付繁剛，張鍇

(濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，山東 濱州 256600)

骨膜在骨組織修復(fù)過程中的作用

付繁剛，張鍇*

(濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，山東 濱州 256600)

骨膜是被覆在骨表面(除關(guān)節(jié)外)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜而有序的結(jié)締組織包膜，含有多種具有成骨潛能的細胞和豐富的血管，具有良好的成骨能力。自從骨膜成骨的理論被提出后，人們不斷對其在骨組織修復(fù)(骨折、骨缺損等)領(lǐng)域進行研究并已取得一定的成就，本文即對骨膜在骨組織修復(fù)過程中的作用及其在骨科相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用作一綜述。

1 骨膜的解剖與成骨方式

1.1 骨膜的結(jié)構(gòu) 骨膜是被覆在骨表面(除關(guān)節(jié)外)的堅固的含有微血管的結(jié)締組織包膜，通過Sharpey氏纖維與其下面的骨皮質(zhì)表面緊密結(jié)合在一起[1]。骨膜分為內(nèi)骨膜和外骨膜，而我們通常所說的骨膜指的是外骨膜。近年來，對骨組織學(xué)和解剖學(xué)的研究認為，骨膜有3層結(jié)構(gòu)，外側(cè)的纖維層、中間的未分化層及內(nèi)側(cè)的生發(fā)層。纖維層主要由高度組織化性和方向性的膠原纖維組成；未分化層主要含有未分化的細胞和毛細血管，它能為生發(fā)層和纖維層提供祖細胞并為骨組織提供營養(yǎng)；生發(fā)層較薄，是間充質(zhì)干細胞、成骨細胞、破骨細胞、成纖維細胞及周細胞等的聚集地，是骨再生與修復(fù)中細胞的主要來源[2-3]。

1.2 骨膜成骨的方式及過程 骨膜的成骨方式主要有兩種，膜內(nèi)成骨和軟骨內(nèi)成骨[4-5]。膜內(nèi)成骨指在骨折端或骨缺損等部位，間充質(zhì)細胞聚集、分化為骨祖細胞，其中部分骨原細胞增大形成成骨細胞，成骨細胞分泌類骨質(zhì)并包埋于類骨質(zhì)中，演變?yōu)楣羌毎?；繼而類骨質(zhì)鈣化成骨基質(zhì)，形成最早出現(xiàn)的骨組織。軟骨內(nèi)成骨過程較膜內(nèi)成骨復(fù)雜，填充于骨折斷端和骨髓腔內(nèi)的纖組織先轉(zhuǎn)化成軟骨組織，然后成骨細胞侵入軟骨基質(zhì)，軟骨細胞發(fā)生變性、凋亡，最后軟骨基質(zhì)發(fā)生鈣化，形成新骨。

2 骨膜在骨組織修復(fù)過程中的作用

2.1 骨膜為新骨生成提供各種必要的細胞 骨膜作為間充質(zhì)干細胞的主要來源之一，具有極佳的成骨能力。有實驗證明，取自馬脛骨的骨膜源性的間充質(zhì)干細胞在合適的培養(yǎng)條件下100%地分化成了成骨細胞。人來源的間充質(zhì)干細胞用于修復(fù)骨缺損也有一些成功的報道。有學(xué)者分離出人顱骨骨膜的間充質(zhì)干細胞，然后進行細胞培養(yǎng)、增殖，待細胞達到一定量后植入小鼠骨缺損處，結(jié)果發(fā)現(xiàn)骨缺損處有大量新骨生成，骨缺損得到有效修復(fù)[6]。潘朝暉等[7]建造兔股骨缺損模型，試驗組切除骨斷端周圍骨膜，對照組不切除骨膜，一段時間后發(fā)現(xiàn)試驗組兔股骨缺損處新骨生成量明顯少于對照組。在另一項研究中，兔間充質(zhì)干細胞經(jīng)體外擴增分化后植入顱骨缺損部位，在該處形成新骨，修復(fù)了缺損。間充質(zhì)干細胞具有多向分化潛能，當(dāng)骨膜受到各種理化因子的刺激時，它能迅速增殖分化為骨祖細胞、成骨細胞、成軟骨細胞和破骨細胞等多種細胞[8]。

成骨細胞是骨組織生成的主要功能細胞之一，能合成、分泌并礦化骨基質(zhì)，在新骨組織生成的過程中起著十分重要的作用。成骨細胞表達許多調(diào)控因子的受體，這些因子包括甲狀旁腺素、甲狀旁腺素相關(guān)蛋白、前列腺素、性激素、腎上腺素等，這些調(diào)控因子可以通過它們的受體來增強或抑制成骨細胞及其前體細胞的增殖分化，從而在骨的重建與修復(fù)中發(fā)揮作用[9-10]。季鳴等[11]以家兔為實驗對象進行實驗，人為制造雙側(cè)橈骨骨折模型(3 mm骨缺損)，其中剝離一側(cè)骨折端周圍2～3 cm的骨膜，另一側(cè)不剝離，術(shù)后取骨痂標(biāo)本通過電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)剝離骨膜側(cè)的橈骨與不剝離骨膜側(cè)的橈骨相比，新生骨痂中成骨細胞出現(xiàn)較晚，且數(shù)量也較少；鈣鹽沉積速率較慢，骨折愈合時間延遲。

2.2 骨膜為骨修復(fù)提供充足的營養(yǎng)物質(zhì)及必要的細胞支持 骨組織的修復(fù)速率與局部血流量密切相關(guān)，骨膜含有豐富的血管，為骨修復(fù)帶來具有成骨潛能的各種細胞、營養(yǎng)、氧氣以及骨質(zhì)礦化所需的礦物質(zhì)，并帶走代謝廢物，加快新骨生成的速度。韓慧等[12]以家兔為實驗對象，制造雙側(cè)橈骨骨折模型，其中右側(cè)剝離骨折端周圍的骨膜(試驗組)，左側(cè)不剝離骨膜(對照組)，術(shù)后定期行中國墨汁血管灌注后取標(biāo)本行HE染色觀察，發(fā)現(xiàn)1～4周內(nèi)試驗組與對照組相比骨折區(qū)周圍骨外側(cè)皮質(zhì)的骨細胞變性壞死，骨基質(zhì)發(fā)生溶解；骨折端新生毛細血管管腔狹窄、閉塞；成骨細胞活性降低，骨折愈合時間延遲。此外，骨膜來源細胞具有致血管生成的潛能，進一步為骨的修復(fù)提供了豐富的血運。Van Gastel等[13]首次描述了小鼠PDCs的致血管生成的能力。

2.3 骨膜中富含各種生長因子，促進骨折愈合 骨膜能合成骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein，BMPs)、轉(zhuǎn)化生長因子(transforming growth factor beta，TGF-β)及胰島素樣生長因子等重要的生長因子[14]，參與骨組織的再生與修復(fù)。骨折的愈合是一個復(fù)雜的過程，不同的愈合階段有不同的骨生長因子參與并發(fā)揮作用。越來越多的促進骨愈合的生長因子被發(fā)現(xiàn)，其機制、特點也越來越被學(xué)者及骨科醫(yī)生所重視，深化對這些生長因子的認識與研究，有助于推動骨折治療向微創(chuàng)、甚至無創(chuàng)方面發(fā)展，同時也可為骨不連、骨缺損等疑難病癥的治療提供新思路、新方案。

骨的修復(fù)與生長受多種生長因子調(diào)控，BMP是其中最重要的一種，它已被公認為是目前最強的骨誘導(dǎo)因子。BMPs作用于骨祖細胞，通過一系列機制誘導(dǎo)骨祖細胞向成骨細胞和成軟骨細胞分化。BMPs在骨科中主要應(yīng)用于骨折的修復(fù)，如治療骨折的不完全愈合或加速單純性骨折的愈合。它也用于治療大片段的骨缺損，以及需要大量新生骨的脊柱融合治療。大量的動物研究已經(jīng)證實BMPs能夠加速動物模型中骨折的愈合，結(jié)果顯示BMPs可使愈合時間縮短30%～50%，骨痂形成增加并且加速骨痂成熟[15-16]。目前，已有許多有關(guān)臨床應(yīng)用BMP的報道。Burkus等[17]對279例腰椎間盤退行性疾病患者進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)應(yīng)用人重組BMP-2的試驗組與應(yīng)用自體髂骨移植的對照組相比脊柱融合率明顯提高。Govender等[18]對450例開放性脛骨骨折患者進行預(yù)期性、隨機對照研究，結(jié)果顯示rhBMP-2植入組能顯著地加速骨折愈合，并能降低術(shù)后感染的發(fā)生率。BMP具有極強的骨誘導(dǎo)能力、高效性、化學(xué)趨向性及低抗原性，其修復(fù)骨缺損的作用已得到證實與認可，在骨科臨床上的應(yīng)用會越來越廣泛。

生長因子TGF-β是骨膜組織中多種重要的生長因子之一，對成骨細胞有明顯的刺激作用[19-20]，作為一種誘導(dǎo)新骨形成的介質(zhì)發(fā)揮作用。有學(xué)者把分離出的TGF-β注射到小鼠股骨骨膜下，發(fā)現(xiàn)該因子能誘導(dǎo)骨膜間充質(zhì)細胞向成骨細胞及成軟骨細胞分化，并刺激這些細胞增殖和細胞外基質(zhì)蛋白的形成。有學(xué)者利用大白兔尺骨骨缺損模型來證明TGF-β復(fù)合明膠海綿的成骨作用，該實驗發(fā)現(xiàn)復(fù)合TGF-β組的骨缺損的成骨量明顯超過未復(fù)合組，證明了該因子用于治療骨不連、骨缺損等的臨床可行性。此外，因子IGFs可以促進成骨細胞的分裂，還能夠促進骨膠原及基質(zhì)的合成，在維持骨基質(zhì)及骨密度等方面起著重要的作用。

3 骨膜成骨在相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用

3.1 骨膜原位成骨 骨膜具有很強的成骨潛能，局部較小的骨缺損可在骨膜自身增殖下完成骨的修復(fù)與重建。潘巨利等[21]用小型豬作為動物模型進行實驗，在小豬下頜骨處人為地制造骨缺損并將其分為試驗組(保留骨膜組)和對照組(去除骨膜組)，實驗結(jié)果表明試驗組中5 cm以內(nèi)的骨缺損都得到有效修復(fù)，而對照組即使是2 cm的骨缺損在3個月內(nèi)也未得到有效的修復(fù)。該方法創(chuàng)傷小、相對簡易可行，但同時也存在成骨量較小等缺點。

3.2 骨膜牽張成骨(PDO) 有學(xué)者進行骨膜成骨的實驗研究，發(fā)現(xiàn)不切開骨皮質(zhì)，只對骨膜進行牽引就能在骨膜下形成新的骨組織，從而提出“骨膜牽張成骨”這一理論。當(dāng)牽張力施加在骨斷端后，機體組織的代謝功能及合成功能被激活，可以誘導(dǎo)骨膜中的間充質(zhì)干細胞和未完全分化的成骨細胞分化為具有較高活性的成骨細胞，合成、分泌骨基質(zhì)，進而鈣化形成骨組織。Schmidt等[22]首次在兔下頜骨骨膜下安置牽張裝置，將骨膜牽開，通過實驗發(fā)現(xiàn)在被牽開的骨膜下有較多骨質(zhì)沉積。

3.3 骨膜移植成骨 骨膜移植可分為游離骨膜移植和帶血管蒂的骨膜移植。Ritsila等[23]在臨床上用游離骨膜移植修復(fù)先天性上頜骨缺損，后來又用游離骨膜進行脊柱融合，均獲得成功。與傳統(tǒng)脊柱融合法相比，用游離骨膜移植來融合脊柱可降低術(shù)后椎管狹窄等并發(fā)癥發(fā)生。有學(xué)者在臨床上用患者自體脛骨骨膜片游離移植來修復(fù)長管狀骨骨缺損，經(jīng)過長期隨訪，絕大部分患者骨缺損得到有效修復(fù)。隨著顯微外科技術(shù)的發(fā)展，人們開始用帶血管蒂的骨膜移植來修復(fù)骨缺損，臨床上已成功應(yīng)用帶血管蒂的骨膜移植治療股骨頸骨折導(dǎo)致的骨缺損。與用游離骨膜移植修復(fù)骨缺損相比，帶血管蒂的骨膜移植有血運重建快、骨修復(fù)時間縮短及安全有效等優(yōu)點。Ritsila等[24-25]曾用帶血管蒂的骨膜移植來修復(fù)兔脛骨骨缺損，將實驗動物分為試驗組(帶血管蒂的骨膜移植)和對照組(游離骨膜移植)，他們通過實驗觀察到試驗組兔的骨缺損處所生成的新骨量明顯多于對照組生成的骨量。目前，臨床上通過骨膜瓣修復(fù)不同部位骨缺損、骨不連的報道屢見不鮮，如用橈骨骨膜瓣移植治療舟骨骨不連、脛骨骨膜瓣治療脛骨骨不連及骨缺損等。骨膜移植成骨雖然具有成骨量較大、不對供區(qū)的負重骨產(chǎn)生破壞等優(yōu)點，但是當(dāng)骨缺損較大、需求量較多時，骨膜移植亦顯現(xiàn)出其不足之處。

3.4 組織工程骨膜 組織工程骨膜是指運用組織工程的方法將自體骨膜細胞進行培養(yǎng)、擴增，用來修復(fù)骨缺損等的方法。骨組織工程主要包括理想的種子細胞、合適的骨引導(dǎo)支架材料及有效的骨誘導(dǎo)因子。先將種子細胞在體外培養(yǎng)、擴增，獲得足夠的種子細胞后將其接種于支架材料上，然后將細胞-支架復(fù)合體植入骨缺損處。隨著支架材料逐漸被機體降解、吸收，種子細胞逐漸形成具有正常生理結(jié)構(gòu)與功能的新生骨組織，最終達到修復(fù)骨缺損等的目的。Vacanti首次將骨膜成骨細胞進行體外培養(yǎng)、擴增，并結(jié)合生物可降解材料PGA形成復(fù)合體，然后把該復(fù)合體移植于小鼠肢體骨缺損處，一段時間后見患處有明顯的骨組織生成。隨著對骨膜成骨分子機制研究的不斷深入，Breitbart等首先用人的BMP-7成功轉(zhuǎn)染兔骨膜細胞，然后把這些細胞接種到可降解材料PGA上，然后將復(fù)合體移植到兔顱骨缺損處，成功修復(fù)了兔的顱骨缺損。他們通過在細胞-支架復(fù)合體上加入生長因子進一步提高了骨膜成骨的能力。此外，還有許多有關(guān)的報道，如自體骨膜包繞肌腱復(fù)合堿性成纖維細胞生長因子作月骨替代物；用微粒骨膜-三維支架修復(fù)大面積關(guān)節(jié)軟骨缺損；組織工程骨膜異體體內(nèi)成骨修復(fù)兔骨缺損；用自傳代的骨膜成細胞與多孔磷酸鈣陶瓷復(fù)合種植在裸鼠體內(nèi)來修復(fù)骨缺損等。

雖然組織工程的興起為骨缺損等的治療開辟了新的途徑，并且組織工程骨膜有高效、對供區(qū)損傷小等一系列優(yōu)勢，但其同樣也遇到了諸如種子細胞成活率、構(gòu)建骨組織三維立體顯微結(jié)構(gòu)、在體外構(gòu)建微血管系統(tǒng)等的難題，因此未能廣泛的應(yīng)用于臨床。目前，在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，拓振合等[26]用成骨誘導(dǎo)后的間充質(zhì)干細胞與豬小腸黏膜下層復(fù)合構(gòu)建組織工程骨膜，用來修復(fù)兔橈骨4 cm的大段骨缺損，他們切除兔橈骨4 cm長的骨段，制備橈骨缺損動物模型，然后用該人工仿生骨膜覆蓋骨缺損處并加以縫合，實驗結(jié)果顯示兔橈骨處的缺損得到了有效的修復(fù)。人工仿生骨膜[27-28]的制備與生物相容性研究是治療骨缺損的新技術(shù)，符合醫(yī)學(xué)原理和發(fā)展趨勢，在將來有望在臨床上用來修復(fù)大段骨缺損，但這一研究成果目前還處于實驗階段，要在臨床中應(yīng)用還需要進一步的完善和改進。

4 小 結(jié)

骨膜除了具有極佳的成骨潛能、良好的材料學(xué)特性和屏障膜特性外，還具有不存在免疫原性、對供區(qū)破壞小等諸多優(yōu)點，近年來得到了骨科醫(yī)生越來越多的關(guān)注。骨膜主要通過不同形式的骨膜組織移植和以分離骨膜來源的細胞及其各種生長因子為基礎(chǔ)的組織工程來修復(fù)骨缺損，目前許多實驗及部分臨床研究均已取得一定的成果。雖然目前應(yīng)用骨膜促進修復(fù)骨組織在臨床上還未得到廣泛的應(yīng)用，但隨著人們對骨膜成骨研究的不斷深入，骨膜將會憑借其獨特的優(yōu)勢在骨的修復(fù)中擁有廣闊的應(yīng)用前景。

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1008-5572(2017)10-0908-04

R683

A

山東省自然科學(xué)基金(ZR2015HL026)；*本文通訊作者：張鍇

付繁剛，張鍇.骨膜在骨組織修復(fù)過程中的作用[J].實用骨科雜志，2017，23(10)：908-911.

2017-06-02

付繁剛(1991- )，男，研究生在讀，濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，256600。