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编号:10216091
经皮自体骨髓移植在骨缺损瘢痕组织内成骨作用的实验研究
http://www.100md.com 《中华外科杂志》 1998年第2期
     作者:梁雨田 张伯勋 卢世璧 陶笙

    单位:100853 北京,中国人民解放军总医院骨科

    关键词:骨髓移植;成骨细胞;瘢痕;动物,实验

    中华外科杂志980204 【摘要】 目的 观察经皮自体骨髓移植在骨缺损瘢痕组织内的成骨作用。方法 选健康家兔18只,建立双侧桡骨中段骨及骨膜缺损1cm模型,两骨断端髓腔用骨蜡封闭。6周后,实验侧(右)桡骨骨缺损区经皮注射自体红骨髓2ml;对照侧(左)桡骨骨缺损区注射自身外周血2ml。于注射前及注射后不同时间内分别行X线、组织学检查及骨缺损区瘢痕组织内钙磷含量的测定。结果 注射后1周,实验侧X线显示以骨缺损为中心形成一个密度增高的弧形软组织影,组织切片为大量新生的软骨组织;对照侧X线片示骨缺损区无改变,组织切片为纤维结缔组织。注射后4周,实验侧X线显示骨缺损区新骨形成逐渐增多,骨缺损间隙变小,平均1.5mm,组织切片见骨小梁增多、变宽;对照侧X线示骨缺损间隙平均8mm,组织切片见骨缺损区为纤维结缔组织。注射后12周,实验侧X线示骨缺损间隙平均1mm,组织切片为逐渐成熟的骨组织;对照侧骨缺损间隙平均7.5mm,两骨端萎缩,呈“盲肠末端”改变,组织学检查为致密的结缔组织。骨缺损区瘢痕组织的钙、磷含量,实验侧均高于对照侧。结论 经皮自体骨髓注射在骨缺损区的瘢痕组织内有明显成骨作用,外周血注射不能成骨。
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    Percutaneous autogenous bone marrow grafting for repairing bone defect:an experimental study in rabbits Liang Yutian,Zhang Boxun,Lu Shibi,et al.General Hospital of People′s Liberition Army,Beijing 100853.

    【Abstract】 Objective To observe osteogenesis of percutaneous autogenous bone marrow into cicatrix of bone defect.Methods 18 rabbits were used to observe the osteogenesis of percutaneous autogenous bone marrow into cicatrix of bone defect.A 1cm bone defect model was made in each side of the radius.And 2ml autogenous bone marrow was injected in the right radial bone defect after 6 weeks,and 2ml peripheral blood in the left side.The animals were scarificed in 1,2,3,4,12 weeks after injection.Bone formation was studied with histologic technique,X-ray examination and Ca-P quantitative estimates.Results After 1 week of injection,a big shadow of softtissue was found around the bone defect in the right side(bone marrow).Histologically a lot of new cartilage like tissues were found.In the left side(peripheral blood), no change was seen.After 4 weeks of injection, many of new bone-like shadows were observed around the defect by X-ray examination in the right side.The defect was smaller(average 1.5mm) and bone formation was found.But in the left side,no signs for osteogenesis were noted.In 12 weeks defect was smaller(average 1mm).Histologic sections proved well-developed bone tissue.In the left side,no bone formation found.Conclusion Autogenous bone marrow can induce osteogenesis in cicatric bone defect, whereas no osteogenesis is found in the peripheral blood injection side.
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    【Key words】 Bone marrow transplantation Osteoblasts Cicatrix Animals,laboratory

    骨折延迟愈合及不愈合是骨折常见的并发症,其发生率约占5%~10%[1]。传统的治疗方法是自体骨/骨膜以及带血管的骨/骨膜游离移植。这些方法虽然成骨作用强,但均需切开供骨及受骨区的软组织,创伤大,还可能发生术区感染、瘢痕疼痛、步态失稳甚至骨折不愈合等并发症。而且自体骨源有限,尤其是当植骨部位软组织为贴骨瘢痕,不能行开放植骨术时,治疗将更加困难。而自体骨髓含有丰富的骨祖细胞、前成骨细胞及成骨细胞等,具有成骨能力。我们在兔桡骨骨缺损的瘢痕组织内经皮移植自体骨髓并用外周血对照,观察骨髓的成骨作用,旨在为临床应用提供参考依据。

    材料和方法

    1.模型制作:选健康国产白兔18只,雌雄不限。体重2.5~3kg。15%噻胺酮肌注麻醉(30mg/kg)。前肢中段内侧切口,长约2cm。显露桡骨,分开尺、桡骨间膜,在距肘关节3.5cm处截除带有骨膜的桡骨1cm。两骨断端髓腔用骨蜡封闭,分层缝合切口。术后无外固定,分笼标准饲料喂养。
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    2.骨髓及外周血注射:骨缺损模型建立后6周,麻醉下用12号针头穿入双侧桡骨骨缺损区,并用针尖轻轻剥离瘢痕组织,使之松解,以利骨髓及外周血均匀渗入。用16号骨穿针在任意一侧股骨大粗隆部位穿剌抽取红骨髓2ml,即刻注射至右桡骨骨缺损区,同时由任意一侧耳中动脉抽取外周血2ml,即刻注射至左桡骨骨缺损区。

    3.分组:以自身对照法,右侧18支前肢注射自体骨髓为实验侧,左侧18支前肢注射自体外周血为对照侧。

    4.观察指标:(1)X线检查:骨髓及外周血注射前及注射后第1、2、3、4、6、12周拍摄双前肢X线片,观察骨缺损部位新骨形成情况。(2)大体标本及组织学检查:注射前及注射后第1、2、3、4、8周各处死2只动物,观察大体标体并取材,10%福尔马林固定,脱钙石腊包埋,组织切片,HE及Masson染色,光镜下观察。(3)骨缺损区新生骨钙、磷含量测定:注射后第1、2、4周在处死的动物桡骨骨缺损区取等量瘢痕组织标本,制成10%的匀浆,测定其钙、磷含量。
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    结 果

    1.X线表现:在骨髓及外周血注射之前,所有动物双前肢X线片均显示桡骨中段骨缺损,缺损间隙平均9.3mm(8.8~10mm)(图1)。注射后1周,实验侧表现为以缺损为中心形成弧形的软组织密度增高影,对照侧无变化;注射后2周,实验侧骨缺损区有新骨形成,软组织内有骨化影,对照侧仍无变化;注射后4周,实验侧骨缺损残留间隙平均1.5mm(1.2~2.3mm),对照侧两骨端萎缩,残留间隙平均8mm(7.8~10mm);注射后12周,实验侧骨缺损大部分为新生骨充填,骨缺损间隙平均1mm(0.8~1.5mm),对照侧骨缺损依然存在,骨缺损间隙平均7.5mm(7.0~9.3mm),两骨断端明显萎缩,呈“盲肠末端”改变(图2)。

    2.组织学检查:在骨髓及外周血注射前,双侧骨缺损区均为纤维结缔组织充填(图3)。注射后1周,实验侧骨缺损部位可见大量新生的软骨组织(图4),而对照侧为增生致密的结缔组织;注射后2周,实验侧骨缺损部位的软骨组织中有骨小梁形成,对照侧骨缺损区中央为疏松的结缔组织,周围为致密的结缔组织;注射后3周,实验侧骨缺损区新生的骨小梁明显增宽,有新生骨髓腔出现,对照侧骨缺损为纤维结缔组织充填(图5,6);注射后4周,实验侧骨缺损区骨组织逐渐成熟,骨小梁融合成片状(图7),对照侧骨缺损区仍为疏松的结缔组织充填;注射后8周,实验侧骨缺损区完全为成熟的骨组织,骨陷窝结构清晰,对照侧两端为致密的结缔组织,中央为疏松的结缔组织,仍未见到骨组织形成(图8,9)。
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    3.骨缺损区新生组织钙磷测定结果:在各时间段,实验侧均高于对照侧(附表)。

    附表 骨髓及外周血注射后双侧骨缺损区瘢痕组织

    钙磷含量(平均值,mmol/L) 组 别

    钙

    磷

    1周

    2周

    4周

    1周

    2周

    4周

    对照侧
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    4.0

    6.5

    7.7

    1.3

    1.7

    2.7

    实验侧

    6.6

    7.9

    9.8

    1.5

    2.4

    3.8
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    讨 论

    1.骨缺损模型的可靠性:本实验建立骨缺损模型时,将骨断端两侧髓腔用骨蜡封闭,排除骨断端骨髓血流出成骨的影响,并在骨缺损模型建立6周后在骨缺损瘢痕组织内行自体骨髓经皮移植,这样更接近临床上骨不连病例。

    2.自体骨髓的成骨潜能:Burwell[2]将动物自体骨髓植于椎旁肌内,在定期观察中发现有明显成骨。Werntz等[3]用大鼠自体骨髓植于自体股骨骨缺损区,观察到有50%出现骨性愈合。骨髓的成骨能力取决于骨髓内的骨祖细胞、前成骨细胞、成骨细胞及各种诱导成骨的趋化因子。本实验中,在骨髓注射1周时观察到以骨缺损为中心形成一质地中等硬度的梭形组织块,组织切片为大量新生的软骨组织,增生活跃。2周后,组织块缩小,软骨组织内见有骨小梁形成。至移植后8周时完全为成熟的骨组织充填骨缺损,而外周血注射后迅速被周围组织吸收,无成骨作用。

    Friedenstein[4]研究了各种组织中具有成骨能力的基质细胞,观察到骨髓中的基质细胞具有直接成骨作用,这种基质细胞在正常生理情况下并不活跃,但在骨组织生长、修复过程中成骨作用明显增强。本实验结果提示,经皮骨髓注射不但可以成骨,而且新生骨有较强的塑形能力,无明显异位骨化。Connolly等[5]认为含有大量活性成骨细胞的液态自体骨髓抽取后即刻经皮移植于骨缺损的瘢痕组织内,在没有建立周围营养的情况下,成骨细胞仍可迅速地参与骨的再生与修复,而不存在排异反应及爬行替代过程。本实验也证实了这一理论。
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    在骨缺损的瘢痕组织内主要是以成纤维细胞为主要成份的结缔组织,成纤维细胞可参与各种组织损伤后的修复过程,骨折也不例外。自体骨髓移植后,在成骨细胞及其它诱导成骨趋化因子的作用下,首先形成纤维性骨痂,逐渐演变成软骨及骨性骨痂,再通过塑形、改建最终成为正常的骨组织,其成骨方式为软骨化骨。

    3.临床应用前景:国外一些学者在动物实验方面的研究及临床初步应用已经证实了自体骨髓移植在骨缺损部位的成骨作用[6~8]。当临床上自体骨来源受限或受骨区软组织条件差不适合开放植骨时,自体骨髓经皮移植可作为治疗骨不连的首选方法。骨髓移植辅以适当的骨折固定措施,骨折愈合时间平均为5~7个月,与开放的植骨愈合时间几乎是相同的。

    自体骨髓来源广泛,采取方便,操作简单,患者痛苦小,供、受骨区的并发症低,不受移植区软组织条件的限制,医疗费用低。从某种意义上讲,经皮自体骨髓移植治疗骨不连可以替代开放的植骨术,或者是开放植骨术后出现骨折延迟愈合及不愈合时的补充治疗措施。当然,经皮自体骨髓移植作为一种治疗骨不连的方法用于临床,尚需进一步完善,如骨髓的浓缩,骨髓干细胞的分离,骨髓的注射量、注射间隔以及新生骨的力学性能等等,有待于进一步探讨。
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    图1 骨缺损模型建立后6周,双侧桡骨中段均显示骨缺损 图2 骨髓及外周血注射后12周,实验侧骨缺损大部分为新生骨充填,对照侧无成骨表面,两骨端萎缩,呈“盲肠末端”改变 图3 骨缺损模型建立后6周,骨髓及外周血注射前,骨缺损区为纤维结缔组织(HE×10) 图4 骨髓注射1周,骨缺损区为大量新生的软骨组织(HE×400) 图5 骨髓注射3周,骨缺损区新生的骨小梁增宽,骨髓腔出现(HE×100) 图6 外周血注射3周,骨缺损区仍为纤维结缔组织(HE×100) 图7 骨髓注射4周,骨缺损区骨组织逐渐成熟骨小梁融合成片(HE×100) 图8 骨髓注射8周,骨缺损区完全为成熟的骨组织,骨陷窝结构清(HE×400) 图9 外周血注射8周,骨缺损区两端为致密的结缔组织,中央为疏松的结缔组织(HE×100)

    参 考 文 献

    1 Einhorn TA.Enhancement of fracture-healing.J Bone Joint Surg(Am),1995,77:940-956.
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    2 Burwell RG. Studies in the transplantaiton of bone. J Bone Joint Surg(Am),1964,46:10-15.

    3 Werntz JR,Lane JM,Pies R,et al.The repair of segmental bone defects with collagen and marrow.Orthop Trans,1986,10:262-.

    4 Friedenstein AJ. Precursor cells of mechanocytes.Int Rey Cytol,1976,47:327-332.

    5 Connolly JF,Guse R,Tiedeman J,et al.Autologous marrow injection as a substitute for operative grafting of tibial nonuinons.Clin Orthop,1991,266:259-261.
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    6 Sharma S,Garg NK,Veliath AJ,et al.Percutaneous bone-marrow grafting of osteotomies and bone defects in rabbits.Acta Orthop Scand,1992,63:166-170.

    7 Garg NK,Gaur S,Sharma S.Percutaneous autogenous bone marrow grafting in 20 cases of ununited fracture.Acta Orthop Scand,1993,64:671-674.

    8 Garg NK,Gaur S.Percutaneous autogenous bone-marrow grafting in congenital tibial pseudarthrosis.J Bone Joint Surg(Am),1995,77:830-833.

    (收稿:1997-02-24 修回:1997-09-19), http://www.100md.com