大塊骨缺失和萎縮性骨不連的治療常十分困難。理想的治療方法不但要恢復骨的完整性和連續(xù)性，而且還要盡可能縮短這種恢復所需要的時間，使骨骼盡早獲得正常力學性能，避免因不負重或制動時間過長而引起的廢用性肢體功能喪失。
目前常用的治療方法包括自體或異體骨移植(松質(zhì)骨或皮質(zhì)骨)、人工骨(羥基磷灰石或生物陶瓷等)移植以及各種骨誘導劑(轉(zhuǎn)移生長因子TGF-β或骨形態(tài)生成蛋白BMP)與人工骨的結(jié)合應用。
從骨形成的生物學特性來看，理想的骨移植物應包括三種要素：骨生成性、骨傳導性和骨誘導性[1]。因此，除新鮮自體骨外，目前還沒有一種理想的骨移植復合物同時具有上述三種要素，而達到新鮮自體骨移植的效果。

l 骨生成性(osteogenesis)
       骨生成性指的是骨移植物的骨形成能力，也就是移植物本身是否帶有能形成骨組織的細胞[1]。目前常用的骨移植物中，只有新鮮的自體骨具有這種骨生成性。為了彌補其他移植物骨生成性的缺乏，通常采取髓腔再通、骨膜保留和局部的富血供化等措施，希望髓腔或骨膜部位的骨生成細胞能進入到骨缺損處。但其效果并不令人滿意。這主要有兩種原因(不考慮異體骨的免疫性)：1. 這幾種移植物的成骨修復過程一般要經(jīng)過以下幾個步驟：有成骨潛能的細胞的遷移、增殖、分化、成骨以及新骨的整合和塑型。在這個過程中，細胞的遷移非常緩慢，從而使得骨形成過程相當漫長。2. 骨形成過程的起始與成骨細胞數(shù)量、密度有關(guān)，只有當成骨細胞密度達到一定程度(5′105/36mm3)時，才開始有骨形成[2]。但是，骨髓中的成骨潛能細胞數(shù)量非常有限，僅為成纖維細胞的萬分之一[3]，而且隨著年齡的增長逐步減少[4]。由于這兩種原因，在漫長的骨形成完成之前，移植物有可能已經(jīng)或正在被吸收，失去了為新骨提供支架的作用。
        因此，盡量縮短細胞的遷移時間和提高細胞的初始密度，有利于增強骨生成性、加快骨形成。
m 自體骨髓的成骨特性
       1982年，Takagi用小鼠的自體骨髓移植，來修補其股骨的節(jié)段性缺損，獲得成功。實驗中他發(fā)現(xiàn)如果封閉髓腔殘端，則沒有新骨形成。如果髓腔封閉后再植入自體骨髓，則可見明顯的骨形成。Nade將自體骨髓結(jié)合生物陶瓷進行異位移植，也見到了骨組織的形成。
       在此基礎上，有人進行了一組對照研究，自體骨髓加多孔陶瓷組植入小鼠股骨節(jié)段性缺損部，有非常明顯的骨形成，并與殘端有良好的整合，而單純的陶瓷組的骨形成卻要少得多。由此可見，把具有成骨潛能的細胞直接植入缺損部位，在特定時間段內(nèi)可見明顯的骨形成，也就是說，這種植入加快了成骨速度，這主要是因為省去了緩慢的細胞爬行時間。
不過由于骨髓中的成骨潛能細胞的數(shù)量較少，這種簡單的移植后還需要有一段細胞增殖時間(新鮮自體骨移植也有同樣的問題)，達到一定細胞密度后，才開始骨形成。
m 骨髓間充質(zhì)干細胞
       一般認為骨髓含有兩類組織成份：造血干細胞和其分化的子代細胞，以及稱為基質(zhì)的結(jié)締組織。在基質(zhì)中又存在著無成骨性的脂質(zhì)細胞、網(wǎng)狀細胞、內(nèi)皮細胞和成纖維細胞。但骨髓基質(zhì)中還存在一種能對BMP起反應的細胞。如果進行骨髓培養(yǎng)，在培養(yǎng)的細胞中會有一種堿性磷酸酶(AKP)陽性細胞，其AKP活性能被甲狀旁腺素抑制、VitD3促進，而且在VitD3存在的情況下，其骨鈣素合成增加。進行骨髓異位培養(yǎng)可有膠原性基質(zhì)形成 ，為Ⅰ型和Ⅱ型膠原[21]。在鼠體異位培養(yǎng)中，骨髓細胞有骨、軟骨組織形成?；谝陨蠋c，W?odarski認為這些細胞可能來源于間充質(zhì)細胞，因為骨、軟骨、肌腱等本來就發(fā)生于胚胎的中胚層，在特定的條件下，間充質(zhì)細胞能發(fā)育成前成骨細胞和前成軟骨細胞[2]。隨后的實驗進一步發(fā)現(xiàn)骨髓細胞在血供豐富的部位形成骨，缺乏血液的地方則形成軟骨，這與胚胎骨、軟骨的發(fā)生非常相似，而且這些部位的細胞形態(tài)與成骨和成軟骨細胞非常接近。Caplan把這一類細胞稱之為間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cells)[5]。它與造血干細胞一樣是具有多分化潛能的增殖型細胞，在特定的條件下，分化后能夠形成骨[3，6，7，8，9]、軟骨[10，11，12]、肌腱[13]、脂質(zhì)細胞[14]和支持造血干細胞分化的結(jié)締組織細胞[15]。
          近來的研究證實這類細胞的確是一種獨立的細胞系，而不是由其他細胞分化而來的。其表面受體存在特異性[16](如CD44[17])，不具有造血系細胞獨有的CD14、CD34和CD45等表面抗原[18]。
       Goshima首先對間充質(zhì)干細胞進行了分離培養(yǎng)。他發(fā)現(xiàn)骨髓細胞培養(yǎng)一段時間后，出現(xiàn)一種成纖維細胞樣的梭型貼壁細胞，具有成骨和成軟骨活性，他認為這種細胞就是間充質(zhì)干細胞[6]。Haynesworth證實這種細胞移植后的局部成骨反應的確來源于該種細胞，而非宿主細胞[19]。隨后的報道進一步表明不論鼠、兔、狗和人，通過這種方法培養(yǎng)增殖的細胞都具有成骨和成軟骨特性，而且這種特性不因供體的年齡而改變[7，8，9，11，12]。另外，這種細胞形成的骨組織中可出現(xiàn)骨髓樣組織[7]。1998年Bruder利用培養(yǎng)的間充質(zhì)干細胞結(jié)合多孔生物陶瓷移植，成功地修復了狗股骨節(jié)段性缺損[20]。
       這種細胞在骨髓中數(shù)量很少，在狗大約占骨髓有核細胞的1/25000[12]，而人約為狗的1/4[3]。但他們的增殖速度很快，Bruder研 究表明，人的間充質(zhì)干細胞在原代培養(yǎng)的初始約為500個/培養(yǎng)皿，到原代培養(yǎng)末期能擴增到6.1′105，傳代后以每兩天倍增一次的速度擴增，這種幾何級數(shù)的擴增能持續(xù)10代左右[8]。而且隨著細胞的增殖，其細胞性狀和分化潛能并不會改變和喪失[3，6，8，9]。一般認為人的骨髓每毫升有200個左右的間充質(zhì)干細胞，在體外可以倍增30次，那么，細胞總數(shù)將達到最初的十億(230)倍，這相當于數(shù)千升的骨髓。因此，這種易擴增性使得我們只要進行很短時間的培養(yǎng)擴增，就能產(chǎn)生足夠數(shù)量的細胞來填充骨缺損部位。
        骨髓間充質(zhì)干細胞具有良好的骨生成性，其可分離、易培養(yǎng)擴增特性不但很好地解決了骨髓中成骨潛能細胞數(shù)量不足或局部缺乏(萎縮性骨不連)的問題，也解決了骨生成性方面的兩個難題(遷移速度和初始密度)，大幅度縮短骨缺損修復時間。

l 載體的選擇
       當選擇間充質(zhì)干細胞作為骨形成來源時，也應選擇一種合適的細胞載體，并為細胞提供適宜的局部環(huán)境和成骨支架。Goshima曾把細胞直接注入動物體內(nèi)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)沒有骨形成[6]。臨床上也有類似現(xiàn)象，一個較大的新鮮骨缺損的自行修復通常是不完整的，并不能把整個缺損空間填滿。
        理想的載體應該具有良好的生物相容性、骨傳導性、一定的骨誘導性、可生物降解、有利于細胞貼附和血管長入，以及一定的抗負荷能力[1，15]。目前可供選擇的載體可分為兩大類：同種異體骨和人工合成骨，每一類又可細分成數(shù)種。不過最常用的只有兩種，凍干異體松質(zhì)骨和多孔生物陶瓷。
        植入物應當盡可能少地引起宿主排斥和異物反應。炎癥不但阻礙骨形成，而且還會引起細胞死亡。常用的人工合成骨具有良好的生物相容性，尚未見其引起明顯炎癥反應的報道。異體骨會引起一定的免疫排斥反應。目前認為其免疫原性來自于骨組織中的細胞，而非骨基質(zhì)成份。當異體骨經(jīng)過凍干處理后，其抗原性能被降到最低[1]。最近已有研究發(fā)現(xiàn)，通過免疫誘導耐受，能消除或減低宿主對新鮮異體或異種骨的免疫排斥。
       所謂骨傳導性是指載體為新骨形成提供支架的特性。沒有這種支架，新骨很難形成，即使能夠形成，也將是雜亂無章毫無用處的骨組織。骨傳導性取決于植入物內(nèi)在的構(gòu)造。首先必須具有一定的孔隙率，提供足夠的面積供細胞附著，便于血管長入和以后的降解。皮質(zhì)骨移植常不能獲得滿意的骨形成，并遺留下死骨，正是因為其缺乏應有的孔隙率[1]。骨組織只能在那些能保護成骨細胞免受其他組織侵襲(encroachment)的孔隙中形成[21]。另外，孔的大小也會影響成骨活動，過小的孔徑?jīng)]有足夠的空間供細胞生長和營養(yǎng)血管的長入，影響細胞分泌基質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)的滲入。Nade認為孔徑應大于100mm，最好在200-400mm之間[21]，過大的孔徑則會影響載體的力學性能。目前的多孔生物陶瓷已能完全滿足這兩個條件，并可觀察到血管長入和新骨形成[6]，但是它不能滿足骨傳導性另外一個條件--孔隙的連通性。孔隙不相通使得新骨之間不能相互連接，而缺乏連續(xù)性和整合性     (incorporation)，血管常不能進入到這些孔的盲端，因而在這個部位只能形成軟骨樣組織[6，19，22]?？傊?，載體只有具備了類似松質(zhì)骨樣的結(jié)構(gòu)，才能獲得最佳骨傳導性[23]。另外，人工骨只是一種無機材料，缺乏細胞附著所需的整合素和附著性受體等有機物質(zhì)[21]，細胞吸附能力可能要小于天然骨。
        單純的人工骨沒有骨誘導性。當其攜帶間充質(zhì)干細胞植入骨缺損部位時，細胞的分化將依賴于缺損部的局部環(huán)境。問題是骨缺損部位常常不能提供適宜的骨誘導環(huán)境。有人試著把細胞誘導因子結(jié)合到人工骨上[21]，增加其骨誘導性，但是結(jié)合的量非常有限。細胞分化需要許多因子共同參與，單純的一種誘導成份作用有限。目前已知的存在于骨基質(zhì)中的骨誘導物質(zhì)除了TGF-b、BMP、PDGF(血小板衍生生長因子)、IGF(胰島素樣生長因子)、bFGF(堿性成纖維細胞生長因子)外，骨基質(zhì)的其他成份也有骨誘導作用[24，25]，例如，整合素和附著性受體[21]、Ⅰ型膠原[7]等。目前已知冷凍的骨組織仍保留有這些誘導成份，冷凍干燥處理后的情況則有待于證實。
        從上面討論的載體要求來看，最符合要求的首推自體松質(zhì)骨。當自體骨來源受限時，凍干異體松質(zhì)骨可能要優(yōu)于多孔生物陶瓷。目前還沒有見到異體骨做載體的報道，這可能是由于凍干處理不能去掉異體骨可能攜帶的傳染性病毒[26]或供體骨本身的病變[27]。不過只要嚴格選擇供體，可將這種可能性降到最低程度。

l 總結(jié)
         理想的骨移植物應當具備骨生成性、骨傳導性和骨誘導性。當新鮮自體松質(zhì)骨不能滿足臨床需要時，間充質(zhì)干細胞結(jié)合凍干異體骨移植有可能獲得接近于新鮮自體松質(zhì)骨的效果，不僅可以治療骨缺損、骨不連，而且還能加快因成骨細胞不足而愈合緩慢的老年性骨折。但這個推測尚需證實。目前在這一方面還有一系列的問題沒有闡明。例如：
人體細胞特別是這種多潛能增殖型細胞的體外培養(yǎng)是否會改變這些細胞的正常生物學性狀，而使細胞獲得惡性特征？現(xiàn)有的資料都沒能回答這個關(guān)鍵問題。
        另外，間充質(zhì)干細胞目前已經(jīng)能在體外被誘導為成骨細胞。從加快骨形成的要求來看，這種體外誘導的成骨細胞似乎最理想。不過成骨細胞屬于功能型終末細胞，增殖能力和壽命有限[17]，當其凋亡后，局部又會再次出現(xiàn)骨生成性的缺乏。而且這種分化細胞在傳代培養(yǎng)后常常失去其固有的表型屬性(phynotype property)[14]。因此，從兼顧兩者考慮， 部分誘導應該是最佳選擇，而且，已分化的細胞能夠分泌細胞因子，反過來促進間充質(zhì)干細胞的增殖和分化[26]，從而進入一個良性循環(huán)。當然最佳誘導比例也有待于進一步的研究。
        為了最大限度提高局部細胞密度，就要盡可能多的將細胞轉(zhuǎn)移到載體上。這過程中的條件控制同樣有待摸索。
最后，間充質(zhì)干細胞結(jié)合異體骨移植優(yōu)于間充質(zhì)干細胞結(jié)合多孔陶瓷移植只是一種理論上的推測，其實際效果也需要驗證。

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