生物學(xué)方法促進(jìn)肩袖腱骨愈合研究進(jìn)展

廖昊燃 余偉林 胡慶翔 趙華昆 何耀華

流行病學(xué)調(diào)查研究顯示，肩袖損傷在20 歲以上人群中的比例達(dá)20%，而在60 歲以上人群中的比例高達(dá)54%［1］。盡管關(guān)節(jié)鏡手術(shù)量逐年增加，手術(shù)技術(shù)也得到了顯著提高，但肩袖損傷術(shù)后再撕裂率仍在26.6% ～ 94%［2］。目前，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為肩袖腱骨愈合不佳是影響手術(shù)效果最為關(guān)鍵的因素。

正常腱骨止點(diǎn)是一系列高度特異排序的組織，其主要作用為傳遞軟組織至骨的復(fù)雜機(jī)械應(yīng)力，由四部分組織構(gòu)成：肌腱組織、未鈣化纖維軟骨、鈣化纖維軟骨和骨組織［3-4］。研究發(fā)現(xiàn)，肩袖損傷術(shù)后，腱骨愈合多為瘢痕愈合，腱骨止點(diǎn)生物力學(xué)強(qiáng)度明顯降低［5］。因此，為了能更好地解決肩袖腱骨愈合這一難題，越來(lái)越多新的方法被發(fā)現(xiàn)并加以應(yīng)用。本文擬對(duì)促進(jìn)肩袖腱骨愈合的方法這一關(guān)鍵問(wèn)題作一綜述，旨在從生物學(xué)方面為臨床治療提供參考。

一、生長(zhǎng)因子

生長(zhǎng)因子是一類(lèi)細(xì)胞因子，前期研究顯示生長(zhǎng)因子能夠促進(jìn)肩袖腱骨愈合。主要包括：血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor,VEGF）、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β（transforming growth factor-β,TGF-β）、骨形態(tài)生成蛋白（bone morphogenetic protein,BMP）、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子（fibroblast growth factor,FGF）［6-7］。

VEGF 是一種高度特異性的促血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子，在肩袖腱骨愈合的再血管化及塑形改建過(guò)程中起到重要作用。Huang 等［8］探討VEGF 參與肩袖損傷術(shù)后腱骨界面愈合的機(jī)制。已知VEGF 能通過(guò)Yes 相關(guān)蛋白（Yes-associated protein,YAP）通路發(fā)揮作用，Huang 等利用YAP 的抑制劑Verteporfin 對(duì)大鼠岡上肌腱損傷手術(shù)模型進(jìn)行干預(yù)，并對(duì)術(shù)后腱骨界面失效載荷進(jìn)行機(jī)械測(cè)試和分析。與對(duì)照組對(duì)比結(jié)果顯示，Verteporfin 顯著降低了岡上肌腱的失效載荷。因此，Huang 等認(rèn)為Verteporfin 可以通過(guò)抑制YAP 通路來(lái)影響VEGF，間接證實(shí)了VEGF 可以幫助肩袖腱骨獲得更好的機(jī)械性能。已知microRNA-205-5p 能調(diào)控間充質(zhì)干細(xì)胞的表達(dá)，Xu 等［9］通過(guò)雙熒光素酶報(bào)告基因檢測(cè)證實(shí)VEGF 能通過(guò)抑制microRNA-205-5p 的表達(dá)促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖與分化，從而促進(jìn)肩袖腱骨愈合。VEGF 促進(jìn)肩袖腱骨愈合的研究較少，只能間接證實(shí)VEGF 對(duì)肩袖腱骨愈合有促進(jìn)作用，可針對(duì)血管形成與肩袖腱骨愈合作進(jìn)一步研究。

TGF-β 可以促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞和成骨細(xì)胞的增殖、分化，加快骨和軟骨形成。 Han 等［10］研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)調(diào)控TGF-β 會(huì)導(dǎo)致肩袖生物力學(xué)性能降低。Yamakado 等［11］的研究結(jié)果顯示，采用肝素／纖維蛋白將TGF-β 輸送到肩袖腱骨止點(diǎn)處修復(fù)岡上肌損傷，結(jié)果證實(shí)TGF-β 能促進(jìn)肩袖腱骨愈合，改善力學(xué)性能。TGF-β 需要與載體結(jié)合才能被輸送到肩袖損傷處，不同載體的選擇對(duì)于肩袖腱骨愈合可能產(chǎn)生不同的影響，進(jìn)行研究時(shí)必須將載體可能帶來(lái)的影響考慮在內(nèi)。

BMP 源于骨與骨源性細(xì)胞，BMP 可參與機(jī)體信號(hào)通路表達(dá)，調(diào)節(jié)軟骨、骨、血管等的生成與腱骨愈合［12］。Rodeo［13］構(gòu)建了羊肩袖損傷的動(dòng)物模型，將具有成骨活性的生長(zhǎng)因子BMP 植入肩袖腱骨止點(diǎn)處，MRI 及組織學(xué)研究顯示試驗(yàn)組肩袖腱骨止點(diǎn)處比對(duì)照組形成更多的骨組織和結(jié)締組織，生物力學(xué)強(qiáng)度更優(yōu)。雖然BMP 能促進(jìn)肩袖腱骨愈合，但尚未達(dá)到恢復(fù)正常復(fù)合結(jié)構(gòu)的程度，因此單一應(yīng)用BMP 進(jìn)行肩袖腱骨愈合的研究較少。

FGF 是一種多向性生長(zhǎng)因子， 分為堿性FGF（basicFGF,bFGF）和酸性FGF（acidicFGF,aFGF），二者具有相同的生物學(xué)效應(yīng)。研究顯示［14］，bFGF 可以促進(jìn)成纖維細(xì)胞的分裂、增殖、分化，促進(jìn)骨和軟骨組織的形成，還可協(xié)同VEGF 促進(jìn)血管的生成和肌腱的生長(zhǎng)。Ide等［15］在大鼠肩袖損傷的腱骨止點(diǎn)處植入纖維蛋白膠包裹的bFGF，并使用肌腱成熟分級(jí)系統(tǒng)對(duì)術(shù)后標(biāo)本進(jìn)行組織學(xué)評(píng)價(jià)。結(jié)果證實(shí)纖維蛋白膠包裹的bFGF 對(duì)肩袖腱骨止點(diǎn)處早期愈合具有一定的促進(jìn)作用。FGF 在肩袖腱骨愈合領(lǐng)域的研究主要集中在bFGF,可以考慮將aFGF 應(yīng)用于肩袖腱骨愈合進(jìn)行一定的研究，并對(duì)兩者得出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究。

雖然已有大量的研究證實(shí)生長(zhǎng)因子能促進(jìn)肩袖腱骨愈合，但相關(guān)載體的選擇標(biāo)準(zhǔn)以及如何將生長(zhǎng)因子準(zhǔn)確輸送到肩袖損傷處等問(wèn)題仍需要更多的研究。

二、干細(xì)胞工程

干細(xì)胞既可以分化成其他類(lèi)型細(xì)胞，也可以分裂產(chǎn)生更多相同類(lèi)型的干細(xì)胞。目前可以促進(jìn)肩袖腱骨愈合的干細(xì)胞主要有骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs）、 脂肪源性干細(xì)胞（adipose derived stem cells,ADSCs）、 腱源干細(xì)胞（tendon derived stem cells,TDSCs）、臍帶血間充質(zhì)干細(xì)胞（umbilical cord blood mesenchymal stem cells,UCB-MSCs）。

BMSCs 是一種多能干細(xì)胞，具有自我復(fù)制和分化的能力，在骨髓中含量豐富。Nourissat 等［16］在術(shù)中把BMSCs注射到大鼠腱骨止點(diǎn)處，在術(shù)后45 d 發(fā)現(xiàn)與無(wú)細(xì)胞注射的對(duì)照組相比，只有試驗(yàn)組腱骨止點(diǎn)處出現(xiàn)了整齊排列的軟骨細(xì)胞，形成了類(lèi)似于正常腱骨界面的典型四層結(jié)構(gòu)。Hernigou 等［17］在關(guān)節(jié)鏡檢查時(shí)給45 例患者注射了BMSCs，并與45 例未注射BMSCs 的患者對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)超聲和核磁共振確定，BMSCs 注射提高了愈合率并改善了修復(fù)質(zhì)量。10 年后，87%的BMSCs 治療組患者和44%對(duì)照組患者出現(xiàn)完整的肩袖。

ADSCs 是一種可以向多種間充質(zhì)細(xì)胞增殖分化的干細(xì)胞。Chen 等［18］在試驗(yàn)組術(shù)中把ADSCs 注射到大鼠肩袖腱骨止點(diǎn)處，在對(duì)照組術(shù)中注射等量生理鹽水，在術(shù)后發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)組纖維排列和肌腱組織得到改善，炎癥細(xì)胞數(shù)量顯著減少，生物力學(xué)強(qiáng)度得到明顯提高。Kosaka 等［19］在兔腱骨止點(diǎn)處分別注射ADSCs 和生理鹽水，較注射生理鹽水的對(duì)照組，試驗(yàn)組兔腱骨區(qū)在術(shù)后12 周形成更多成熟細(xì)胞，生物力學(xué)強(qiáng)度更優(yōu)。Jo 等［20-21］選取已隨訪6 個(gè)月的部分肩袖撕裂的患者進(jìn)行不同劑量的ADSCs 注射治療，在注射后1、3、6、12 和24 個(gè)月對(duì)患者進(jìn)行隨訪，隨訪發(fā)現(xiàn)患者病情得到不同程度改善。他們認(rèn)為，在不進(jìn)行手術(shù)的情況下，通過(guò)注射ADSCs 治療部分肩袖撕裂是有希望的。

TDSCs 來(lái)源于肌腱組織，可以分化為各種細(xì)胞。Cheng 等［22］把TDSCs 注射到大鼠肩袖腱骨止點(diǎn)處，術(shù)后4 周發(fā)現(xiàn)相較于對(duì)照組大鼠肩袖腱骨止點(diǎn)處生物力學(xué)性能得到改善。Lui 等［23］在大鼠試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在術(shù)后第2 周和第 6 周TDSCs 組的骨密度和骨體積分?jǐn)?shù)均明顯高于對(duì)照組，生物力學(xué)強(qiáng)度更優(yōu)。

UCB-MSCs 可以通過(guò)微創(chuàng)方法獲得。在一項(xiàng)研究中，Park 等［24］選取10 例肩袖全層撕裂患者，在超聲引導(dǎo)下注射UCB-MSCs 進(jìn)行治療，隨訪發(fā)現(xiàn)7 例患者肩關(guān)節(jié)功能得到明顯改善。

BMSCs、ADSCs、TDSCs 和UCB-MSCs 的來(lái)源不同，提取、加工以及應(yīng)用的難度也不一樣。BMSCs 是干細(xì)胞主要來(lái)源，提取簡(jiǎn)單且安全性高，但數(shù)量、分化潛力和最大壽命隨著年齡的增長(zhǎng)而減少［25］。ADSCs 在標(biāo)準(zhǔn)組織培養(yǎng)條件下容易生長(zhǎng)，并顯示出多譜系分化能力，但促進(jìn)肩袖腱骨愈合效果有限［26］。目前，雖然利用TDSCs 促進(jìn)肩袖腱骨愈合的相關(guān)研究很少， 但理論上，TDSCs 在促進(jìn)腱骨愈合能力上相對(duì)于BMSCs 更具優(yōu)勢(shì)，TDSCs 能保證腱骨止點(diǎn)處生成更多的肌腱與骨，且增殖能力更強(qiáng)［27-28］。在各種干細(xì)胞中，UCB-MSCs 具有最強(qiáng)大的治療潛力，因?yàn)槠渚哂卸喾N屬性，如能夠在損傷組織中定位、低免疫原性、多向分化［29］。干細(xì)胞治療肩袖損傷在未來(lái)需要更深入更廣泛的研究。

三、組織工程學(xué)材料

組織工程學(xué)材料不僅應(yīng)該模仿肩袖止點(diǎn)處關(guān)鍵的微觀結(jié)構(gòu)、成分和機(jī)械性能，而且還需能恢復(fù)正常的肩關(guān)節(jié)功能。目前促進(jìn)肩袖腱骨愈合的組織工程學(xué)材料主要有天然聚合物、合成聚合物、骨傳導(dǎo)無(wú)機(jī)材料、混合生物材料。

天然聚合物主要有膠原蛋白和殼聚糖，它們包含特定的分子域，能夠在組織發(fā)育的不同階段支持和引導(dǎo)細(xì)胞［30］。膠原是結(jié)締組織細(xì)胞外基質(zhì)的主要成分［31］。Van Kampen等［32］將ⅰ型膠原纖維支架縫合到成年綿羊?qū)录〉谋砻?，發(fā)現(xiàn)植入6 周后，支架通過(guò)誘導(dǎo)形成整合良好且致密、規(guī)則取向的肌腱樣組織。在植入26 周后，支架被完全吸收，僅在宿主肌腱上留下一層穩(wěn)定的成熟組織，表明膠原蛋白有助于肩袖腱骨愈合。聚糖是一種生物可降解和生物相容的材料，能夠促進(jìn)細(xì)胞增殖和遷移［33］。殼聚糖纖維支架已被用于促進(jìn)兔肩袖再生。發(fā)現(xiàn)與未接受治療的對(duì)照組相比，肩袖的力學(xué)強(qiáng)度更優(yōu)［34］。天然聚合物的生物活性可能導(dǎo)致強(qiáng)烈的免疫原性反應(yīng)，臨床研究較少［35］。

合成聚合物可分為可降解和不可降解聚合物，以適應(yīng)不同的組織再生目的?？山到饩酆衔镏饕ň廴樗幔╬olylactic acid,PLA），聚乙醇酸（polyglycolide,PGA）,和聚乳酸-乙醇酸共聚物［poly（lactic-co-glycolic acid）, PLGA］。由聚乳酸制造的合成補(bǔ)片，植入到18 例患者肩袖撕裂處時(shí)表現(xiàn)良好，可用來(lái)修復(fù)巨大肩袖損傷［36］。接種有干細(xì)胞的聚乙醇酸補(bǔ)片已被用于促進(jìn)腱骨愈合［37］。利用負(fù)載bFGF 的電紡纖維PLGA 膜促進(jìn)腱骨愈合，與bFGF 對(duì)照組相比，bFGFPLGA 膜腱骨止點(diǎn)有更多的膠原組織生成，生物力學(xué)性能更強(qiáng)［38］。不可降解聚合物主要包括聚碳酸酯聚氨酯，聚四氟乙烯（poly tetra fluoroethylene,PTFE）。與傳統(tǒng)縫合錨修復(fù)相比，聚氨酯支架可以提供了更大的機(jī)械強(qiáng)度，有助于肩袖腱骨愈合［39］。在臨床應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)PTFE 補(bǔ)片有助于修復(fù)巨大肩袖損傷。術(shù)后1 年，觀察到PTFE 補(bǔ)片和臨近骨組織之間緊密連接，患者肩關(guān)節(jié)功能得到有效改善［40］。合成聚合物由于成分與骨不同，在撕裂的肩袖中再生骨的能力有限。

骨傳導(dǎo)無(wú)機(jī)材料的主要種類(lèi)是磷酸鈣生物材料。Tien等［41］用磷酸鈣（calcium phosphate,CaP）骨水泥填充腱骨止點(diǎn)。Mutsuzaki 等［42］在移植腱組織中填充CaP，組織學(xué)和力學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)腱骨愈合加快。Kovacevic 等［43］在大鼠急性肩袖損傷模型中用CaP 基質(zhì)和TGF-β 進(jìn)行聯(lián)合治療，發(fā)現(xiàn)有助于肩袖腱骨愈合。在皇甫和趙對(duì)犬模型的研究中，發(fā)現(xiàn)一種磷酸三鈣（tribasic calcium phosphate,TCP）和羥基磷灰石（hydroxyapatite,HA）的混合物能使移植物更快地結(jié)合到隧道中，具有更高的生物學(xué)強(qiáng)度［44］。然而，骨傳導(dǎo)無(wú)機(jī)材料通常具有脆性、低機(jī)械可靠性以及缺乏彈性。

混合生物材料具有各種材料的優(yōu)點(diǎn)，較其他組織工程學(xué)材料更加貼合肩袖的天然結(jié)構(gòu)，因此治療效果更好。Wang 等［45］通過(guò)靜電紡絲制備雙層有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合的柔性纖維膜，模擬腱骨止點(diǎn)非礦化纖維軟骨和礦化纖維軟骨組成，用于腱骨愈合研究。組織結(jié)果顯示雙層有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合的柔性纖維膜促進(jìn)腱骨止點(diǎn)過(guò)渡區(qū)的形成，改善膠原蛋白的組成與排列。在一項(xiàng)為期3 年的非隨機(jī)回顧性隨訪研究中，Ciampi 等［46］比較了對(duì)照組、膠原補(bǔ)片組和混合聚丙烯補(bǔ)片組對(duì)巨大肩袖撕裂修復(fù)的影響，混合聚丙烯補(bǔ)片組再撕裂率最低。Proctor 等［36］評(píng)估了18 例肩袖撕裂患者的肩關(guān)節(jié)功能，這些患者接受了可吸收聚左旋乳酸編織網(wǎng)治療。超聲和磁共振結(jié)果顯示，83%的患者在手術(shù)后12 個(gè)月肩關(guān)節(jié)功能基本恢復(fù)。Lenart 等［47］在16 例肩袖撕裂患者開(kāi)放性手術(shù)中，使用了這種支架，在平均1.5 年的隨訪中，美國(guó)肩肘外科協(xié)會(huì)評(píng)分和Penn 肩部評(píng)分較術(shù)前顯著提高。

四、結(jié)語(yǔ)

目前促進(jìn)肩袖腱骨愈合的方法很多，但大部分依然來(lái)源于動(dòng)物試驗(yàn)，距離臨床應(yīng)用尚有一段距離，如何將研究的成果廣泛運(yùn)用于臨床中，仍需進(jìn)一步探索。同時(shí)，由于肩袖腱骨界面成分及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，將多種促進(jìn)肩袖腱骨愈合的方法進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用必然會(huì)成為一種新的研究思路。隨著研究的深入與技術(shù)的革新，人們有望解決肩袖腱骨愈合這一難題。