不同骨病环境中骨再生的组织工程治疗策略

肖傲 李凯

骨是由细胞、纤维和细胞外基质组成的坚硬矿化组织，在人体内发挥承重、造血、参与血钙代谢、保护重要脏器的功能，此外其作为肌肉、韧带的附着点，还具有维持运动功能完整性的作用[1]。与体内其他组织相比，骨具有较强的再生能力，当损伤较小时往往能自我修复[2]。但是，当出现超过骨再生限度的较大骨缺损或骨再生能力受损时，骨的修复能力则十分有限[3-4]。目前，治疗骨缺损的方法主要是自体或异体骨移植。然而，相对于骨再生的大量需求，供体数量尚无法满足，同时这些手术伴随着自身免疫反应或继发感染等风险，极大限制了其实际应用[5]。为此，许多学者迫切希望寻求安全可行的骨修复替代治疗方案。

组织工程学通过协调细胞、支架和信号分子来达到诱导组织再生的目的[3]。近年来，随着该领域技术的不断发展，骨组织工程已逐渐成为一种有潜力的骨再生途径[6-7]。但需要注意的是，与健康环境中的骨修复相比，各种骨病环境常导致骨修复受限或骨再生不足[3]，在骨修复同时必须克服组织感染、肿瘤细胞侵蚀或局部血液循环障碍等不利因素的影响。迄今，许多学者进行了相关研究，并提出各种组织工程治疗方案，本文就不同骨病环境中骨缺损的组织工程治疗策略进行综述。

1 骨髓炎相关骨缺损

骨髓炎常因机体其他部位的感染性病灶经血液传播或开放性骨折等原因导致[8]，是以骨质破坏为特征的炎症性疾病[9]，不恰当或不及时的治疗可能使病程由急性转为慢性，进一步诱发较大骨缺损甚至病理性骨折的发生。骨髓炎的治疗主要包括应用抗菌药和清创，但长期高剂量使用抗菌药物会导致耐药菌出现[10]，而清创又会导致较大骨缺损甚至进一步诱发病理性骨折。因此，骨髓炎导致的骨缺损再修复治疗通常具有挑战性[11]。

采用骨组织工程方案治疗骨髓炎相关骨缺损时，许多学者首选将支架材料作为抗生素载体植入感染性骨缺损部位，目前已开发出多种可行性较高的复合支架。Wang 等[12]成功开发负载万古霉素的半水硫酸钙/纳米羟基磷灰石（nHA）/羧甲基壳聚糖可注射水凝胶支架，将其联合经细胞片技术制备的含细胞外基质和生长因子的骨髓间充质干细胞（BMSC）片，共同植入慢性骨髓炎动物模型中。结果显示，植入负载万古霉素的水凝胶支架与植入负载万古霉素联合BMSC 的水凝胶支架均取得满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、骨形态更好。他们的研究表明，这种新型可注射水凝胶支架可作为抗生素载体及BMSC 支架应用于慢性骨髓炎的治疗。

类似的支架设计还有很多。Zhao 等[13]通过静电纺丝技术将搭载万古霉素的沸石咪唑酯骨架-8纳米颗粒与聚乙烯醇联合，制备出仿细胞外基质的电纺纳米纤维膜。沸石咪唑酯骨架-8 为一种具有较高比表面积及高孔隙率的金属有机骨架，是合适的药物载体，且可在细菌感染的弱酸性环境中发生裂解，实现药物控释[14]。他们的体外实验研究显示，该复合支架表现出良好的抗菌性能，并成功促进了小鼠胚胎成骨细胞前体细胞的扩散[13]。由Wang 等[15]制备的负载左氧氟沙星的介孔二氧化硅纳米颗粒/nHA/聚氨酯复合支架在慢性骨髓炎动物模型中同样表现出优秀的感染性骨缺损再生效率。此外，介孔二氧化硅纳米颗粒可作为pH响应性生物材料，被广泛用于药物传输体系的研究[16]。

尽管将抗生素引入骨组织工程支架可以取得较为理想的结果，但抗生素对载药平台的要求较高，制作也较为复杂，因此许多学者将注意力转向一些具有抗菌属性的生物材料，希望将其作为抗生素替代物发挥作用，同时减少细菌耐药性的发生。研究已证实，纳米银具有广谱抗菌性能和最小的细菌耐药性[17]，将纳米银引入组织工程支架可能是抑制骨感染的有效途径。Paterson 等[18]通过静电纺丝技术将含银的nHA 颗粒和聚己内酯共同制备成复合支架，并对该支架进行生物实验研究。他们发现，该支架能有效抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，同时也能增强间充质干细胞向成骨细胞的分化。此外，丝胶蛋白、氧化钙纳米颗粒、铜基生物材料等均被证实具有抗菌特性[19-21]。Kundu 等[10]制备了铜/丝胶蛋白金属有机骨架，该支架在发挥抗菌作用的同时，还以剂量依赖的方式表现出细胞相容性和成骨活性。

引入天然抗菌剂的设计策略可能适合于骨髓炎的治疗，相较于单纯使用抗生素，这种策略可以减轻人体对抗生素的依赖。

2 骨肿瘤相关骨缺损

恶性骨肿瘤和转移性骨肿瘤的临床预后通常较差，为了提高患者生存率，不同治疗策略（如手术、重建、化疗、放疗等）是必不可少的。尽管如此，由于耐药性、手术后肿瘤复发、治疗的不良反应和肿瘤切除后骨再生受损等限制，这些治疗方案的有效性已经达到平台期。对于由肿瘤自身侵蚀或手术切除等导致的骨缺损，组织工程因其组织再生方案设计的灵活性引起学者们关注[22-23]。

有学者研究发现，肿瘤相关骨缺损的组织工程治疗策略具有以下优势：第一，组织工程支架可作为骨替代物植入缺损部位，为肢体提供机械支撑的同时，还为组织再生创造空间；第二，支架可通过携带免疫调节剂或抗原提呈细胞，加强免疫系统对肿瘤细胞的抵抗；第三，支架也可在局部捕获肿瘤细胞，从而减少或延迟肿瘤复发，延长预期生存时间[24]。可见，相较于传统治疗，骨组织工程用于治疗肿瘤相关骨缺损时，其短期疗效和远期预后都有较大优势。

对于具体的策略设计，学者们主要考虑将肿瘤的局部治疗技术与具有成骨分化潜力的生物材料联合起来，共同制备符合预期结果的生物支架。Tavares 等[25]将超顺磁性氧化铁纳米颗粒添加到羟基磷灰石/壳聚糖/聚乙烯醇中，制备成复合功能支架。对该支架的性能进行测定后发现，其能显著刺激细胞的黏附、增殖以及碱性磷酸酶表达，同时还表现出通过磁热疗抑制肿瘤细胞的可能性，表明这种设计策略在肿瘤相关骨缺损治疗中具有可能的实施价值。

光热疗法是近年来治疗肿瘤的新方法，其利用具有较高光热转换效率的光热剂，在外部光源（一般是近红外光）照射下将光能转化为热能，进一步杀灭肿瘤细胞[26]。锶（Sr）、铜（Cu）及硅（Si）等生物活性离子具有增强骨缺损部位血管化及骨再生的作用[27]。Yang 等[28]将光热转化剂CaCuSi4O10纳米片经3D 打印技术与聚己内酯共同制备成复合支架。他们发现，该支架既可以通过光热治疗促进肿瘤细胞消亡，也能够促进大鼠BMSC 和人脐静脉内皮细胞的增殖和成骨分化。光热转化剂二维超薄碳化铌（Nb2C）MXene 纳米片，具有较高的组织穿透深度，能够高效杀伤肿瘤细胞，而生物降解后释放的铌也可以明显促进缺损部位血管的新生和迁移[29]。Yin 等[30]将这种光热转化剂纳米片集成到3D 打印的生物活性玻璃支架中，经体内研究发现，使用该复合支架可明显杀死肿瘤细胞，并能刺激局部组织血管化及骨再生，血管与骨结构的耦合更是有利于支架逐渐降解后大型骨缺损的快速修复。这类具有抑制肿瘤进展及局部促进骨重建的双功能光热转化剂纳米片为肿瘤相关骨缺损治疗提供了更多选择。

3 骨坏死相关骨缺损

缺血性骨坏死通常由创伤、糖皮质激素治疗、长期大量饮酒、减压病或高脂血症引起[31]，是骨科的严重疾病之一。骨组织缺乏血供时，骨细胞活性也会相应降低，这极大限制了骨的自我修复[32]。随着病程进展，最终发生不可逆转的骨质破坏。核心减压、血管移植等临床技术已用于骨坏死的早期治疗，但通常只能在部分患者中起到改善作用，并不能有效预防疾病进展。对于终末期骨坏死，通常需要采用关节置换术[33]。有研究表明，组织工程修复骨坏死的能力接近自体松质骨移植，相对于传统治疗方案，其被认为是一种更有潜力的治疗选择[34]。

组织工程治疗策略的重心主要在重建坏死区域血供方面。骨形态发生蛋白（BMP）、血管内皮生长因子（VEGF）、转化生长因子、成纤维细胞生长因子(FGF)及胰岛素样生长因子等均被证实在调节细胞分化和血管生成方面具有重要作用[35-36]。考虑到生长因子的合成和分泌能力有限，一些学者开发出许多基于生长因子表达的基因修饰骨组织工程技术。Zhang 等[37]用过表达碱性成纤维细胞生长因子基因的慢病毒转染人BMSC 后，与异种抗原提取的松质骨共同制备成组织工程骨，并将其植入兔早期股骨头缺血性坏死模型中，观察治疗效果后发现，这一方案能有效促进坏死区域的血管再生及新骨形成。Liao 等[38]探讨了VEGF与BMP-6基因联合BMSC 治疗股骨头缺血性坏死的能力，他们将转染VEGF和BMP-6的BMSC 与聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLAGA)支架结合，共同植入股骨头缺血性坏死动物模型中，发现与单独转染VEGF或BMP-6基因相比，该方法具有更明显的血管生成及新骨形成效应。他们的研究表明，利用不同生长因子的协同成骨及成血管作用，可以明显提高骨坏死区域的治疗效果。然而，生长因子的应用面临来自安全方面的挑战，如BMP 的过表达可能诱发异位骨化发生，而VEGF 则可能导致血管瘤出现[36]。因此，安全性问题仍是将来研究的重点之一。

近期，Feng 等[39]设计开发了一种顺序释放的聚乳酸支架，即内层装载总黄酮，外层装载三七皂苷，以分别促进成骨和血管生成。他们将其与单层支架（总黄酮和三七皂苷同时嵌入聚乳酸溶液）相比较，发现该双层支架具有更好的血管生成和成骨效果。进一步的研究发现，VEGF、血小板内皮细胞黏附分子-1、骨钙素、骨桥蛋白及碱性磷酸酶等在双层支架中的表达均明显高于单层支架。他们认为，其机制可能是血管生成蛋白和成骨蛋白的表达上调。这种双层顺序释放支架的设计理念为骨缺损修复提供了新方向，未来该支架也可以应用于其他病理环境的骨缺损治疗中。

4 结语

近年来，组织工程已逐渐成为较大骨缺损或骨再生能力受损的可能治疗方案，通过对生物材料支架进行功能化改造，使其能够更好地满足不同骨病环境中骨再生的需求。具体的组织工程设计策略已显示出潜在的应用价值，不过尚处于研究的初期阶段，在正式用于临床治疗前，仍存在一些尚未解决的问题，如新生骨组织是否拥有合格的机械支撑和自我更新能力、新生骨组织能否进行有效造血、针对不同位置的骨骼缺损是否应该选择不同类型的生物材料支架、骨再生是否伴随安全方面的隐患等，这些问题在今后研究中还应结合生物医学、制造技术及纳米科技等的研究进展持续探讨。