李澤華 關(guān)俊杰 張長青

創(chuàng)傷性腦損傷(TBI)是指暴力作用于頭部造成腦組織器質(zhì)性損傷。TBI可導(dǎo)致一系列嚴(yán)重的感覺運動障礙，是年輕人群殘疾和死亡的主要原因之一。TBI可根據(jù)昏迷時間、嚴(yán)重程度等方面進(jìn)行評估，其中格拉斯哥昏迷量表(GCS)是使用最廣泛的評分指標(biāo)[1]，分?jǐn)?shù)為3(腦死亡或預(yù)后極差)～15分(神經(jīng)功能正常)，其中3～8分被認(rèn)定為重型TBI。重型TBI患者多因交通意外、高處墜落等高能量損傷導(dǎo)致，常合并四肢軀干骨折等損傷。TBI患者在接受骨科治療前，通常需要進(jìn)行神經(jīng)外科治療，病情穩(wěn)定后才會治療合并損傷。在此過程中，TBI患者骨折愈合速度通常會有所加快，骨痂體積變大，密度增高，甚至沒有發(fā)生骨折的關(guān)節(jié)及軟組織會出現(xiàn)異位骨化(HO)[2-6]。也有研究發(fā)現(xiàn)，TBI會導(dǎo)致骨骼脆性增加和骨折風(fēng)險增高[7]。因此，全面、深刻地理解TBI對骨折愈合的影響不僅有助于尋找潛在的骨折修復(fù)新療法，幫助患者早期康復(fù)，同時對于減少TBI后骨關(guān)節(jié)周圍HO等并發(fā)癥具有指導(dǎo)意義。

1 骨折愈合與HO

骨骼組分中約30%為基質(zhì)和細(xì)胞，約70%為礦物質(zhì)。骨折愈合過程通常分為3期：血腫炎癥機化期、原始骨痂形成期、骨痂改造塑形期。HO是指在軟組織處形成骨組織，多發(fā)生于髖關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)等大關(guān)節(jié)周圍，常見于神經(jīng)癱瘓的患者。關(guān)于TBI后骨折愈合加速與HO之間的關(guān)系，尚未達(dá)成共識。一些學(xué)者認(rèn)為，TBI后神經(jīng)祖細(xì)胞增加，這些細(xì)胞作為神經(jīng)源性HO的主要成骨前體細(xì)胞，在骨折點形成骨痂，促進(jìn)骨折愈合[8]。還有些學(xué)者則認(rèn)為，TBI可以使骨折點和異位的成骨能力都得到提高，并否認(rèn)了神經(jīng)源性HO的概念[9]。雖然學(xué)者們觀點各異，但一般認(rèn)為骨折愈合加速和HO發(fā)生率增加具有相同的原理，它們都反映了TBI后成骨作用的增強。

2 TBI對成骨作用的影響

2.1 釋放成骨因子

TBI可上調(diào)血清中成骨因子如轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)-β1、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)等水平，這些成骨因子可能會加速骨折愈合。

2.1.1 TGF-β1

TGF-β1可以調(diào)節(jié)骨細(xì)胞增殖和分化，促進(jìn)骨形成并抑制骨吸收。馬維等[10]研究發(fā)現(xiàn)，骨折合并TBI患者TGF-β1表達(dá)在骨折部位達(dá)到峰值的時間與在受損大腦和血清中達(dá)到峰值的時間同步，且骨折合并TBI組TGF-β1表達(dá)要強于單純TBI組。這表明TGF-β1可以通過受損的血腦屏障進(jìn)入全身循環(huán)，促進(jìn)骨骼生長和修復(fù)。

2.1.2 BMP

BMP是TGF-β超家族成員。BMP-2和BMP-4是調(diào)節(jié)成骨的重要因子，兩種因子都可促進(jìn)成骨細(xì)胞分化[11]。BMP-2、BMP-4與血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)或TGF-β聯(lián)合應(yīng)用，可以促進(jìn)軟骨內(nèi)骨化[12]。TBI后BMP及其受體水平和mRNA表達(dá)均上調(diào)[13]。BMP-2還可以直接作用于感覺神經(jīng)元，誘導(dǎo)神經(jīng)炎癥，導(dǎo)致神經(jīng)重塑，促進(jìn)成骨細(xì)胞和其他干細(xì)胞的遷移[14]。

2.2 激素變化

激素對骨骼形成、發(fā)育和修復(fù)發(fā)揮重要作用。TBI后某些激素水平會產(chǎn)生變化，并通過受損的血腦屏障進(jìn)入體循環(huán)，促進(jìn)骨折愈合。

2.2.1 瘦素

研究發(fā)現(xiàn)，TBI后血清和腦脊液中的瘦素水平顯著增加[15]。有學(xué)者研究TBI對ob/ob小鼠骨折愈合的影響，發(fā)現(xiàn)與野生型小鼠相比，瘦素缺陷型小鼠骨折愈合率顯著降低，而局部應(yīng)用瘦素可有效減少延遲愈合[15-17]。后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)，瘦素在TBI后可以通過穩(wěn)定胰島素與骨鈣素水平促進(jìn)骨折愈合[18]。瘦素作用于下丘腦可增加成骨細(xì)胞表面β2腎上腺素能受體，從而抑制成骨。當(dāng)瘦素作用于骨痂時，它能通過抑制成骨細(xì)胞凋亡促進(jìn)成骨。在正常情況下，這兩種效果保持平衡狀態(tài)。而TBI可能導(dǎo)致下丘腦損傷或功能障礙，從而削弱瘦素作用于下丘腦的抑制成骨作用，加速骨折愈合，增加骨痂形成[19]。

2.2.2 褪黑激素

TBI導(dǎo)致蛛網(wǎng)膜下腔出血后，褪黑激素在腦脊液中顯著增加[20]。褪黑激素可以調(diào)節(jié)鈣平衡和骨骼代謝，促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖和分化，抑制核因子-κB受體活化因子配體(RANKL)介導(dǎo)的破骨細(xì)胞活化作用[21]。此外，褪黑激素通過其自由基清除劑和抗氧化特性，使得破骨細(xì)胞活性和骨吸收下降[22]。

2.2.3 下丘腦-垂體-腎上腺軸

下丘腦-垂體-腎上腺(HPA)軸及內(nèi)分泌系統(tǒng)對于許多器官系統(tǒng)的生理功能至關(guān)重要。70%的TBI患者存在下丘腦-垂體功能障礙[23]。TBI破壞HPA軸可導(dǎo)致垂體功能減退，激素缺乏[24-26]。生長激素、促性腺激素和促甲狀腺激素缺乏會對骨骼產(chǎn)生長期負(fù)面影響。缺乏生長激素會增強分解代謝作用，導(dǎo)致骨量減少，骨骼脆性及骨折風(fēng)險增加[27]；促甲狀腺激素可直接抑制破骨細(xì)胞骨質(zhì)吸收作用并刺激骨再生，因此缺乏促甲狀腺激素可顯著促進(jìn)骨吸收并減少成骨[28]。

2.3 血-神經(jīng)屏障與神經(jīng)炎癥

血-神經(jīng)屏障(BNB)在TBI后HO形成中起到重要作用[29]。研究發(fā)現(xiàn)，鄰近大神經(jīng)的區(qū)域(如鄰近坐骨神經(jīng)的髖關(guān)節(jié)、鄰近尺骨神經(jīng)的肘關(guān)節(jié)等)更容易形成HO，可能是由于神經(jīng)伸展時BNB屏障功能降低導(dǎo)致[30]。

TBI后P物質(zhì)和降鈣素基因相關(guān)肽(CGRP)水平上調(diào)，可以募集大量的肥大細(xì)胞，從而引起神經(jīng)炎癥[14]。CGRP是一種在感覺神經(jīng)元中含量豐富的神經(jīng)肽，可以上調(diào)成骨細(xì)胞活性和下調(diào)破骨細(xì)胞活性。Song等[31]研究發(fā)現(xiàn)，與單純骨折組相比，TBI合并骨折組大鼠海馬體和整個大腦中的CGRP在造模后72 h和168 h均顯著增多。CGRP對血管具有舒張作用，可以通過軸突運輸至骨折處，從而改善血供并加速骨折愈合[32]。Zhang等[33]研究發(fā)現(xiàn)，CGRP可以促進(jìn)成骨因子BMP-2、BMP-6、Wnt10b和抑瘤素M(OSM)的分泌，還可以通過Yes相關(guān)蛋白1(Yap1)調(diào)節(jié)M2巨噬細(xì)胞骨免疫反應(yīng)來調(diào)控成骨作用。

2.4 電解質(zhì)與氧含量變化

TBI患者由于長期昏迷常需要持續(xù)機械通氣。van Kampen等[34]研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)生HO的TBI患者較未發(fā)生HO的TBI患者昏迷和機械通氣時間更長。長時間的機械通氣可能會增加體液pH值，改變電解質(zhì)含量，促進(jìn)鈣沉積并加速骨折愈合[35]。

長時間的昏迷和體位固定還會導(dǎo)致血供和氧含量不足，這也為HO提供了發(fā)生環(huán)境[36]。實驗研究發(fā)現(xiàn)，大鼠模型缺氧可導(dǎo)致HO發(fā)生率增高及面積增加[37]。在軟骨內(nèi)骨化成骨時，必須以高度血管化的骨代替無血管軟骨組織。VEGF在血管生成中起關(guān)鍵作用，為骨組織修復(fù)提供營養(yǎng)物質(zhì)。Zhang等[38]研究發(fā)現(xiàn)，在22例鎖骨骨折并發(fā)TBI患者和25例單純鎖骨骨折患者中，鎖骨骨折合并TBI患者骨痂中的VEGF水平高于單純鎖骨骨折患者，且骨折愈合時間較短。TBI會導(dǎo)致腦缺血和缺氧，從而上調(diào)缺氧誘導(dǎo)因子(HIF)-1表達(dá)，并增加腦組織中VEGF水平。腦組織中的VEGF通過血腦屏障進(jìn)入循環(huán)，可促進(jìn)血管生成和軟骨內(nèi)骨化[39]。

2.5 微RNA變化

微RNA(miRNA)是成骨細(xì)胞分化的重要調(diào)節(jié)分子。它是一類非編碼單鏈RNA，平均長度為19～25個核苷酸。這些分子高度保守，通過靶向信使RNA的3’非翻譯區(qū)(3’-UTR)調(diào)節(jié)基因表達(dá)，從而實現(xiàn)多種生物學(xué)功能。miRNA通過調(diào)節(jié)基因表達(dá)在成骨過程中起著至關(guān)重要的作用，對于各種骨細(xì)胞募集和分化必不可少[40-41]，有些miRNA與神經(jīng)損傷密切相關(guān)。

2.5.1 miR-21

Di Pietro等[42]分析10例TBI患者血清中miRNA表達(dá)水平，并采用120例輕、中、重度TBI患者的血清進(jìn)行驗證，從754個miRNA中選擇了4個可以作為候選生物標(biāo)志物的miRNA，其中miR-21具有潛在治療前景。Yin等[43]研究發(fā)現(xiàn)，含有miR-21-5p的PC12細(xì)胞來源外泌體可被小膠質(zhì)細(xì)胞吞噬并誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞極化，加劇了神經(jīng)炎癥因子釋放，導(dǎo)致TBI后的神經(jīng)炎癥。Xiong等[44]研究發(fā)現(xiàn)，含有miR-21-5p中的外泌體可通過提高成骨細(xì)胞活性和促進(jìn)DNA復(fù)制誘導(dǎo)成骨細(xì)胞增殖，增加骨小梁數(shù)目，促進(jìn)肢端肥大癥異常骨化。Li等[45]體內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，TBI后miR-21-5p水平上調(diào)，且體外TBI模型中miR-21-5p可抑制神經(jīng)元自噬。Ge等[46]研究發(fā)現(xiàn)，TBI后miR-21-5p增加可減輕血腦屏障損傷，且大腦皮層撞擊后小鼠腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞miR-21-3p水平升高；體外實驗中經(jīng)氧和葡萄糖剝奪/復(fù)氧處理的bEnd.3細(xì)胞損傷模型中miR-21-3p水平也升高。下調(diào)miR-21-3p水平可減輕糖氧剝奪導(dǎo)致的血腦屏障損傷，減少滲漏并增加緊密連接蛋白表達(dá)。miR-21-3p下調(diào)還可抑制細(xì)胞凋亡，并通過靶向MAT2B基因抑制核因子(NF)-κB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路來控制炎癥反應(yīng)。

2.5.2 miR-26

Xiong等[47]研究發(fā)現(xiàn)，TBI后患者血清中miRNA-26a-5p表達(dá)上調(diào)；在體外， miRNA-26a-5p可抑制磷脂酶和張力蛋白同源物PTEN表達(dá)并加速成骨細(xì)胞分化，而沉默miRNA-26a-5p則抑制成骨細(xì)胞活性。

2.5.3 miR-16

Sun等[48]研究發(fā)現(xiàn)，在TBI患者中miR-16-5p明顯下調(diào)，而miR-16-5p過表達(dá)顯著抑制了MC3T3-E1細(xì)胞增殖；流式細(xì)胞儀分析進(jìn)一步證明，miR-16-5p過表達(dá)使細(xì)胞周期停滯在G1/S期，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，其還可負(fù)調(diào)控Bcl-2和Cyclin-D1表達(dá)；體內(nèi)實驗也進(jìn)一步證實，miR-16-5p可抑制骨折愈合。

2.6 直接神經(jīng)源性作用

研究發(fā)現(xiàn)，輕度TBI后在交感神經(jīng)調(diào)控下骨穩(wěn)態(tài)受到影響，可能會使骨形成和骨密度改變，最終導(dǎo)致骨質(zhì)流失[49-50]。然而，這種現(xiàn)象的基礎(chǔ)機制目前尚不清楚，且缺乏對輕度TBI的定義[51]。

3 結(jié)語

骨折合并TBI患者骨折愈合加速是多種因素共同作用的結(jié)果。TBI先刺激人體釋放各種細(xì)胞因子，從而產(chǎn)生成骨作用；血腦屏障破壞會將各種成骨因子釋放到血液中。然后，這些因子通過體循環(huán)局部作用于骨折部位，從而促進(jìn)骨折愈合并增加HO風(fēng)險。TBI后體液中炎性因子上調(diào)，形成了促進(jìn)HO的炎性微環(huán)境。短期來看，TBI通過成骨因子、激素、炎性因子和各種miRNA對成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞的作用加速骨折愈合；長期來看，中樞神經(jīng)系統(tǒng)及HPA軸破壞改變骨骼重塑過程，降低骨量，使骨骼脆性增加，增加骨折風(fēng)險?？傊?，TBI是復(fù)雜的多方面過程，可深刻影響骨骼系統(tǒng)完整性和功能。