肢體延長的生物學(xué)理論及其對再生醫(yī)學(xué)的啟示,骨傷科論文

肢體延長的生物學(xué)理論及其對再生醫(yī)學(xué)的啟示,骨傷科論文肢體延長技術(shù)至今已有100多年的歷史，在Ilizarov理論與技術(shù)出現(xiàn)以前基本上遵循著組織彈性延展的生物學(xué)理念。隨著人們對肢體延長術(shù)認(rèn)識的加深，20世紀(jì)50年代Ilizarov提出的張力-應(yīng)力法則〔LTS〕使這一技術(shù)發(fā)生了劃時代的飛躍，其理念也逐步演變?yōu)橹w牽拉再生的生物學(xué)理論。大量肢體大幅度延長病例證實了肢體通過牽拉應(yīng)力刺激能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)合組織再生增長或增粗的結(jié)果。那么肢體延長尤其是大幅延長的結(jié)果對再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展又具有如何的新的啟迪呢？本文擬就此設(shè)想作一淺析，以期為再生醫(yī)學(xué)研究提供更多思維層面的啟迪與拓展。1肢體延長術(shù)簡史及延長幅度的發(fā)展變化骨延長術(shù)最早由Codivilla于1904年報道，Codivil-la也因而被后人稱為肢體延長之父.1924年Abbott具體介紹了具有牽開和固定功能的延長器行脛骨延長方式方法，并對設(shè)計裝置不斷進(jìn)行改良。1952年Anderson改進(jìn)了Abbott的脛骨延長術(shù)。到20世紀(jì)50年代俄羅斯Ilizarov醫(yī)生提出了牽張應(yīng)力效應(yīng)，并設(shè)計了具有多種用處的環(huán)行外固定架，證實了骨延長不需要植骨就能安全地完成，這使骨延長術(shù)得到了更為廣泛的應(yīng)用。1956年Bost和Larsen初次將髓內(nèi)釘用于肢體延長。1987年Bastiani等提出了骨痂延長的概念。隨后的科研人員研制出了各種帶有傳動裝置的髓內(nèi)釘。如今，Ilizarov支架和各種內(nèi)置式髓內(nèi)釘被廣泛的應(yīng)用于肢體延長，并獲得了滿意的臨床效果.大量肢體延長病例的臨床結(jié)果從另一個角度見證了肢體延長術(shù)的發(fā)展歷程。早期肢體延長的速度多以生物彈性限度理論作指導(dǎo)，理論認(rèn)知也局限在固定骨折與軟組織單次彈性延展的階段，肢體延長受神經(jīng)、血管等軟組織彈性延展幅度限制，延長幅度不能超過該肢節(jié)20%;甚至Kawamura提出脛骨延長限于原骨長度的10%左右，不應(yīng)超過15%.Canchoix提出股骨一次延長必須限于股骨全長的15%,成人限于4.5cm.該階段一直持續(xù)到1985年Ilizarov牽張成骨技術(shù)傳遍世界之前.近年來，隨著認(rèn)知的提高和技術(shù)的成熟，肢體延長幅度有了大幅的提高，生物彈性限度理論也逐步被生物相融性理論所代替。國內(nèi)曾祥偉等報道采用股骨髁上干骺端截骨延長，最長為9.5cm,延長率為25%,脛骨上干骺端延長最長11.5cm,延長率為28.9%,288例無并發(fā)神經(jīng)與血管損傷或骨不連。李亞洲等在自制雙邊外固定架同步延長治療雙下肢不等長經(jīng)過中發(fā)現(xiàn)脛骨延長長度為3.5~8.5cm,平均5.5cm,延長率為23%~45%,平均40.5%,骨愈合指數(shù)為28~45d/cm;股骨延長長度為4.5~10.5cm,平均6.5cm,延長率22%~43%,平均32%,骨愈合指數(shù)為28~47d/cm;余黎等報道通過KW組合式外固定骨延長器截骨延長，下肢骨最長延長或遷移可達(dá)21.0cm,延長率超過50%.國外學(xué)者報道顯示肢體延長率達(dá)原骨長度的10%~110%不等；甚至有延長幅度達(dá)130%~140%的個案報道.這些結(jié)果均表示清楚了生物彈性限度理論的相對性，進(jìn)一步證實肢體大幅度延長是肢體牽拉再生的結(jié)果。2肢體延長的生物學(xué)理論---牽拉組織再生關(guān)于肢體延長的生物學(xué)機(jī)理，人們的認(rèn)識經(jīng)歷了長時期的骨痂延長術(shù)〔callotasis〕理念，直至上世紀(jì)50年代Ilizarov研究提出張力-應(yīng)力法則的生物學(xué)理論，即生物組織在持續(xù)、穩(wěn)定、緩慢牽拉下能刺激細(xì)胞分裂、生成組織，進(jìn)而可修復(fù)肢體的各種缺損.Ilizarov在這里基礎(chǔ)上提出了牽拉性骨再生〔dis-tractionosteogenesis,DO〕的生物學(xué)理論，即在骨外固定技術(shù)的條件下，其骨塑形〔bonemodeling〕與骨重建〔boneremodeling〕經(jīng)過會隨肢體的牽拉變化而產(chǎn)生骨量增生，為肢體延長奠定了科學(xué)的生物學(xué)基礎(chǔ)，進(jìn)而使肢體延長術(shù)的生物學(xué)原理發(fā)生了質(zhì)的轉(zhuǎn)變.DO概念在臨床上的應(yīng)用，顯著提高了骨生長質(zhì)量，大幅度減少了骨不連并發(fā)癥的發(fā)生.然而肢體延長不是簡單的骨長度的增加，軟組織、關(guān)節(jié)以及全身性互相影響的因素，進(jìn)而成為人們研究的新課題。DO技術(shù)在基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用中有了新的延伸，在張力-應(yīng)力條件下皮膚、肌肉、神經(jīng)、血管等軟組織的適應(yīng)性再生與重建已被實驗和臨床證實。肢體是復(fù)合組織，所有參入牽伸的神經(jīng)、肌肉、筋膜、皮膚等軟組織在緩慢牽拉下，皆有類似胚胎發(fā)育經(jīng)過的細(xì)胞分裂與組織生成，稱之為牽拉成組織技術(shù)〔distractionhis-togenesis,DH〕.在這一理念涵蓋下，骨外固定技術(shù)體系不同程度的應(yīng)用到骨科絕大多數(shù)的創(chuàng)傷、疾病的治療，而且包括傳統(tǒng)骨科技術(shù)難以治療甚至不能治療的一些重度肢體殘缺和疑難骨科雜癥等.3肢體延長與再生醫(yī)學(xué)再生醫(yī)學(xué)〔regenerativemedicine,RM〕是研究組織或器官受損后修復(fù)和再生的一門分支學(xué)科，牽涉組織工程、細(xì)胞與分子生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、材料學(xué)、生物力學(xué)以及計算機(jī)科學(xué)等眾多領(lǐng)域。再生醫(yī)學(xué)不等同于組織工程學(xué)，而實際上組織工程是再生醫(yī)學(xué)治療手段的一種具體表現(xiàn)出，同時它也拓寬了再生醫(yī)學(xué)的廣度和深度.當(dāng)前臨床上大量肢體延長病例結(jié)果均進(jìn)一步證實了肢體大幅度延長是肢體牽拉再生的結(jié)果。那么肢體延長能否會為再生醫(yī)學(xué)帶來新的啟發(fā)呢？能否能給周圍神經(jīng)再生、骨骼肌再生、血管再生等組織再生帶來新的思路呢？尤其是肢體延長的生物學(xué)原理---張力-應(yīng)力法則理論能否為再生醫(yī)學(xué)研究開拓更廣泛的思維，并為其進(jìn)入臨床應(yīng)用提供一個新的平臺？這是值得我們深思的！3.1張力-應(yīng)力法則與力學(xué)生物學(xué)物理因素促進(jìn)組織再生最早用于骨愈合。固然物理因素促進(jìn)再生的臨床應(yīng)用歷史悠久，但對其作用機(jī)制的認(rèn)識還不夠深切進(jìn)入，治療效果也有待提高，這也許是其至今尚未廣泛應(yīng)用的重要原因之一。張力-應(yīng)力法則理論促使細(xì)胞分裂、生成組織的始動因素張應(yīng)力〔Tension-Stress〕作為一種持續(xù)、穩(wěn)定、緩慢物理因素在組織再生中發(fā)揮了重要作用，大量研究已經(jīng)證實了張應(yīng)力在牽拉骨再生中的作用。隨著生物力學(xué)研究深切進(jìn)入到細(xì)胞水平，應(yīng)力-生長關(guān)系以及細(xì)胞力學(xué)行為逐步成了研究的焦點(diǎn)，并構(gòu)成一個新興的穿插學(xué)科力學(xué)生物學(xué).戴尅戎院士曾以骨與軟骨為例，概要介紹了力學(xué)生物學(xué)在骨骼肌肉系統(tǒng)方面的研究進(jìn)展和尚待解決的問題，并對這一新興研究領(lǐng)域的發(fā)展前景作了瞻望.這為將張應(yīng)力作為一種力學(xué)刺激信號應(yīng)用于再生醫(yī)學(xué)研究提供了理論根據(jù)。那么張應(yīng)力這種力學(xué)刺激信號能否在骨和軟骨之外的組織再生中發(fā)揮作用呢？張應(yīng)力作為一種力學(xué)刺激信號作用于生物體后不僅產(chǎn)生應(yīng)變，還相伴產(chǎn)生肌肉神經(jīng)活動、細(xì)胞增殖、分化、凋亡和遷移，以及物性改變等生理學(xué)、解剖學(xué)、組織學(xué)和生物化學(xué)等變化，這些變化將研究的側(cè)重點(diǎn)從力學(xué)轉(zhuǎn)移到生物學(xué)，即力學(xué)生物學(xué)。在肢體延長牽拉成骨經(jīng)過中，骨力學(xué)生物學(xué)研究主要從細(xì)胞分子水平討論力學(xué)環(huán)境對骨塑形、骨重建和骨適應(yīng)性的作用或影響。將來作者將不斷深切進(jìn)入的討論這種張應(yīng)力怎樣傳導(dǎo)至組織內(nèi)，細(xì)胞怎樣感受力學(xué)信號刺激，力學(xué)信號怎樣刺激細(xì)胞的表示出與分化以及這種張應(yīng)力所引發(fā)的力學(xué)生物學(xué)研究在其他組織再生中的狀況.3.2張力-應(yīng)力法則與組織工程組織工程〔TE〕是將細(xì)胞與支架材料結(jié)合產(chǎn)生的一種新的組織修復(fù)與再生或替代的治療方式方法，是再生醫(yī)學(xué)〔RM〕的外延，它拓寬了RM的廣度和深度，已成為RM研究和發(fā)展的主要方向；尤其是TE研究中的種子細(xì)胞、生物材料、組織構(gòu)建技術(shù)均已成為RM的核心內(nèi)容，RM涵蓋了TE的研究內(nèi)容。肢體延長尤其是大幅延長的結(jié)果牽涉骨、神經(jīng)、骨骼肌、深筋膜和血管等多種組織再生，這是一個重大的再生醫(yī)學(xué)命題。那么，作為再生醫(yī)學(xué)的外延，組織工程學(xué)研究在這個經(jīng)過中能否發(fā)生了相應(yīng)的作用呢？3.2.1種子細(xì)胞首先，在種子細(xì)胞方面，牽張成骨能夠刺激骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的再生，為牽拉骨再生的組織工程構(gòu)建提供了支持。當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對牽張成骨對骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞再生做了較多研究，機(jī)械牽張力能夠激活或促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化，還能夠促進(jìn)成骨細(xì)胞的增生。趙洪斌等研究拉伸應(yīng)力對小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞〔細(xì)胞〕向成骨細(xì)胞分化的影響時發(fā)現(xiàn)隨著拉伸時間的延長其排列方式也發(fā)生明顯的改變，細(xì)胞與拉伸方向呈垂直或角度的方向排列，當(dāng)細(xì)胞遭到載荷作用時其排列方式會發(fā)生改變，這可能是力學(xué)刺激對細(xì)胞構(gòu)造和功能影響的外在表現(xiàn)形式。不僅牽張成骨能促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞再生，而且在牽張間隙里局部注射骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞能夠加快牽張成骨新骨構(gòu)成。戚孟春等和沈慶冉等實驗均證實這一點(diǎn)。3.2.2細(xì)胞因子其次，在細(xì)胞因子方面，大量研究表示清楚牽拉成骨經(jīng)過張應(yīng)力作為一種力學(xué)刺激信號作用于骨、神經(jīng)、骨骼肌、深筋膜及血管等組織后能夠產(chǎn)生較多的生物細(xì)胞因子，這些因子的釋放可改變被修復(fù)組織的微環(huán)境，也在不同程度通過不同途徑為組織工程重建提供了大量細(xì)胞因子，進(jìn)而促進(jìn)了組織的重建修復(fù)。在骨重建中BMP-4、TGF-、bFGF、IGF-l等因子在機(jī)械應(yīng)力下發(fā)生相應(yīng)生理變化，進(jìn)而發(fā)揮調(diào)控新骨生成的重要作用.這些結(jié)論的提出也為組織再生中細(xì)胞因子治療或基因治療提供了理論根據(jù)。3.3張力-應(yīng)力法則與干細(xì)胞干細(xì)胞〔stemcell〕是組織再生的源泉和基礎(chǔ)，是再生醫(yī)學(xué)研究的前提?，F(xiàn)已證明成體干細(xì)胞普遍存在于機(jī)體的各種組織器官中，在體內(nèi)特定的微環(huán)境中，大多處于休眠狀態(tài)，在病理狀態(tài)或在外因誘導(dǎo)下可表現(xiàn)出不同程度的再生和更新能力，當(dāng)組織受損時，微環(huán)境中的間質(zhì)細(xì)胞能夠產(chǎn)生一系列生長因子或配體，與干細(xì)胞互相作用，控制干細(xì)胞的更新和分化。利用這一原理，在體外培養(yǎng)時，通過改變微環(huán)境中的生長因子以及其他因素，來定向誘導(dǎo)干細(xì)胞的分化。并且遠(yuǎn)隔損傷處的干細(xì)胞經(jīng)發(fā)動后出現(xiàn)歸巢〔Homing〕而至損傷區(qū)介入修復(fù)經(jīng)過。比方骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、表皮干細(xì)胞、脂肪干細(xì)胞、胰腺來源的干細(xì)胞等均在組織修復(fù)及再生中發(fā)揮重要作用.那么大量肢體延長結(jié)果顯示肢體的大幅延長能否與張應(yīng)力這種力學(xué)刺激改變了組織微環(huán)境、誘導(dǎo)干細(xì)胞分化、發(fā)動干細(xì)胞歸巢存在必然的聯(lián)絡(luò)呢？當(dāng)前在這方面的研究較少，這將是將來研究的方向。3.4張力-應(yīng)力法則的時間變量對再生醫(yī)學(xué)的啟迪在Ilizarov理論與技術(shù)出現(xiàn)之后，肢體延長的結(jié)果發(fā)生了質(zhì)的飛躍。肢體延長的比例從之前研究的20%提高到了40%甚至更高層次。Ilizarov治療是一個手術(shù)與非手術(shù)交融、漸進(jìn)、動態(tài)的經(jīng)過，張力-應(yīng)力法則因增加了時間這一可調(diào)節(jié)的變量，被以為是一種具有哲學(xué)概念的四維相治療方式方法，醫(yī)生應(yīng)具有時空一體、因勢利導(dǎo)、有無相生的哲學(xué)思維意識.Ilizarov張力-應(yīng)力法則即生物組織在持續(xù)、穩(wěn)定、緩慢牽拉下能刺激細(xì)胞分裂、生成組織，進(jìn)而可修復(fù)肢體的各種缺損,其持續(xù)、緩慢牽拉、經(jīng)典的1mm/d,分4次完成的延長方式均為力學(xué)刺激信號賦予了時間的調(diào)節(jié)變量，為骨、周圍神經(jīng)、肌肉組織再生等再生醫(yī)學(xué)研究提供了更大的可延伸研究空間，同時也對傳統(tǒng)的再生醫(yī)學(xué)觀念提出了新的挑戰(zhàn)和突破。怎樣將Ilizarov張力-應(yīng)力法則的時間調(diào)節(jié)變量應(yīng)用于再生醫(yī)學(xué)的臨床研究和組織工程研究之中，是肢體延長結(jié)果對再生醫(yī)學(xué)研究的一個重要啟迪。當(dāng)前，組織工程對于組織再生的研究還主要停留在自體組織移植、異體組織移植、去細(xì)胞異體組織移植、干細(xì)胞移植等一次性移植物填充組織缺損的階段，已有研究報道了肢體延長時骨、周圍神經(jīng)、骨骼肌延長可耐受延長速度時間變量的相關(guān)研究,這也為肢體延長的結(jié)果對再生醫(yī)學(xué)組織再生的啟迪和指導(dǎo)意義提供了很好的佐證和理論基礎(chǔ)。4結(jié)束語肢體延長結(jié)果隨著Ilizarov牽張應(yīng)力法則的提出出現(xiàn)了質(zhì)的改變，而且這一改變將會對再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生重要影響并起到宏大的推進(jìn)作用。當(dāng)前針對數(shù)以千萬的嚴(yán)重肢體殘缺患者，大幅度肢體延長已成為亟待解決的難題，而傳統(tǒng)骨科技術(shù)對這類情況沒有很好的解決辦法，采用以當(dāng)代骨外固定技術(shù)為主導(dǎo)的骨科自然重建和牽拉組織再生的再生醫(yī)學(xué)理念為此類患者提供滿意療效，給患者帶去了福音。因而，這就促使我們轉(zhuǎn)變觀念、勇于實踐，在骨外固定技術(shù)體系和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域再立新功。以下為參考文獻(xiàn)：[1]IlizarovGA.Thetession-stresseffectonthegenesisandgrowthoftissue:PartII.Theinfluenceoftherateandfrequencyofdistraction[J].ClinOrthop,1989,239:263.[2]張濤，龐貴根.肢體延長的研究進(jìn)展[J].中國骨與關(guān)節(jié)損傷雜志，2008,3:262-264.[3]楊小峰，張曉剛，宋敏.Ilizarov技術(shù)肢體延長經(jīng)過中的相關(guān)問題討論[J].中國中醫(yī)骨傷科雜志，2006,5:7