细胞因子治疗非创伤性股骨头缺血坏死的研究进展
作者：白志刚，刘万林 苏秀兰
【关键词】 骨髓移植
股骨头缺血性坏死是以骨的活性成分死亡为主要改变的病理过程，其发生与多种疾病、药物及髋关节创伤有关。其中，非创伤性股骨头坏死(nontraumatic osteonecrosis of femoral head，NONFH）的发病率逐年增加，但其病因及发病机理至今尚未完全阐明，国内外学者提出了许多病因学假说，诸如脂肪代谢紊乱、骨髓内压力升高、血管内凝血学说、骨质疏松学说等等〔1、3〕，其常用的方法有药物治疗、股骨头髓内减压、旋转截骨、游离骨移植等，但远期疗效并不理想，至晚期多数会出现关节面塌陷而需人工关节置换〔2~8〕。自体带血管的活骨移植，虽然具有相对较好的疗效，但是，由于手术操作技术相对复杂，而且，手术本身也具有较大的风险，并非最理想的治疗方法〔9〕。近年来，随着对该病认识的不断深入，以及组织工程技术的，特别在基因水平上的研究进展为治疗该病提出了许多新的思路与方法，使人们看到了治愈这一疑难病症的曙光，现将其综述如下。
1碱性成纤维细胞生长因子(basic fibroblast growth factor，bFGF）
碱性成纤维细胞生长因子(bFGF）是一种多功能细胞因子，成骨细胞能合成bFGF，将其储存于骨细胞外基质中，通过自分泌与旁分泌的方式发挥作用。bFGF在骨组织发育及修复中具有重要作用，它能增加骨细胞内骨钙素含量，诱导成骨细胞增殖，并能刺激毛细血管内皮细胞迁移和增殖，形成毛细血管芽，还可刺激毛细血管长入骨移植物内，促进新骨形成，从而加速骨缺损的修复。周华江等〔10〕用液氮冷冻法造成兔股骨头坏死模型后自股骨颈向股骨头钻孔，实验组在术中及术后自钻孔中注射bFGF，对照组注射等量的生理盐水，结果发现：实验组股骨头骨密度显著高于对照组，其内纤维组织增生和成骨细胞增生明显，新骨形成明显多于对照组。而杨操等〔11〕将bFGF真核表达质粒PCDrbFGF与胶原混合植入坏死的兔股骨头内，结果术后2周以RTPCR及免疫组化证实：转染bFGF基因的股骨头内有bFGF表达；术后2周、8周股骨头内血管生长及新骨形成与对照组相比，差异均有显著意义。郑启新等〔12〕运用bFGF基因转入间充质干细胞(MSCs），并与可降解β磷酸三钙(βTCP）多孔基质材料复合移植，修复同种异体兔桡骨长节段性骨缺损，以单纯空载体转染间充质干细胞为对照，结果发现：bFGF基因修饰的间充质干细胞增殖分化活性明显优于对照组；X线及组织学检测结果显示实验组骨缺损正常修复，有大量活跃的新骨及丰富的毛细血管生成；对照组各时间点则以纤维结缔组织为主，未见明显的新骨及血管生成。
2血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor,VEGF）
血管内皮生长因子（VEGF）是由Ferrara等学者于1989年从牛垂体中滤泡星形细胞的培养泡中分离出来的一种糖蛋白，它在体内外均可特异性地促进血管内皮的生长并诱导血管生成。在目前已知的多种可促进血管生成的生长因子中，VEGF是最有力的血管生成因子，它通过与血管内皮上特异性受体结合，具有强大的促内皮增殖、促血管生成作用，其他促血管生成因子的促血管生成作用是全部或部分通过增强VEGF的表达及生成作用实现的。Isner〔13〕和Baumgartner〔14〕利用含有VEGF165的真核表达质粒转染法治疗下肢缺血性疾病，发现经治疗后侧肢循环明显增加，血流动力学明显改善，取得了良好的效果。Takeshita等〔15〕将VEGF表达基因转移到侧肢缺血的动脉腔内，能够明显刺激血管的形成，因而调节了缺血肢体中血流动力的不足；Tsurumi等〔16〕用肌肉注射法将VEGF的表达基因转移到兔的缺血肢体中，发现血管形成增加、血流改善，毛细血管量有所增加。杨操等〔17〕将血管内皮生长因子真核表达质粒pCD2hVEGF165与胶原混合植入坏死的兔股骨头内，结果术后2周免疫组化证实基因转染组股骨头内有VEGF表达，组织形态学检测发现术后2、4周转染基因的股骨头内血管生长快于对照组，术后4、6周转染基因股骨头新骨形成多于对照组。以上实验结果表明：VEGF基因转染可促进骨组织内血管再生，进一步促进骨再生，提示VEGF基因转染在治疗骨缺血性坏死、骨折不愈合及延迟愈合、骨缺损等方面具有广阔的应用前景。
3胰岛素样生长因子I(Insulinlike growth factor I，IGFI）
胰岛素样生长因子家族(IGFs）由2种低分子多肽(IGFⅠ，IGFⅡ）、2类特异性受体及6种结合蛋白组成，其中，胰岛素样生长因子I(IGFI）是一种由70个氨基酸组成的蛋白多肽，分子量为7 44075 u，它可以按自分泌、旁分泌的形式调节成骨细胞功能，对成骨细胞的生长、增殖和骨基质形成具有重要作用。Langdahl〔18〕用术中取出的骨小梁及骨髓基质细胞进行培养，用IGFI或与生长激素共同刺激成骨细胞样细胞或骨髓基质细胞，结果发现单独使用IGFI或与生长激素合用，使成骨细胞样细胞、骨髓基质细胞增殖了49％～190％。Johnsson等〔19〕运用IGFI治疗12例骨质疏松患者后发现：患者血清中Ⅰ型胶原增加了43％，骨钙素增加了20％，表明成骨活性明显增加。Tanaka等〔20〕的研究发现：血小板衍生性生长因子(PDGF）与IGFI联合应用对成骨细胞有明显的促增殖作用，并且随着时间增加，其促增殖作用增强。孙海飚等〔21〕应用马血清与激素造成兔股骨头坏死模型后，实验组经髓心减压联合应用胰岛素样生长因子(IGFI），对照组单纯髓心减压，结果实验组与对照组相比术后骨钙素含量及股骨头血流量有显著性差异。
4骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein BMP）和转化生长因子β(transforming growth factor β，TGFβ）
骨形态发生蛋白(BMP）为一类酸性糖蛋白，是由2个单体以1个二硫化物键结合而形成的一种二聚体分子，活性的同二聚体或异二聚体BMP通过与受体结合而发挥生理效应，其主要成骨作用是诱导间充质细胞分化为成骨细胞和成软骨细胞，诱导成骨方式以软骨内化骨为主，也以膜内化骨方式进行，包含了趋化期、分化期、骨质形成期和骨质重塑期4个阶段。周强等〔22〕应用大剂量激素造成兔股骨头坏死的模型，再进行坏死病灶清除，并于股骨颈前上方近关节缘处的骨皮质钻孔，A组填入吸附有骨形态发生蛋白(BMP）及转化生长因子B(TGFβ）的聚磷酸钙纤维(CPPF）／聚乳酸(PLLA）的复合多孔生物材料；B组只填充聚磷酸钙纤维(CPPF）/聚乳酸(PLLA）的复合多孔生物材料；C组作为空白对照组不作填充。结果发现：A组的成骨反应较其他两组出现早且新骨形成数量多，于术后12周股骨头缺损区即已基本完成了修复。周华江〔23〕等应用液氮冷冻法造成兔股骨头坏死的模型，从股骨颈后方头颈交界向股骨头凹处皮质下区处钻孔，实验组将含有BMP的重组合异种骨蛋白(RBX）植入，对照组则单纯植入同体积的牛松质骨载体，结果发现：实验组的骨密度值、新生骨及成骨细胞数量均明显高于对照组，爬行替代过程也明显快于对照组。Mont等〔24〕在实验中于狗的股骨头前侧方造盖，清除股骨头软骨下骨组织，造成直径为2 cm的软骨下骨缺损。在实验的第一阶段，第1组骨缺损区未做任何处理，第2组骨缺损区自体骨植骨处理；实验的第2阶段，将由于前期手术造成股骨头软骨下骨缺损而形成股骨头塌陷的狗分成3个组。第3组骨缺损区不做处理，第4组于骨缺损区自体骨移植处理，第5组缺损区骨移植加骨发生蛋白1(osteogenicprotein1）处理。结果发现：所有经植骨处理的(第2、4、5组）骨缺损区均获得修复，而未植骨的则未获得修复；第4、5组的股骨头外观完全恢复至正常形态，而第3组的造盖部则遗留明显的凹陷；X线显示：第5组(植骨加骨发生蛋白1组）的修复要明显快于第4组(单纯植骨组）。Lieberman等〔25〕在临床中运用髓心减压结合BMP与同种异体腓骨移植治疗15位(17髋）FicatⅡ～Ⅲ期的股骨头缺血坏死患者，经随访26~94个月，FicatIIA期的15髋中有14髋获得成功(占93％）。Simank等〔26〕在透视下直接注射乙醇至羊的股骨头内造成骨坏死模型后，第1组植入可吸收载体与重组骨形态发生蛋白2(BMP2）300 μg治疗，第2组植入生长分化因子5(growth and differentiation factor5,GDF5），对照组只用载体，于术后3、6、12周处死动物并取股骨头做相关研究后发现：使用BMP2和GDF5组于术后3周即已出现新骨形成，明显快于对照组；在实验中未出现异位骨化、炎症等严重的副作用。李建军等〔27〕在脂质体介导下将BMP2基因导入人骨髓基质干细胞(hBMSCs）中，使用流式细胞仪、碱性磷酸酶(ALP）检测和VEGF探针原位杂交分析其对细胞增殖、ALP活性及VEGF表达的影响，结果发现：转染后的细胞稳定表达BMP2基因，S期细胞比例增多，ALP活性和VEGF表达明显增加，而且诱导L929细胞骨钙素、Ⅱ型胶原阳性表达，从而证实：BMP2重组质粒转染hBMSCs后表达目的蛋白、促进自身增殖、分化和上调VEGF的表达，并诱导成纤维细胞向成骨细胞分化，为BMP2基因治疗骨坏死、骨缺损奠定了实验基础。
5自体骨髓移植(implantation of autologous bonemarrow cell）
早在1869年Gonjon就已经发现自体骨髓移植具有成骨作用，近年来，自体骨髓移植在治疗骨缺损、骨折延迟愈合及骨不连方面都取得了良好的疗效。Gangji等〔28〕运用自体骨髓细胞移植治疗了13位(18个髋）按ARCO(Association Research Circulation Osseous）分类法评定为Ⅰ～Ⅱ期的股骨头缺血性坏死患者，患者随机分为2组，实验组采用髓心减压加自体骨髓细胞移植，对照组则采用单纯股骨头髓心减压，术后随访24个月后发现，骨髓移植组的疼痛及关节症状明显减轻；在此期间，对照组8个髋关节中有5个病情继续发展至Ⅲ期，而在骨髓移植组中10个髋仅有1髋发展至此阶段，并且两组的关节面塌陷时间也有明显的差异；该实验还证实这种治疗方法具有较好的安全性。Hernigou等〔29〕也做了类似的研究，他们对经髓心减压加自体骨髓细胞移植治疗的116位(189个髋）股骨头缺血性坏死患者进行了5～10 a的随访后发现：在股骨头塌陷前(FicatI～Ⅱ期）进行治疗的145个髋中有9个后来病情进展，后期实施了髋关节置换术，而在股骨头塌陷后(ⅢⅣ期）进行治疗者，44个髋有25个后期进行了全髋置换术。
综上所述，有关各种细胞因子结合基因技术在股骨头坏死的研究中已取得了令人鼓舞的成果，并且已经初步应用于临床治疗中。但由于至今非创伤性股骨头坏死的发病机理尚未完全明确，人们对于各种细胞因子在人体内发挥作用的确切机理及代谢途径，以及体内微环境、PH值等对它们作用的影响均不十分明确，这些都影响了细胞因子在非创伤性股骨头坏死治疗中发挥更大的作用，且目前利用各种细胞因子治疗多停留在动物实验研究阶段，因此，如何选择合适的载体，如何维持其在体内的有效浓度，从而发挥最大的生物效应以及细胞因子使用的安全性与它们的受体在体内的分布和生物活性对其作用的影响等均需要进一步研究证实，从而为最终将其过渡至临床治疗提供理论依据。
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