肢体延长的生物学理论及其对再生医学的启示,骨伤科论文

肢体延长的生物学理论及其对再生医学的启示,骨伤科论文肢体延长技术至今已有100多年的历史，在Ilizarov理论与技术出现以前基本上遵循着组织弹性延展的生物学理念。随着人们对肢体延长术认识的加深，20世纪50年代Ilizarov提出的张力-应力法则〔LTS〕使这一技术发生了划时代的飞跃，其理念也逐步演变为肢体牵拉再生的生物学理论。大量肢体大幅度延长病例证实了肢体通过牵拉应力刺激能够实现复合组织再生增长或增粗的结果。那么肢体延长尤其是大幅延长的结果对再生医学的发展又具有如何的新的启迪呢？本文拟就此设想作一浅析，以期为再生医学研究提供更多思维层面的启迪与拓展。1肢体延长术简史及延长幅度的发展变化骨延长术最早由Codivilla于1904年报道，Codivil-la也因而被后人称为肢体延长之父.1924年Abbott具体介绍了具有牵开和固定功能的延长器行胫骨延长方式方法，并对设计装置不断进行改良。1952年Anderson改进了Abbott的胫骨延长术。到20世纪50年代俄罗斯Ilizarov医生提出了牵张应力效应，并设计了具有多种用处的环行外固定架，证实了骨延长不需要植骨就能安全地完成，这使骨延长术得到了更为广泛的应用。1956年Bost和Larsen初次将髓内钉用于肢体延长。1987年Bastiani等提出了骨痂延长的概念。随后的科研人员研制出了各种带有传动装置的髓内钉。如今，Ilizarov支架和各种内置式髓内钉被广泛的应用于肢体延长，并获得了满意的临床效果.大量肢体延长病例的临床结果从另一个角度见证了肢体延长术的发展历程。早期肢体延长的速度多以生物弹性限度理论作指导，理论认知也局限在固定骨折与软组织单次弹性延展的阶段，肢体延长受神经、血管等软组织弹性延展幅度限制，延长幅度不能超过该肢节20%;甚至Kawamura提出胫骨延长限于原骨长度的10%左右，不应超过15%.Canchoix提出股骨一次延长必须限于股骨全长的15%,成人限于4.5cm.该阶段一直持续到1985年Ilizarov牵张成骨技术传遍世界之前.近年来，随着认知的提高和技术的成熟，肢体延长幅度有了大幅的提高，生物弹性限度理论也逐步被生物相融性理论所代替。国内曾祥伟等报道采用股骨髁上干骺端截骨延长，最长为9.5cm,延长率为25%,胫骨上干骺端延长最长11.5cm,延长率为28.9%,288例无并发神经与血管损伤或骨不连。李亚洲等在自制双边外固定架同步延长治疗双下肢不等长经过中发现胫骨延长长度为3.5~8.5cm,平均5.5cm,延长率为23%~45%,平均40.5%,骨愈合指数为28~45d/cm;股骨延长长度为4.5~10.5cm,平均6.5cm,延长率22%~43%,平均32%,骨愈合指数为28~47d/cm;余黎等报道通过KW组合式外固定骨延长器截骨延长，下肢骨最长延长或迁移可达21.0cm,延长率超过50%.国外学者报道显示肢体延长率达原骨长度的10%~110%不等；甚至有延长幅度达130%~140%的个案报道.这些结果均表示清楚了生物弹性限度理论的相对性，进一步证实肢体大幅度延长是肢体牵拉再生的结果。2肢体延长的生物学理论---牵拉组织再生关于肢体延长的生物学机理，人们的认识经历了长时期的骨痂延长术〔callotasis〕理念，直至上世纪50年代Ilizarov研究提出张力-应力法则的生物学理论，即生物组织在持续、稳定、缓慢牵拉下能刺激细胞分裂、生成组织，进而可修复肢体的各种缺损.Ilizarov在这里基础上提出了牵拉性骨再生〔dis-tractionosteogenesis,DO〕的生物学理论，即在骨外固定技术的条件下，其骨塑形〔bonemodeling〕与骨重建〔boneremodeling〕经过会随肢体的牵拉变化而产生骨量增生，为肢体延长奠定了科学的生物学基础，进而使肢体延长术的生物学原理发生了质的转变.DO概念在临床上的应用，显着提高了骨生长质量，大幅度减少了骨不连并发症的发生.然而肢体延长不是简单的骨长度的增加，软组织、关节以及全身性互相影响的因素，进而成为人们研究的新课题。DO技术在基础研究和临床应用中有了新的延伸，在张力-应力条件下皮肤、肌肉、神经、血管等软组织的适应性再生与重建已被实验和临床证实。肢体是复合组织，所有参入牵伸的神经、肌肉、筋膜、皮肤等软组织在缓慢牵拉下，皆有类似胚胎发育经过的细胞分裂与组织生成，称之为牵拉成组织技术〔distractionhis-togenesis,DH〕.在这一理念涵盖下，骨外固定技术体系不同程度的应用到骨科绝大多数的创伤、疾病的治疗，而且包括传统骨科技术难以治疗甚至不能治疗的一些重度肢体残缺和疑难骨科杂症等.3肢体延长与再生医学再生医学〔regenerativemedicine,RM〕是研究组织或器官受损后修复和再生的一门分支学科，牵涉组织工程、细胞与分子生物学、发育生物学、材料学、生物力学以及计算机科学等众多领域。再生医学不等同于组织工程学，而实际上组织工程是再生医学治疗手段的一种具体表现出，同时它也拓宽了再生医学的广度和深度.当前临床上大量肢体延长病例结果均进一步证实了肢体大幅度延长是肢体牵拉再生的结果。那么肢体延长能否会为再生医学带来新的启发呢？能否能给周围神经再生、骨骼肌再生、血管再生等组织再生带来新的思路呢？尤其是肢体延长的生物学原理---张力-应力法则理论能否为再生医学研究开拓更广泛的思维，并为其进入临床应用提供一个新的平台？这是值得我们深思的！3.1张力-应力法则与力学生物学物理因素促进组织再生最早用于骨愈合。固然物理因素促进再生的临床应用历史悠久，但对其作用机制的认识还不够深切进入，治疗效果也有待提高，这也许是其至今尚未广泛应用的重要原因之一。张力-应力法则理论促使细胞分裂、生成组织的始动因素张应力〔Tension-Stress〕作为一种持续、稳定、缓慢物理因素在组织再生中发挥了重要作用，大量研究已经证实了张应力在牵拉骨再生中的作用。随着生物力学研究深切进入到细胞水平，应力-生长关系以及细胞力学行为逐步成了研究的焦点，并构成一个新兴的穿插学科力学生物学.戴尅戎院士曾以骨与软骨为例，概要介绍了力学生物学在骨骼肌肉系统方面的研究进展和尚待解决的问题，并对这一新兴研究领域的发展前景作了瞻望.这为将张应力作为一种力学刺激信号应用于再生医学研究提供了理论根据。那么张应力这种力学刺激信号能否在骨和软骨之外的组织再生中发挥作用呢？张应力作为一种力学刺激信号作用于生物体后不仅产生应变，还相伴产生肌肉神经活动、细胞增殖、分化、凋亡和迁移，以及物性改变等生理学、解剖学、组织学和生物化学等变化，这些变化将研究的侧重点从力学转移到生物学，即力学生物学。在肢体延长牵拉成骨经过中，骨力学生物学研究主要从细胞分子水平讨论力学环境对骨塑形、骨重建和骨适应性的作用或影响。将来作者将不断深切进入的讨论这种张应力怎样传导至组织内，细胞怎样感受力学信号刺激，力学信号怎样刺激细胞的表示出与分化以及这种张应力所引发的力学生物学研究在其他组织再生中的状况.3.2张力-应力法则与组织工程组织工程〔TE〕是将细胞与支架材料结合产生的一种新的组织修复与再生或替代的治疗方式方法，是再生医学〔RM〕的外延，它拓宽了RM的广度和深度，已成为RM研究和发展的主要方向；尤其是TE研究中的种子细胞、生物材料、组织构建技术均已成为RM的核心内容，RM涵盖了TE的研究内容。肢体延长尤其是大幅延长的结果牵涉骨、神经、骨骼肌、深筋膜和血管等多种组织再生，这是一个重大的再生医学命题。那么，作为再生医学的外延，组织工程学研究在这个经过中能否发生了相应的作用呢？3.2.1种子细胞首先，在种子细胞方面，牵张成骨能够刺激骨髓间充质干细胞的再生，为牵拉骨再生的组织工程构建提供了支持。当前国内外学者已经对牵张成骨对骨髓间充质干细胞再生做了较多研究，机械牵张力能够激活或促进骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化，还能够促进成骨细胞的增生。赵洪斌等研究拉伸应力对小鼠骨髓间充质干细胞〔细胞〕向成骨细胞分化的影响时发现随着拉伸时间的延长其排列方式也发生明显的改变，细胞与拉伸方向呈垂直或角度的方向排列，当细胞遭到载荷作用时其排列方式会发生改变，这可能是力学刺激对细胞构造和功能影响的外在表现形式。不仅牵张成骨能促进骨髓间充质干细胞再生，而且在牵张间隙里局部注射骨髓间充质干细胞能够加快牵张成骨新骨构成。戚孟春等和沈庆冉等实验均证实这一点。3.2.2细胞因子其次，在细胞因子方面，大量研究表示清楚牵拉成骨经过张应力作为一种力学刺激信号作用于骨、神经、骨骼肌、深筋膜及血管等组织后能够产生较多的生物细胞因子，这些因子的释放可改变被修复组织的微环境，也在不同程度通过不同途径为组织工程重建提供了大量细胞因子，进而促进了组织的重建修复。在骨重建中BMP-4、TGF-、bFGF、IGF-l等因子在机械应力下发生相应生理变化，进而发挥调控新骨生成的重要作用.这些结论的提出也为组织再生中细胞因子治疗或基因治疗提供了理论根据。3.3张力-应力法则与干细胞干细胞〔stemcell〕是组织再生的源泉和基础，是再生医学研究的前提。现已证明成体干细胞普遍存在于机体的各种组织器官中，在体内特定的微环境中，大多处于休眠状态，在病理状态或在外因诱导下可表现出不同程度的再生和更新能力，当组织受损时，微环境中的间质细胞能够产生一系列生长因子或配体，与干细胞互相作用，控制干细胞的更新和分化。利用这一原理，在体外培养时，通过改变微环境中的生长因子以及其他因素，来定向诱导干细胞的分化。并且远隔损伤处的干细胞经发动后出现归巢〔Homing〕而至损伤区介入修复经过。比方骨髓间充质干细胞、表皮干细胞、脂肪干细胞、胰腺来源的干细胞等均在组织修复及再生中发挥重要作用.那么大量肢体延长结果显示肢体的大幅延长能否与张应力这种力学刺激改变了组织微环境、诱导干细胞分化、发动干细胞归巢存在必然的联络呢？当前在这方面的研究较少，这将是将来研究的方向。3.4张力-应力法则的时间变量对再生医学的启迪在Ilizarov理论与技术出现之后，肢体延长的结果发生了质的飞跃。肢体延长的比例从之前研究的20%提高到了40%甚至更高层次。Ilizarov治疗是一个手术与非手术交融、渐进、动态的经过，张力-应力法则因增加了时间这一可调节的变量，被以为是一种具有哲学概念的四维相治疗方式方法，医生应具有时空一体、因势利导、有无相生的哲学思维意识.Ilizarov张力-应力法则即生物组织在持续、稳定、缓慢牵拉下能刺激细胞分裂、生成组织，进而可修复肢体的各种缺损,其持续、缓慢牵拉、经典的1mm/d,分4次完成的延长方式均为力学刺激信号赋予了时间的调节变量，为骨、周围神经、肌肉组织再生等再生医学研究提供了更大的可延伸研究空间，同时也对传统的再生医学观念提出了新的挑战和突破。怎样将Ilizarov张力-应力法则的时间调节变量应用于再生医学的临床研究和组织工程研究之中，是肢体延长结果对再生医学研究的一个重要启迪。当前，组织工程对于组织再生的研究还主要停留在自体组织移植、异体组织移植、去细胞异体组织移植、干细胞移植等一次性移植物填充组织缺损的阶段，已有研究报道了肢体延长时骨、周围神经、骨骼肌延长可耐受延长速度时间变量的相关研究,这也为肢体延长的结果对再生医学组织再生的启迪和指导意义提供了很好的佐证和理论基础。4结束语肢体延长结果随着Ilizarov牵张应力法则的提出出现了质的改变，而且这一改变将会对再生医学的发展产生重要影响并起到宏大的推进作用。当前针对数以千万的严重肢体残缺患者，大幅度肢体延长已成为亟待解决的难题，而传统骨科技术对这类情况没有很好的解决办法，采用以当代骨外固定技术为主导的骨科自然重建和牵拉组织再生的再生医学理念为此类患者提供满意疗效，给患者带去了福音。因而，这就促使我们转变观念、勇于实践，在骨外固定技术体系和再生医学领域再立新功。以下为参考文献：[1]IlizarovGA.Thetession-stresseffectonthegenesisandgrowthoftissue:PartII.Theinfluenceoftherateandfrequencyofdistraction[J].ClinOrthop,1989,239:263.[2]张涛，庞贵根.肢体延长的研究进展[J].中国骨与关节损伤杂志，2008,3:262-264.[3]杨小峰，张晓刚，宋敏.Ilizarov技术肢体延长经过中的相关问题讨论[J].中国中医骨伤科杂志，2006,5:7