骨折愈合的细胞和分子水平研究进展

骨折愈合的细胞和分子水平研究进展 王爱民综述　李起鸿审校Ξ 　　骨折基础研究和临床应用之间还有很大距离。近年来骨 折愈合的生物学概念有所改变, 以前认为骨折愈合过程中成 骨细胞起着决定性作用, 从而导致一些不恰当治疗。现在我们 知道骨愈合过程中, 除了成骨细胞外, 还需要许多物质的参 与, 其中包括局部特殊细胞的产生和传递的特异性生理和生 物力学信号, 以及多种细胞介质〔1, 2〕。本文就骨折愈合在细胞 和分子水平研究中的进展综述如下。 1　骨折愈合的主要过程 骨折愈合主要包括以下几个自然分期, 即: (1) 骨损伤早 期; (2) 肉芽组织形成期; (3) 骨痂形成期; (4) 板层状骨痂 形成期; (5) 重建和塑形期〔3〕。 骨损伤早期: 骨折损伤包括局部骨髓、骨膜、邻近软骨组 织和骨本身, 导致组织细胞部分坏死。骨愈合早期局部幸存细 胞的激活, 担负起全身和局部的信使作用, 传递创伤刺激; 另 外骨折后局部生物物理和生物化学的改变可促进和调节局部 细胞反应, 没有幸存细胞的作用, 局部反应细胞就很差〔4, 5〕。 Sach s 等 认 为 骨 造 血 因 子 对 骨 愈 合 有 一 定 作 用。 R h inelander〔6〕发现骨愈合早期, 不同类型的分化细胞都可形 成新生毛细血管 (包括内皮细胞和平滑肌细胞)、新生结缔组 织 (包括纤维母细胞、脂肪母细胞和细胞间质)、骨和软骨细 胞 (由成骨细胞和成软骨细胞产生)。此外, 还可形成支持细 胞 (包括部分肥大细胞和某些类型的白细胞) , 但它们的作用 却鲜为人知, 不同类型的局部组织间还常有物质交换和相互 作用。一般来说, 骨损伤早期生物学反应的时间为 7d〔4〕。 肉芽组织形成期: 在局部介质作用下, 原始细胞开始增 殖, 通过机化和分化形成新生血管、纤维母细胞、细胞间质、 支持细胞和其它细胞等。细胞和细胞间质共同形成肉芽组织, 填充骨折, 截骨、关节融合和骨移植间隙。当血凝块形成时, 巨噬细胞、巨细胞和其它游走细胞就向肉芽组织浸润和移动。 肉芽组织形成期大约为 2 周, 这时可出现破骨细胞。〔7〕 骨痂形成期: 随着细胞的进一步增殖、机化和分化, 肉芽 组织内开始生成新软骨细胞和成骨细胞, 并合成基质, 1 周后 便开始钙化, 几周后出现骨折骨痂。这时骨连接已具有相当的 强度的硬度, 肢体可获得简单功能。人类骨痂形成和钙化需 4 ～ 16 周〔4, 7〕。 板层状骨痂形成期: 骨重建中钙化骨痂的吸收和新骨的 形成是成批进行的, 骨痂在一种以上介质的作用下, 重组基本 多细胞单位。骨重建主要有四个: (1) 编织骨替代钙化的 软骨, 形成同一类型的原始海绵状骨; (2) 新生的板层骨替代 重叠的编织骨; (3) 由板层骨组成的Ê 期骨单位替代密质骨端 的内痂, 使骨小梁排列成直线, 并与骨折端纵向压力、张力或 应力的合力方向相平行; (4) 清除堵塞髓腔内的骨痂, 使髓腔 再通。〔4〕。 骨塑形期: 骨痂形成末期骨吸收和新骨形成的骨重建过 程中, 在内层骨皮质表面和外层骨皮质表面开始塑形, 塑形的 结果是使骨的形状大致接近正常和功能的需要。少儿骨塑形 作用可达 100% , 年青患者可接近 100% , 而成年人则不完 全〔4〕。以往认为骨塑形大约需要 1 年以上, 并认为骨塑形和骨 重建是一回事〔3〕。现在发现两者之间有区别, 因为前者不具备 后者的以基本多细胞单位为基础的骨重建过程。人类骨塑形 的主要刺激来源于局部肌肉的收缩和生理活动的力学作 用〔4〕。 2　骨折愈合的细胞学基础 骨折愈合中, 可见有两种骨痂, 即直接化骨和软骨化骨。 M ck ibb in 曾描写过两种不同的细胞参与骨折愈合的模型, 一 种为早期骨痂反应, 由骨膜和骨髓的骨细胞增殖而来, 称为定 向骨祖细胞, 这些细胞直接膜性骨化, 另一种由骨折周围组织 化生而来, 来源于间叶细胞, 称为诱导性骨祖细胞, 这些细胞 通过软骨骨化形成骨痂。机械力, 电刺激和皮质激素都可诱导 间叶细胞分化成软骨细胞。T riffit〔8〕认为在组织诱导和物种 进化中, 分子间的作用起主要作用。骨折É 期愈合可发生在人 工坚强接骨板固定中, 组织学显示出血管分布情况和不同的 胶原类型。也有人认为骨折É 期愈合中也包含着诱导骨痂的 形成, 骨痂定量和强度试验说明, 坚强固定可导致应力遮盖保 护反应, 从而引起进行性骨质疏松和接骨板拆除后再骨折。 采用单克隆抗体对鼠骨折模型研究发现, 在肌原纤维向 骨折端延伸中可见到许多间叶细胞的存在, 但从未见到任何 细胞从骨折间隙中出来, 间叶细胞和炎细胞一起在骨折端形 成肉芽组织。骨折后第 3d, 间叶细胞在撕脱骨膜的骨折端凝 聚, 骨折后第 5d, 这些凝聚块就形成软骨组织, 然后从软骨 中央开始向外, 最后越过骨折间隙钙化成骨。实验鼠骨折外骨 痂表面有一层纤维膜包绕, 外骨痂生长受时间限制 (8～ 9d)〔9〕, 等到软骨组织成熟, 即软骨细胞肥大和钙化后就停止 生长。骨折后 9～ 11d, 新生毛细血管通过外骨痂纤维膜向软 骨内生长, 这时软骨内内成骨即开始。 U rist〔10〕等认为, 骨桥就是由软骨内骨化而来, 并非骨膜 骨化骨。单克隆抗体研究还显示, 在骨折修复形成的肉芽组织 中含有免疫细胞, 除了各种不同的 T - 淋巴细胞亚型外, 也发 现了丰富的抗原呈递细胞即携带É a 颗粒的细胞 (在人类为 HLA - DR 颗粒)。É a 颗粒属于较大的Ê 类主要组织相容性 复合物, 正常情况下É a 颗粒由B- 淋巴细胞和树状突细胞产 生, 但在外来抗原的刺激下, 激活的 T - 淋巴细胞以及许多其 它细胞均携带É a 颗粒。树突细胞是一类与巨噬细胞、骨髓诱 导细胞和一些主要抗原表达细胞有关的细胞, 故被称为过路 细胞。现在已知, 在鼠切除的残余肝脏和在肝脏基质的修复 中, 以及动脉损伤的血管平滑肌细胞也产生É a 携带细胞〔11〕。 有学者认为, 在皮肤损伤中皮肤棘细胞 (生发层星状细胞) 可 向角质细胞传递增殖信号, 在诱导骨基质钙化过程中也发现 ·323·中国矫形外科杂志 1997 年 8 月第 4 卷第 4 期 (第 16 期) Ξ 作者单位: 第三军医大学大坪医院野战外科研究所骨科, 630042　重庆 É a 携带细胞, 但这种现象只发生在异体骨移植过程中〔12〕。此 外, 人们在骨或其它组织的修复过程中发现了一种被称为骨 源性生长因子的物质, 类似 Β- 微球蛋白, 与大多数组织适应 性复合关系密切。免疫细胞可通过产生细胞激动素和生长因 子来调节间叶细胞的增殖和分化。 骨痂的大小与骨折端的移动程度有关, 骨折端的移动似 乎给其周围肌肉组织和血管 1 个起动程序, 从而使它们产生 间叶细胞和具有特殊机能的高活性新生血管, 随着间叶细胞 和炎性细胞的迁移, 在骨折端及其周围相对坚固点开始形成 软骨组织。骨痂粘弹性 (主要是软骨成分的作用) 可使骨痂在 负重的情况下达到骨折愈合。临床证明允许骨折端在软组织 包绕范围内移动或适当负重, 有利于活性成骨因子聚积, 但应 防止相互磨擦运动。此外骨折端的稳定性与血液供应并不矛 盾。对于一些骨折, 如股骨颈和腕舟状骨骨折, 血供是骨折愈 合的决定因素; 而对于另一些长管状骨骨折的稳定性比血液 供应相对重要。软骨化骨依赖于毛细血管的长入, 但血管在骨 折愈合中已超越被动管道和向骨折修复区域提供血液的作 用。有学者采用无介质培养基培养主动脉内皮细胞, 在培养基 中发现内皮细胞源性生长因子可促进鼠颅骨细胞增殖。实验 性骨折中切除血管后骨膜增殖就停止或减慢, 这说明血管内 皮细胞与成骨细胞关系密切〔13〕。 3　骨折愈合的分子生物学研究 随着分子生物学的飞速发展, 骨折愈合的分子生物学研 究发展也很快。概括起来, 主要有以下二部分。 (1) 骨形态发生蛋白在骨折中的作用　骨形态发生蛋白 (BM P) 是广泛存在于骨基质中的一种酸性蛋白, 有诱导成骨 的生物学作用, 它能在体内、外诱导血管周围游走的间充质细 胞或骨髓基质细胞转化为软骨细胞和骨细胞〔14〕, BM P 扩散 力很强, 可透过 5 层醋酸纤维薄膜而作用于周围靶细胞。尽管 许多研究者把解决骨折不连接, 骨缺损修复等难题寄希望于 BM P, 但涉及到骨折中BM P 的研究较少。骨折后 8d 可能是 骨痂及坏死骨皮质中含有较多BM P 的时期, BM P 单克隆抗 体免疫组化观察到, 骨折后 3d 骨折处血肿呈阳性反应, 其间间充质细胞亦呈阳性反应; 骨折 7d 骨折处阳性间充质细 胞增多, 骨少量周围可见呈阳性染色的成骨细胞; 骨折愈合后 阳性细胞渐渐减少 (15)。但是BM P 是来自于骨端的坏死, 吸收 还是间质细胞尚不能确定。临床实践已证明, 并非骨折端坏 死、吸收越多, BM P 释放就越多, 骨形成越多。核酸分子原 位杂交技术使人们能够更进一步地追踪骨折中BM P 的来 源。A ndrew〔16〕等在骨折后 10d 的骨痂中观察到成骨细胞、早 期成软骨细胞有BM P 2　mRNA 表达; 10d 以前骨痂中, 有 BM P 2 的表达; 骨改建期, BM P 表达减少。出人意料的是这 时破骨细胞中有BM P 2。说明骨折时BM P 有多种来源, 在不 同时期发挥着不同作用。 在诱导成骨的研究中发现, 较密闭的区域如骨陷窝、管、 缝隙处软骨形成多而快, 这可能与这些部位BM P 浓度高有 关。M ck ib in 曾提出, 骨折端释放出的成骨物质, 自近向远呈 梯度分布。由于二骨折端间呈重叠分布, 使浓度高于周围, 故 骨连接总在二骨端之间发生。H ulth 认为BM P 就是这些成骨 物质之一, 同类型的骨缺损可形成不同的BM P 浓度, 对愈合 也产生影响。洞腔状骨缺损时, 周围的骨组织可释放出BM P 及成骨细胞, 局部浓度或密度相对较高, 可用传导成骨材料修 复。但当骨折端分离时, BM P 则难以发挥修复作用。总之, 随 着BM P 提纯技术的进一步提高, 生物活性单克隆技术和表 达研究的深入, 临床应用逐渐推广〔17〕, 对从分子水平上认识 和掌握骨折愈合过程, 必将有十分重要的意义。 (2) 生长因子和其它物质在骨折愈合中的作用　分子生 物学研究表明, 骨折愈合过程中, 多种生长因子在其中调节细 胞的增殖、分化及基质合成作用〔18〕。T GF 为主要调节因子之 一, 目前知道它有 5 种异构体, 即 T GF- Β1～ T GF- Β5〔19〕。尽 管其分子结构不尽相同, 但有着相似的生物学功能。国外学者 从胎盘、人血小板、牛肾和牛骨等组织中提取出 T GF- Β〔20〕。 它参与骨及软骨的生成过程, 诱导间充质细胞合成软骨特异 性蛋白聚糖和Ê 型胶原, 刺激成骨细胞的增殖及胶原合 成〔21〕。进一步研究表明, 骨折中存在高浓度 T GF- Β1, 骨折 血肿内的血小板可释放 T GF- Β; T GF- Β对体外软骨细胞和 成骨细胞中的蛋白合成有调节作用〔22〕。另一方面骨折局部注 射 T GF- Β, 也能加速骨折愈合〔23〕。 其它生长因子如 bFGF, 在人体组织包括骨基质中广泛 存在, 体内、外均被证实具有促进骨细胞及软骨细胞增殖增加 新骨的形成〔24〕。而骨折后骨折端及其周围组织可释放 PGE 2, 在体外 PGE 2 仅有骨溶解作用; 而在体内 PG 有早期骨吸收 和后期骨形成的双重作用, 也有人认为 PGE 2 早期具有骨形 成效应, 在狗实验中 PGE2 具有全身骨骼的系统作用〔25〕。 总之, 到目前为止, 尚没有一种理论可解释骨折愈合的所 有问题, 骨折愈合后的细胞来源尚未清楚。骨折修复的中心问 题是骨折渗出液的形成, 骨折渗出液不仅含有普通伤口渗出 液中的成份, 而且还含有骨形成信号物质BM P 等和来自骨 折端的生长因子等。如果能够了解掌握骨折渗出液中这些物 质的含量、出现时间和生物活性, 这对于骨折的愈合具有重要 的意义。延长骨折渗出液中活性物质的刺激时间有利于骨折 愈合, 方法有早期负重、延迟手术以及骨折端微动、电刺激等。 在骨折端注射高效骨折愈合促进物质和细胞因子将能加速骨 折愈合; 对有延迟愈合倾向的骨折应争取早期使用, 后期也可 根据渗出液的活性来确定骨折延迟愈合是否发生。 4　参考文献 1　D avis RF. T he effect of sympathectom y on b lood flow in bone. J Bone J ion t Surg (Am ) , 1987; 69∶1384. 2　Sach s L. T he mo lecu lar con tro l of b lood cell developm ent. Science 1987, 238∶1374. 3 　Jawo rsk i ZFG. Does the m echan ical usage inh ib it bone “remod2 eling”. Calcif T issue In t, 1987, 41∶239. 4　F ro st HM. T he b io logy of fractu re healing. C lin O rthop 1980; 248: 283. 5　Go ldberg VM , et al. N atu ral h isto ry of au tografts and allografts. C lin O rthop, 1987, 7∶1225. 6　Rh inelanaer FW , Ph illip s RS, SteelWM , et al. 1). M icro2angiogra2 phy in bone healing 2) D isp laced clo sed fractu res. J Bone Jo in t Surg (Am ) , 1968, 50∶643. 7　陆裕补, 胥少汀, 葛宝丰, 等实用骨科学. 北京: 人民军医出版 社, 1991, 51. 8　T riffit FT. In it iat ion and enhancem ent of bone fo rm ation. A cta O r2 thop Scand, 1987, 58∶637. ·423· 骨折愈合的细胞和分子水平研究进展　王爱民 9　H enricson A , H ulth A , JohnellO. T he cartilaginous fractu re callus in rats. A cta O rthop Scand, 1987, 58, 244. 10　U rist M R , L ietze A , M izu tan i H , et al. A bovine low mo lecu lar2 w eigh t bone mo rhpogen ic p ro tein (BM P) fraction. C lin O rthop , 1982, 162∶219. 11　Jonasson L , Ho lm J , H ansson GK. Smoo th m uscle cells exp ress Ia an tigens during arterial response to in jn ry. L ab Invest. 1988, 58∶310. 12　H ulth A , JohnellO , H enricson A. T he imp lan tation of dem ineral2 ized fractu re m atrix yields mo re new bone fo rm ation than does in tact m atrix. C lin O rthop, 1988, 234∶235. 13　A spenberg p , L ohm andcr s, T he rngren KG. Failu re of bone in2 duction by bone m atrix in adu lt monkeys. J Bone Jo in t Surg (B r) , 1988, 70∶625. 14　Kaw am ura M. Chondroo steogenetic response to crude bone m a2 trix p ro teins bound to bydroxyapatite. C lin O rthop , 1987, 217∶ 281. 15　金岩, 杨连甲. 骨形态蛋白在颌骨骨折愈合中的作用. 实用口腔 医学杂志, 1989, 5∶248. 16　A nrew JW , Hoyland J , Sharpe P, et al. D emonstraction of BM P2 mRHA exp ression in hum an fractu re callus. J Bone Jo in t Surg (B r) , 1993, 75∶ (supp3) 88. 17　白孟海, 葛宝丰, 杨超, 等. 牛骨形态形成蛋白复合物的临床应 用 (附 13 例初步)。中华骨科杂志, 1995, 15∶20. 18　A po rn M B, Ro lerts AB. Pep tide grow th facto rs are m ultifunc2 t ional. N atu re, 1988, 332∶217. 19　M assague J. T he transfo rm ing grow th facto r- Βfam ily. A nn Rev cell B io l, 1990, 6∶597. 20　Cheifetz S, W eatherbee JA , T sang M L , et al. T he transfo rm ing grow th facto r2beta system , a comp lex patterm of cro ss2reactive ligands and recep to rs. Cell, 1987, 48∶409. 21　Centrella M , T hom asM L , Cam alisW. Skeletal t issue and trans2 fo rm ing grow th facto r2Β. FA SEB J, 1988, 2∶3066. 22　Robey PG, Young M F, F landers KC, et al. O steo2b lasts syn the2 size and respond to transfo rm ing grow th facto r2Β in vitro. J Cell B io l, 1987, 105∶457. 23　孙玉鹏, 陆裕补, 胡蕴玉, 等. 牛血小板T GF2Β提取, 纯化及其 诱导小鼠股骨成骨作用. 中华骨科杂志, 1995, 15∶610. 24　W ang J S, A spenberg D. Basic fib rob last grow th facto r and bone induction in rats. A cta O rthop Scand, 1993, 64∶557. 25　N o rridfin RW , Shu sh ih M. System ic effects of p ro staglandin E2 on verteb ral remodeling in beagles used in a healing study. A lci T issue In t, 1988, 42∶363. (收稿: 1996203218　修回: 1996207201) 髌骨软骨软化症的病因与诊断进展 亓建洪　刘延菊　综述　鲁玉来　审校 　　日本学者 kulow sk i (1933 年) 在文献中首次提出髌骨软 骨软化 (chondram alacia patellae, 简称CP) , 最初是指髌骨软 骨肿胀、软化、碎裂、溃疡等病理改变。由于髌骨软骨软化是 膝前疼、髌骨痛、髌股疼的常见原因, 使人们易于把上述症状 与髌骨软骨软化等同起来, 事实上, 膝部很多伤病都可引起相 似的症状。而髌骨软骨软化症的真正含意是: 有髌骨软骨软化 病理改变, 同时具有髌骨疼痛、髌骨摩擦音及股四头肌萎缩等 症状与体征者〔1〕, 髌骨软骨软化病变程度与疼痛程度并非一 致, 因此, 不能仅仅根据临床症状来判断髌骨软骨病变程度, 必须结合体征及必要的辅助检查才能作出准确的判断。本文 综述了髌骨软骨软化症病因与诊断方面的进展, 以期对诊断 与治疗有所帮助。 1　髌骨软骨软化的病因 1. 1　创伤 包括直接创伤、间接创伤以及各种反复作用超过关节软 骨生理范围的物理应力损伤。膝部撞击或髌骨急性脱位均可 直接或间接造成髌骨软骨损害, 引起髌骨软骨软化。有人曾经 制造了打击兔髌骨引起髌骨软骨软化的动物模型。我国曲绵 域等在兔髌骨软骨摩擦实验中发现, 45h 后软骨明显退变, 硫 酸软骨素严重丢失〔2〕。并调查了 241 例髌骨软骨软化运动员, 结果有创伤史者高达 91%。 Insall 等调查了 105 例髌骨软骨 软化症患者, 发现有直接创伤史者 40 例, 间接创伤史者 15 例, 有创伤史者占 5214%。 1. 2　髌骨位置异常 为髌骨软化症较常见的病因, 包括高位髌骨 (Patell aal 　　作者单位: 泰山医学院附属医院, 271000　山东泰安市 ta) 与低位髌骨 (Patella infra)。高位髌骨是指髌韧带过长引 起髌骨滑动时的不稳定; 低位髌骨指髌韧带过短引起髌骨软 骨接触应力过高而受损伤。不论是高位髌骨还是低位髌骨, 均 导致髌骨轨迹改变, 软骨表面承受的应力不均匀, 使髌骨软骨 受到损害。 Insall 采用膝关节侧位 X 线片判断高位或低位髌 骨, 正常人髌韧带长度与髌骨长度之比为 1101～ 1103∶1, 若 该值大于 1120 或大于 15% , 对高位髌骨有诊断价值; 他对 84 例CP 患者调查发现, 高位髌骨者占 29%。 1. 3　髌股排列错乱 (Patellof emo ral m alalignm ent, 简称 PM ) 指由于髌股关节排列紊乱而继发软骨损害与疼痛等症 状〔3〕。近年来认为, 它是 CP 的重要病因。1974 年M erehan t 采用屈膝 45°髌骨轴位 X 线摄片显示髌股关节的排列关系, 并把CP 分为有 PM 的CP 和无 PM 的CP, 认为多数CP 由髌 股排列错乱引起, 原发性CP 较少见。Fulkerson 将 PM 分为 髌骨倾斜型、髌骨半脱位型及两者的结合型 3 类, 每种类型的 病理改变各有其特点〔4〕。这种分类方法已得到多者的赞 同, 针对引起CP 的不同类型的髌股排列错乱进行治疗, 进一 步提高手术疗效具有十分重要的价值。Q 角异常作为髌股排 列错乱的表现之一, 与髌骨软骨软化的关系也十分密切。Q 角 是股四头肌腱与髌韧带延长线形成的夹角, 正常值应小于 15°, 若大于 20°则视为异常〔5〕。陈世益等通过对我国排球运动 员膝关节Q 角测量及髌骨软骨软化的调查, 认为Q 角增大与 髌骨软骨软化发生密切相关, 并建议把Q 角测量列入我国体 育运动员的选材之一〔6〕。既然髌股排列错乱在 CP 的发 生中占据了很重要的位置, 因此, 纠正髌股排列错乱及异常的 Q 角, 是治疗髌骨软骨软化的重要方法之一。 ·523·中国矫形外科杂志 1997 年 8 月第 4 卷第 4 期 (第 16 期)