蔡杰欽 綜述 魏波 審校

廣東醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院骨科中心，廣東 湛江 524000

牽張成骨是骨再生技術(shù)的一種，其原理為將骨皮質(zhì)切開，施加持續(xù)而穩(wěn)定的骨牽張力于骨皮質(zhì)斷端，促進(jìn)張力微環(huán)境下成骨系細(xì)胞的增殖，刺激新骨生成[1]。在研究中發(fā)現(xiàn)，牽張成骨過程中，除骨組織再生外，也同時(shí)存在肌肉、血管和神經(jīng)等軟組織的生成，可有效發(fā)揮自身再生機(jī)能[2]。然而AL-NAMNAM等[3]認(rèn)為，牽張成骨應(yīng)用過程中同樣存在一系列弊端，如治療時(shí)間長，出現(xiàn)針道感染、成骨不全、牽張器脫落和神經(jīng)損傷等風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)生率，長時(shí)間的佩戴牽引器也會(huì)影響患者的日常生活。分析其原因是臨床工作者尚未完全地明確牽張成骨機(jī)制。然而，謝玉等[4]和卓麗丹等[5]在研究中發(fā)現(xiàn)，牽張成骨與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞關(guān)系密切，正常生理狀態(tài)下可在脊髓血管干細(xì)胞龕中發(fā)現(xiàn)骨髓間造血干細(xì)胞的存在。牽張應(yīng)力為牽張成骨新骨形成創(chuàng)造條件，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在此基礎(chǔ)上自干細(xì)胞龕遷移至骨形成處[6]。如此一來，對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在牽張應(yīng)力下的遷移機(jī)制進(jìn)行探討，便可為把握牽張成骨機(jī)制和解決技術(shù)瓶頸打下良好基礎(chǔ)。王琳等[7]開展的一項(xiàng)研究顯示，應(yīng)力微環(huán)境可激活促分裂素原活化蛋白激酶、細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2和哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶向基因，使后者對(duì)細(xì)胞增殖、分化和遷移等生物學(xué)反應(yīng)進(jìn)行調(diào)控。但上述分子通路對(duì)牽張成骨的作用尚未形成明確定論。本文對(duì)三種分子的表達(dá)及對(duì)應(yīng)信號(hào)分子在牽張應(yīng)力下在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞遷移中的作用予以探討，以加深對(duì)應(yīng)力狀態(tài)下骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的了解程度，提高牽張成骨的臨床應(yīng)用價(jià)值。

1 牽張成骨臨床應(yīng)用

牽張成骨最先由意大利學(xué)者伊利扎洛夫提出，在股骨牽張術(shù)中取得了良好的效果，但術(shù)后并發(fā)癥同樣不容忽視[8]。受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件和醫(yī)療水平的影響。相關(guān)工作者對(duì)牽張成骨的研究只限于表面，使得牽張成骨在之后相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)未在臨床中得到廣泛應(yīng)用[9]。二十世紀(jì)五十年代，有學(xué)者在開展了大量研究的前提下，提出“張力-拉力法則”，為牽張成骨提供了理論基礎(chǔ)，也以此為前提形成了科學(xué)規(guī)范的使用原則和技術(shù)要求[10]。在二十世紀(jì)八十年代早期，該技術(shù)首先傳入意大利，隨后AO組織將其在世界范圍內(nèi)推廣[11]。如今，隨著臨床工作者對(duì)該技術(shù)探討的不斷深入，牽張成骨技術(shù)已在骨外科、整形外科、頜面外科的疾病治療中被廣泛應(yīng)用[12]。在通常情況下，牽張成骨的過程主要分三個(gè)階段[13]：潛伏期、搬移期、固化期。潛伏期是截骨術(shù)后至搬移期開始前時(shí)期，一般為5～7 d。此時(shí)的生物活性與骨折愈合初期相似，主要表現(xiàn)為血腫形成，骨折斷端的骨細(xì)胞、破損的骨膜和周圍細(xì)胞發(fā)生壞死，并釋放多種成骨因子。搬移期，利用外固定支架以恒定的速度持續(xù)穩(wěn)定的牽張分離兩截骨端，在外界持續(xù)穩(wěn)定的機(jī)械牽張刺激下，搬移區(qū)的成骨性因子和成骨性細(xì)胞始終保持高水平和高活性狀態(tài)，持續(xù)刺激搬移區(qū)的骨質(zhì)再生[14]。

牽張成骨術(shù)可以在新生骨周圍形成有效的血運(yùn)。具有成骨效果的長期穩(wěn)定性牽張成骨無需植骨、創(chuàng)傷小，周圍軟組織可同期擴(kuò)張，主要用來治療骨與軟組織較大缺損、感染性骨不連、肢體不等長以及肢體畸形等[15]。

牽張成骨技術(shù)臨床應(yīng)用價(jià)值極高，發(fā)展前景光明，使得相關(guān)工作者加大了對(duì)該技術(shù)的研究力度。目前該技術(shù)存在治療時(shí)間過長的不足，在給患者造成諸多不便的同時(shí)，還極大的提高了治療周期中發(fā)生感染、關(guān)節(jié)攣縮、成骨不佳等風(fēng)險(xiǎn)[16]。為此，臨床工作者開始探索縮短治療時(shí)間，保證治療效果的方式，成效明顯。

2 動(dòng)物模型建立和臨床效能應(yīng)用

在研究促進(jìn)牽張成骨成骨質(zhì)量的各種實(shí)驗(yàn)中，不同的動(dòng)物模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果勢必造成一定的不確定性，對(duì)從事牽張成骨技術(shù)相關(guān)研究難度較大[17]。有人開始將大鼠作為動(dòng)物模型，在大鼠股骨骨折中成功運(yùn)用牽張成骨技術(shù)，因大鼠飼養(yǎng)方便、試劑豐富，可為更為廣泛而深入的研究提供方便，也為廣大學(xué)者所接受，從而為該技術(shù)的研究提供了較好的平臺(tái)[18-19]。

在牽張部位使用有助于細(xì)胞增殖、軟組織修復(fù)和骨組織生成的生理活性制劑，促使新骨生成，軟組織再生，發(fā)揮牽張成骨術(shù)作用的關(guān)鍵[20]。因此臨床學(xué)者不斷嘗試用生長因子、富血小板血漿、甲狀旁腺激素和缺氧誘導(dǎo)因子等生物制劑，以提高牽張成骨技術(shù)臨床效能，均為相關(guān)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，成效明顯。AGARWAL等[21]認(rèn)為，生長因子類型多樣，分為神經(jīng)生長因子、血管內(nèi)皮生長因子和胰島素樣生長因子，生物學(xué)功能廣泛，既可自行分泌，也能經(jīng)內(nèi)分泌方式發(fā)揮作用，利于細(xì)胞生長、增殖、分化和遷移，為廣大研究者所接受，應(yīng)用前景廣泛。柳玉曉等[22]學(xué)者在研究中發(fā)現(xiàn)，在牽張成骨動(dòng)物模型中使用神經(jīng)生長因子，可有效恢復(fù)神經(jīng)功能；局部注射纖維細(xì)胞生長因子，有助于新骨骨量和密度的提升。富血小板血漿可對(duì)牽張區(qū)進(jìn)行覆蓋，降低術(shù)去暴露風(fēng)險(xiǎn)，可預(yù)見其對(duì)軟組織的積極影響。

從當(dāng)前階段的發(fā)展形勢看，生物制劑仍在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段應(yīng)用，臨床研究有關(guān)的報(bào)道有限，主要是因?yàn)闋繌埐课恢猩镏苿┩Ａ魰r(shí)間有限，對(duì)周圍組織和成骨組織作用有限，臨床應(yīng)用受限。這就需要臨床探討使用生物制劑提高牽張成骨作用效能的方式，同時(shí)對(duì)其他提高途徑予以探討。

牽張加力時(shí)，骨斷端和截?cái)鄥^(qū)充滿骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞血管內(nèi)皮細(xì)胞和成骨細(xì)胞，在刺激新骨生成，構(gòu)建結(jié)締組織、恢復(fù)周圍軟組織等方面發(fā)揮著重要作用[23]。在此背景下，學(xué)者將益于神經(jīng)、肌肉和成骨等組織功能恢復(fù)的基因?qū)氤晒窍导?xì)胞，可更好地發(fā)揮該技術(shù)新骨生成能力和促進(jìn)軟組織修復(fù)的作用，這也是牽張成骨術(shù)的重點(diǎn)研究方向[24]。張同威等[25]在兔下頜牽張區(qū)注入堿性成纖維細(xì)胞生長因子，結(jié)果顯示牽張成骨的骨再生能力明顯提升。一項(xiàng)研究將神經(jīng)生長因子β導(dǎo)入間充質(zhì)干細(xì)胞中，將其注入兔下頜骨牽張間隙，使得下槽牙神經(jīng)功能得到明顯恢復(fù)[26]。成骨系細(xì)胞是成骨研究中的重點(diǎn)，但現(xiàn)有技術(shù)水平低、免疫排斥和自體骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞獲得難度大等因素的影響，使得成骨系細(xì)胞臨床應(yīng)用受限，需深入探討，以促進(jìn)技術(shù)水平的提升[27]。

組織工程技術(shù)在牽張成骨術(shù)中前景光明，通過制成各種材料來搭載生物制劑、成骨系細(xì)胞，為細(xì)胞增殖和分化提供微環(huán)境，以發(fā)揮牽張成骨術(shù)臨床效能[28]。天然多聚物、無機(jī)材料、合成聚合物和納米材料均屬于現(xiàn)階段常用的載體材料，在恢復(fù)神經(jīng)功能、獲取新生骨組織方面起著重要作用[29]。但將納米材料作為載體材料尚處于初步階段，需行廣泛而深入的探討。

3 牽張成骨機(jī)理研究進(jìn)展

牽張成骨同時(shí)以骨再生和軟組織生長為目標(biāo)，形成足量新骨是其成功的關(guān)鍵。它包括軟骨內(nèi)成骨、膜內(nèi)成骨和類軟骨樣成骨三種成骨方式，以膜內(nèi)成骨為主，與骨折后新骨形成差別較大[30]。從組織學(xué)方面看，成骨是在張應(yīng)力下大量合成與分泌膠原纖維，期間伴隨鄰近血管侵入、骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞遷移至新骨形成區(qū)，成軟骨向分布，促使骨截?cái)鄥^(qū)生成新骨，使得骨小梁長大、合成并成熟，實(shí)現(xiàn)骨再生的目標(biāo)[31-32]。牽張成骨分子機(jī)制尚未形成明確結(jié)論，但促炎性細(xì)胞因子、促血管生長因子和轉(zhuǎn)化生長因子-β超家族成員在牽張加力過程中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用[33]。白細(xì)胞介素-1和白細(xì)胞介素-6可對(duì)膜內(nèi)成骨進(jìn)程予以調(diào)控；促生長因子可刺激成骨系細(xì)胞的成骨向分化，利于骨組織再生。腫瘤壞死因子-α可對(duì)免疫反應(yīng)和炎癥反應(yīng)予以調(diào)控，也可調(diào)控牽張成骨中骨重建。轉(zhuǎn)化生長因子-β可對(duì)骨形成過程中成骨系細(xì)胞分化能力進(jìn)行調(diào)控，血管內(nèi)皮生長因子可促進(jìn)血管形成，在骨牽張形成中作用明顯[34]。由此可以看出，外部使用上述因子，可充分發(fā)揮牽張成骨臨床效能。但其臨床應(yīng)用很少取得成功，主要是因?yàn)檎{(diào)控機(jī)制和成骨系細(xì)胞機(jī)制尚未明確。

應(yīng)力在機(jī)體上的作用是以應(yīng)力傳導(dǎo)為基礎(chǔ)，應(yīng)力傳導(dǎo)指的是外界應(yīng)力微環(huán)境在細(xì)胞上發(fā)揮作用，使得細(xì)胞應(yīng)力感受器被激活，引發(fā)生物化學(xué)反應(yīng)，將外界應(yīng)力信息轉(zhuǎn)化為內(nèi)部分子信號(hào)，引起細(xì)胞特定反應(yīng)的生物學(xué)進(jìn)程[35]。肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞等均可感受到力學(xué)刺激，并由之激活。如此一來，外力加載骨組織應(yīng)力傳導(dǎo)過程后，引起骨組織內(nèi)微環(huán)境間質(zhì)液流動(dòng)，使得剪切應(yīng)力產(chǎn)生，激活病傳遞內(nèi)部信號(hào)至周圍細(xì)胞。然而牽張力是施加在骨斷端處，骨組織和周圍軟組織在此過程中同時(shí)生長，無法對(duì)應(yīng)力傳導(dǎo)過程作出準(zhǔn)確解釋[36]。

細(xì)胞應(yīng)力感受器捕捉并向下傳導(dǎo)細(xì)胞對(duì)外界的應(yīng)力刺激，整合素、細(xì)胞骨架與黏著斑、漿膜結(jié)構(gòu)、鈣黏蛋白和其他細(xì)胞間連接均屬于細(xì)胞中含有的應(yīng)力感受器[37]。整合素可經(jīng)跨膜結(jié)構(gòu)，在細(xì)胞外基質(zhì)上黏附細(xì)胞，促進(jìn)胞質(zhì)和細(xì)胞外環(huán)境的溝通；細(xì)胞骨架是細(xì)胞特有的信號(hào)感應(yīng)與傳導(dǎo)的感受器，黏著斑是連接細(xì)胞外基質(zhì)和細(xì)胞骨架的橋梁，通過連接F-肌動(dòng)蛋白，來向細(xì)胞內(nèi)傳遞應(yīng)力信號(hào)，激活信號(hào)分子級(jí)聯(lián)酶促反應(yīng)，二者可對(duì)外界應(yīng)力刺激作出反應(yīng)，進(jìn)行信號(hào)傳導(dǎo)。除此之外，跨膜蛋白、脂質(zhì)和胞膜窖同樣能感受到應(yīng)力刺激，對(duì)細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)予以介導(dǎo)；鈣黏蛋白是重要的細(xì)胞應(yīng)力感受器，可對(duì)細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)進(jìn)行介導(dǎo)，是β-連環(huán)蛋白傳導(dǎo)入核的上游分子。需要注意的是，離子纖維毛、初級(jí)纖毛、縫隙連接同樣在牽張應(yīng)力信號(hào)傳導(dǎo)中發(fā)揮著各自的作用。

外界應(yīng)力刺激在細(xì)胞應(yīng)力感受器的介導(dǎo)下，改變細(xì)胞內(nèi)分子信號(hào)，其應(yīng)力轉(zhuǎn)導(dǎo)方式包括調(diào)控蛋白核向轉(zhuǎn)運(yùn)、蛋白酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)、第二信使系統(tǒng)和F蛋白調(diào)節(jié)信號(hào)[38]。GTP激酶可與水解鳥嘌呤三磷酸特異性結(jié)合，對(duì)細(xì)胞代謝過程予以調(diào)控；張應(yīng)力經(jīng)G蛋白偶聯(lián)受體激活GTP,促進(jìn)細(xì)胞質(zhì)內(nèi)環(huán)磷酸腺苷、環(huán)磷酸鳥苷和鈣的上調(diào)。平滑肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中的GTP激酶在牽張應(yīng)力下被激活。蛋白激酶包括絲裂原激活蛋白激酶、黏著斑激酶和Src激酶，絲裂原激活蛋白激酶可對(duì)細(xì)胞分化、增殖、遷移和凋亡發(fā)揮調(diào)控作用，在信號(hào)介導(dǎo)與傳遞環(huán)節(jié)中，經(jīng)級(jí)聯(lián)激酶的酶促生化反應(yīng)是通過依次激活MKKK、MKK和絲裂原激活蛋白激酶的方式實(shí)現(xiàn)的。黏著斑激酶在黏著斑周圍聚集，可對(duì)生長因子進(jìn)行調(diào)節(jié)，也能傳遞外界應(yīng)力信號(hào)，與樁蛋白等多種信號(hào)分子存在聯(lián)系，進(jìn)而激活包括絲裂原激活蛋白激酶在內(nèi)的許多信號(hào)通路。通常情況下，應(yīng)力加載后骨細(xì)胞中鈣離子改變最先被檢測到，細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)鈣離子在牽張應(yīng)力下募集，鈣離子表達(dá)的改變與IP3、NO和ATP等信號(hào)通路密切相關(guān)。細(xì)胞內(nèi)鈣離子募集可激活蛋白酶A、c-fos基因和絲裂原激活蛋白激酶等多種下游通路。前列腺素E3在應(yīng)力成骨下的作用不容忽視，其激活以鈣離子調(diào)控為基礎(chǔ)。雌激素受體可以應(yīng)力下成骨活動(dòng)進(jìn)行調(diào)控，去除雌激素受體的小鼠，對(duì)應(yīng)力反應(yīng)的靈敏性遠(yuǎn)不及野生小鼠；同樣，加載應(yīng)力后，雌激素受體被去除的小鼠，其轉(zhuǎn)錄調(diào)控低于野生小鼠。它是通過基因組和非基因組來對(duì)骨細(xì)胞牽張應(yīng)力反應(yīng)進(jìn)行調(diào)控的[39]。

4 牽張成骨中骨髓充質(zhì)間干細(xì)胞遷移研究

多向分化潛能是骨髓充質(zhì)間干細(xì)胞重要特征之一，它指的是在條件滿足的前提下，經(jīng)誘導(dǎo)分化為骨、軟骨和肌肉等不同組織細(xì)胞，它是組織工程和再生醫(yī)學(xué)中的研究重點(diǎn)[40]。

生理?xiàng)l件下，骨髓充質(zhì)間干細(xì)胞保持靜息狀態(tài)，為骨髓中間充質(zhì)干細(xì)胞龕控制，而不是在組織中游離。一般來講，間充質(zhì)干細(xì)胞在組織器官特定微環(huán)境中存在，該環(huán)境可對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞自我更新能力起到明顯的維持作用，也可對(duì)該細(xì)胞大量分化予以防范。間充質(zhì)干細(xì)胞龕以間充質(zhì)干細(xì)胞、整合素、血管內(nèi)皮細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)為微環(huán)境的主要成分，多位于成骨細(xì)胞或是血管周圍，骨髓充質(zhì)間干細(xì)胞多依附血管存在，屬于血管中細(xì)胞亞群。

創(chuàng)傷等病理?xiàng)l件和應(yīng)力等外界刺激可使骨組織中的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞處于動(dòng)態(tài)，在外界刺激下，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞自干細(xì)胞龕脫離，遷移至成骨前線，分化后形成成骨細(xì)胞，使得新生骨質(zhì)沉積，對(duì)受損骨組織予以修復(fù)[41]。應(yīng)力主要通過擾動(dòng)、影響細(xì)胞外基質(zhì)剛度和改變細(xì)胞剛性三種形式在干細(xì)胞龕中骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞上發(fā)揮作用，滿足三種條件中的任何一項(xiàng)，便可導(dǎo)致骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞脫龕。由此可以看出，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞生物學(xué)效能的發(fā)揮以細(xì)胞脫龕后遷移至成骨部位為前提牽張應(yīng)力下的牽張成骨過程同樣如此。

牽張成骨需要實(shí)現(xiàn)骨質(zhì)降解和新骨再生的動(dòng)態(tài)平衡?；|(zhì)金屬蛋白酶可對(duì)骨細(xì)胞外基質(zhì)發(fā)揮降解作用，在牽張成骨中起著重要作用。此外，細(xì)胞遷移同樣少不了基質(zhì)金屬蛋白酶，主要是因?yàn)樵撨^程中存在細(xì)胞外基質(zhì)降解，基質(zhì)金屬蛋白酶可調(diào)控牽張應(yīng)力下間充質(zhì)干細(xì)胞的生物學(xué)行為[42]。

YANG等[43]在臨床研究中發(fā)現(xiàn)，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞存在血管周圍的干細(xì)胞龕，血管周圍為血管基底膜環(huán)繞，為骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞維持在血管周圍創(chuàng)造了一個(gè)合適的微環(huán)境。血管基底膜以明膠、ⅣX型膠原和層黏連大蛋白為主要成分?；|(zhì)金屬蛋白酶2可對(duì)血管基底膜起到降解作用，促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞脫龕與遷移。

5 小結(jié)

綜上所述，盡管自有研究提出牽張成骨的“張力拉力法則”及相關(guān)應(yīng)用原則以來，牽張成骨技術(shù)在臨床上應(yīng)用提升明顯。然而，牽張成骨治療周期長，可能出現(xiàn)成骨不全等一系列不足如今已極大限制了其進(jìn)一步的提高。正因如此，研究該技術(shù)相關(guān)分子機(jī)制尤其是骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在牽張成骨中遷移調(diào)控機(jī)制，在突破其臨床應(yīng)用發(fā)揮著重要作用。相信隨著醫(yī)療技術(shù)水平的不斷發(fā)展和相關(guān)工作者對(duì)牽張成骨技術(shù)研究的不斷深入，將完全揭示牽張成骨中干細(xì)胞遷移與調(diào)控機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上促進(jìn)牽張成骨臨床效能的提升。