中会危害其材料特性及削弱其骨诱导能力。在应用同种异体骨过程中存在传播肝炎及HIV病毒等疾病的危险，但通过严格筛选供体以及严格的加工过程这种危险降到每一百万例移植少于1例。
结构性同种异体骨已被广泛的应用于颈椎和腰椎的椎间植骨融合。在一项前路颈椎融合的前瞻性研究中，无论是单节段还是两节段，使用同种异体骨的最终融合率与自体骨没有明显统计学差异〔1〕，而此前的报道中曾显示同种异体骨的两节段融合其不融合率要明显高于自体骨〔2〕，但前者也承认同种异体骨的融合速度要比自体骨慢，在两节段融合的病例中尤其如此。在青少年特发性脊柱侧凸患者中，同种异体松质骨的脊柱融合率甚至可以达到92.7%〔3〕。
总的来说，同种异体皮质骨在某些既需要结构支持又需要植骨材料的临床情况下可以被看作是一种可接受的自体骨的替代材料，比如前路腰椎和颈椎融合。而同种异体松质骨在脊柱侧凸进行脊柱融合的青少年患者可能是有效的，并且可以作为自体骨后外侧融合骨量有限时的补充。
2 脱钙骨基质（demineralized bone matrices，DBM）
1965年Urist将脱钙骨基质植入啮齿类动物体内引发异位成骨从而使人们认识到这种材料的骨诱导性能。DBM由Ⅰ型胶原和包括多种信号分子在内的非胶原性蛋白构成，骨形态发生蛋白（BMP）的质量仅占DBM中蛋白总量的不到0.1%，但这种材料刺激骨再生的能力大部分依赖于BMP的活性，而不同的商用DBM中BMP的含量有明显的差异〔4〕，使用不同的商用DBM产品进行脊柱融合的动物试验也表明了它们的骨诱导性能存在差异〔5〕。
DBM制品源于同种异体骨，因此它不具有成骨活性且缺乏机械强度。除了减少了同种异体骨的免疫原性外，脱钙及灭菌的过程可能改变了BMP的活性从而限制了它的骨诱导能力。因为不包含活性细胞，常需与自体骨或骨髓抽吸物联合使用以便增加对骨诱导性生长因子发生反应的成骨细胞的数量。在一项对青少年脊柱侧凸后路脊柱融合研究中，DBM与自体骨髓联合应用的融合率明显优于同种异体骨达到与自体骨相似的程度〔6〕。过去的观点认为DBM仅可作为移植添加物与自体骨、骨髓及其他移植材料联合使用，而未能起到植骨增强剂的作用。但亦有研究支持它对植骨起到增强作用〔7〕。尽管如此，将这种材料单独使用的尝试依然是值得商榷的危险行为。
3 骨诱导性生长因子
骨生成是一个由多种生长因子和细胞因子交互作用来调节骨祖细胞的趋化、增殖以及分化的复杂过程。在这一过程中所有具有骨诱导作用的蛋白中最为关键的是BMP，它在体外试验中表现出能够激发成骨细胞向多能干细胞分化的能力，而且是体内试验中唯一能诱导异位骨生成的生物活性分子。随着细胞和分子科学的进步，现可通过基因工程技术大规模生产包括BMP2和BMP7（通常也被称作成骨蛋白1）在内的单一BMP。由于去除了杂质，这种重组BMP不会激发宿主的免疫反应。重组人BMP（rhBMPs）是可溶解的因子，单独使用时有从融合区向外扩散的趋势，这容易降低它的骨诱导能力。因此需要与载体基质接合将其限制于特定区域并可以局部缓释。自体骨、DBM、胶原、无机植骨材料、聚乳酸都曾经用来装载rhBMP，但目前尚未发现理想的载体。衡量某一载体是否合适可能要取决于所治疗的疾病以及它所植入的部位。
自2002年起重组人BMP（rhBMP）用于脊柱融合的临床试验开始见于报道，2003年发表的一篇涵盖679例腰椎椎间融合患者的Meta分析〔8〕表明使用rhBMP2无论在融合率还是并发症发生率、恢复速度方面均优于使用取自体髂骨植骨。此前的动物试验曾表明BMP可抵消非甾体类抗生素及尼古丁对脊柱融合率的不良影响，Ames等〔9〕的动物试验表明放疗后腰椎肿瘤患者完全可用BMP进行融合，不仅有希望达到满意的融合率，还可以免于取自体骨时引起微小转移的风险。
此前一直认为BMP的的价格过于昂贵，为患者或医疗保险偿付系统增加了过大的经济压力，但由于减少了对其他医疗资源的使用完全可以抵消它昂贵的成本，其中所抵消的部分主要是用来防治取自体髂骨所引起的疼痛和其他并发症的花费以及减少了与融合失败相关的花费〔10〕。但BMP用于脊柱融合并非毫无风险，Hansen等〔11〕最近报道的联合使用BMP与同种异体股骨环行腰椎椎间融合的病例表明rhBMP2可引起类似感染的同种异体骨吸收反应，而Pradhan等〔12〕在一项使用同样植骨材料行前路椎间融合的前瞻队列研究中发现由于BMP引发同种异体骨的吸收反应致使不融合率高达56％（使用自体骨与同种异体股骨环的不融合率仅为36％）。总之怎样更合理的使用BMP从而最大地发挥它的效力尚需要较长时间的临床探索。
4 自体骨髓抽吸物与基质干细胞（mesenchymal stem cells，MSC）
自体骨髓中的骨祖细胞和生长因子可以起到促进骨再生的作用，将自体骨髓抽吸物用于脊柱融合的临床试验表明融合率与自体骨类似〔13〕。与取自体骨相比，自髂骨抽吸自体骨髓的技术因侵袭性较小因此基本不引起取骨区的并发症。但是骨髓不提供任何结构支持，单独使用时可自植骨区溢出，因此常需与载体物质同用。由于骨再生的程度要依赖于骨祖细胞的数量，而这种未经分离的自体骨髓中含有的能够分化为成骨细胞的MSC的数量有限，因此只能够表现出缓和的成骨潜力。健康成人骨髓中每5万个有核细胞中仅有一个MSC，在老年人或存在骨质疏松等代谢性疾病的患者中这一数量还会进一步下降。
存在于骨髓中的MSC具有向多谱系分化的能力，利用特殊的提纯和转种技术，可将它们自其他骨髓成分中分离出来，在细胞培养过程中使用适当的调控分子，可以使其转化为成熟的成骨细胞。培养MSC可通过增加具有成骨性能的细胞来增加骨产量。在恒河猴的腰椎椎间融合模型中发现MSC所取得的融合效果与自体骨相当〔14〕。由于成功的脊柱融合大多受成骨细胞的介导，MSC疗法可能会特别有益于老年或者其他细胞贮备减少的患者。与骨髓抽吸物及重组生长因子一样，MSC通常需要与载体联合使用。MSC是一种能够使患者免于其他植骨替代材料内在危险的自体组织，但与自体骨及骨髓抽吸物不同的是获得MSC需要额外的细胞培养过程从而带来了体外污染的危险。
5 自体血小板浓集物
血小板能够释放多种生长因子，它们具有通过促进MSC的趋化、增殖和其他细胞过程促进骨生成的协同作用。这种信号分子的集合由生物趋化和促有丝分裂蛋白组成，比如转化生长因子β和血小板介导的生长因子但不包括任何一种BMP。现有的自体血小板凝胶系统可以从患者的血样中分离出富血小板血浆并将其浓缩入纤维蛋白原基质中。这种纤维蛋白原制剂与凝血酶结合形成纤维蛋白凝块可以与骨传导性支架材料或具有成骨活性的细胞形成复合植骨材料。在一项前瞻性队列研究中，自体血小板凝胶与同种异体骨及内固定器械被联合用于15名患者25个节段的腰椎前路和后路融合，经过长达2年的观察，影像学显示融合效果与自体骨相当〔15〕。然而此前亦有动物试验认为自体血小板凝胶与骨传导支架材料用于腰椎融合并不能达到自体骨所取得的效果〔16〕。结果的差异可能与不同的血小板凝胶系统所产生的血小板浓集物及生长因子的成分和浓度不同有关。尚须进一步研究以更好的区分这种材料中的各种生长因子的作用特征并确定它们对于促进人类脊柱融合的疗效。
6 无机植骨材料
无机支架是由硫酸钙、羟磷灰石或磷酸三钙等构成或联合使用这些材料的人工合成的植骨替代材料。珊瑚状羟磷灰石是来源于珊瑚的另一种形式的无机材料。无机植骨材料只具有骨传导性，其具有的微孔状结构有益于新骨长入。无机植骨材料与其他植骨替代材料相比有几项优势：无毒、无免疫原性、易于灭菌以及取用量不受限制。但是它们的缺点是易碎且剪切力小抗骨折性能差。因为在术后近期内只能提供极小的力学稳定作用，无机植骨材料通常需要与坚强的内固定材料联合使用免于应力的作用直到与周围的骨融合。无机植骨材料的生物可吸收性受到材料的形状、密度与化学成分的影响。羟磷灰石是一种相对惰性的材料可以在活体内保持很长一段时间，而有更多孔隙的磷酸三钙通常在引入成骨部位6周内发生生物降解〔17〕。有些担心认为无机植骨材料颗粒可能会激发炎性反应并最终导致明显的骨吸收，正如全关节假体的磨屑导致的骨质溶解，但目前少有证据证实存在这种风险。
这种骨传导融合材料通常与其他成骨性或骨诱导性融合材料联合应用。由于无机植骨材料通常并不表现成骨性能及骨诱导性能，因此单独使用时在骨祖细胞及生物活性因子方面要依赖于宿主局部的组织。当载入某种成骨细胞如自体骨、骨髓时，无机支架能够有利于细胞黏附、血管长入及新骨生成。无机载体也可发挥传递无诱导性生长因子的媒介的有效作用。在所有的这些合成植骨材料中，无机植骨材料可作为黏性基质限制骨诱导性及成骨性因素从融合区扩散，从而使骨的再生反应最大化。
7 总 结
上述这些植骨替代材料均具有独特的细胞学、生物化学及结构学的特性从而决定了它们特异的临床适用情况。自体骨因能够提供成骨活性细胞、骨诱导性生长因子及骨传导性基质，因此依然被看作是金标准〔18〕，与此不同的是其他任何一种替代方式能够提供所有的骨再生所需的3个要素。因此，应用几种技术构建一种更能显示促进脊柱融合作用能力的复合植骨材料可能更有疗效。由于脊柱融合的生物学机理不断被加以阐明，植骨替代材料可能会变得更加专业化，未来甚至可能会根据脊柱融合区的生物学状况和其所受的生物力学应力来定制植骨材料。
【参考文献】
近年来，脊柱融合手术在骨科中实施的频率越来越多，据报道美国目前每年有超过20万例此类手术，而相应地对于植骨材料的需求亦越来越多。由于自体骨来源有限，且取自体骨常会带来额外的并发症，因此它的应用受到限制。为了在保持可以接受的融合率的基础上增加可用于植骨的骨量以及减少并发症，开发了多种植骨替代材料。理想的植骨替代材料不但应该象自体骨那样具备成骨活性、骨诱导性及骨传导性能，此外还应该提供足够的力学支持，然而目前尚未有任何一种具备了上述所有特点的植骨替代材料。本综述拟就近年来文献中常用于脊柱融合的植骨替代材料作一回顾，简单分析一下各材料的优缺点，以便更好的指导临床应用和进一步研究。
1 同种异体骨
同种异体骨是传统上应用最广泛的植骨替代材料。这种材料具有骨传导性能以及极小的骨诱导潜力，一般认为它不具有成骨性能。同种异体骨需要通过冷冻或冻干法加工以去除其抗原性并延长贮存时间，在灭菌过程中会危害其材料特性及削弱其骨诱导能力。在应用同种异体骨过程中存在传播肝炎及HIV病毒等疾病的危险，但通过严格筛选供体以及严格的加工过程这种危险降到每一百万例移植少于1例。
结构性同种异体骨已被广泛的应用于颈椎和腰椎的椎间植骨融合。在一项前路颈椎融合的前瞻性研究中，无论是单节段还是两节段，使用同种异体骨的最终融合率与自体骨没有明显统计学差异〔1〕，而此前的报道中曾显示同种异体骨的两节段融合其不融合率要明显高于自体骨〔2〕，但前者也承认同种异体骨的融合速度要比自体骨慢，在两节段融合的病例中尤其如此。在青少年特发性脊柱侧凸患者中，同种异体松质骨的脊柱融合率甚至可以达到92.7%〔3〕。
总的来说，同种异体皮质骨在某些既需要结构支持又需要植骨材料的临床情况下可以被看作是一种可接受的自体骨的替代材料，比如前路腰椎和颈椎融合。而同种异体松质骨在脊柱侧凸进行脊柱融合的青少年患者可能是有效的，并且可以作为自体骨后外侧融合骨量有限时的补充。
2 脱钙骨基质（demineralized bone matrices，DBM）
1965年Urist将脱钙骨基质植入啮齿类动物体内引发异位成骨从而使人们认识到这种材料的骨诱导性能。DBM由Ⅰ型胶原和包括多种信号分子在内的非胶原性蛋白构成，骨形态发生蛋白（BMP）的质量仅占DBM中蛋白总量的不到0.1%，但这种材料刺激骨再生的能力大部分依赖于BMP的活性，而不同的商用DBM中BMP的含量有明显的差异〔4〕，使用不同的商用DBM产品进行脊柱融合的动物试验也表明了它们的骨诱导性能存在差异〔5〕。
DBM制品源于同种异体骨，因此它不具有成骨活性且缺乏机械强度。除了减少了同种异体骨的免疫原性外，脱钙及灭菌的过程可能改变了BMP的活性从而限制了它的骨诱导能力。因为不包含活性细胞，常需与自体骨或骨髓抽吸物联合使用以便增加对骨诱导性生长因子发生反应的成骨细胞的数量。在一项对青少年脊柱侧凸后路脊柱融合研究中，DBM与自体骨髓联合应用的融合率明显优于同种异体骨达到与自体骨相似的程度〔6〕。过去的观点认为DBM仅可作为移植添加物与自体骨、骨髓及其他移植材料联合使用，而未能起到植骨增强剂的作用。但亦有研究支持它对植骨起到增强作用〔7〕。尽管如此，将这种材料单独使用的尝试依然是值得商榷的危险行为。
3 骨诱导性生长因子
骨生成是一个由多种生长因子和细胞因子交互作用来调节骨祖细胞的趋化、增殖以及分化的复杂过程。在这一过程中所有具有骨诱导作用的蛋白中最为关键的是BMP，它在体外试验中表现出能够激发成骨细胞向多能干细胞分化的能力，而且是体内试验中唯一能诱导异位骨生成的生物活性分子。随着细胞和分子科学的进步，现可通过基因工程技术大规模生产包括BMP2和BMP7（通常也被称作成骨蛋白1）在内的单一BMP。由于去除了杂质，这种重组BMP不会激发宿主的免疫反应。重组人BMP（rhBMPs）是可溶解的因子，单独使用时有从融合区向外扩散的趋势，这容易降低它的骨诱导能力。因此需要与载体基质接合将其限制于特定区域并可以局部缓释。自体骨、DBM、胶原、无机植骨材料、聚乳酸都曾经用来装载rhBMP，但目前尚未发现理想的载体。衡量某一载体是否合适可能要取决于所治疗的疾病以及它所植入的部位。
自2002年起重组人BMP（rhBMP）用于脊柱融合的临床试验开始见于报道，2003年发表的一篇涵盖679例腰椎椎间融合患者的Meta分析〔8〕表明使用rhBMP2无论在融合率还是并发症发生率、恢复速度方面均优于使用取自体髂骨植骨。此前的动物试验曾表明BMP可抵消非甾体类抗生素及尼古丁对脊柱融合率的不良影响，Ames等〔9〕的动物试验表明放疗后腰椎肿瘤患者完全可用BMP进行融合，不仅有希望达到满意的融合率，还可以免于取自体骨时引起微小转移的风险。
此前一直认为BMP的的价格过于昂贵，为患者或医疗保险偿付系统增加了过大的经济压力，但由于减少了对其他医疗资源的使用完全可以抵消它昂贵的成本，其中所抵消的部分主要是用来防治取自体髂骨所引起的疼痛和其他并发症的花费以及减少了与融合失败相关的花费〔10〕。但BMP用于脊柱融合并非毫无风险，Hansen等〔11〕最近报道的联合使用BMP与同种异体股骨环行腰椎椎间融合的病例表明rhBMP2可引起类似感染的同种异体骨吸收反应，而Pradhan等〔12〕在一项使用同样植骨材料行前路椎间融合的前瞻队列研究中发现由于BMP引发同种异体骨的吸收反应致使不融合率高达56％（使用自体骨与同种异体股骨环的不融合率仅为36％）。总之怎样更合理的使用BMP从而最大地发挥它的效力尚需要较长时间的临床探索。
4 自体骨髓抽吸物与基质干细胞（mesenchymal stem cells，MSC）
自体骨髓中的骨祖细胞和生长因子可以起到促进骨再生的作用，将自体骨髓抽吸物用于脊柱融合的临床试验表明融合率与自体骨类似〔13〕。与取自体骨相比，自髂骨抽吸自体骨髓的技术因侵袭性较小因此基本不引起取骨区的并发症。但是骨髓不提供任何结构支持，单独使用时可自植骨区溢出，因此常需与载体物质同用。由于骨再生的程度要依赖于骨祖细胞的数量，而这种未经分离的自体骨髓中含有的能够分化为成骨细胞的MSC的数量有限，因此只能够表现出缓和的成骨潜力。健康成人骨髓中每5万个有核细胞中仅有一个MSC，在老年人或存在骨质疏松等代谢性疾病的患者中这一数量还会进一步下降。
存在于骨髓中的MSC具有向多谱系分化的能力，利用特殊的提纯和转种技术，可将它们自其他骨髓成分中分离出来，在细胞培养过程中使用适当的调控分子，可以使其转化为成熟的成骨细胞。培养MSC可通过增加具有成骨性能的细胞来增加骨产量。在恒河猴的腰椎椎间融合模型中发现MSC所取得的融合效果与自体骨相当〔14〕。由于成功的脊柱融合大多受成骨细胞的介导，MSC疗法可能会特别有益于老年或者其他细胞贮备减少的患者。与骨髓抽吸物及重组生长因子一样，MSC通常需要与载体联合使用。MSC是一种能够使患者免于其他植骨替代材料内在危险的自体组织，但与自体骨及骨髓抽吸物不同的是获得MSC需要额外的细胞培养过程从而带来了体外污染的危险。
5 自体血小板浓集物
血小板能够释放多种生长因子，它们具有通过促进MSC的趋化、增殖和其他细胞过程促进骨生成的协同作用。这种信号分子的集合由生物趋化和促有丝分裂蛋白组成，比如转化生长因子β和血小板介导的生长因子但不包括任何一种BMP。现有的自体血小板凝胶系统可以从患者的血样中分离出富血小板血浆并将其浓缩入纤维蛋白原基质中。这种纤维蛋白原制剂与凝血酶结合形成纤维蛋白凝块可以与骨传导性支架材料或具有成骨活性的细胞形成复合植骨材料。在一项前瞻性队列研究中，自体血小板凝胶与同种异体骨及内固定器械被联合用于15名患者25个节段的腰椎前路和后路融合，经过长达2年的观察，影像学显示融合效果与自体骨相当〔15〕。然而此前亦有动物试验认为自体血小板凝胶与骨传导支架材料用于腰椎融合并不能达到自体骨所取得的效果〔16〕。结果的差异可能与不同的血小板凝胶系统所产生的血小板浓集物及生长因子的成分和浓度不同有关。尚须进一步研究以更好的区分这种材料中的各种生长因子的作用特征并确定它们对于促进人类脊柱融合的疗效。
6 无机植骨材料
无机支架是由硫酸钙、羟磷灰石或磷酸三钙等构成或联合使用这些材料的人工合成的植骨替代材料。珊瑚状羟磷灰石是来源于珊瑚的另一种形式的无机材料。无机植骨材料只具有骨传导性，其具有的微孔状结构有益于新骨长入。无机植骨材料与其他植骨替代材料相比有几项优势：无毒、无免疫原性、易于灭菌以及取用量不受限制。但是它们的缺点是易碎且剪切力小抗骨折性能差。因为在术后近期内只能提供极小的力学稳定作用，无机植骨材料通常需要与坚强的内固定材料联合使用免于应力的作用直到与周围的骨融合。无机植骨材料的生物可吸收性受到材料的形状、密度与化学成分的影响。羟磷灰石是一种相对惰性的材料可以在活体内保持很长一段时间，而有更多孔隙的磷酸三钙通常在引入成骨部位6周内发生生物降解〔17〕。有些担心认为无机植骨材料颗粒可能会激发炎性反应并最终导致明显的骨吸收，正如全关节假体的磨屑导致的骨质溶解，但目前少有证据证实存在这种风险。
这种骨传导融合材料通常与其他成骨性或骨诱导性融合材料联合应用。由于无机植骨材料通常并不表现成骨性能及骨诱导性能，因此单独使用时在骨祖细胞及生物活性因子方面要依赖于宿主局部的组织。当载入某种成骨细胞如自体骨、骨髓时，无机支架能够有利于细胞黏附、血管长入及新骨生成。无机载体也可发挥传递无诱导性生长因子的媒介的有效作用。在所有的这些合成植骨材料中，无机植骨材料可作为黏性基质限制骨诱导性及成骨性因素从融合区扩散，从而使骨的再生反应最大化。
7 总 结
上述这些植骨替代材料均具有独特的细胞学、生物化学及结构学的特性从而决定了它们特异的临床适用情况。自体骨因能够提供成骨活性细胞、骨诱导性生长因子及骨传导性基质，因此依然被看作是金标准〔18〕，与此不同的是其他任何一种替代方式能够提供所有的骨再生所需的3个要素。因此，应用几种技术构建一种更能显示促进脊柱融合作用能力的复合植骨材料可能更有疗效。由于脊柱融合的生物学机理不断被加以阐明，植骨替代材料可能会变得更加专业化，未来甚至可能会根据脊柱融合区的生物学状况和其所受的生物力学应力来定制植骨材料。
作者单位：解放军总医院a.骨科研究所；b.骨科，北京复兴路28号 100853