骨折治疗的AO原则【009】

Issuing time:2018-12-21 11:19

五、药物输送和组织工程


生物活性分子能够通过外科手术或者简单地向骨缺损部位/关节内注射完成转运。这一转运方式的缺点是蛋白质药物的利用率较低(低剂量有效率) 。一般来说, 这样的转运方式需要较大的剂量,在局部释放出的药物分子也会很快被清除。随着新剂型的研发、更多具有更长半衰期的有效仿生药物的出现、局部可控性释放(从支架、水凝胶的非蛋白质类(小分子)类似物的发现,这些缺陷将被逐渐克服。生物活性分子可以通过多种方式和途径在局部进行转运(在转运过程中,这些分子的药效将逐渐下降) 。研究的目的包括增加局部药效、减少剂量(以降低成本)、防止系统性副作用的发生。治疗性的转运过程可以只涉及某个单一种类的分子类型(如rhBMP -2 ) 。对单独某种生长因子的转运是一个易于控制、模拟和理解的过程。不过, 单一的生长因子并不足以产生令人满意的治疗效果。


生理事件(比如骨愈合)是一个多元的过程,通常有赖于多元化信号序列和细胞内事件的共同作用。在某些情况下,某种单一的生长因子能够通过级联反应产生令人满意的效果。但是在多数情况下,仅仅一种因子是不够的;药物剂量和作用时间也很重要。为了实现这一过程,就需要细胞因子鸡尾酒、凝血酶肽、纤维蛋白黏合剂、血小板凝胶体或者富含血小板的血浆共同作用于去矿化的骨质。多元化的混合体系拥有过多的不确定性,很难使用科学的方法进行明确的描述和界定,也就很难通过CE 或FDA 的认可。这些混合物包含着多种生物活性复合物。随着混合物的降解,这些复合物将被逐渐释放出来。一个主要的问题是, 各种活性物质的重要程度是随着宿主种群和伤口位置的不同而变化的。因此成功的动物模型研究可能并不意味着在人体内的成功使用。


药物输送也可以通过将药物与内植物材料混合, 或者作为支架外涂层的形式进行。在二膦酸盐化合物中,钛内植物与骨的强化锚定作用可以通过系统性转运完成。新的药物输送方式包括可溶性聚合基因载体, 经过改良的病毒,以及包含在聚合载体和超顺磁性氧化铁涂层(及其复合物) 中的各种不同类型的毫微型颗粒。靶向性转运可以大大提高治疗性分子在指定区域的作用效能。通过运用毫微型颗粒,可以精确地控制局部目标区域肽类、蛋白质、质粒或药物的浓度( 图1 - 4-4 )。以不同的速度或者在不同的时机被释放不同微粒(包含不同的药物)的混合物,使这一给药方式具备了多功能性。



图1 - 4 - 4 这是张共焦显微镜照片,显示用Cy3.5 荧光染色的超顺磁性氧化铁毫微型颗粒(SPION ,由EPFL、HHofmann 教授研发),它们摄取在体外单层培养的滑膜细胞内。经过48 h 的细胞培养, 着色成蓝色的细胞核能够与被红色荧光染色的堆积在细胞质中的Cy3.5 颗粒区分开。


药物和载体的存续时间以及药物的释放(在可预知和有效的水平) ,与各种各样的体内生物化学特性相关。但是抵达药物药理学受体的剂量和时机也很重要。我们很久以前就知道,组织修复过程中的动态变化对于药物控制是不可忽略的因素。药物应当在靶细胞具有最强应答活性的情况下及时被转运到位,并与其药理学受体相结合。在组织愈合的过程中,最佳的给药频率和转运方式对用于治疗无法自然愈合的疾病(如肯不愈合) 的位点专一型药物的药物输送系统设计而言,是十分重要的。此外,药物的转运要避开愈合过程中一些特殊的阶段(如急性炎症期) 。在适当的阶段进行药物输送可以增强药物的治疗作用并减少总用量。使用这样的方法需要以丰富的局部生理学、局部生物化学、不同愈合阶段特征、基因表达模式等知识为基础。为了解决这些问题,用于肌肉骨组织研究的体外模型被发展出来。这些体外模型包括以下3个基要素:


  • 人类间充质母细胞。

  • 生物材料支架。

  • 用于调节支架的生物反应器。


生物反应器能够在一定程度上调控细胞定植和组织增殖。对于经过技术处理的软骨、骨、骨软骨复合物的体外研究,有助于区分特殊的转导信号与体内多元化合成因子。通过这些简化的情况,就能够对药物的稳定性、空间结构和用于指向特定种类细胞所需的剂量提出最基本的要求。参与组织调控(如温度、含氧量、生长因子浓度、酸碱度等)的生物反应器均匀地分布在细胞表面、支架内部和l表面,从而在这些部位产生有效代谢物,并促进支架上附着的细胞与培养媒介间进行营养物质的交换。生物反应器还应当能够在培养过程中提供机械力学方面的剌激(如剪切作用、压力作用、间质流动、湍流或者层流等) 。用于骨和软骨生物技术领域的新型生物反应器已经被开发出来,以应对目前所面临的挑战(例如微调控制装置。构建物固定其间,随着组织的构建物在动态层状体流动中暂停, 流动的介质就注入这些构建物空间中) 。


药物在配方设计和转运过程中的物理化学稳定性是另一个重要因素。一个合格的(经过CE或者FDA 认可的)配方设计必须保证药物能够在USP( 美国药品管理局)所规定的环境中保持稳定一一通过限制降解作用, 药物应当在经过2 年的储存后仍至少含有90% 的有效成分。低有效率、高清除率、体内不稳定性,以及药物在体内产生非预期的效能,都是药物研发所应当极力避免的。新的转运机制能够克服以上这些或者其他类似的缺陷,并具有更佳的疗效、更高的有效率、更好的生物顺应性以及更明确的治疗靶向性。特定位点靶向性在特异性载体转运过程中显得尤为重要, 特别是对于那些具有多效性和毒性的载体而言。某些有效的生物活性蛋白质(如干扰素) ,被希望能够在其释放位点周边1 - 10 nm 的范围内发挥作用。内源性酶的破坏作用能够造成组织内药物消除率增加。为了将药物输送至作用的目标位点,同时在转运过程中保护药物不被降解和释放, 就需要一种特异性的药物载体。这种位点特异性药物载体的概念在被膜、脂质体基质、微粒载体领域获得了迅速的发展。但是随着宿主生理系统调控的介入,循环中可注射性载体被网状内皮组织系统(RES) 迅速地消除了。这一缺陷可以在一定程度上被一种"秘密的"脂质体弥补。聚乙二醇被膜能够起到一定的伪装作用,并延长载体微粒在循环中的存在时间。其他的新型载体包括小型纳米微粒(可以有效地逃避RES体积相关性清除作用) ,以及可溶性聚合物裁体(与导航装置相结合,含有对抗特定细胞表面目标抗体) 。



六、细胞与支架的结合


活性细胞由于具有组织再生和功能重建的潜力,因而在治疗性应用方面也颇具潜力。以细胞为基础的治疗方法目前是生物技术中一个重要的领域。理论上来说,患者应该接受自体细胞治疗,以避免同种异体细胞治疗所带来的免疫排斥反应或传染病风险。成人骨髓中含有大量的间充质干细胞( MSC ) ,都可以被作为备选细胞使用。这些MSC 具有一定的自体繁殖和分化成为各种间充质类细胞(包括神经学表型、软骨细胞、成骨细胞)的能力。这些细胞能够在一定条件下形成类骨、类软骨或者需软骨组织。这些骨髓细胞可以通过常规手段从成人骨髓中提取,而不需要但心引发诸如使用胚胎或者胎儿组织所可能引发的伦理问题。但是MSC 也存在缺陷:


  • 骨髓内MSC 密度低(低于1/100000细胞数) 。

  • MSC 数量随着年龄的增长而减少 。

  • 特异性细胞池难以被分隔。

  • 难以组织培养并维持其表型的稳定性。

  • 间充质组织存在过多的分化可能。


最近,间充质细胞标记物和骨母细胞标记物将有助于克服这些难题。尽管MSC浓度低、整体数量随着年龄的增加而减少,但是它们的分化和增殖潜能却和新生儿没有什么区别。


选择性类骨组织或者类软骨组织沉淀技术需要对调控MSC 进行分化(成为骨或者软骨细胞)的千变万化的细胞和分子活动有详尽的了解。现在我们知道,许多生长因子、细胞因子、激素通过在细胞核水平调节"母体"转录因子的表达,参与对骨细胞分化的调节。诱发和l控制这些"母体"转录因子也许是促进这一领域组织工程学发展的关键步骤。但是,控制转录因子或者其基因表达目前仍是一个新领域,还没有能力将生物技术与临床应用联系起来。



七 、快速原型技术



快速原型技术已经在个体化骨科内植物(如髋关节假体)的生产领域得以应用了数年之久。现有的成像技术,如计算机体层扫描( CT) ,能够生成借助计算机设计的内植物模型。快速原型技术的优点在于能够设计和制造出在宏观和微观结构上都完全满足特定几何学要求的、经过预先确认的内植物。组织工程学与快速原型技术相结合, 能够发挥出极大的潜力。


快速原型技术通常以立体成像技术为基础( 如三维影像复制技术、三维生物绘图技术、选择性激光热压制陶技术) 。最新的用于生产骨的生物活性内植物的技术已经完成研发。为了加工生产个体化的、具有生物学活性的、可替代骨或软骨的内植物,以加工工艺学为核心的相关技术得以被研究 。在体内和体外试验中, 由山羊间充质母细胞定植的原型支架, 通过皮下注射的方式,成功实现了在裸鼠模型中的移植。一种下颌踝突支架模型被设计出来, 并使用多孔聚己酸内酯材料( PCL),通过选择性激光热压技术制造出来。这种生物可吸收聚合物可以被用于修复骨或者软骨缺损。这一制造工艺使用了患者的CT 或者MRI扫描数据以制造具有解剖特异性的支架结构。该模型内部可以是多孔结构,也可以不是。


将来,快速原型技术可能生产出个体化的血管移植物。个体化的血管移植物与聚合骨支架的合成体,将来也许能够用于骨科手术的组织工程学产品。在支架形成同时产生的细胞附件正在研发当中;这些附件借助一种使用三维细胞自动封装技术的自动组装系统进行生产。通过这样的过程,组织工程学产品的宏观结构将具有可控的细胞和生长因子空间分布性特征,而其微观结构也将具备预期的力学特征。快速原型技术与组织工程学相结合,其产品将在创伤、矫形、肿瘤手术领域获得更大的应用前景。




八、生物技术的局限性


(一)材料降解


可降解的生物材料, 包括特殊的合成内植物或者骨水泥,已经被成功地用于制造骨折内植物或者合成同替代物。对长骨和一些上颌面骨而言,内植物的降解和组织的再生、新骨的发生是同步进行的。这一点毫无疑问。但是在一个针对颅骨缺损进行治疗的试验中,所有新生骨都被再l吸收,而纤维组织存留下来填充了缺损。因此,不同部位的骨骼也许拥有不同的修复机制。这也许是周围组织产生的细胞信号、力学因素、骨膜再生能力等因素不同造成的。所以,每种生物技术产品都应当进行细致的试验,以明确其最终的临床表现和作用位点。笼统的结论不一定总是准确和符合实际的。因而, 一种个体化的、位点特异性的材料有待被开发出来。



(二)宿主环境


在使用生物技术产品时,应当同时考虑到局部软组织条件和力学环境。如果生物技术产品定位的宿主环境不具备组织重构的条件(如过多的显微组织、血液供应缺乏、感染) ,就不可能达到令人满意的治疗效果。长青的愈合条件现在已经为人们所熟知。但是,对于关节软骨相关知识的了解仍然十分贫乏,包括关节软骨生理学知识在内。现在仍然无法确定,使用生物技术的组织工程学产品对软骨进行修复,能否真正获得成功?要回答这个问题, 还需要对软骨修复和重塑的生理过程进行深入的研究。研究应当着眼于新生组织是否能够通过爬行替代作用取代原有的软骨结构。这一过程与在骨骼中的替代作用一样, 遵循组织导向性再生的原则。


(三)抗原性


使用自体骨移植物填充骨缺损的方法已经存在很长时间了。这一方法的最大优势是不会引起抗原性反应。经组织工程学技术合成的含有抗原性间充质细胞的产物被声称也能做到这一点。但是,是否这些问充质细胞在细胞环境下以及二次介导进入宿主体内的过程中,仍然能保持非免疫原性和原有细胞特性,还有待证明。胶质片段和黏蛋白是具有免疫原性的,能够加重骨性关节炎的病情(至少在马和试验用鼠模型中是如此)  。结构相似的大分子基质支架同样能够诱发相同的应答作用。这同样适用于基因转染技术腺病毒转运载体被发现能够诱发过敏反应。新的病毒转录体的免疫应答作用将会被进一步削弱;非病毒性基因转录载体也将在这些方面进行改进。


(四)副作用和不良事件


安全问题是创伤领域工程技术研发最为重要的部分。使用促细胞分裂齐剂或者成形素促进某种特定类型细胞或组织的生长,往往很难把握组织再生和癌变之间的细微差异。潜在的剧作用包括:


  • 过度的或者异位的组织形成。

  • 诱导癌细胞生成。

  • 降解产物的毒性(如肝脏或肾脏损伤) 。


举例来说,由VEGF诱导形成的血管往往是异常的、高渗透性的、效率低下的,与肿瘤组织中生长的血管非常类似; 其生长机制也与在宿主体内肿瘤细胞的生长机制相同。在临床或者实验室试验中,肿瘤的诱导和发生仍未被观察到,但仍然需要进行谨慎的监控。最后,系统应答反应和通过物RES( 肾脏、脾脏和肝脏)消除胶质生物材料(如病毒源性载体、靶向性药物、毫微型颗粒等)也必须被细致地研究 。


(五)动物模型


临床试验前利用动物模型对生物技术产品进行的评估必须十分谨慎和公正,试验环境也必须是适宜的,以便能够说明其结果同样适用于人体。


特别是有关骨的试验尤其如此: 在实验室的啮齿类动物模型(如大鼠、小鼠、兔)中取得的良好实验结果,但是在高等种群的模型中却不一定能得到同样的结果。大鼠和小鼠与高等哺乳动物的骨骼在解剖学上存在明显差异。与人类相比, 犬的单纯横行骨折借助加压内固定装置能够更快地愈合。而绵羊的骨重构速度则与人类最相似。



九、创伤和骨科领域生物技术的应用前景



我们必须认识到生物工程技术产品的不足和缺陷。由于其存在巨大的应用潜力和多功能性, 生物技术产品将在医学领域获得广泛应用的光明前景是毋庸置疑的。但是,还需要系统的基础科学研究来解决现有的许多力学和生物学难题。要解决这些难题需要时间、创造性的天赋以及足够的资金。因此需要明确我们的希望是现实的,而不是过于夸大的。即使现有的组织工程学产品仍不具备应用于临床治疗的条件, 它们也将继续以生物支架的形式在实验室组织再生实验中占有一席之地。


复合支架以及药物靶向转运系统是目前最接近手术实用阶段的生物技术产品。自体骨移植物依然是衡量其他类型再生移植物优劣的金标准。通过在多个研究中与自体骨移植物相比较, BMP-2 在椎体融合过程中似乎具有很强的临床适应性。相对地, 对于软骨损伤的治疗,就缺乏这样一个可以参考的金标准;所有非生物技术的治疗方法都失败了(除了作为抢救性治疗的全关节置换术)。自体软骨移植比病灶刮除(结合或不结合微骨折术)的疗效更令人满意。因此所有的针对软骨损伤治疗的生物技术产品,将以自体软骨移植物作为标准。


本文章纯作学术指导之用。

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