不同骨病環境中骨再生的組織工程治療策略

肖傲 李凱

骨是由細胞、纖維和細胞外基質組成的堅硬礦化組織，在人體內發揮承重、造血、參與血鈣代謝、保護重要臟器的功能，此外其作為肌肉、韌帶的附著點，還具有維持運動功能完整性的作用[1]。與體內其他組織相比，骨具有較強的再生能力，當損傷較小時往往能自我修復[2]。但是，當出現超過骨再生限度的較大骨缺損或骨再生能力受損時，骨的修復能力則十分有限[3-4]。目前，治療骨缺損的方法主要是自體或異體骨移植。然而，相對于骨再生的大量需求，供體數量尚無法滿足，同時這些手術伴隨著自身免疫反應或繼發感染等風險，極大限制了其實際應用[5]。為此，許多學者迫切希望尋求安全可行的骨修復替代治療方案。

組織工程學通過協調細胞、支架和信號分子來達到誘導組織再生的目的[3]。近年來，隨著該領域技術的不斷發展，骨組織工程已逐漸成為一種有潛力的骨再生途徑[6-7]。但需要注意的是，與健康環境中的骨修復相比，各種骨病環境常導致骨修復受限或骨再生不足[3]，在骨修復同時必須克服組織感染、腫瘤細胞侵蝕或局部血液循環障礙等不利因素的影響。迄今，許多學者進行了相關研究，并提出各種組織工程治療方案，本文就不同骨病環境中骨缺損的組織工程治療策略進行綜述。

1 骨髓炎相關骨缺損

骨髓炎常因機體其他部位的感染性病灶經血液傳播或開放性骨折等原因導致[8]，是以骨質破壞為特征的炎癥性疾病[9]，不恰當或不及時的治療可能使病程由急性轉為慢性，進一步誘發較大骨缺損甚至病理性骨折的發生。骨髓炎的治療主要包括應用抗菌藥和清創，但長期高劑量使用抗菌藥物會導致耐藥菌出現[10]，而清創又會導致較大骨缺損甚至進一步誘發病理性骨折。因此，骨髓炎導致的骨缺損再修復治療通常具有挑戰性[11]。

采用骨組織工程方案治療骨髓炎相關骨缺損時，許多學者首選將支架材料作為抗生素載體植入感染性骨缺損部位，目前已開發出多種可行性較高的復合支架。Wang 等[12]成功開發負載萬古霉素的半水硫酸鈣/納米羥基磷灰石（nHA）/羧甲基殼聚糖可注射水凝膠支架，將其聯合經細胞片技術制備的含細胞外基質和生長因子的骨髓間充質干細胞（BMSC）片，共同植入慢性骨髓炎動物模型中。結果顯示，植入負載萬古霉素的水凝膠支架與植入負載萬古霉素聯合BMSC 的水凝膠支架均取得滿意的骨再生效果和感染控制效果，而后者的骨重建效率更高、骨形態更好。他們的研究表明，這種新型可注射水凝膠支架可作為抗生素載體及BMSC 支架應用于慢性骨髓炎的治療。

類似的支架設計還有很多。Zhao 等[13]通過靜電紡絲技術將搭載萬古霉素的沸石咪唑酯骨架-8納米顆粒與聚乙烯醇聯合，制備出仿細胞外基質的電紡納米纖維膜。沸石咪唑酯骨架-8 為一種具有較高比表面積及高孔隙率的金屬有機骨架，是合適的藥物載體，且可在細菌感染的弱酸性環境中發生裂解，實現藥物控釋[14]。他們的體外實驗研究顯示，該復合支架表現出良好的抗菌性能，并成功促進了小鼠胚胎成骨細胞前體細胞的擴散[13]。由Wang 等[15]制備的負載左氧氟沙星的介孔二氧化硅納米顆粒/nHA/聚氨酯復合支架在慢性骨髓炎動物模型中同樣表現出優秀的感染性骨缺損再生效率。此外，介孔二氧化硅納米顆?？勺鳛閜H響應性生物材料，被廣泛用于藥物傳輸體系的研究[16]。

盡管將抗生素引入骨組織工程支架可以取得較為理想的結果，但抗生素對載藥平臺的要求較高，制作也較為復雜，因此許多學者將注意力轉向一些具有抗菌屬性的生物材料，希望將其作為抗生素替代物發揮作用，同時減少細菌耐藥性的發生。研究已證實，納米銀具有廣譜抗菌性能和最小的細菌耐藥性[17]，將納米銀引入組織工程支架可能是抑制骨感染的有效途徑。Paterson 等[18]通過靜電紡絲技術將含銀的nHA 顆粒和聚己內酯共同制備成復合支架，并對該支架進行生物實驗研究。他們發現，該支架能有效抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，同時也能增強間充質干細胞向成骨細胞的分化。此外，絲膠蛋白、氧化鈣納米顆粒、銅基生物材料等均被證實具有抗菌特性[19-21]。Kundu 等[10]制備了銅/絲膠蛋白金屬有機骨架，該支架在發揮抗菌作用的同時，還以劑量依賴的方式表現出細胞相容性和成骨活性。

引入天然抗菌劑的設計策略可能適合于骨髓炎的治療，相較于單純使用抗生素，這種策略可以減輕人體對抗生素的依賴。

2 骨腫瘤相關骨缺損

惡性骨腫瘤和轉移性骨腫瘤的臨床預后通常較差，為了提高患者生存率，不同治療策略（如手術、重建、化療、放療等）是必不可少的。盡管如此，由于耐藥性、手術后腫瘤復發、治療的不良反應和腫瘤切除后骨再生受損等限制，這些治療方案的有效性已經達到平臺期。對于由腫瘤自身侵蝕或手術切除等導致的骨缺損，組織工程因其組織再生方案設計的靈活性引起學者們關注[22-23]。

有學者研究發現，腫瘤相關骨缺損的組織工程治療策略具有以下優勢：第一，組織工程支架可作為骨替代物植入缺損部位，為肢體提供機械支撐的同時，還為組織再生創造空間；第二，支架可通過攜帶免疫調節劑或抗原提呈細胞，加強免疫系統對腫瘤細胞的抵抗；第三，支架也可在局部捕獲腫瘤細胞，從而減少或延遲腫瘤復發，延長預期生存時間[24]?？梢?，相較于傳統治療，骨組織工程用于治療腫瘤相關骨缺損時，其短期療效和遠期預后都有較大優勢。

對于具體的策略設計，學者們主要考慮將腫瘤的局部治療技術與具有成骨分化潛力的生物材料聯合起來，共同制備符合預期結果的生物支架。Tavares 等[25]將超順磁性氧化鐵納米顆粒添加到羥基磷灰石/殼聚糖/聚乙烯醇中，制備成復合功能支架。對該支架的性能進行測定后發現，其能顯著刺激細胞的黏附、增殖以及堿性磷酸酶表達，同時還表現出通過磁熱療抑制腫瘤細胞的可能性，表明這種設計策略在腫瘤相關骨缺損治療中具有可能的實施價值。

光熱療法是近年來治療腫瘤的新方法，其利用具有較高光熱轉換效率的光熱劑，在外部光源（一般是近紅外光）照射下將光能轉化為熱能，進一步殺滅腫瘤細胞[26]。鍶（Sr）、銅（Cu）及硅（Si）等生物活性離子具有增強骨缺損部位血管化及骨再生的作用[27]。Yang 等[28]將光熱轉化劑CaCuSi4O10納米片經3D 打印技術與聚己內酯共同制備成復合支架。他們發現，該支架既可以通過光熱治療促進腫瘤細胞消亡，也能夠促進大鼠BMSC 和人臍靜脈內皮細胞的增殖和成骨分化。光熱轉化劑二維超薄碳化鈮（Nb2C）MXene 納米片，具有較高的組織穿透深度，能夠高效殺傷腫瘤細胞，而生物降解后釋放的鈮也可以明顯促進缺損部位血管的新生和遷移[29]。Yin 等[30]將這種光熱轉化劑納米片集成到3D 打印的生物活性玻璃支架中，經體內研究發現，使用該復合支架可明顯殺死腫瘤細胞，并能刺激局部組織血管化及骨再生，血管與骨結構的耦合更是有利于支架逐漸降解后大型骨缺損的快速修復。這類具有抑制腫瘤進展及局部促進骨重建的雙功能光熱轉化劑納米片為腫瘤相關骨缺損治療提供了更多選擇。

3 骨壞死相關骨缺損

缺血性骨壞死通常由創傷、糖皮質激素治療、長期大量飲酒、減壓病或高脂血癥引起[31]，是骨科的嚴重疾病之一。骨組織缺乏血供時，骨細胞活性也會相應降低，這極大限制了骨的自我修復[32]。隨著病程進展，最終發生不可逆轉的骨質破壞。核心減壓、血管移植等臨床技術已用于骨壞死的早期治療，但通常只能在部分患者中起到改善作用，并不能有效預防疾病進展。對于終末期骨壞死，通常需要采用關節置換術[33]。有研究表明，組織工程修復骨壞死的能力接近自體松質骨移植，相對于傳統治療方案，其被認為是一種更有潛力的治療選擇[34]。

組織工程治療策略的重心主要在重建壞死區域血供方面。骨形態發生蛋白（BMP）、血管內皮生長因子（VEGF）、轉化生長因子、成纖維細胞生長因子(FGF)及胰島素樣生長因子等均被證實在調節細胞分化和血管生成方面具有重要作用[35-36]?？紤]到生長因子的合成和分泌能力有限，一些學者開發出許多基于生長因子表達的基因修飾骨組織工程技術。Zhang 等[37]用過表達堿性成纖維細胞生長因子基因的慢病毒轉染人BMSC 后，與異種抗原提取的松質骨共同制備成組織工程骨，并將其植入兔早期股骨頭缺血性壞死模型中，觀察治療效果后發現，這一方案能有效促進壞死區域的血管再生及新骨形成。Liao 等[38]探討了VEGF與BMP-6基因聯合BMSC 治療股骨頭缺血性壞死的能力，他們將轉染VEGF和BMP-6的BMSC 與聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLAGA)支架結合，共同植入股骨頭缺血性壞死動物模型中，發現與單獨轉染VEGF或BMP-6基因相比，該方法具有更明顯的血管生成及新骨形成效應。他們的研究表明，利用不同生長因子的協同成骨及成血管作用，可以明顯提高骨壞死區域的治療效果。然而，生長因子的應用面臨來自安全方面的挑戰，如BMP 的過表達可能誘發異位骨化發生，而VEGF 則可能導致血管瘤出現[36]。因此，安全性問題仍是將來研究的重點之一。

近期，Feng 等[39]設計開發了一種順序釋放的聚乳酸支架，即內層裝載總黃酮，外層裝載三七皂苷，以分別促進成骨和血管生成。他們將其與單層支架（總黃酮和三七皂苷同時嵌入聚乳酸溶液）相比較，發現該雙層支架具有更好的血管生成和成骨效果。進一步的研究發現，VEGF、血小板內皮細胞黏附分子-1、骨鈣素、骨橋蛋白及堿性磷酸酶等在雙層支架中的表達均明顯高于單層支架。他們認為，其機制可能是血管生成蛋白和成骨蛋白的表達上調。這種雙層順序釋放支架的設計理念為骨缺損修復提供了新方向，未來該支架也可以應用于其他病理環境的骨缺損治療中。

4 結語

近年來，組織工程已逐漸成為較大骨缺損或骨再生能力受損的可能治療方案，通過對生物材料支架進行功能化改造，使其能夠更好地滿足不同骨病環境中骨再生的需求。具體的組織工程設計策略已顯示出潛在的應用價值，不過尚處于研究的初期階段，在正式用于臨床治療前，仍存在一些尚未解決的問題，如新生骨組織是否擁有合格的機械支撐和自我更新能力、新生骨組織能否進行有效造血、針對不同位置的骨骼缺損是否應該選擇不同類型的生物材料支架、骨再生是否伴隨安全方面的隱患等，這些問題在今后研究中還應結合生物醫學、制造技術及納米科技等的研究進展持續探討。