骨折治疗的AO原则【008】

发表时间:2018-12-21 11:19

三、影响生物材料兼容性的因素


( 一)生物相容性


生物适应性是指在宿主体内环境下产生有效生物应答, 同时实现某种特定的临床功能的能力 。最终的生物材料产品本身,无论是作为载体还是可降解结构, 都应该具备以下特点:

  • 细胞增殖。

  • 内向性生长和附着。

  • 生物材料将最终被宿主的生物组织取代。

  • 能够重建目标器官,如骨和软骨。

  • 与宿主免疫系统间的兼容性应答。

  • 通过重建组织以恢复原有功能。


对生物材料表面结构进行修饰,可以促进该材料与宿主体内环境的相互作用,从而增加它们对不同组织的生物适应性。表面被膜通常由水凝胶、胶原、明胶、白蛋白或者热解碳构成。尽管多数生物制剂被膜是亲水性的,但是疏水性的蜡和硅树脂也被用于涂覆和包裹丝绸纤维(可被用于编制黑色丝制缝合线) ,以防止炎性反应的发生和肉芽组织的形成。


在使用可注射性生物材料(如水凝胶和水泥剂)时,必须对其注射的时机和凝固过程中产生的副作用进行精细的控制,以防止不良事件的发生。一旦这些材料与血液混合在一起,其凝固特性将可能发生改变,并影响其与骨组织的黏合作用。温度的变化也能影响水凝胶的使用效果;如果使用之前经过冷冻,使用时其水合作用以及力学特性就会发生变化。在使用注射性水泥剂的过程中,其中间产物可能改变该部位宿主骨骼环境的酸碱度,刺激破骨细胞活性增加,从而导致骨吸收以及过量的纤维组织形成。


生物适应性在新近投入使用的合成材料装置(能够向宿主环境释放生物活性复合物)中更加多元化。移植区域药物的转运和表达、局部的药物有效率和疗效,都有待进一步的研究。体内的分子和生物活动通过由特殊细胞产生的级联调节蛋白进行统一的调控。这些调节蛋白的某些活性与细胞环境和细胞间相互作用密切相关。进一步借助外源性生长因子能够引发复杂交互作用。但是对这一发生在组织再生和伤口愈合过程中的交互作用的详细情况,我们依然知之甚少。药物的浓度和使用时机对其功效有着重要的影响:比如甲状旁腺激素( PTH ) ,随着浓度和转运方式的不同,可以起到促进或者抑制骨形成的作用。合成材料装置的使用提供了一种新的便于临床使用的方法,以传统的植入内植物的形式,释放局部生物活性药物,以产生不同类型的组织应答。


骨质疏松症是另一种相对复杂的疾病。靶向性药物和可注射性材料等生物技术的使用,将改变该疾病的治疗方法。含有可促进骨组织矿化的新型治疗分子的水凝胶或者可注射性骨水泥,将应用于对股骨颈骨折和椎体骨折患者的治疗。这种水凝胶可以预防性地注入邻近节段椎体或者对侧股骨颈,以降低发生病理性骨折的风险。但是这一疗法存在潜在的并发症,比如脂肪栓塞。在对锥体的注射治疗中,应当同时使用对照药剂以观察和防止注射性材料渗入脑脊膜腔内。对照药剂的选择也是十分重要的。碘能够引起过敏反应,而硫酸钡则能够在骨髓内引起巨噬细胞反应。在这些材料安全地投入临床使用之前,还有许多问题有待解决。


生物适应性试验应当以对细胞应答的研究为核心,包括:

  • 外源性的免疫应答。

  • 宿主骨折块的吸收。

  • 低度的抗原性反应。


关于可注射性骨水泥的研究表明,这些反应多发生在内植物植入后4 周内,并在4 周以后逐渐消退 。同样的过程应当也发生于复合型水凝胶或者其他类型的复合生物材料的应用中。新材料的使用需要对生物适应性和安全标准进行重新界定,特别是在细胞水平上(如巨噬细胞和异物巨细胞) 。生物适应性试验也应当能够证明通过释放药物所能引起的可能的系统性反应,如在远距位点的骨或软骨的形成。这一点对于生物活性药物(如BMPs) 的使用尤其重要。



(二)内植物降解


生物材料的吸收通过细胞介导的过程一一蛋白质水解降解和(或)水解作用实现。水解作用在很大程度上依赖于局部水分子的可用性、金属离子和局部酸碱度。选择材料时通常会考虑到材料的化学惰性,如尼龙、聚氨醋、聚醚、聚酯(如Dacron聚苯二甲酸乙二酯纤维制剂)一一它们在体内存在水、金属离子、非特异性酶(由免疫细胞对移植物的反应产生)的环境中会逐渐降解。蛋白质水解降解作用由组织蛋白酶(如糜蛋白酶)等催化酶介导。经过较长的时间,这些酶可以将蛋白质降解为能够被缓慢吸收的肽类。磷酸钙支架可以被破骨细胞分解。这一过程可以使钙从基质中被溶解出来。而基质将通过胶原酶介导的酶降解作用分解。一些生物材料的碎片可以经由巨噬细胞的吞噬作用进入细胞内,经由细胞内降解作用进一步分解。巨噬细胞在内植物免疫反应的整个过程中是普遍存在、且数目巨大的。在骨的自体调节和内植物免疫反应这两个过程中,巨噬细胞所扮演的角色是不同的。在正常生理周期和生物材料调节两方面,它都起到了非常重要的作用。在内植物部位,巨噬细胞能够相互融合形成类破骨细胞样的多核细胞;通过相同的过程,也可以形成多核的异物细胞(即异物巨细胞) 。通过吞噬作用,这两种细胞都在生物材料的降解过程中发挥功用,并在局部产生酶类、酸类和过氧化物基团。


破骨细胞通常可见于矿化物表面,而巨噬细胞和异物细胞则常见于骨的软组织部分(如骨髓和围绕内植物的纤维组织) (图1-4-1 ) 。

图1 - 4 - 1

a 破骨细胞(OC ) 通常可见于矿化物表面( MS ) 。这些矿化物通常是由羟基磷灰石构成的支架结构。

b 相反地,巨噬细胞( MP ) 通常分布于骨髓或者骨周软组织内。巨噬细胞的细胞质内含有它所吞噬的材料。这些材料与

在破骨细胞中所见到的不同( 5 μ m 的片段被包裹在丙烯酸树脂包膜中, von Kossa/McNeal )。


  • 破骨细胞能够分泌次氯酸、氢氧化物和过氧化物来分解矿化物支架。剩下的基质将通过酶的作用逐渐被消化。


  • 巨噬细胞通过吞噬作用和胞质中溶酶体内的消化作用来消化生物材料。它们在组织中移动, 并把降解的材料转运到淋巴系统。


与发生在金属假体和异丁烯酸甲酯骨水泥接触面之间的吞噬作用不同, 发生在可吸收型生物材料降解过程中的巨噬细胞的吞噬作用并不一定会引发纤维膜性界面的形成。这是由于生物材料的降解消失是持续性的,并最终导致愈合失败。



(三)结构和力学特性


在体外和l体内环境中, 细胞在支架上的内向性生长情况取决于支架的化学特性、孔径大小以及孔洞间相互连接的方式。如果孔洞间没有足够多的相互连接, 细胞的定植、增殖以及组织的再生都会十分缓慢。对以磷酸钙盐支架为基础的骨再生而言,较大的孔洞更为有效( 150- 1220μm ) 。这一情况也被认为适用于其他支架材料。即使对于水凝胶而言,凝胶的微孔率(筛孔的大小)也能够决定细胞内向性生长和增殖速度。

用于骨替代的支架应当具有拟态骨皮质或者骨松质的多孔、坚硬结构。不过对软骨而言,水泥胶结构可能要优于多孔结构。在自然环境中, 软骨细胞并不能与孔洞壁相黏附, 多孔洞结构也有可能促进软骨细胞去分化形成类成纤维细胞样细胞。因此,在软骨的体外组织工程学领域中已经不再使用多孔泡沫或海绵。目前软骨组织的培养主要在藻酸盐链珠或者没有任何支架结构的压力盒内完成(图1 - 4 - 2 ) 。



图1-4-2 细胞环境下3 - D 藻酸盐基质中软骨细胞定植的照片在3 - D 基质中,软骨细胞保持了它们的正常形态学特征,看上去和关节软骨基质内的软骨细胞差不多。


支架的力学特性和组织工程学产物是决定内植物在体内作用是否成功的另外两个重要因素。局部的力学环境、细胞和组织再生之间的相互联系现在仍然没有被透彻地了解。在骨和软骨的替代过程中,压力、剪切力、扭转力对新生组织的形成而言都十分重要;材料的疲劳特性也应当被考虑到。能够达到原有骨强度的支架结构通常是由没有弹性的刚性材料制成的。这可能导致支架内部发生微骨折,从而成为纤维组织内向性生长的病灶,并最终阻止该处新骨的形成。水凝胶并不具备与骨骼一样的坚硬程度,但是足以在内植物失效前提供满意的力学稳定性一一但也取决于细胞和新生骨形成的速度。在软骨中, 组织工程学内植物的力学特性对于软骨细胞的存活以及防止纤维化、裂隙形成、基质降解有着决定性的作用。内植物与骨接触面上的骨吸收和骨丢失,是骨软骨型内植物植入后常见的问题之一(图1一4-3) 。


力学环境的重要性已经在临床膝关节自体软骨细胞移植( ACT)( 其表面覆盖骨膜组织)过程中得到了充分的证明。股骨踝的细微缺损得到了良好的修复。因为这一部位主要受到压应力的作用,并且得到周围关节软骨的良好保护(通常情况下) 。相反地,对于较大的缺损和髌股关节面缺损,由于其承受的巨大剪切应力超过复合移植物所能承受的极限,软骨移植物无法与宿主组织充分融合,从而造成较高的治疗失败率。


四、生物活性制剂



  • 生物活性制剂是指能够在宿主体内诱发/产生特定生物应答的治疗性药剂。这些生物应答能够满足对某些特定疾病治疗的需要。

在组织工程领域,生物活性物质通常被用于:

  • 模拟生理状态下的结构。

  • 刺激组织再生。


图1 - 4 - 3 植入小种猪股骨内踝的骨软骨移植物(由组织工程学技术生成)的组织学结构:经过组织工程学处理的软骨细胞以水泥剂为基质,被注入股骨踝承重区域事先钻好的孔道内。4周以后, 水泥剂基质底部和周边的骨吸收已经非常明显,骨缺损内的移植物也明显减少。同时,软骨组织被纤维组织和其周围的新生骨组织所覆盖(在这个截面上,背景用填充丙烯酸树脂,表面由甲苯肢蓝染色) 。


  • 使生物装置与宿主的融合更加容易。

  • 改善生物适应性。

  • 防止感染。



药物释放和靶向性药物输送对于将这些生物活性分子运输到反应位点而言是必要的。药物的释放和转运完成后,适当的剂量和药理学过程将能够产生预期的效果。由于在分子生物学、细胞生物学、蛋白质重组技术领域取得的进展,复制能够剌激细胞增殖和分化(生物拟态)的自然结构已经成为可以实现的目标。通过从生物材料支架中释放药剂,能够将细胞增殖和分化过程联系起来。


在Urist 和他的工作小组首次发现天然骨形态发生蛋白后,针对能够强化和加速骨和软骨愈合的特异性、有效性药物的研究,取得了更深入的进展 。骨形态发生蛋白是从骨基质中自然释放出来、具有异位成骨能力的蛋白质。许多其他类型的生长因子也在骨和软骨愈合的过程中起着重要的作用。现代分子生物学技术现在已经能够在进行过基因改良的真菌、细菌或者哺乳动物细胞环境中生产这些重组蛋白质。


  • 重组技术是借助发酵过程使两种来源于不同生物体的DNA 相互融合。例如, 质粒的遗传密码(表达后产生人类BMP - 2) 可以经过重组与宿主细菌或细胞的基因组相融合, 利用宿主细胞的细胞活动, 复制目标蛋白质。"重组" 一词, 指的就是基因的融合与产生。




目前, 最常用的用于产生重组产物的发酵宿主生物体(也被称为表型表达媒介物)是大肠埃希菌。但是酵母菌、真菌、哺乳动物细胞也会被使用。蛋白质糖基化结构(糖类)对这些重组药物在人体内发挥作用具有关键性的意义。因此,含有可产生人型糖基化结构的酶类的哺乳动物细胞,在生产特定类型的蛋白质药剂的过程中受到欢迎。这些重组蛋白质经过宿主细胞表达产生后,在投入临床使用之前,还要经过提纯处理。


生长因子在制造生物活性药剂方面具有很大的潜力。特别是蛋白质趋化因子和细胞因子,包括转化生长因子( TGF ) 超科蛋白质,是目前令人感兴趣的种类最多的组群。骨形态发生蛋白( BMPs)就属于这一组群, 迄今为止已经发现了超过1 8 种亚型。BMP - 2 , BMP - 4 , BMP -7 是目前骨与肌肉研究中最重要的种类。BMP -7 也被称为成骨素-1 ( OP-1 ) 。TGF- ß 组群能够诱导细胞增殖和基质形成,并具有剂量依赖性的阻止骨和软骨内基质降解的作用( 以软骨内为主) 。实际上,TGF- ß能够抑制骨痂中的成骨作用。胰岛素样生长因子在胎儿期( IGF - 2 )和出生后(IGF-1 )的发育都发挥着作用。这两种胶岛素样生长因子都受到膜岛素样生长因子黏附蛋白( IGF - BP )的调节。IGF - 1已经成功地用于治疗人类心肌炎。在另外的-些试验中,它还能够促进马软骨组织的形成以及修复羊骨的缺损 。成纤维细胞生长因子(酸基FGF 、盐基FGF ) 作为骨内成骨成分受到了关注。它是骨折血肿中最早被上调的因子之一。同样的还有血小板衍生的生长因子( PDGF ) 。它在骨折后立即被与TGF-ß形成复合物的血小板释放出来。


POGF 、FGF 、TGF 、IGF 、BMP 都具有促进伤口愈合、组织再生和(或)基质形成的作用。这些因子在组织再生领域中都得到了生物医学界极大的关注。在骨折愈合的生理过程中, 这些因子被依次上调。它们相互协调, 吸引单核细胞到骨折区域进行最初的清创工作,吸引未分化的间充质细胞进行增殖; 吸引成纤维细胞形成胶原蛋白;并最终调控细胞分化和软骨内骨形成 。单一的药物无法诱导产生以上所有的应答过程。药物吸引某些能够与局部环境发生应答的特定类型细胞来上调自身的趋化因子和细胞因子信号,从而吸引其他类型的细胞并激发另外的信号通路。TGF , IGF 、BMP - 7是软骨基质形成和稳定的关键因素。

最近, 另外一些生长因子已经被发现,并且被应用于对伤口愈合和再生的治疗中。生长和分化因子( GDF ) , 也被称为软骨衍生的成形索蛋白-1( COMP - 1) , 能够促进啮齿类、灵长类骨和软骨的形成 。血管内皮生长因子( VEGF ) 在软骨肉生长板骨化过程中起着重要作用。它可能也能通过剌激血管形成以加速骨折愈合。生长激素( hGM ) 局部应用于犬的骨折愈合试验并取得了满意的效果。甲状旁腺激素( PTH1- 34 ) 的某个缩氨酸片段——存在于与水凝胶支架相结合形成的复合物内一一被证明具有更强的诱发和强化骨缺损愈合的能力(与自体骨移植物相比) ,并且已经开始 I 期临床试验。考虑到自然信号的冗余性,通过不断发现其他种类因子的作用方式,将会最终发现促使伤口愈合的、与组织工程学级联性相关的其他方法。


针对人重组生长因子的研究有很多,但是能够最终被FDA批准投入临床使用的却很少。被FDA批准投入使用的包括BMP ( rh BMP -2) 。它被用于某些椎体融合以及开放胫骨骨折的治疗。PDGF的亚型也被用于治疗局限性静l脉溃疡。BMP -7( rhOP- l )在人体内可发生自降解作用, 可以用于骨折不愈合的治疗。下面两个临床对照试验表明,在创伤过程中生长因子能够起到正性作用。第一个试验包括124 名胫骨骨折不愈合患者,以及两个对照组一一 一组通过I 型胶原转运rhOP - l ,另一组则利用新鲜的自体移植物。第一组中有75 % 、第二组中有84% 的患者的骨折不愈合被治愈。在另一个试验中,包括450 名开放性胫骨骨折的患者,使用含有BMP -2 的可吸收性胶原蛋白泡沫植入骨折部位进行治疗, 结果二次手术和l感染的发生率都下降了 。非蛋白质生物活性药物,比如通常用于骨质疏松症系统性治疗的二膦酸酸盐化合物,对骨科和创伤手术而言同样十分重要。非蛋白质生物活性药物一一最初被设计为通过抑制破骨细胞功能来治疗骨质疏松症一一现在被成功地用于防止关节假体和上颌面钛内植物的松动和周边骨溶解。


另一个技术上的新进展是通过自然生物制剂控制的进程,通过基因工程技术加工以减少局部蛋白质的合成来减轻疾病。DNA 质粒能够被转移到内植物位置的宿主细胞内,以减少特定蛋白质(如基质合成蛋白)和生长因子的合成。这一方法使用基因转移技术以获得所需的转异基因, 使其表达产生的蛋白质药剂通过非致病性病毒或者非病毒类转运载体(如聚合物)到达需要作用的组织或者细胞。对目标细胞进行成功的基因转移可以使转移基因融入宿主的组织基因组中,从而通过细胞内转移基因的表达在局部产生具有治疗作用的蛋白质。这一过程遵从基因密码翻译和转录的所有规律。


  • 基因表达对于目标组织而言必须具有特异性:远离预先选定治疗部位的系统的或外周的基因表达具有潜在危险性。


目前,对转染的有效性、特异性、治疗性表达周期仍没有透彻的了解,还需要做许多深入的工作以使相关技术逐渐成熟,以适应临床使用的需要。使用蛋白质产物以延长循环周期是可能的。这些蛋白质可能受到自然组织调节机制调控。


本文章纯作学术指导之用。



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