骨科基础研究的进展

　　作者：郭世绂
　　【关键词】 骨科 基础研究

　　近年来随着分子生物学理论和技术的渗透，我国骨科基础研究有较大进展。组织工程包括种子细胞、支架材料和生物调控因子三要素。常用的种子细胞有间充质干细胞(MSCs)、成纤维细胞(FBs)和基因修饰细胞等。BMSCs具有多向分化潜能，来于自体，无需配型，无免疫性，并能实现跨胚层分化。利用脂质体将人BMSCs导入人端粒酶逆转录酶(hTERT)基因，建立永生化人骨髓基质干细胞系，可明显增加成骨细胞活性。理想的支架材料应具有良好的生物相容性、可降解性及可塑性、合适的孔径和孔隙率、骨传导和骨诱导作用，并有良好的材料-细胞界面，利于细胞黏附、增殖。常用载体支架有羟基磷灰石(HA)、磷酸三钙(β-TCP)、聚乳酸(PLA)及聚乙醇酸-乳酸共聚物(PLGA)等。纳米材料有大量界面，纳米骨浆在bBMP-2基因质粒活化后具有显著骨诱导活性。快速成型技术制备的PLGA-β-TCP支架经胶原杂化及人工模拟体液矿化改性后具有良好生物相容性、降解性和孔隙率。在生物材料表面用精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)三肽序列进行仿生态化学修饰，可改善组织工程替代材料的整合。限于篇幅，本文仅就骨科几项重大课题简略介绍。
　　1 骨折愈合

　　骨折愈合不同阶段有多种细胞及生物活性因子参与。BMP能诱导间充质细胞向成骨细胞和软骨细胞分化。应用rhBMP-2或rhBMP-7，以胶原为载体，可使骨质缺损愈合。重组异种骨(RBX)是将动物松质骨通过化学方法消除其抗原性，再从皮质骨中提取BMP，然后将二者重新组合，使之既具有高效诱导活性，又无免疫排斥反应。应用纤维蛋白凝胶复合bFGF+bBMP或bFGF+rhBMP-2制备的注射材料可完全降解，具有高效骨修复能力。利用含BMP的PLGA支架与BMSCs复合构建的组织工程骨，或为移植物血管化利用bFGF复合PLGA/TCP制备的材料均能明显加速骨修复及改建。
　　2 骨关节炎(OA)

　　软骨基质中有Ⅱ型胶原减少及异常表达，出现Ⅰ、Ⅲ型胶原，Ⅵ型胶原含量高于正常。蛋白聚糖(PG)聚合性能明显降低，PG和其他基质进行性丢失，存在PG与胶原比例失调。炎性细胞因子主要是白介素(IL-1、6)和肿瘤坏死因子(TNF)，可直接或间接介导软骨细胞发生变性。基质金属蛋白酶(MMPs)活性明显增加。
　　软骨自身的修复能力有限，虽然应用自体软骨细胞，在动物移植后有成功修复动物全层关节软骨缺损的报告，迄今各种关节软骨修复方法还不能防止修复和周围组织的退变。构建工程化软骨选用软骨细胞或干细胞。模拟微重力旋转生物反应器培养出的工程化软骨，有高含量GAG和胶原蛋白，具有更好机械强度。常用的生长因子有BMP、TGF-β、FGF、PDGF等。以BMSCs快速复合PLGA或PLGA/βTCP体外构建的骨软骨复合物，可修复关节骨软骨缺损，软骨下骨的早期修复为新生软骨提供了机械支持。FGF-2、PDGF-bb对成人软骨细胞也有一定促进增殖作用。
　　3 脊髓损伤(SCI)

　　SCI后，神经再生存在许多不利因素：(1)成年脊髓神经轴突再生能力差;(2)脊髓内缺乏刺激神经生长的NTFs;(3)局部形成空洞及瘢痕;(4)CNS内存在胶质细胞和抑制神经轴突再生的化学分子，如Nogo-A、髓鞘相关糖蛋白(MAG)、硫化软骨素蛋白多糖(CSPGs)及少突胶质细胞-髓鞘糖蛋白(OMgp)等。
　　在SCI实验性治疗中，受损神经元的存活是再生的先决条件。采取措施包括修复损伤髓鞘、恢复损伤区神经纤维的传导性及应用神经营养因子(NTFs)等。每种神经元都对一种特异的或几种NTFs敏感。多种NTF宜联合应用。中和抑制性分子，如应用Nogo-A单克隆抗体(IN-1)、Nogo-66氨基端1-40(NEP1-40)以抑制Nogo-66与其特异性受体NgR结合等。阻断抑制因子不可避免地会干扰CNS的发育，需要探讨是否会导致正常神经元的不良增生。SCI治疗中需要抑制继发性损伤各种不利因素，发展保护因素。寻找相应的干预药物，完善神经元替代、髓鞘重建及克服生长屏障。在神经组织工程细胞的选择上，雪旺细胞(SCs)会引发星形胶质细胞大量增生，不能和宿主组织很好整合。嗅神经鞘细胞(OECs)兼有SCs和星形胶质细胞的特点，可分泌多种NTFs，对损伤脊髓神经元起营养支持和保护作用，并能促进轴突再生，抑制胶质瘢痕增生。OECs移植只能引导残存的神经元轴突生长，但不能补充缺失的神经元。也有的质疑OECs不能穿越胶质瘢痕，迁移能力有限。BMSCs与OECs联合移植可促进向神经元方向转化。不同浓度的褪黑素有促进OECs向神经元分化作用。神经干细胞(NSCs)可在体外大量增殖，易于储存，能分化为神经细胞和胶质细胞，抑制胶质瘢痕形成。SCI需要多种类型细胞联合移植，只有当神经元、胶质细胞和细胞外基质都得到相应补充，建立广泛有效的联系后，才能得到完整的脊髓功能重建。
　　4 腰椎间盘退变
　　腰椎间盘由于基因、年龄、机械作用、细胞营养及炎性介质的影响而发生退变。参与的炎性细胞因子有IL-1、 IL-6、TNF-α等。IL-1能刺激腰椎间盘细胞增加疼痛介质PLA2、PGE2合成，椎间盘内新血管的侵入可激活MMPs的产生，导致椎间盘基质降解。 MMPs的异常表达及其与金属蛋白酶组织抑制因子(TIMPs)的失衡是椎间盘退变和突出的重要原因之一，特别与椎间盘基质的降解有关。选择TGF-β、VEGF，联合应用TIMP-1可抑制MMPs的基质降解，延缓或逆转椎间盘退变。白介素-1受体拮抗剂 (IL-1Ra)对大鼠椎间盘细胞凋亡及椎间盘基质降解有明显抑制作用。
　　正常生理状态下的椎间盘无血管供应，其相对隔离环境使得血循环中的抗体没有机会攻击靶细胞，为椎间盘组织工程和基因治疗提供适合的有利条件。常用的种子细胞为椎间盘的髓核细胞、纤维环细胞和BMSCs。利用Ⅱ型胶原、透明质酸和6-硫酸软骨素制成的仿生髓核组织工程支架对体外培养髓核细胞提供良好的生长与代谢的微环境。TGF-β1可促进退变髓核细胞合成Ⅱ型胶原，并能抑制MMP-3的合成;与IGF-1联合应用更能促进增殖作用。应用hTGF-β1基因重组腺病毒(Ad/TGF-β1)构建的组织工程化髓核能延缓椎间盘退变。