硫酸钙在骨修复治疗中的作用

【关键词】  骨修复

     随着人口的增长和老龄化，因创伤、肿瘤或骨病等原因造成骨缺损的病人越来越多。对骨移植材料的需求大大刺激了人工骨移植材料发展，成为骨缺损修复的重要手段，并对骨修复治疗提出了新的认识和要求。成功的骨修复治疗是基于骨再生的生物学基础，需要3种基本元素的相互作用：细胞、生长因子和良好的支架载体材料［1］，亦即所谓的骨组织工程学。作为一种骨移植材料硫酸钙用作骨缺损填充修复治疗已达百年之久。动物实验和临床研究［2,3］都证实硫酸钙的生物相容性和用作骨移植材料的可行性。而且硫酸钙来源广泛，价格便宜，与同等量的胶原、磷酸钙骨水泥相比有明显价格优势，在临床上显示出它受欢迎的程度。

    1  硫酸钙的概述

    硫酸钙(calcium sulfate，CS)是一种无机陶瓷类材料，它可以分为3大类：（1）二水硫酸钙；（2）半水硫酸钙；（3）无水硫酸钙。二水硫酸钙，分子式为CASO4·2H2O。半水硫酸钙，是二水石膏脱去1.5水分子后形成，再次水化(即每分子半水硫酸钙结合1.5水分子)又变成二水石膏。

    目前临床使用的较多的硫酸钙产品为20世纪90年代美国Wright医疗技术有限公司以硫酸钙为基质研制生产出新一代骨移植替代产品OsteoSet，相继又有Profusion(Bio Generation，Inc．)、Stimulan(Biocomposites，Inc．)推向市场。3种产品均为外科手术级的医用硫酸钙，是使用特殊的方法制成的医用半水硫酸钙(CaSO4·1／2H2O)。1996年通过了ASTM、IS010993标准生物相容性测试，包括细胞毒性、致敏性、遗传毒性、体内植入实验、系统毒性以及皮内注射实验等，经美国FDA(美国食品及药物管理局)的认证，同年获得欧洲CE标志，获准在临床使用的一种骨移植替代物。其制备过程中通过晶体化工艺，使硫酸钙成为单一的晶体结构，  以便控制其体内降解速度［2］，具有可降解性和高效诱导成骨活性，植入体内无排斥、过敏和毒性反应，是一种安全可靠的骨移植替代品。目前在骨科领域广泛用于修复由于创伤、假体松动、肿瘤刮除引起的骨缺损，  以及融合脊柱和治疗单纯骨囊肿。近年来，Wright公司又研制出了可注射性的硫酸钙骨替代材料，其操作简便，能够注射入骨缺损处，原位固化，适应骨缺损进行塑形，符合微创外科的发展的要求，再次受到了广泛的关注［4］。

    2  硫酸钙在骨生物学中的作用

    从生物学的观点来看，骨是一个有生命的活组织，在人体内执行着几个关键的功能。骨不仅提供支持保护身体器官的结构，而且与矿物质的新陈代谢有关。此外，在生命中通过不断更新过程，它能够维持最佳的结构和功能。也能对外界机械环境的变化产生反应在形态与功能之间维持最佳的平衡，即Wolff’s定律［5］。在骨折愈合和改型期间，生物化学的信号分子刺激导致骨髓间充质干细胞群的增加。然而，局部的环境也决定成骨性细胞的分化途径，最终导致成骨细胞或成软骨细胞的演变进展［6］。

    由美国Wright公司生产的医用硫酸钙具有纯度高，杂质少，结构均一，生物相容性好，在体内能够完全被降解吸收，对周围组织不产生炎症和异物刺激作用。硫酸钙在降解过程中局部形成的微酸环境，引起局部骨组织脱钙和自身降解产生的钙离子形成一个高钙浓度的环境［7］，这些钙离子能够对成骨细胞提供刺激作用。细胞外钙离子浓度是调整成骨细胞和破骨细胞活动的一个重要因素［8］。通过改变成骨细胞细胞膜表面钙离子通道受体的表达，调整成骨细胞的增殖和分化从而使骨达到生物学修复的目的。研究发现，骨坏死部位钙离子浓度远远超过生理浓度，可以达到40 mmol/L，在这种情况下，通过负反馈调节可以刺激成骨细胞的增殖和抑制破骨细胞介导的骨吸收。也就是说，较高钙离子浓度可促进成骨细胞的分化［9］。Shinichi［10］用体外细胞培养研究了钙离子浓度和成骨细胞行为的关系，发现单层成骨细胞能够在含20 mmol/L浓度钙离子培养液中缓慢增殖，而在三维培养中20 mmol/L浓度钙离子可以促进成骨细胞增殖。研究［10］显示5～15 mmol／L钙离子浓度最有利于成骨细胞的增殖，5～20 mmol／L最有利于成骨细胞的分化和矿化。X线晶体衍射分析钙沉积本质为成熟的磷酸钙成分，即羟基磷灰石。提示成骨细胞对不同浓度硫酸钙溶液反应可以解释硫酸钙作为骨移植替代物促进新骨形成的生物学机制。

    硫酸钙在无骨或骨膜存在的条件下不能刺激骨生成，而在骨或骨膜存在的情况下，能促进骨再生。体外研究表明，成骨细胞附着于硫酸钙，在此基础上成骨，而破骨细胞吸收硫酸钙，形成生物降解［11］。它在骨缺损区作为空隙的填充物，形成微酸环境有利于血管和成骨细胞的长入，提供了骨形成所需的基质，并阻止软组织长入［11,12］。这也说明了硫酸钙的成骨机制是依赖于骨自身的生物学基础。

    3  硫酸钙对骨的化学介导作用

    早在1892年，Dressman就用硫酸钙填充治疗18例骨缺损病人并获成功。经过不断的研究和临床应用证实了它在骨缺损修复治疗方面的效果，对其作用机制也有了进一步的认识。目前文献报导多集中于硫酸钙的骨传导性，也是目前唯一通过美国FDA认证具有骨传导作用的人工骨。而对其骨诱导活性看法不一，这可从硫酸钙材料的界面化学中得到解释。材料适合界面化学有助于成骨细胞在其表面支持骨形成。材料不同的化学性质可产生不同的反应。局部周围环境中离子、多肽、信号细胞释放的蛋白质和移植物表面的信号分子通过信号转导机制［13］，这样生长因子作用于细胞使其分裂增殖。Walsh等［14］用成年杂种阉羊建立股骨远端的网状骨缺损模型，发现硫酸钙组和自体骨组在缺损区域的新骨形成相似，硫酸钙组新骨更厚但不成熟；通过增强免疫组化染色都可看到骨形态蛋白(BMP2、BMP7)、转化生长因子β和血小板释放的生长因子等表达增加。这说明硫酸钙降解吸收后形成的局部微观环境间的化学作用有助于增强BMPs等生长因子的表达而产生诱导成骨作用。

    Dalby［15］、DiSilvio［16］等认为材料的界面化学支配行为是，通过材料表面的电荷密度和附着的原子序列所具有的潜能来影响细胞群的表面电荷和蛋白质的构象，例如蛋白基质或生长因子，吸附在材料的表面对局部细胞行为产生影响。体外研究显示，室温下将20片硫酸钙片剂溶于50 ml磷酸盐缓冲液(pH7.4)中，24 h持续搅动并连续检测pH值，发现pH值下降并稳定在5.1；推测局部pH值下降继发周围骨组织脱矿作用和BMPs的释放，从而促进成骨作用。De Leonardis等［17］在硫酸钙植入骨缺损术后6个月的患者中发现骨小梁周围有一些非结晶的嗜红性微粒，其周围成骨细胞活性较强；冯·科萨染剂染色后发现嗜红性微粒和周围骨小梁组织钙离子浓度较高；认为这种嗜红性微粒可能是硫酸钙的残余或生成物。这也许可通过上述理论来解释硫酸钙移植物观察到的不同临床结果。

    另外，一些学者认为材料的内在化学性质直接与骨诱导活性作用相关，通过溶解和释放特殊关键的离子，直接作用于局部细胞基因表达的调节和影响细胞的分化。钙是细胞交织中重要的信号分子，在细胞的运动、酶调节、碳水化合物的释放、神经和肌肉细胞中发挥功能。局部钙离子浓度的增加并在体外显示出重要的矿化作用与骨修复密切相关［18］。这可说明硫酸钙植入后降解吸收后释放钙离子产生高钙浓度对成骨细胞的作用［7］。因此，骨移植材料的最佳化学作用可大大提高临床上对骨缺损修复治疗成功的机会。

    4  硫酸钙作为支架在骨组织工程中的载体作用

    一种理想的骨移植材料不仅是暂时的替代缺失骨，而且能提供一个使宿主骨和血管网再生愈合的框架结构。并应具有支架可充当载体的作用，给新骨、血管和软组织生长与骨碎片的连接提供支持，在骨与移植材料之间形成一个骨桥加强移植部位的稳固。另外，还应能和宿主组织相互作用，募集甚至促进成骨性干细胞的分化。其结构特征也会影响生物学的反应，从而影响成骨作用的过程。不同骨移植材料的机械行为很大程度上随孔隙结构改变，机械因素调节许多类型的细胞，包括成骨细胞和骨细胞因子［19］。通过动力传导过程，可使机械的压力改建成为生物学的信号和生理学的反应。而且，机械刺激近来显示出刺激骨祖细胞的成骨性分化［20］。骨移植材料的微孔性对生物活性有明显的影响［21,22］。证据提示，这是通过复合增强血管发生作用［22］和细胞粘附作用［21,23］，推测是通过吸附蛋白或骨移植材料内微孔的诱获产生的吸附作用。

    硫酸钙是一种能快速吸收后遗留硫酸钙网状结构的材料，并促进骨再生。在光学显微镜下可看到骨小梁的存在，没有硫酸钙残留物。透射电镜显示，与移植物表面相接触的面积，有许多成熟骨细胞的特征。在材料表面的成熟骨有无定形的层面和类骨质样骨缝的分离［24］，并且多孔性的网状结构有利于成骨细胞及血管长入［25］。这些作用或许能够从上述理论中得到答案。

    硫酸钙作为支架在骨组织工程中更多的是发挥着载体的作用。作为局部植入的载体具有几个优点［26,27］：（1）良好的耐受性；（2）空间填充特性，吸收速度与新骨形成速度相当；（3）生物吸收完全；（4）骨传导作用。尤其是在感染的病例中，硫酸钙复合抗菌素也能够作为一种局部抗生素释放装置，被作为一种生物可降解的释放系统负载抗生素实施给药。经动物实验，含妥布霉素硫酸钙在治疗伴有感染情况下，作为一种生物可降解的局部抗生素释放系统具有潜在效用［28］。

    Kai［29］等用硫酸钙作为载体复合骨髓间充质细胞衍生的成骨细胞和人重组骨形态蛋白在腰椎融合术中的治疗效果说明硫酸钙是一种良好可供选择的材料。Bibbo［30］等用万古霉素／DBM-硫酸钙骨移植替代物治疗33例踝关节内跟骨骨折并伴有中心部位松质骨缺损的病人获得了较好的效果。Papagelopoulos［31］等对一个24岁伴有绿脓杆菌和奇异变形杆菌导致慢性跟骨骨髓炎的妇女，经过广泛彻底清创去除坏死骨手术后，应用含妥布霉素硫酸钙释放系统治疗，3个月后，实验室检查，包括全血细胞计数、血沉和C-反应蛋白都正常。2年后，患者达到全重量支撑功能，感染没有再复发，观察到自体骨和硫酸钙完全渗入到宿主骨。Tsai［32］等用浸渍过妥布霉素的硫酸钙治疗感染的胫骨骨不连，随访3年，各自的胫骨显示较好的结合，并且没有再出现感染，认为妥布霉素浸渍过的硫酸钙是一种处理受感染的胫骨骨不连可选择的方法。

    5  硫酸钙在骨修复治疗中应用的前景

    硫酸钙经过一个世纪的发展，在骨缺损、脊柱融合、骨不连和慢性骨髓炎的修复治疗中显示出它的优良作用，并且在临床应用中也取得了良好的效果。作者可以看出它在骨修复治疗中生物学、化学和组织工程的重叠交错作用，尤其是硫酸钙能作为一种生长因子和抗生素的释放载体，尽管这种应用在临床过程中没有完全的开发利用［33］，但有关硫酸钙局部作用的分子学机制、影响其吸收的局部因素、作为支架材料的稳定作用等还需进一步研究。探索理解硫酸钙的骨诱导活性机制和局部化学和物理环境之间的相互作用，将为以后发挥硫酸钙更佳效能和骨修复治疗铺路。相信随着科学技术的发展，硫酸钙能够通过正确的化学作用，刺激宿主适合的反应，并作为骨组织工程中一种适合的支架结构将会成为理想的骨移植材料，甚至可充当病毒携带者传递的载体，从而实现骨折的基因治疗。

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作者单位：(1．成都军区昆明总医院附属骨科医院， 昆明 650032；2．云南省昆明市77223部队57分队，昆明 650211)