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编号:10500400
去抗原牛松质骨块/bBMP复合材料修复兔长骨骨缺损
http://www.100md.com 《第四军医大学学报》 2000年第1期
     去抗原牛松质骨块/bBMP复合材料修复兔长骨骨缺损

    罗卓荆 胡蕴玉 王茜

    摘 要:目的 探讨大块异种骨的制备及其在修复节段性骨缺损中的作用. 方法 将大块的牛松质骨制备成消除抗原性的载体,与牛骨形态发生蛋白(BMP)组合构成去抗原牛松质骨块/bBMP复合材料.采用兔桡骨15mm节段性骨缺损模型,研究去抗原牛松质骨块/bBMP复合材料在修复骨缺损中的作用. 结果 组织学见术后4wk宿主结缔组织长入植入材料内部骨小梁间,并有岛状新生软骨、骨组织形成;术后8wk新生软骨、骨增大并融合成片;术后12wk新骨改建成熟,巨噬细胞、破骨细胞吞噬、分解植入材料;术后16wk初期管状骨结构形成,骨髓腔再通;术后20wk骨缺损完全愈合,形成正常骨干结构,骨髓腔再通.X线检查示术后去抗原牛松质骨块/bBMP复合材料组成骨量大,新骨改建、成熟迅速. 结论 去抗原牛松质骨块/bBMP复合材料通过骨诱导和骨传导方式发挥骨缺损的修复作用,是一种较为理想的、具有高效成骨活性的植骨材料.
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    关键词:生物相容性材料;骨移植;骨愈合

    0 引言

    骨移植术是目前临床修复长骨节段性骨缺损最常采用的方法,由于供给骨移植的自体骨取材 十分有限,使得骨移植替代材料的研究成为骨科长期以来的重点课题[1,2]. 我们 将大块牛 松质骨经系列化学处理,制备成消除抗原性的载体. 从牛皮质骨中提取具有诱导成骨活性的 骨形态发生蛋白(BMP). 再将二者组合构成去抗原牛松质骨块/bBMP复合材料. 我们采用兔 长骨节段性骨缺损模型,研究去抗原牛松质骨块/bBMP复合材料在修复骨缺损中作用.

    1 材料和方法

    1.1 材料 将牛肱骨上端松质骨 取材10 mm×20 mm×30 mm,经50 ℃水洗,氯仿甲醇脱脂,过氧化氢浸渍,部分脱钙,冻干处理. 按Urist 方法从牛 皮质骨中提取牛BMP[1],二者在-93.3 kPa下组装复合,环氧乙烷消毒制备去抗原 牛松质骨块/bBMP复合材料备用[3].
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    1.2 方法 选用新西兰大耳白兔50只,体质量2. 2~2.5 kg,雌雄不限,其中40 只行双侧桡骨中段15 mm骨、骨膜截骨,其左侧为实验组,骨缺损处植入去抗原牛松质骨块/ bBMP复合材料;右侧为实验对照组,植入去抗原牛松质骨块. 另10只兔双侧桡骨骨缺损均不 植入任何材料为空白对照组. 严密缝合伤口,不做内、外固定. 分笼喂养,自由活动. 术后 4,8,12,16,20 wk分别随机取材实验组、实验对照组8只,空白对照组2只(4个标本).

    1.2.1 X线检查 各动物于取材时间,行双侧尺、桡骨的正位X线片检查,观察各 组间及不同术后时间的骨缺损愈合情况.

    1.2.2 组织形态学观察 取材标本经固定,包埋,切片,HE染色,丽春红 三色染色,光镜下观察.

    1.2.3 计算机图像分析 ①修复性新骨的面积检测∶取4,8,12,16,2 0 wk的实验组及 实验对照组的HE染色组织切片,低倍镜下采集图像,包括完整的骨缺损区域,采用Photosho p软件的histogram功能,分析统计新生骨(包括钙化基质、类骨质、编织骨、板层骨及骨髓 腔)在骨缺损区域的所占面积(像素数pixels)的变化,采用t检验处理检测数据. ②新骨 成 熟的动态分析∶取4,8,12,16,20 wk的实验组及实验对照组的丽春红三色染色组织切片 ,低倍镜下采集显微图像,采用Photoshop软件的histogram功能,分析统计在术后不同时期 骨标本中软骨与成熟骨之比的动态变化.
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    2 结果

    2.1 大体标本观察 20 wk取材标本,实验组新骨较膨大,8例标本骨缺损均 获得完全的 骨性修复,新骨表面光滑,其侧方有较多进入新骨的血管滋养孔(Fig 1). 实验对照组标本 ,8例标本中有4例获得新骨桥接骨缺损,但新骨骨干较原正常桡骨略细. 空白对照组为骨不 连.

    图1 实验组术后20 wk,骨缺损获得骨性修复,新骨表面有较多血管滋养孔

    Fig 1 20 wk postoperation, the defect had been bony repaired, and a lot of nourich vein hole could be identified on the surface of the new bone
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    2.2 X线检查 实验组,术后4 wk植入材料纹理模糊,密度降低,骨端有骨 痂;术后8 wk 植骨有点、片状密度增强;术后12 wk植骨区大量新骨形成,密度增强;术后16 wk新骨桥接 骨缺损,密度均匀,形成连续性的骨皮质;术后20 wk 8例标本新生骨皮质结构清晰,与原 宿主骨自然连接,骨髓腔形成,再通,新骨直径较原桡骨略粗大(Fig 2). 实验对照组,术后4 wk植骨纹理模糊,密度无明显变化;术后8 wk骨端骨痂生长;术后 12 w k材料密度降低;术后16 wk两端新骨向中心生长,骨缺损范围减小;术后20 wk 8例中有4例 骨缺损获得骨性桥接,但新骨中央略细. 另4例骨不连. 空白对照组,术后各时间点,均未见骨性愈合,骨不连.

    图2 实验组术后20 wk X线检查

    Fig 2 20 wk postoperation, radiography showed the repairment after imp la nted with bovine cancellous bone/bBMP composite graft(L), bovine cancellous bone (M), and control (R)
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    2.3 组织学观察 实验组,术后4 wk宿主结缔组织长入植 入材料内部骨小梁间,并有岛状 新生软骨、骨组织形成(Fig 3);术后8 wk新生软骨、骨增大并融合成片;术后12 wk新骨改 建成熟(Fig 4),巨噬细胞、破骨细胞吞噬、分解植入材料;术后16 wk初期管状骨结构形成 ,骨髓腔再通;术后20 wk骨缺损完全愈合,形成正常骨干结构,骨髓腔再通(Fig 5). 实验对照组,术后4 wk疏松结缔组织长入植入材料内,术后8,12,16 wk两端骨痂向中 央区 生长,术后20 wk 8例中有4例骨缺损由新骨修复,部分植入材料残留,另外4例骨缺损未获 完全修复,骨不连. 空白对照组,各时间点,均未见骨缺损获得骨性修复,骨不连.

    图3 实验组术后4 wk,大量软骨、骨形成,呈散在岛状

    Fig 3 4 wk postoperation, histomorphomentry showed the foundation of a bundant chondral and new bone islands HE ×60
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    图4 实验组术后12 wk,幼稚新骨改建为成熟板层骨

    Fig 4 12 wk postoperation, modification procedure to matural bone HE ×100

    图5 实验组术后20 wk,塑形改建完成的皮质骨及骨髓腔

    Fig 5 20 wk postoperation, the cortical bone and matural medullary can al occurred HE ×80

    2.4 组织切片的计算机图像分析

    2.4.1 修复性新骨面积的检测结果 术后4,8,12,16,20 wk时修复性新骨占 原骨缺损面积百分值见Fig 6. 在术后各个时间点实验组、实验对照组2组修复性新骨面积百分值经t检验统 计处理,2组 新骨面积百分值在4,8,12,16,20 wk时均有显著性差异. 实验组随着术后时间的延长,修复性新骨迅速生长,新骨骨量由术后4 wk占骨缺损面积的11 .1%,上升到术后20 wk的109.1%时所形成的修复性新骨增加8.8倍. 在所观测的5个时间 点中,各时间点间的平均新骨面积百分值经方差分析处理,发现有显著性差异(P<0.01) ,术后20 wk时新骨面积已超过原骨缺损面积.
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    图6 术后不同时期实验组、实验对照组修复性新骨占骨缺损面积百分比

    Fig 6 The proportion of the repairing bone to the defect after implanting (n =8)

    2.4.2 实验组新骨成熟的动态分析 实验组不同时期丽春红三色染色组 织切片,骨缺损修 复性新骨中成熟骨(红色)与软骨(蓝色)面积之比见Fig 7. 数据经方差分析方法处理,在实 验组术后的各个时间点间成熟骨与软骨所占面积比例有显著性差异(P<0.05或P<0. 01),随着 观察时间的延长,成熟骨在修复性新骨中所占的比例越来越大,其骨/软骨比由术后4wk的0. 3上升到术后2wk的4.8.

    图7 新生骨中骨(红色)与软骨(蓝色)面积之比
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    Fig 7 The proportion of matural bone (red) to cartilage (blue) after implanting of bovine cancellous bone block/ bBMP composite graft (n=8)

    3 讨论

    创伤、感染、先天性假关节及肿瘤的切除均可造成长骨骨骼的大范围的缺失,常导致骨不连 ,将严重影响肢体的功能. 骨移植术是最常采用的治疗手段. 自体骨移植,取骨术将给供骨 区骨骼造成额外的损伤,且取骨量也十分有限. 异体骨取材相对容易,但异体间移植存在传 播严重传染病的危险,并存在移植的免疫排斥反应. 除带有血运的自体骨移植外,其他植骨 在受区均缺血坏死,随后逐渐被吸收. 同时新骨形成并逐步从周围的活骨长入植骨内部, 最终完成“爬行替代”过程. 因此从某种意义上说,植骨在体内局部一般仅发挥传导成骨的 作用[3].
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    Urist等[1]人提出诱导成骨理论以后,人们已认识到以BMP为首的一系列骨生长因 子在骨的发生 、再生、修复、改建、代谢中发挥极其重要的作用[4,5],为新型植骨材料的研 究开拓了 一个新的领域. 动物实验及初步临床应用表明,合理使用外源性生长因子能加快组织损伤的 愈合,促进组织在结构和功能上更快更佳地恢复. BMP的主要生物学作用是诱导未分化的间 充质细胞分化形成软骨和骨,但单独局部使用BMP疗效并不理想,其主要原因是多肽生长因 子在局部很快被稀释,分解,吸收,不能长久有效地刺激靶细胞,因此,将BMP与各种形式 的载体复合应用是临床应用前期研究的重要课题.

    天然骨主要由决定其力学性能的羟基磷灰石纳米晶体和Ⅰ型胶原构成,具有天然多孔结构, 微孔大小形状规则,适宜于细胞调节因子的组装及新生骨组织细胞的长入. 异种骨具有来源 丰富,价格低廉,便于储存的特点,但移植后发生剧烈的免疫排斥反应,阻碍了异种骨移植 的应用.
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    我们采用系列的化学方法去除牛松质骨的主要抗原物质,消除其抗原性[6],与B MP组合后 应用于修复兔桡骨骨缺损. 实验结果表明,单独使用去抗原的牛松质骨载体,骨缺损的修复 呈传导性成骨方式,新骨由植骨两端向其中心长入,最终有部分骨缺损获得骨性愈合;而植 入复合BMP后,其骨缺损修复过程发生了明显的变化,诱导成骨成为骨再生的主要形式. 在 去抗原牛松质骨块/bBMP复合材料植入的早期,材料内部出现大量的软骨、幼稚骨. 术后12 wk新骨基本成熟,并开始改建. 术后20 wk时新骨的结构与原宿主骨在X线检查及病理学表现 上均基本相同. 计算机图像分析结果显示,去抗原牛松质骨块/bBMP复合材料组成骨量及新 骨改建速度均明显高于去抗原牛松质骨块组,随着新骨的形成、成熟,植入的牛松质骨载体 材料逐渐被分解、吸收,由新骨所代替.

    研究结果提示,去抗原牛松质骨块/bBMP复合材料通过骨诱导和骨传导二种方式发挥骨缺损 的修复作用,是一种较为理想的、具有高效成骨活性的植骨材料.
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    基金项目:陕西省自然科学基金资助课题(97SM57)

    作者简介:罗卓荆(1964-),男(汉族),湖北省荆州市人. 副教授、副主任医师,博士. Tel.(029)3375288 Email. zjluo@fmmu.edu.cn

    罗卓荆(第四军医大学:西京医院全军 骨科研究所,陕西 西安 710033)

    胡蕴玉(第四军医大学:西京医院全军 骨科研究所,陕西 西安 710033)

    王茜(第四军医大学:基础部病理学教研室,陕西 西安 710033)

    参考文献

    [1]Urist MR, Delange RJ, Finerman GA. Bone cell differentiation and growth factors [J]. Science, 1983;220(4598):680-686.
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    [2]Cook SD, Baffes GC, Wolfe MW et al. Recombinat human bone morphogenetic protein-7 induces healing in a canine long-bone segmental defect model [J]. Clin Orthop, 1994;301:302-312.

    [3]陆裕朴. 实用骨科学[M]. 北京: 人民军医出版社,1991: 313-332.

    [4]Cook SD, Rueger DC. Osteogenic protein-1: Biology and applications [J]. Clin Orthop,1996;324:29-38.

    [5]Linde A, Hedner E. Recombinant bone morphogenetic protein-2 enhances bone healing, guided by osteopromotive e-PTFE membranes: An experimental study in rats [J]. Calcif Tissue Int, 1995;56(6):549-553.

    [6]罗卓荆, 胡蕴玉, 王 茜et al. 去抗原异种松质骨移植的免疫反应研 究[J]. 中华外科杂志,1997;35(11):690-693., http://www.100md.com