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骨折修复与细胞因子调节
骨折修复是一个复杂的骨再生过程, 其生物学过程以及与其伴随的组织学变化已得到公认〔1〕。诸多因素参与其调节过程。T riffit t〔2〕提出, 无论何种因素, 最终必将通过分子间的作用, 完成骨折修复的调控。也有人认为, 骨折修复的核心就是成软骨细胞、成骨细胞前体的募集、增殖和分化, 继之成熟为骨细胞分泌基质和矿化〔3〕。对细胞因子的深入研究, 已证实大量细胞因子影响这一实质过程的两个阶段, 现就可能参与骨折修复调控的细胞因子在不同的骨折修复阶段所发挥的作用作一综述。
一、血肿
骨折后的血肿能够诱导骨膜下成骨, 甚至能够诱导异位成骨〔3〕, 从而奠定了血肿在骨折修复早期的重要诱导作用。目前, 在血肿内的血小板中发现许多细胞因子, 包括TGF B、FGF、TGFA、PDGF、EGF。TGF B被认为是激发骨折修复的诱导因子之一〔4, 5〕, 骨膜下注射TGF B能够诱导软骨内成骨和膜内成骨〔6〕, 说明TGFB启动了整个骨的发生过程, 但是必须要有骨膜的存在。FGF、PDGF、EGF 和TGFA的作用相似, 主要同各种细胞的增殖、趋化以及伤口愈合有关, 其中包括骨原细胞(o steogenic cells)。由此可以设想, 血肿中上述因子的出现, 启动了骨折修复的最初阶段, 即激活了确定性骨祖细胞(DO PC) 和诱导性骨祖细胞( IO PC) 的募集和增殖, 为以后的分化打下了物质基础。同时, 这些细胞因子的另一个重要作用就是促进内皮细胞增生, 诱导血管形成, 使血肿机化, 继而进入炎症期。
从血浆中提取的纤维蛋白凝块可作为BM P 良好的载体〔7〕。因此, 血肿机化后, 可做为一种有效的载体,包容BM P 等诱导因子, 并进行有效、缓慢的释放, 以发挥其诱导作用, 是血肿的另一个重要作用。
二、炎症
随着血管的长入, 血肿纤维化, 大量间质细胞、炎性细胞进入血管, 血肿最终被炎性肉芽组织代替, 可以认为这一过程是骨折修复的一个重要环节。阻止这一过程能引起骨折不愈〔8〕。
在这一阶段, 增生的骨膜细胞、间质细胞开始合成TGFB、AFGF〔4, 9, 10〕; 激活后的巨噬细胞能够合成TGFB、PDGF、AFGF 和TGFA〔9～ 12〕; 内皮细胞能够合成PDGF、FGF〔13〕。由此可见, 这些细胞因子在炎症阶段仍存在于骨折间隙中, 进一步刺激间质细胞募集、增殖, 以及血管形成, 以达到分化前的最大程度的量的积累。这时巨噬细胞合成的FGF 为AFGF〔9〕, 具有促间质细胞增殖的作用, 但无分化作用, 从而支持这些细胞因子继续使间质细胞增殖的推断。Guenther 等〔13〕提出,在这一时期, 伴随血管的形成, 增殖的内皮细胞产生细胞因子, 进一步促进骨折愈合过程。A ndrew 等〔14〕也提出, 此时出现的炎性细胞以分泌生长因子的形式, 促进骨折愈合。
在这一阶段, 另一个值得注意的现象是出现了巨噬细胞、T 细胞〔14〕。巨噬细胞、T 细胞激活后能够产生IL 21、IL 23、IL 26、PGE2、M 2CSF 和TN F 等, 这些具有明显骨吸收作用的细胞因子以及破骨细胞的出现〔4〕,很自然地同这一时期出现的骨折端吸收现象联系在一起。这时出现的破骨细胞可能是在细胞因子的作用下,由成熟巨噬细胞直接合成〔15〕。从而可以认为, 这一时期出现的骨吸收, 是骨折修复过程所必然和必需经历的阶段, 它对最终修复骨折发挥重要的作用, 即使在一期皮质愈合中, 也必然会出现骨端的吸收〔16〕。骨折后2 天的血肿不能诱导异位成骨, 4 天时的血肿则可以诱导异位成骨〔3〕。这说明此时骨折端的分子微环境已发生了根本性的改变, TGF B皮下植入只能诱导肉芽组织而不是软骨和骨组织形成〔17〕。目前, 大量研究证实BM P 是唯一能够诱导异位成骨的细胞因子,TGFB只有在BM P 存在时, 才能诱导异位成骨〔17〕。由此可见, 只有BM P 才能使IO PC 向软骨细胞和成骨细胞分化, 就是说骨折后4 天时的血肿可能包含了BM P。M ck inbin〔16〕曾设想此时的BM P 来源于骨折端,并证实骨折后第8 天的骨折间隙基质最具有诱导活性。后来A ndrew 等〔18〕报道, 骨折后10 余天内, 骨折局部并没有发现BM P 的表达。由此推论, 血肿中的BM P来源于骨折端坏死后的释放。
骨质基中除含有BM P 之外, 还有相对丰富的TGFB、IGF21 和少量的EGF、TGFA、PDGF、FGF。伴随炎症早期的骨吸收, 这些因子逐渐以活性形式释放, 使间质细胞在不断的诱导下继续增殖, 这时BM P 的释放, 则使增殖的间质细胞向成骨细胞和软骨细胞分化,使骨折修复进入下一个阶段。
三、原始骨痂反应、软骨形成
M ck inbin〔16〕认为, 原始骨痂反应来源于骨膜和骨髓的DO PC, 是膜内成骨; 软骨则来源于周围的IO PC。是直接成骨, 还是首先成软骨, 看来与增殖细胞的组织来源有关, 同时也与诱导因子有关, 其调节机制还不完全清楚。
Nogam i 等〔19〕提出不同浓度的诱导物质, 在不同的距离, 对组织分化有不同的影响。J ingush i 等〔9〕发现血肿中的TGFB分散至骨膜处, 使骨膜细胞增殖, 或形成软骨; Joyce 等〔6〕证实骨膜下注射TGFB, 同时引起膜内成骨和软骨形成, 并认为大剂量的TGFB诱导骨膜细胞软骨内成骨, 低浓度的GFB则可直接诱导膜内成骨。A spenberg 等〔20〕发现增加BM P 的浓度, 能增强异位诱导成骨能力。
TGFB、bFGF、IGF 主要与细胞分化有关, 提高成骨细胞各种类型的表达, 增加软骨基质、骨基质的合成。在骨折修复的软骨形成和骨膜反应时期, 即将分化的增殖间质细胞合成IGF21〔10〕; 反过来, IGF21 又能诱导骨膜细胞软骨内成骨, 同时IGF 能促使骨膜细胞和骨髓基质细胞分化为成骨细胞〔21〕。TGFB在增殖的间质细胞、成骨细胞和软骨细胞中均有表达〔22〕。TGFB也能刺激成骨细胞表达TGFB〔21〕, 刺激高分化的间质细胞、成骨细胞和软骨细胞表达BM P〔10〕。具有诱导间质细胞向软骨细胞分化能力的bFGF 在软骨细胞中的表达, 又可刺激成骨细胞产生TGFB〔9〕。说明这些细胞因
子在骨组织中能够自我调节, 发挥自分泌和旁分泌的作用, 使骨折修复进入自我调节阶段。许多研究证实细胞因子间存在着相互影响, PDGF、IL 21 能够增强BM P的异位成骨能力〔23, 24〕, TGFB能增加BM P 的诱导能力〔25〕, 使细胞因子的调节作用更加复杂。
四、软骨内成骨、骨改塑
骨折修复进入软骨形成阶段后, 其骨化过程与软骨内成骨过程极其相似, 在这一时期, 如前所述, 许多细胞因子仍在成骨细胞及软骨细胞中表达。TGFB高表
达时, 伴随着软骨内成骨〔5〕。在软骨内成骨时,BM P 也呈高表达趋势, 进入改塑期后表达趋势下降〔18〕。此时破骨细胞也表达BM P。目前其它细胞因子在这一时期时空表达的研究较少。M cDonald 等〔25〕对影响骨代谢的细胞因子进行了较系统的回顾, 并试图将骨改塑过程中参与的细胞因子进行分类, 但细胞因子在体内的产生、活性以及相互间的影响还远未清楚。
目前, 进一步在分子水平上探讨骨折修复的机制,已成为研究骨折修复的前沿科学, 随着研究的深入, 使得有可能利用细胞因子来创造、恢复骨再生的环境, 为骨不连、骨缺损提供最有效的治疗手段。
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