淺論醫(yī)學(xué)組織工程在骨科臨床中的應(yīng)用

淺論醫(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(shí)驗(yàn)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(xì)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(xì)胞和三維支架復(fù)合物，進(jìn)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(xì)胞生長的結(jié)構(gòu)，軟骨種子細(xì)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(xì)胞成為人們的另一種選擇。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(xì)胞植入或與生物相容性材料復(fù)合植入;具有軟骨細(xì)胞分化潛能的細(xì)胞群(如骨髓基質(zhì)干細(xì)胞)的植入,骨膜、軟骨膜移植;生物相容性材料單獨(dú)植入或與生長因子復(fù)合植入;經(jīng)基因修復(fù)可表達(dá)促修復(fù)因子的細(xì)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(xì)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(diǎn)。采用自體移植，同種異體移植或異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，其中優(yōu)化種子細(xì)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(xì)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(jìn)步，為骨缺損修復(fù)帶來美好的前景。自從成骨細(xì)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(xì)胞的數(shù)量,促進(jìn)新骨形成,也可體外培養(yǎng)擴(kuò)增的成骨系細(xì)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(xì)胞主要是采用骨膜的成骨細(xì)胞和骨髓基質(zhì)干細(xì)胞。取材于骨膜的成骨細(xì)胞原代細(xì)胞數(shù)目多,細(xì)胞易定向分化,成骨能力強(qiáng),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(xì)胞之一。

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)。通過加入金屬纖維或與生物高分子材料復(fù)合物等增加韌性、強(qiáng)度的處理,可具有常規(guī)陶瓷不可比擬的優(yōu)點(diǎn),如強(qiáng)度高、韌性好、表面光潔等。考慮到無機(jī)類材料、合成聚合物材料、天然聚合物材料的優(yōu)缺點(diǎn)，將三者通過合適的方法組合成復(fù)合材料，取長補(bǔ)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(shí)現(xiàn)骨組織工程支架的仿生化，促進(jìn)成骨細(xì)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。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(diǎn)多在人顱面骨缺損的修復(fù),很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-β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(shí)驗(yàn)證實(shí)，骨形態(tài)發(fā)生蛋白具有強(qiáng)大的促成骨活性，能夠誘導(dǎo)間充質(zhì)細(xì)胞不可逆地分化為骨、軟骨組織?；诠切螒B(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(shí)驗(yàn)所證實(shí)，在一些國家骨形態(tài)發(fā)生蛋白已進(jìn)入大規(guī)模的臨床實(shí)驗(yàn)階段,但是其有效性和安全性尚需大量的臨床試驗(yàn)去進(jìn)一步證實(shí)。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，30(6)

3人工關(guān)節(jié)置換

骨骼是支撐人體的最重要組織，也是人類實(shí)現(xiàn)一切運(yùn)動機(jī)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(shí)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(jì)取得的最重要進(jìn)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(shí)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(yán)重的髖、膝關(guān)節(jié)疾病的臨床標(biāo)準(zhǔn)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、社會等提出重大挑戰(zhàn)：目前我國已經(jīng)進(jìn)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(yán)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(shí)現(xiàn)人體關(guān)節(jié)的全部或部分功能。經(jīng)過30余年的臨床驗(yàn)證,采用人工關(guān)節(jié)治療髖、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(jìn)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)闹委煼椒ㄒ詼p少并發(fā)癥并使患者早日恢復(fù)顯得尤為重要。人工髖關(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，人工假體的出現(xiàn)解決了很多以前不能實(shí)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。而人工髖關(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，也出現(xiàn)了髖臼磨損、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(xì)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(jiān)強(qiáng)固定技術(shù)大大提高脊柱手術(shù)的成功率，但堅(jiān)持固定同時帶來了相關(guān)的問題，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(yùn)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，其特點(diǎn)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(yàn)和證實(shí)。

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。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(jìn)一步明確。

下腰痛是困擾骨科臨床治療的一大頑癥，發(fā)病率很高。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?？傊M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(jī)制尚待進(jìn)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(xì)胞的獲取和誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化技術(shù)流程的建立;在目前臨床應(yīng)用的初步實(shí)驗(yàn)階段應(yīng)謹(jǐn)慎地選擇病例，不能在不具備條件的情況下無原則地擴(kuò)大治療適應(yīng)證等等[10]。

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(jī)。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(jìn)行,基礎(chǔ)研究的成果又為進(jìn)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。可以預(yù)見,在今后不太長的時間內(nèi),將會有

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