骨形成蛋白复合生物活性陶瓷修复骨缺损时血管的变化
作者：乔王平 高玉好 杨连甲
单位：乔王平 043014 侯马,解放军第二八九医院骨科；高玉好 杨连甲 第四军医大学附属口腔医学院组织病理教研室
关键词：骨形成蛋白；生物活性陶瓷；骨缺损；血管
中华创伤杂志980315 【摘要】 目的 研究骨形成蛋白(BMP)复合生物活性陶瓷(BGC)修复骨缺损时血管的变化。方法 采用血管铸型方法,取大白鼠8只,随机分为4组。在麻醉下造成股骨中段1cm×0.5cm缺损,然后植入BMP-BGC复合材料。术后不同时相分别处死动物,观察缺损区微细血管的变化。结果 植入BMP-BGC复合物后1周,在颗粒之间可见血管芽和新生血管形成。植入后2周,更多的血管形成,并构成血管网。植入后3周,血管网仍可见,有些血管向BGC颗粒孔中生长。术后4周,骨缺损已愈合。与对照组相比,在BMP-BGC植入组中,新生血管的数量在4个时间点上都比对照组多,新骨形成也明显较早。结论 BMP不仅可诱导间质细胞向成骨细胞分化,而且也可以刺激血管的形成。这些新生血管既为骨缺损的愈合带来营养物质,又为新骨形成提供了更多的靶细胞。
, 百拇医药
Vessels' Change After Implanted with Bone Morphogenetic Protein Combined with Bioactive Glass Ceramics in Bone Defects QIAO Wang-ping, GAO Yu-hao, YANG Lian-jia. Dept. of Orthopaedics, 289th Hospital of PLA, Houma 043014
【Abstract】 Aim To study the changes of the microvascular architecture during implantation of bone morphogenetic protein (BMP) combined with bioactive glass ceramics (BGC) in bone defects. Methods The experimental rats were made femur bone defects for 1.0cm×0.5cm under anaesthetic state and then were planted with the composites of BMP and BGC. Then the rats were killed at different time points and the changes of microvessels in bone defects were observed. Results One week after the implantation of BMG-BGC composites, vascular buds and newly formed blood vessels were found between BMP-BGC granules. Two weeks later, many new vessels were observed, forming a network of blood vessels. Three weeks later, the network still existed and some vessels grew into the pores of BGC. Four weeks later, the defects were healed. Compared with the control group, the newly formed blood vessels in BMP-BGC groups increased in number at four time points and the new bones could be observed obviously early. Conclusions BMP might not only induce differentiation of mesenchymal cells, but also stimulate the formation of blood vessels. These new vessels offer nutrition for the healing of bone defects and provide more target cells for bone formation.
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【Key words】 Bone morphogenetic protein Bioactive glass ceramics Bone defect Blood vessel
骨形成蛋白(BMP)是一种骨生长因子,普遍存在于人、动物的骨基质中。现已明确,这种蛋白是一种酸性的多肽。当BMP植入小鼠的股骨肌肉袋中,7天就有软骨形成,14天出现编织骨[1，2]。生物活性陶瓷(BGC)是一种组织相容性很好的植骨代用材料,并在临床上得到应用。近年来的研究表明,如将BMP与BGC复合应用时,发现这种复合物有更好的成骨能力[3，4]。笔者采用血管铸型方法,观察BMP与BGC复合物诱导新骨形成中血管的变化,探讨在新骨形成中血管的作用。
材料与方法
选用市场出售的BGC(四川大学材料研究中心研制)颗粒,平均孔径为90～120μm,牛BMP由第四军医大学口腔病理教研室提供。先将bBMP用4mol/L盐酸胍溶解,加入BGC充分混合,复合比例为1∶40(重量比),然后用无离子蒸馏水透析,去除盐酸胍,冷冻干燥,消毒备用。取大白鼠随机分为4组,每组2只。在麻醉下造成股骨中段1cm×0.5cm缺损。然后植入BMP-BGC复合材料。对照组骨缺损区为空白对照。术后1、2、3、4周分别动脉注射丙烯酸树脂,然后处死动物。将注射了树脂的股骨切除,用10%NaOH腐蚀软组织,充分显露骨缺损区的微细血管,标本镀金后在日立S-520型扫描电镜下观察。
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结 果
植入BMP-BGC复合物后1周,在复合物颗粒之间有新生血管和血管芽形成,有少数血管向颗粒表面长入,颗粒周围未见新骨形成(图A)。在对照组中仅见新生的毛细血管,未见新骨形成。术后2周,骨缺损区血管明显增多,在颗粒之间形成血管网并包绕BGC颗粒。这些血管大多来自骨膜和骨髓。在BGC颗粒表面可见有新骨形成(图B)。对照组中骨缺损区无新骨形成,可见不成熟的毛细血管趋于成熟。术后3周,在复合物颗粒表面可见血管网,其中可见一些大的血管形成。有些小血管长入颗粒中。颗粒表面新生骨增厚并与宿主骨相连(图C)。对照组中新生血管变粗,骨髓中可见成熟的小血管,在骨缺损边缘可见新骨形成的骨小梁。术后4周,骨缺损区植入的颗粒被大量的新生骨互相融合在一起,在BGC颗粒中的小孔也见有新骨。骨缺损区已愈合,在新骨形成区可见少数大的血管(图D)。对照组中骨缺损区可见来自骨床的骨小梁,骨髓中仍可见成熟的毛细血管,骨缺损未见愈合。
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图A BMP-BGC复合物植入骨缺损区后1周,可见大量血管形成,少数血管向颗粒表面生长,无新骨形成(H:BGC颗粒) HE ×35
图B 术后2周,可见颗粒周围有新骨形成,新生血管向颗粒表面
小孔长入(H:BGC颗粒,B:新生骨,2:宿主骨) HE ×35
图C 术后3周,颗粒间血管网形成,血管长入颗粒中,新骨与宿主骨融合(H:BGC颗粒,B:新生骨) HE ×15
图D 骨缺损已愈合,新骨与BGC颗粒融合,可见少数血管(H:BGC颗粒,B:新生骨,1:新生骨与骨床融合) HE ×35
, 百拇医药
讨 论
在骨缺损的修复中BGC是一种组织相容性良好的植骨材料,但是单独应用BGC时,它仅有骨传导,而没有骨的诱导能力,因而不可能很快的诱导新骨形成。笔者应用的BMP是从牛骨中纯化的,具有很高的诱导新骨形成的能力[1，5]。近年来,BMP的研究有了飞速的发展,现已克隆出15种人的BMP基因,其中人的重组BMPs也有明显诱导新骨形成的能力。但无论是从牛中或是人重组的BMPs都是诱导未分化间质细胞分化为成骨细胞进而形成新骨。但BMP单独应用时,则本身没有支架作用。如将两者复合后应用,则可弥补两者的不足之处。实验结果表明,植入BMP-BGC复合物2周,就有新骨形成,术后4周骨缺损就得到愈合。
在骨缺损愈合过程中,血管起着重要的作用。血管不仅可以给缺损区带来骨形成所需的营养成份,更重要的是,随着血管的形成和向骨缺损区长入,大量的血管内皮细胞和血管周围细胞也随之而来。许多实验都表明,在创伤愈合过程中未分化间质细胞主要来自血管内皮细胞和血管周围的细胞[1，6]。这样就为BMP诱导新骨形成提供了大量的靶细胞,从而加速了骨的形成。本实验也提示,在BMP-BGC植入后,1～4周期间新生血管都明显多于对照组,说明新生活性血管的明显增加主要是BMP与BGC复合应用的结果。新的血管可长入颗粒的小孔之中,为新骨长入颗粒中提供了条件。由此可见,BMP除了具有直接诱导细胞分化的能力外,还具有刺激新生血管形成的能力。这些来自于血管的未分化间质细胞不断地被BGC颗粒中的BMP诱导为成骨细胞,使新生骨很快的形成。本实验进一步表明BMP-BGC植入后所形成的良好血骨环境是促进骨愈合的重要因素之一。
, 百拇医药
参考文献
[1]Urist MR. A borine low molecular weight BMP fraction. Clin Orthop, 1982, 162∶219-232.
[2]Yang LJ, Jin Y. Immunohistochemical observation on BMP in normal and abnormal conditions. Clin Orthop, 1990, 257∶249-256.
[3]杨连甲,金岩,胡蕴玉主编.口腔和骨科生物活性材料原理.应用.进展.西安:陕西科技出版社,1993, 166-172.
[4]田卫东,王大章.骨形成蛋白多孔羟基磷灰石复合植入人工骨的实验研究.华西口腔医学杂志, 1992, 10∶18-22.
[5]吴祖尧.诱导成骨与骨形态发生蛋白.中华骨科杂志, 1988, 8∶231-234.
[6]胡晓波,吴祖尧.异种BMG和DBM的骨诱导能力.中华骨科杂志, 1989, 9∶138-141.
(收稿:1997-02-26 修回:1997-08-25), 百拇医药
单位：乔王平 043014 侯马,解放军第二八九医院骨科；高玉好 杨连甲 第四军医大学附属口腔医学院组织病理教研室
关键词：骨形成蛋白；生物活性陶瓷；骨缺损；血管
中华创伤杂志980315 【摘要】 目的 研究骨形成蛋白(BMP)复合生物活性陶瓷(BGC)修复骨缺损时血管的变化。方法 采用血管铸型方法,取大白鼠8只,随机分为4组。在麻醉下造成股骨中段1cm×0.5cm缺损,然后植入BMP-BGC复合材料。术后不同时相分别处死动物,观察缺损区微细血管的变化。结果 植入BMP-BGC复合物后1周,在颗粒之间可见血管芽和新生血管形成。植入后2周,更多的血管形成,并构成血管网。植入后3周,血管网仍可见,有些血管向BGC颗粒孔中生长。术后4周,骨缺损已愈合。与对照组相比,在BMP-BGC植入组中,新生血管的数量在4个时间点上都比对照组多,新骨形成也明显较早。结论 BMP不仅可诱导间质细胞向成骨细胞分化,而且也可以刺激血管的形成。这些新生血管既为骨缺损的愈合带来营养物质,又为新骨形成提供了更多的靶细胞。
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Vessels' Change After Implanted with Bone Morphogenetic Protein Combined with Bioactive Glass Ceramics in Bone Defects QIAO Wang-ping, GAO Yu-hao, YANG Lian-jia. Dept. of Orthopaedics, 289th Hospital of PLA, Houma 043014
【Abstract】 Aim To study the changes of the microvascular architecture during implantation of bone morphogenetic protein (BMP) combined with bioactive glass ceramics (BGC) in bone defects. Methods The experimental rats were made femur bone defects for 1.0cm×0.5cm under anaesthetic state and then were planted with the composites of BMP and BGC. Then the rats were killed at different time points and the changes of microvessels in bone defects were observed. Results One week after the implantation of BMG-BGC composites, vascular buds and newly formed blood vessels were found between BMP-BGC granules. Two weeks later, many new vessels were observed, forming a network of blood vessels. Three weeks later, the network still existed and some vessels grew into the pores of BGC. Four weeks later, the defects were healed. Compared with the control group, the newly formed blood vessels in BMP-BGC groups increased in number at four time points and the new bones could be observed obviously early. Conclusions BMP might not only induce differentiation of mesenchymal cells, but also stimulate the formation of blood vessels. These new vessels offer nutrition for the healing of bone defects and provide more target cells for bone formation.
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【Key words】 Bone morphogenetic protein Bioactive glass ceramics Bone defect Blood vessel
骨形成蛋白(BMP)是一种骨生长因子,普遍存在于人、动物的骨基质中。现已明确,这种蛋白是一种酸性的多肽。当BMP植入小鼠的股骨肌肉袋中,7天就有软骨形成,14天出现编织骨[1，2]。生物活性陶瓷(BGC)是一种组织相容性很好的植骨代用材料,并在临床上得到应用。近年来的研究表明,如将BMP与BGC复合应用时,发现这种复合物有更好的成骨能力[3，4]。笔者采用血管铸型方法,观察BMP与BGC复合物诱导新骨形成中血管的变化,探讨在新骨形成中血管的作用。
材料与方法
选用市场出售的BGC(四川大学材料研究中心研制)颗粒,平均孔径为90～120μm,牛BMP由第四军医大学口腔病理教研室提供。先将bBMP用4mol/L盐酸胍溶解,加入BGC充分混合,复合比例为1∶40(重量比),然后用无离子蒸馏水透析,去除盐酸胍,冷冻干燥,消毒备用。取大白鼠随机分为4组,每组2只。在麻醉下造成股骨中段1cm×0.5cm缺损。然后植入BMP-BGC复合材料。对照组骨缺损区为空白对照。术后1、2、3、4周分别动脉注射丙烯酸树脂,然后处死动物。将注射了树脂的股骨切除,用10%NaOH腐蚀软组织,充分显露骨缺损区的微细血管,标本镀金后在日立S-520型扫描电镜下观察。
, 百拇医药
结 果
植入BMP-BGC复合物后1周,在复合物颗粒之间有新生血管和血管芽形成,有少数血管向颗粒表面长入,颗粒周围未见新骨形成(图A)。在对照组中仅见新生的毛细血管,未见新骨形成。术后2周,骨缺损区血管明显增多,在颗粒之间形成血管网并包绕BGC颗粒。这些血管大多来自骨膜和骨髓。在BGC颗粒表面可见有新骨形成(图B)。对照组中骨缺损区无新骨形成,可见不成熟的毛细血管趋于成熟。术后3周,在复合物颗粒表面可见血管网,其中可见一些大的血管形成。有些小血管长入颗粒中。颗粒表面新生骨增厚并与宿主骨相连(图C)。对照组中新生血管变粗,骨髓中可见成熟的小血管,在骨缺损边缘可见新骨形成的骨小梁。术后4周,骨缺损区植入的颗粒被大量的新生骨互相融合在一起,在BGC颗粒中的小孔也见有新骨。骨缺损区已愈合,在新骨形成区可见少数大的血管(图D)。对照组中骨缺损区可见来自骨床的骨小梁,骨髓中仍可见成熟的毛细血管,骨缺损未见愈合。
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图A BMP-BGC复合物植入骨缺损区后1周,可见大量血管形成,少数血管向颗粒表面生长,无新骨形成(H:BGC颗粒) HE ×35
图B 术后2周,可见颗粒周围有新骨形成,新生血管向颗粒表面
小孔长入(H:BGC颗粒,B:新生骨,2:宿主骨) HE ×35
图C 术后3周,颗粒间血管网形成,血管长入颗粒中,新骨与宿主骨融合(H:BGC颗粒,B:新生骨) HE ×15
图D 骨缺损已愈合,新骨与BGC颗粒融合,可见少数血管(H:BGC颗粒,B:新生骨,1:新生骨与骨床融合) HE ×35
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讨 论
在骨缺损的修复中BGC是一种组织相容性良好的植骨材料,但是单独应用BGC时,它仅有骨传导,而没有骨的诱导能力,因而不可能很快的诱导新骨形成。笔者应用的BMP是从牛骨中纯化的,具有很高的诱导新骨形成的能力[1，5]。近年来,BMP的研究有了飞速的发展,现已克隆出15种人的BMP基因,其中人的重组BMPs也有明显诱导新骨形成的能力。但无论是从牛中或是人重组的BMPs都是诱导未分化间质细胞分化为成骨细胞进而形成新骨。但BMP单独应用时,则本身没有支架作用。如将两者复合后应用,则可弥补两者的不足之处。实验结果表明,植入BMP-BGC复合物2周,就有新骨形成,术后4周骨缺损就得到愈合。
在骨缺损愈合过程中,血管起着重要的作用。血管不仅可以给缺损区带来骨形成所需的营养成份,更重要的是,随着血管的形成和向骨缺损区长入,大量的血管内皮细胞和血管周围细胞也随之而来。许多实验都表明,在创伤愈合过程中未分化间质细胞主要来自血管内皮细胞和血管周围的细胞[1，6]。这样就为BMP诱导新骨形成提供了大量的靶细胞,从而加速了骨的形成。本实验也提示,在BMP-BGC植入后,1～4周期间新生血管都明显多于对照组,说明新生活性血管的明显增加主要是BMP与BGC复合应用的结果。新的血管可长入颗粒的小孔之中,为新骨长入颗粒中提供了条件。由此可见,BMP除了具有直接诱导细胞分化的能力外,还具有刺激新生血管形成的能力。这些来自于血管的未分化间质细胞不断地被BGC颗粒中的BMP诱导为成骨细胞,使新生骨很快的形成。本实验进一步表明BMP-BGC植入后所形成的良好血骨环境是促进骨愈合的重要因素之一。
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参考文献
[1]Urist MR. A borine low molecular weight BMP fraction. Clin Orthop, 1982, 162∶219-232.
[2]Yang LJ, Jin Y. Immunohistochemical observation on BMP in normal and abnormal conditions. Clin Orthop, 1990, 257∶249-256.
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[4]田卫东,王大章.骨形成蛋白多孔羟基磷灰石复合植入人工骨的实验研究.华西口腔医学杂志, 1992, 10∶18-22.
[5]吴祖尧.诱导成骨与骨形态发生蛋白.中华骨科杂志, 1988, 8∶231-234.
[6]胡晓波,吴祖尧.异种BMG和DBM的骨诱导能力.中华骨科杂志, 1989, 9∶138-141.
(收稿:1997-02-26 修回:1997-08-25), 百拇医药