醫(yī)學(xué)組織工程在骨科臨床中的應(yīng)用

1、醫(yī)學(xué)組織工程在骨科臨床中的應(yīng)用醫(yī)學(xué)組織工程在骨科臨床中的應(yīng)用【關(guān)鍵詞】 醫(yī)學(xué)組織 骨科臨床 組織工程是應(yīng)用工程科學(xué)和生命科學(xué)的原理開發(fā)用于恢復(fù)、維持及提高受損傷組織和器官功能的生物學(xué)替代物的科學(xué)。作為新興的多學(xué)科、多領(lǐng)域的交叉學(xué)科，它所研制的再生組織和器官，是對外科傳統(tǒng)模式的一次挑戰(zhàn)。它的誕生與發(fā)展推動了醫(yī)學(xué)科學(xué)的發(fā)展，也為人類再造各種人體組織和器官、解決棘手的器官移植供體短缺問題帶來了希望1。在動物實驗的基礎(chǔ)上，不少組織工程的研究成果已開始在 臨床上應(yīng)用，治療各種組織器官缺損的修復(fù) ，而且應(yīng)用越來越廣泛。隨著研究的不斷深入，組織工程產(chǎn)物已在骨科臨床收到較 好的效果。1軟骨組織工程軟骨損傷后的

2、自我修復(fù)相當(dāng)困難，目前醫(yī)學(xué)界尚未能找到一種理想的治療方法，是組織工 程的發(fā)展使人們看到了完美修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨損傷的希望。關(guān)節(jié)軟骨組織工程通過生物學(xué)和工程學(xué)的原理和方法構(gòu)建具有生物活性的軟骨組織， 用以修復(fù)、改善關(guān)節(jié)軟骨缺損， 加快關(guān)節(jié)功能的恢復(fù)。通過體外獲取并大量增殖軟骨種子細胞，種植至來源廣泛、可大量生產(chǎn)并可塑形的生物材料上，在體外構(gòu)建成為軟 骨細胞和三維支架復(fù)合物，進而植入體內(nèi)修復(fù)各種關(guān)節(jié)軟骨 缺損。生物材料的來源和其適宜軟骨細胞生長的結(jié)構(gòu)，軟骨種 子細胞來源和加快其增殖等問題便成為關(guān)節(jié)軟骨組織工程 研究中有待解決的兩大關(guān)鍵問題。通過宿主或供體調(diào)控免疫反應(yīng)，可使同種異體細胞成為人們的另一種選擇

3、2 o近年來，組織工程的研究為軟骨缺損的修復(fù)提供了新的 方向。目前用于軟骨修復(fù)的組織工程技術(shù)有四種，軟骨細胞植入或與生物相容性材料復(fù)合植入；具有軟骨細胞分化潛能的細胞群如骨髓基質(zhì)干細胞的植入，骨膜、軟骨膜移植；生物 相容性材料單獨植入或與生長因子復(fù)合植入；經(jīng)基因修復(fù)可表達促修復(fù)因子的細胞的植入。關(guān)節(jié)軟骨的成功修復(fù)需要的必要條件是具有一定數(shù)量的 可以滿足軟骨修復(fù)的細胞群 ；軟骨缺損內(nèi)需充填支架材料 ，使 軟骨缺損得以有組織地修復(fù) ；需要合適的內(nèi)固定方法，既能抗 關(guān)節(jié)活動而不松脫，又不干擾修復(fù)過程。軟骨作為第一種獲得成功的組織工程化組織，也是當(dāng) 前組織工程研究的熱點。采用自體移植，同種異體移植或異

4、種移植以及人工修復(fù)體的方法已使軟骨組織缺損的治療得到很大的改善但是還存在許多問題亟待解決3,其中優(yōu)化種子細胞源是應(yīng)用這一 技術(shù)的前提和關(guān)鍵。2骨組織工程骨缺損是骨科的常見病，是致傷殘的重要因素。骨缺損多采用骨移植的方法治療，以自體骨移植較好，異體或異種骨移植存在免疫排斥及醫(yī)源性感染等問題。近年來，隨著細胞生物學(xué)、分子生物學(xué)以及生物材料科 學(xué)的發(fā)展，骨組織工程作為一門新興的交叉學(xué)科在其研究和 應(yīng)用方面取得了長足進步，為骨缺損修復(fù)帶來美好的前景。自從成骨細胞體外分離培養(yǎng)成功，已經(jīng)有大量的人工骨的研究問世。骨組織工程發(fā)展迅速，通過用骨組織工程的原則和方法得 到的骨組織，不僅可以解決脊柱融合問題 ，對

5、骨缺損、難愈合 的骨折、骨質(zhì)疏松等的治療都有臨床應(yīng)用價值。骨組織工程常用的方法是將誘導(dǎo)成骨因子與支架材料在體外復(fù)合后植入體內(nèi)，通過誘導(dǎo)成骨因子發(fā)揮誘導(dǎo)作用，增加成骨細胞的數(shù)量，促進新骨形成，也可體外培養(yǎng)擴增的成 骨系細胞，在體外種植于適宜的支架載體后再植入人體內(nèi)骨 缺損的部位。骨組織工程學(xué)的種子細胞主要是采用骨膜的成骨細胞和骨髓基質(zhì)干細胞。取材于骨膜的成骨細胞原代細胞數(shù)目多，細胞易定向分化 成骨能力強，植入體內(nèi)能較快地形成新骨 ，是骨組織工程研究 的常用的種子細胞之一 4 o生物活性陶瓷是目前廣泛應(yīng)用的骨替代材料之一。這些材料有良好的生物相容性，耐磨,彈性模量接近骨骼可制成多孔結(jié)構(gòu)。通過加入金

6、屬纖維或與生物高分子材料復(fù)合物等增加韌 性、強度的處理，可具有常規(guī)陶瓷不可比擬的優(yōu)點 ，如強度高、 韌性好、表面光潔等?？紤]到無機類材料、合成聚合物材料、天然聚合物材料 的優(yōu)缺點，將三者通過合適的方法組合成復(fù)合材料，取長補 短，模擬天然骨基質(zhì)組成成份，將多種生長因子緩釋系統(tǒng)引 入材料，并模擬其在體內(nèi)釋放的時間、空間順序，實現(xiàn)骨組 織工程支架的仿生化，促進成骨細胞的粘附、增殖和分化， 發(fā)揮最佳成骨能力是未來骨組織工程基質(zhì)的研究方向5 o近期以完全脫鈣骨及部分脫鈣骨修復(fù)骨缺損的臨床研究重點多在人顱面骨缺損的修復(fù)彳艮少涉及長骨骨不連及骨囊腫的治療。骨形成是一個十分復(fù)雜的過程 ，在眾多的影響因素中 生

7、長因子的作用十分重要。目前，在已經(jīng)確定對骨形成有明顯作用的生長因子有骨形 態(tài)發(fā)生蛋白、胰島素樣生長因子、轉(zhuǎn)化生長因子-B等。其中骨形態(tài)發(fā)生蛋白是發(fā)現(xiàn)最早、研究最多的對成骨作用最為肯定的生長因子。經(jīng)過大量動物實驗證實，骨形態(tài)發(fā)生蛋白具有強大的促 成骨活性，能夠誘導(dǎo)間充質(zhì)細胞不可逆地分化為骨、軟骨組織6 o基于骨形態(tài)發(fā)生蛋白的安全性和高效誘導(dǎo)成骨活性被越 來越多的實驗所證實，在一些國家骨形態(tài)發(fā)生蛋白已進入大 規(guī)模的臨床實驗階段，但是其有效性和安全性尚需大量的臨 床試驗去進一步證實。呂剛醫(yī)學(xué)組織工程在骨科臨床中的應(yīng)用遼寧醫(yī)學(xué)院學(xué)報2009年12月，306 3人工關(guān)節(jié)置換骨骼是支撐人體的最重要組織，也

8、是人類實現(xiàn)一切運動機能的基礎(chǔ)，而關(guān)節(jié)則 是連接骨骼的重要結(jié)構(gòu)。人體各部分能夠自由活動，把大腦的指揮付諸實施都離不開骨骼與關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)作用。如果骨骼關(guān)節(jié)系統(tǒng)受到侵損，造成關(guān)節(jié)病變，就會影響 關(guān)節(jié)的正常功能，給患者的生活和工作帶來極大的不便。人工關(guān)節(jié)是骨科領(lǐng)域在二十世紀取得的最重要進展之 一，它使過去只能依賴拐杖行走，甚至殘疾的關(guān)節(jié)病患者實 現(xiàn)行走自如的夢想。人工關(guān)節(jié)置換術(shù)歷經(jīng) 40余年的發(fā)展，現(xiàn)已成為治療嚴重 的虢、膝關(guān)節(jié)疾病的臨床標準手術(shù)之一。隨著人均壽命增加，股骨頸骨折的發(fā)病率日趨增高，并逐漸對醫(yī)療、社會等提由重大挑戰(zhàn)目前我國已經(jīng)進入老齡 化社會，患病人數(shù)呈逐年迅速增長的趨勢。近年來髓關(guān)節(jié)病變

9、及股骨頭壞死等癥在30多歲的年輕人中呈多發(fā)趨勢，輕者行動不便，嚴重者則喪失行走能力，被喻為骨科癌癥人工關(guān)節(jié)置換術(shù)通過手術(shù)重建一個功能接近正常的關(guān)節(jié)，來替代已徹底惡化了的生理關(guān)節(jié)，實現(xiàn)人體關(guān)節(jié)的全部或部分功能7 o經(jīng)過30余年的臨床驗證，采用人工關(guān)節(jié)治療虢、膝關(guān)節(jié) 病療效顯著，因此人工關(guān)節(jié)置換術(shù)被稱為是治療關(guān)節(jié)疾病的 革命性進展。目前人工關(guān)節(jié)已廣泛應(yīng)用于治療肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕 關(guān)節(jié)、指間關(guān)節(jié)、髓關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)以及踩關(guān)節(jié)等的疾病，其 中以髓關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)置換最為普遍，已廣泛在臨床上應(yīng)用。老年股骨頸骨折的治療目的是使患者在沒有并發(fā)癥的前 提下盡早恢復(fù)到傷前的活動狀態(tài)，因此，選擇恰當(dāng)?shù)闹委煼?法以減少并發(fā)

10、癥并使患者早日恢復(fù)顯得尤為重要。人工虢關(guān)節(jié)置換手術(shù)方法簡單、快速、安全，任何事物都有其兩面性，人工假體的生現(xiàn)解決了很多以前不能實現(xiàn)的 難題，但有再移位、骨不連、股骨頭缺血壞死、感染、松動， 脂肪栓塞，下肢深靜脈血栓等并發(fā)癥，使再手術(shù)率升高8而人工虢關(guān)節(jié)置換雖然可一次性解決內(nèi)固定帶來的并發(fā) 癥，但隨著患者生存率提高，也由現(xiàn)了虢臼磨損、假體松動 下沉、異位骨化、假體周圍骨折、深部感染致假體失效等并 發(fā)癥。假體周圍細胞的具體生物學(xué)行為及其影響因素，影響假 體-骨界面骨整合率的因素等問題仍尚待解決。4脊柱人工間盤的應(yīng)用脊柱人工間盤植入堅強固定技術(shù)大大提高脊柱手術(shù)的成功率，但堅持固定同時帶來了 相關(guān)的問

11、題，內(nèi)固定的應(yīng)力遮擋會引起錐體骨塊疏松及融合 的相鄰節(jié)段蛻變速率加快也同樣引起了專家的重視。鄰近節(jié)段應(yīng)力及活動增加是發(fā)生退變的生物力學(xué)基礎(chǔ)。 而更加符合人體生物力學(xué)的生物學(xué)固定已應(yīng)用于臨床。但因其適應(yīng)癥較窄，置入的單節(jié)段人工髓核是否能夠長 期保持髓核生物力學(xué)上的功能，并保持與軟骨板之間的代謝 活動有待觀察。人工間盤置換治療頸椎間盤疾患已經(jīng)取得了較好臨床效 果。其減壓徹底、癥狀緩解明顯，并于近期觀察有效保留了 運動節(jié)段。同時腰椎后路動態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)，包括椎間應(yīng)力分散系統(tǒng)， 棘突間韌帶裝置等應(yīng)用于臨床，具特點是以椎弓根螺釘為主 要構(gòu)件，輔以具有動態(tài)和柔性的連接裝置。其意義在于更穩(wěn)定脊柱的同時又保留了

12、椎間盤纖維環(huán)后 部及小關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性，從而可以預(yù)防鄰近節(jié)段的退 變。但其應(yīng)用價值還有待大量、長期的臨床隨訪結(jié)果的檢驗 和證實。近些年，前路減壓人工間盤植入術(shù)已成為解除頸脊髓 和頸神經(jīng)根受壓的主要治療方式，其手術(shù)效果良好，能很好 地解除脊髓、神經(jīng)根受壓、穩(wěn)定了病變頸椎 9。這種手術(shù)在技術(shù)上要求更精確、適應(yīng)癥范圍更廣、假體 的制作更加仿生，同時臨近節(jié)段椎間盤退變的原因以及處理 方式也會進一步明確。下腰痛是困擾骨科臨床治療的一大頑癥，發(fā)病率很 局。腰椎間盤退變是其主要的原因，腰椎間盤一旦開始退變， 則難以逆轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的治療方法，包括保守治療和手術(shù)治療，雖然可在 一定程度上緩解由椎間盤退變引起的臨床

13、癥狀，但卻不能根 本解決問題，理想的外科治療方法是修復(fù)，而椎間人工間盤 植入術(shù)是代替而非修復(fù)。組織工程的興起及其技術(shù)在臨床不同領(lǐng)域的應(yīng)用，為椎 間盤退變疾患的治療帶來了新的思路。總之，組織工程技術(shù)提供了一種代替失去功能的退變的椎間盤組織的可能性。但組織工程在椎間盤領(lǐng)域的研究仍有很多問題是未知的；椎間盤退變的確切機制尚待進一步研究。5展望 組織工程在臨床治療中的廣闊應(yīng)用前景 已顯而易見。但總體上講，組織工程研究仍處于起步階段，目前僅僅是走通了應(yīng)用組織工程技術(shù)修復(fù)臨床簡單組織缺損這條路，還有許多制約組織工程應(yīng)用與發(fā)展的基本科學(xué)問題沒有闡明 如組織工程骨臨床應(yīng)用種子細胞的獲取和誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化技術(shù)流程的建立

14、；在目前臨床應(yīng)用的初步實驗階段應(yīng)謹慎地選擇病 例，不能在不具備條件的情況下無原則地擴大治療適應(yīng)證等等10 O我國骨組織工程研究在很多方面處于國際領(lǐng)先地位，且正面臨一個前所未有的發(fā)展時機。臨床應(yīng)用所獲得的良好結(jié)果，必將反過來推動基礎(chǔ)研究的 深入進行，基礎(chǔ)研究的成果又為進一步臨床應(yīng)用提供可靠的 依據(jù)，并使臨床應(yīng)用具有更好的安全性及可靠性?？梢灶A(yù)見，在今后不太長的時間內(nèi) ，將會有更多的組織工 程植入物為創(chuàng)傷提供修復(fù)材料。，才能真正實現(xiàn)組織工只有系統(tǒng)地闡明組織工程化組織形成、成熟及體內(nèi)轉(zhuǎn)歸 過程中的一系列重要問題和內(nèi)在機制程的臨床應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化?！緟⒖嘉墨I】1楊志明.組織工程M.北京化學(xué)工業(yè)由 版社現(xiàn)代

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