MSC/rhBMP-2結合藻酸鈣凝膠治療激素性股骨頭壞死的研究

呂 煜，季慶輝，張澤琦，滿 婧，姚麗巖，王思懿

(佳木斯大學附屬第一醫院，黑龍江 佳木斯 154003)

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MSC/rhBMP-2結合藻酸鈣凝膠治療激素性股骨頭壞死的研究

呂 煜，季慶輝，張澤琦，滿 婧，姚麗巖，王思懿

(佳木斯大學附屬第一醫院，黑龍江 佳木斯 154003)

目的:探討自體MSC與rhBMP-2結合藻酸鈣凝膠治療激素性股骨頭壞死的療效及其促進成骨和新生血管的作用。方法：將新西蘭大白兔40只進行激素性股骨頭壞死模型制備后,隨機的方式分成A、B、C、D、E、F6組,A組：激素性股骨頭壞死組；B組：單純減壓組；C組：減壓后植入MSC；D組：減壓后植入MSC及rhBMP-2；E組：減壓后植入MSC及藻酸鈉懸液及氯化鈣溶液；F組：減壓后植入MSC/rhBMP-2和藻酸鈣凝膠在壞死股骨頭內。術后第4周及第8周各組兔子行X線檢查,然后處死兔子取股骨頭行常規組織學染色進行評估。結果：在8周時，F組的標本股骨頭壞死鉆孔處有大量的成骨細胞和新生血管產生，經分析統計，F組與其他組比較骨陷窩陽性數和血管數目差異(P<0.05)具有統計學意義。結論：MSC/rhBMP-2和藻酸鈉懸液及氯化鈣溶液治療激素性股骨頭缺血性壞死，通過誘導MSC轉化為成骨細胞,既修復骨還促進血管生成，有利于改善早期壞死股骨頭血運行，MSC/rhBMP-2結合藻酸鈣凝膠治療激素性股骨頭壞死有較好應用前景。

激素性股骨頭壞死;骨髓間充質干細胞;自體移植;藻酸鈣凝膠

糖皮質激素是引起股骨頭缺血性壞死最常見原因, 患病率為3%～38%[1]。股骨頭缺血性壞死 (osteonecrosis of the femoral head,ONFH)最終可產生髖關節骨性關節炎，關節間隙狹窄，股骨頭塌陷變扁，甚至與髖臼黏連，致使人的髖關節疼痛和功能障礙，它是由各種原因導致股骨頭缺血、骨壞死，進而股骨頭塌陷，如果早期有一種有效的干預治療，可防止產生髖關節致殘，目前臨床上沒有完美治療方法。本研究對兔激素性股骨頭壞死模型進行在髓芯減壓的基礎上將骨髓間充質干細胞(mesenchymal stem cells,MSC)和(recombinant human bone morphogenetic protein-2，rhBMP-2)結合藻酸鈣凝膠移植到減壓區, 觀察其療效。

1 材料和方法

1.1 材料

新西蘭大白兔40只(年齡4～5個月,體重2.5～3.0kg),6組動物分籠，同條件喂養。首先將10μg/kg脂多糖經兔的耳緣靜脈注射,1d后肌肉注射20mg/kg的甲強龍,共3d(每天1次)，6周之后選出成功的模型[2]。最終除去死亡和失敗的模型，還剩36只。將其分成A、B、C、D、E、F組,A組為試驗對照組。

1.2 兔骨髓間充質干細胞分離培養

按pittenger方法[3]，取自新西蘭兔自體，麻醉采用速眠新肌注射消毒髂骨，12號骨髓穿刺針穿刺抽取骨髓5mL吹打成細胞懸液，采用密度梯度離心法，置于percoll(密度1.073g/mL)液面上，2000r/min離心，20min后取中層云霧狀細胞層，10cm細胞培養皿2×105云霧狀細胞接種，加100mL/L胎牛血清培養液，置于37℃，50mL/L CO2培養箱中，5d后首次換液，沖去紅細胞,可見多個成纖維細胞克隆貼壁長，用0.25%胰蛋白酶消化，培養孔1/2長滿細胞,原孔傳代2～3d，培養孔長滿培細胞，細胞培養瓶按1×106/cm2密度移入。第3代細胞長滿消化細胞，配成2×106/cm2懸液細胞，每個股骨頭內含細胞懸液50μL，共10萬個細胞,細胞培養箱中孵育4h備用。

1.3 藻酸鈣凝膠的制備

將102mmol/LCaCl2溶液與1.2%藻酸鈉溶液通過禍旋混合器橫拌(1800r/min),快速充分混合20s。將混合溶液放置于圓柱形定制模具(直徑10mm，高10mm)中塑型5 min。然后將該支架轉移到含有15mLCaCl2溶液的培養皿中靜置10min最后用稱酸緩沖液清洗兩次即制備成水凝膠三維支架。pH值調為7.4,121℃高壓蒸汽滅菌20min,4℃備用[4]。

1.4 實驗方法

兔取俯臥位，40mg/kg硫賁妥鈉做腹腔麻醉注射，備皮穿刺部位→消毒→鋪巾。2號骨穿針X線下刺入股骨頭中心。A組：激素性股骨頭壞死組；B組：單純減壓組；C組：減壓后植入MSC；D組：減壓后植入MSC及rhBMP-2；E組：減壓后植入MSC及藻酸鈉懸液及氯化鈣溶液；F組：減壓后植入MSC/rhBMP-2和藻酸鈣凝膠在壞死股骨頭內。術后第4周及第8周各組兔子行X線檢查,然后處死兔子取股骨頭行常規組織學染色。手術后各組分籠飼養，5d連通續肌肉注射青霉素40萬U/d。手術后4、8周采用X線檢測結果，所有動物均采用耳緣靜脈注射空氣栓塞致死法處死取股骨頭，股骨頭劈為1/2組織學觀察。

1.5 觀察指標

1.5.1 MSC生長觀察，A、B、C、D、E、F各組切片HE染色, 觀察股骨頭壞死區情況。在染色的切片中，觀察血管數目時,依次任選5個20×40倍倍視野在軟骨下區,計血管數目,求出平均值。高20×40倍鏡觀察骨陷窩，隨機選5個視野, 計數1個視野內50個骨陷窩得出空缺骨陷窩百分率。

1.5.2 股骨頭X線檢查 待兔麻醉后仰臥于X線檢查桌股骨頭置于中心，檢測股骨頭情況。

1.6 統計學方法

采用SPSS18.0分析處理，A、B、C、D、E、F各組采用單因素方差分析，檢驗水準α=0.05。

2 結果

2.1 MSC生長觀察

MSC培養生長第5d時，觀察MSC克隆集落貼培養瓶壁生長。消化傳代2～4h后細胞貼壁生長，2～3d長滿培養瓶底。傳代2～7d以指數生長，倍增時間48h。見圖1。

2.2 組織學觀察

組織切片觀察股骨頭：A組：4周時觀察軟骨與細胞及骨髓出現壞死，空骨陷窩數量增加，骨小梁有不規則出現。8周時關節軟骨面磨損與修復并存，骨吸收和軟骨面塌陷。B組： 4周時股骨頭組織切片標本缺損處， 出現成骨細胞稀少現象。 8周時僅

鉆孔區少量形成骨髓組織并有少量毛細血管，鉆孔區邊緣形成少量新生骨小梁和類骨質。其余4組在4周時缺損處內有許多成骨細胞和新生血管形成，F組最多。F組8周標本缺損處有大量的成骨細胞，可見成熟骨小梁,并且排列有序,相互交織。

圖1 原代MSC(20×40)

2.3 A、B、C、D、E、F各組空骨陷窩數和血管密度比較分析

手術后4、8周, 空骨陷窩數和血管密度測定數據運用SPSS18.0分析處理，A、B、C、D、E、F各組采用單因素方差分析，檢驗水準α=0.05。F組與其他組比較骨陷窩陽性數和血管數目差異具有統計學意義(P<0.05)。各組術后4、8周空骨陷窩計數見表1；各組術后4、8周血管計數見表2。

表1 各組術后4、8周后空骨陷窩計數±s)

注：同一組在4周與8周之間相比*P<0.05；分別在4、8周時各組與F組相比△P<0.05。

表2 A、B、C、D、E、F各組術后4、8周后血管計數

注：同一組在4周與8周之間相比*P<0.05；分別在4、8周時各組與F組相比△P<0.05。

2.4 壞死股骨頭X線檢查

A組標本：4周時股骨頭密度改變，骨小梁結構錯亂；8周時股骨頭出現軟骨下囊性變。見圖2。B組標本：手術后4周減壓區僅鉆孔邊緣增高密度，減壓區內無明顯密度改變。C、D、E、F各組：手術后4周減壓區密度低；手術后8周C組有稀疏骨小梁結構出現，D、E、F組有較密骨小梁結構出現，F組骨密度出現最高現象。見圖3。

圖2 8周后模型組

圖3 8周后F組修復兔

3 討論

股骨頭壞死的發病機制尚不清楚，由復雜多因素導致股骨頭缺血及骨細胞壞死病理過程。青壯年時期多見于股骨頭早期壞死, 如果干預治療，很短時間出現關節面塌陷而需要置換股骨頭[5]。但是髖關節置換術后可用的壽命有限, 因此延長進行髖關節置換手術的時間非常關鍵，近年來，應用干細胞移植治療早期股骨頭壞死已經是目前一種可選的方法，成為了研究中的熱點[6]。股骨頭內高壓在股骨頭壞死發生發展中起到了重要作用，很長期髓芯減壓術是股骨頭缺血性壞死治療常用方法。髓芯減壓治療主要采用改變壞死股骨頭內高壓微環境，從而增加了壞死區內的血液供應，是當前治療早期股骨頭壞死的方法之一[7]。在髓芯減壓的基礎之上將MSCs移植到減壓處，為治療壞死股骨頭提供了種子細胞，從而為骨爬行替代和新生血管提供了基礎條件[8]。BMP是TGF-β超家族成員之一,是應用最廣泛的信號蛋白在骨組織工程中，在這個家族中BMP-2是最重要的成骨形成調控因子[9]。一些研究認為，在修復ONFH的手術中，加入BMP-2能有效提高打壓植骨術療效[10]。胡彤宇等[11]通過研究發現BMP-2能刺激新生血管在新生骨周圍形成。藻酸鈣能泌鈣離子促進MSCs進一步分化為成骨的能力，并且具有三維立體多孔理想的結構[12],提供了良好的微環境為細胞在其內部生長、增殖和分泌基質[13]。本實驗將自體MSC與rhBMP-2結合藻酸鈣凝膠同時注入股骨頭。通過X線檢查 、組織學染色評價療效。在8周時，F組的標本股骨頭壞死鉆孔處有大量的成骨細胞和新生血管產生，經分析統計，F組與其他組比較骨陷窩陽性數和血管數目差異具有統計學意義(P<0.05)。總之 , MSC/rhBMP-2結合藻酸鈣凝膠治療激素性股骨頭壞死具有如下優點：①方法簡單，②手術安全，③創傷相對較小，④療效可靠。臨床治療股骨頭壞死方面運用髓芯減壓方法,rhBMP-2不但加速骨生長,而且促進新生血管形成，并且藻酸鈣凝膠釋放鈣離子促進MSCs的成骨，從而可以提高MSC治療早期股骨頭壞死療效 。

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1.黑龍江省大學生創新創業訓練計劃重點項目，編號：201510222013；2.佳木斯大學科學技術重點項目，編號：12Z1201508；3.佳木斯大學附屬第一醫院院級培育課題：編號：2014年。

呂煜(1992～)女，黑龍江雞西人，在讀本科生。

季慶輝(1983～)男，黑龍江黑河人，碩士，主治醫師，講師。E-mail:jqh19833@163.com。

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1008-0104(2016)06-0031-03

2016-07-11)