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发表日期:2005年2月28日  编辑: 有1691位读者读过此文
骨折愈合过程中的应力作用机制

骨折愈合过程中的应力作用机制

 傅青格  万岷  张春才 2005-1-31 13:58:34 中华医学研究杂志 2004年12月 第4卷 第12期

  骨折愈合是一复杂的机体组织再生修复过程,与其它组织损伤修复不同之处在于:最终它不是靠纤维结缔组织连接,而是骨组织的完全再生。骨折愈合受骨折局部力学、血液供应及软组织状况等诸多因素影响。骨折的稳定性(自生的或固定后的)决定了在骨折愈合过程中的大多数生物学反应。如果血运正常,愈合的形式以及延迟愈合或不愈合的发生均主要取决于与稳定性有关的力学条件,本文拟对应力对骨折的影响及相关作用机制作一综述。

  1 骨折愈合的基本过程
    
  1.1 愈合过程 力学环境对有关连接组织的材料和结构强度的维持、修复和再生起关键作用,一般可分为3个阶段:(1)多能组织快速增生,分化为软骨、骨,形成骨痂,受生长分化因子、化学因子及应力因素等影响;(2)未受机械作用的组织发生原始骨化形式,而软骨内骨化仍受机械应力影响,间歇流体静力会减慢甚至停止软骨内骨化作用,间歇的多向剪应力则促进其发展;(3)二期愈合后的膜内、软骨内骨重建过程,在骨发育和功能形成期间受外力调控 [1] 。

  1.2 愈合部位组织的力学特性 骨组织对应力可产生功能性适应性,骨的功能适应性使得骨组织在应力的影响或直接作用下能作一定方向的生长,这是因为,骨组织中应力的变化会引起电场的相应变化,而电场的变化又回刺激骨组织的生长。骨组织对外加载荷的反应性或功能适应性主要是由骨细胞、骨胶原和骨细胞外液对载荷所形成的应力或应变刺激产生感受,形成复杂的体内自身反馈性调节系统的结果,表现为应力作用的压力侧骨形成增强,而张力侧骨吸收加速。然而在一定的压应力作用下,骨质的再聚集和再吸收是互相平衡的,即:若压应力增强,骨组织形成加强;若压应力下降,则骨组织再吸收增强 [2,3] 。

  2 骨折愈合过程中应力的作用
    
  2.1 应力刺激下骨组织的生物学行为 在骨组织工程学的研究中培养细胞时发现:骨祖细胞在无外界应力下传代较少,而且不易分化。有些学者通过某种装置对培养载体和基质施加压力,或者直接把培养细胞置于一定流体静压之下,可以观察到细胞传代增加、代谢改变和细胞分化等现象。最近,生物化学和分子生物学的研究揭示:在应力刺激下,相关基因的表达水平会发生变化,产生调节骨折愈合的细胞因子 [4] 。在骨塑性早期,骨细胞分泌NO和cAMP增加,而一些编码酶的基因,比如编码谷氨酸/天冬氨酸转化酶(GLAST)、NO合成酶和前列腺素合成酶(PFHS-2)的基因被认定为应力刺激有关。在PTH/PTHrP调控下胰岛素样因子的表达水平得到提高。c-fos基因的表达得到增强。AP1是c-FOS/c-JUN的二聚体,其作用是基因转录因子。在应力应答基因的启动区也发现了AP1位点的节段、cAMP应答节段(CRE)和剪应力应答节段(SSRE)。动物延长成骨实验中 [5] ,在牵张应力状态下截骨4天后骨膜下未成熟骨痂前体软骨细胞中就可以检测到BMP-2和BMP-4mRNA的表达得到增强,而BMP-6和GDF-5mRNA在分化较高细胞中才能检测到,BMP-7始终没有检测到。在动物骨折局部注射BMP、FGF、TGF-β [6,7] 等因子可增加骨痂量,提示应力相关基因的表达产物是通过旁分泌/自分泌途径发生作用的。BMP、FGF、TGF和PG等因子调节骨折愈合的作用已得到广泛认可并进入临床应用阶段 [8] ,从分子水平上认识和掌握骨折愈合过程,必将有十分重要意义。

  2.2 应力刺激的感受 骨折愈合中,应力作用的详细机制尚不清楚。在器官水平,可以观察到骨折部位不稳可能导致骨折延迟愈合甚至不愈合;在组织水平,骨折不稳定与分化组织的应变和张力有关,而且,不同外力在不同组织中产生的应变和受力分布也不一样;在细胞水平,局部组织应变和压力可能导致细胞压力或形态的变化;在分子水平,细胞形态改变可以破坏骨细胞活性,可能是蛋白合成模式的初始分子信号改变,导致器官水平的骨延迟愈合 [9] 。

     应力刺激要产生生物学效应,必须被骨组织感受,经过一系列的信号传递过程。这个过程是发生在细胞水平还是组织水平,还在探索之中。多数学者倾向于认为,在骨组织中数量最多的骨细胞扮演着信号感受的角色,成骨细胞和破骨细胞则被看作效应细胞。骨细胞与骨基质相连,骨基质受到应变时会牵拉细胞膜导致细胞形变 [10] 。如果外加负荷使整个骨组织发生0.1%的应变,传递到骨细胞膜上的应变会放大到1%或更高 [11] ,外加负荷下,骨组织最早的反应发生在骨细胞,在30~60min内开始表达c-fos和IGF-I,36~72h骨表面有骨基质基因产物表达。应力刺激引起骨细胞代谢改变,在实验中把分离骨细胞植于两种不同应力之下,发现骨细胞对应力非常敏感,其反应为前列腺素的生成增加 [12] ,而前列腺素水平的变化被认为具有传递应力信号的作用。

     2.3 应力刺激信号的传递 有的学者认为 [13] ,应力刺激信号传递至效应细胞,要经过以下步骤:(1)应力刺激信号转变成能被骨细胞感受的信号,这一过程称为力学连接(mechanical coupling);(2)力学信号被骨细胞转化成生化信号,这一过程称为生化连接(biochemical coupling);(3)生化信号传递至效应细胞:成骨细胞和破骨细胞。对于第一过程,有些作者认为 [14,15] ,应力性负荷使骨组织产生形变或应变,这又会导致骨管网内或细胞间液体流动,引起流体静压变化,不论应力产生的应变或是应变产生的液体流动均可能激活骨细胞、诱导组织分化,因此骨管网内或细胞间流体可传导应力。骨受到应变时会牵拉细胞膜,骨基质也可传导应力。能被骨细胞感受的信号可能不只是力学信号,还可能是电信号。骨组织是一种粘弹性物体,在外加负荷下可产生电位差。有的学者认为 [13] 液体流动可形成流动电势,从而引起细胞反应。利用生物电原理,对实验性骨折施行电刺激,可使局部成骨细胞分化率明显提高。培养骨细胞在应力刺激下,产生更多的前列腺素,主要是PGE 2 ,也可产生cAMP [16] 。也有学者观察到cAMP降低或不变。因此可以推测,在生化连接过程以后,生化信号可能通过第二信号系统的PGE 2 和cAMP传递至成骨细胞、破骨细胞等加速骨痂愈合、促进骨痂塑形。机械力、电刺激和激素等有可能以某种方式相继或联合参与了骨折愈合过程。

     2.4 促进骨折愈合的适宜应力 骨折愈合所需适当的应力环境,包括应力作用的持续时间、大小和方式等方面。只有骨折端应力水平与组织分化所需刺激相协调时,才会促进骨折愈合。有的学者 [17] 在动物实验、细胞培养和有限元分析基础上,把计算出的骨痂局部应力和应变与组织学发现相比较后认为:骨痂内骨管表面的应变和流体静压大小决定了骨痂组织的分化方向。应变小于5%、流体静压小于0.15MPa时可发生膜内成骨;应变小于15%、流体静压大于0.15MPa时可发生软骨成骨;应变更大时,生成连接组织。应力过大或过小都不利于骨组织良好分化和愈合,导致骨不连或骨延迟愈合。在应力作用的方式方面,除了对传统的坚强接骨板固定所产生的骨折端应力的认识有了更深入的了解以外,许多学者还作了一些有益的探索,提出了循环应力、间歇性应力、动态应力等概念,并在实验室和临床应用中获得了一些进展。研究发现:持续性应力与间断性应力、静态应力与动态应力激发骨细胞活性的程度不同,其机理尚不清楚,这可能与应力作用的大小、方式和持续时间以及应力感受细胞的感受阈值变化有关。

     2.5 应力作用的时机 愈合早期,愈合部位组织刚度低,承受外力能力差,须稳定固定减少受力;随愈合进行,组织刚度增加,所需刺激的应力也相应加大。Kenwright等 [18] 对胫骨干骨折愈合的研究发现,骨折后4周骨痂较软,弹性模量较低,骨外膜骨痂不能承受胫骨负载;8周时周围骨痂和邻近骨变坚固起来,胫骨负载经骨外膜骨痂传递,包围骨折带;8~12周时弹性模量不再增加,重新开始固化;16周时弹性模量进一步增大。他们认为愈合早期应保证骨折端间适当的应力和应变,第6周后虽有骨痂硬度的增加,但仍应维持固定的刚度,因为骨痂仍在发育,只有非常晚的时候骨折线内的应变才有助于骨痂发展成熟为骨组织。如果组织的内应力使骨痂衰退,可能将延长骨折愈合时间。Chao [19] 等认为,生物反应参与了启动新骨形成的细胞招集和分化,骨折愈合早期为力学因素促进骨折愈合的最有效时期,而且当骨折愈合完全恢复原始结构和硬度后,力学因素的介入是确保骨重塑的唯一方法。

     2.6 对骨折愈合各时期的影响 愈合早期,纵向压应力驱动成骨细胞和成纤维细胞分化成骨,有利于骨折愈合;剪切和扭转载荷产生剪应力,驱动成纤维细胞增殖为纤维组织,造成骨内部应力重分布,骨断端的板层界面应力过于集中,对愈合不利 [20] ,并有可能直接破坏新生毛细血管和骨痂。但在愈合、后期,各种应力均有一定的骨痂改建作用,切应力的增加可以促进成骨细胞分化,导致更多的类骨质沉积并使骨矿物化 [21] 。如果应力太小,组织分化的力学诱导就要降低,往往导致延迟愈合或骨不连;如果应力太大,活体骨将在骨-骨界面或骨-内固定界面发生反应性表面吸收,造成骨萎缩。当应变超过临界限度,进一步的分化或愈合都可能停滞。 Wolff定律提出以来,许多学者围绕力学环境对骨折愈合的影响作了大量的探索。以前的研究主要集中在临床观察与应用方面。近年来,随着生物力学、分子生物学、材料学的飞速发展,对于这一问题的研究也有了进一步深入,为骨折治疗提供了许多理论指导。设计、使用各种适应人体生物力学要求的内固定器材,在骨折固定后取得最佳力学环境以加速骨折愈合,也逐渐成为可能。


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