基于頜骨和股骨差異的動物實驗中種植體骨結合影響因素

唐渝菲， 周安琪， 于暉， 劉珍珍， 張歆緣， 王斌， 張愷文， 向琳

1. 口腔疾病研究國家重點實驗室國家口腔疾病臨床醫學研究中心 四川大學華西口腔醫院，四川 成都（610041）； 2. 口腔疾病研究國家重點實驗室國家口腔疾病臨床醫學研究中心 四川大學華西口腔醫院種植科，四川 成都（610041）； 3.四川大學華西口腔醫院唇腭裂外科，四川 成都（610041）

種植體骨結合（osseointegration）由瑞典的Br?nemark 教授提出，即種植體和周圍骨組織緊密接觸，光鏡下可見到沒有任何纖維組織等非骨組織介入。良好的骨結合能使種植體承受的負荷持續傳導并分散在骨組織中，是承受口腔內各種來源的應力的組織學基礎［1］。種植體骨結合率越高，種植體穩定性就越強，種植的成功率也就越高［2］。頜骨和股骨作為基礎研究中常用的種植體植入部位，兩者在胚胎發育、骨質結構以及骨代謝等方面存在著較大的差異［3］。本文將圍繞頜骨與股骨在胚胎發育及生長、組織形態學結構以及骨代謝等方面的差異作一綜述，并探討導致頜骨與股骨種植體骨結合差異的可能因素。

1 頜骨和股骨的胚胎發育及生長

1.1 頜骨的胚胎發育及生長

在顱面部發育早期，第一鰓弓的間充質細胞形成原發性及繼發性軟骨，通過膜內成骨和軟骨內成骨在顱面骨架形成中發揮著重要的作用。上頜骨由第一鰓弓形成的上頜突通過膜內骨化發育而來。胚胎第8 周，上頜帶狀細胞聚集區骨化形成不同的骨化中心，從這些骨化中心向不同的方向生長形成上頜骨。下頜骨發育自第一鰓弓，除髁突外，下頜骨的其他部分均是膜內成骨［4］。胚胎第7 周，下頜骨的發育以膜內成骨方式出現。研究表明，下頜骨并非單一的成骨方式，其兼具膜內成骨和軟骨內成骨兩種成骨方式。下頜骨在胚胎期時主要發生形態上的改變，但其礦化程度低［5］。總的來說，頜骨的發生以膜內成骨的方式為主。出生后到生長發育高峰期以前，上下頜骨仍有一定的生長空間，上頜骨主要是向前、向下以及向外生長，下頜骨的生長方向則主要是向后、向上。

1.2 股骨的胚胎發育及生長

目前暫無文獻報道股骨的發生始于胚胎發育的哪個階段，股骨是四肢骨，其發生方式屬于軟骨內成骨。四肢骨來源于中胚層間葉細胞，其發生始于胚胎第6 周，略早于頜骨的發生。6 周以后出現初級骨化中心，骨化中心向軟骨雛型兩端進行骨化，出生時大致完成。出生后，骨骺端保留的軟骨可形成次級骨化中心參與骨增長過程，股骨還可以通過骨膜發揮功能，在保證骨組織適當厚度的前提下使骨干增粗。這提示可能與其胚胎發育和生長的情況類似，在頜骨與股骨植入種植體后，肢體周圍新骨的成骨方式及生成方向可能會有所不同。而目前已有研究發現，糖尿病患者骨膜來源細胞（periosteum-derived cells，PDCs）的成骨能力優于其骨髓間充質干細胞（bone marrow-derived mesenchymal stem cells，BMSCs）［6］。這提示了成骨方式的不同可能會導致骨結合差異的出現。

2 頜骨和股骨的組織形態學結構

不同部位的骨組織由于發生發育與功能的不同，組織形態學結構仍存在著差異。頜骨屬于不規則骨，包圍和支持著牙根的牙槽骨（alveolar bone）內分布著大量的內源性纖維，同時還包埋了大量的外源性纖維，而股骨中僅有內源性纖維。膠原纖維作為骨組織的重要組成部分，已被證明可通過支架作用促進骨組織愈合［7］。組織工程研究中也常在生物材料支架中加入膠原纖維以促進細胞的成骨分化［8］。膠原纖維形成的支架可以在新骨生成過程中為細胞提供錨定位點，增強新骨的機械穩定性，同時發揮導向作用，控制骨形成的方向。頜骨與股骨中膠原纖維排列方向及密度的不同也可能導致對細胞成骨的影響出現差異，不同類型的纖維其促成骨能力也不盡相同。股骨作為長骨，相較于頜骨而言骨密質更多，骨單位（osteon）排列更加整齊規律。研究證實，脛骨作為長骨之一，其骨量與年齡呈負相關，而（牙）根間骨量隨著時間增長略有增加［9］。

骨髓分為有造血功能的紅骨髓（red marrow）和含脂肪較多的黃骨髓（yellow marrow）。隨著個體的生長發育，兩種骨髓的分布會發生變化。在普通的成年個體中，紅骨髓幾乎只存在于長骨（如股骨和肱骨）長軸末端，頜骨中幾乎都是黃骨髓。豐富的血供是新骨生成的必要條件，紅骨髓中富含間充質細胞且血運充足，股骨頜骨中紅黃骨髓的血供差異可能會直接影響種植體周新骨的形成［10］。

3 頜骨和股骨的骨代謝情況

骨組織內細胞的復雜代謝活動影響骨形成和骨改建過程，骨代謝的穩定依賴于各種細胞的平衡。

3.1 BMSCs

BMSCs 具有多向分化潛能，在不同的條件下可以成骨、成軟骨、成脂以及成肌分化等。在骨缺損動物模型中，植入同時，BMSCs 還能分泌一系列細胞因子，如骨保護素、核因子κB 受體活化因子配體（receptor activator of nuclear factor- κB ligand，RANKL）、巨噬細胞集落刺激因子等，從而調節骨代謝活動。不同發育來源和結構的頜骨和股骨可能由于其潛在的細胞和分子機制的不同對刺激反饋有別。不同部位來源的BMSCs 在增殖和成骨分化潛能方面也有差別［11-13］。實驗結果表明，下頜骨來源的BMSCs 增殖速度快，形成大的細胞集落。成骨分化中，下頜骨BMSCs 表現出更強的堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）活性，以及ALP 和骨鈣蛋白（osteocalcin，OCN）mRNA 表達。體內異位成骨實驗表明，與長骨BMSCs 相比，下頜骨BMSCs 形成更大的骨結節，其鈣化成骨也高于長骨BMSCs 組。股骨和脛骨均是四肢骨中的長骨，其BMSCs 增殖分化能力與成骨潛能可能類似［13］。Bugue?o 等［14］的研究驗證了這一點，在犬類的動物模型中，下頜骨BMSCs 增殖能力更強，相對于股骨BMSCs 而言是高度成骨的。頜骨和股骨BMSCs 的增殖能力與成骨潛能的不同可能是造成相應部位骨重建和骨修復的潛在差異的重要原因。

3.2 成骨細胞和破骨細胞

成骨細胞對成骨過程的影響首先表現在類骨質（osteoid）的形成，礦化后形成新生骨組織。另一方面，成骨細胞可以通過分泌成纖維細胞生長因子、血管內皮生長因子，胰島素樣生長因子、破骨細胞刺激因子等，來調節骨組織的生成、吸收和代謝。研究顯示，大鼠股骨來源的成骨細胞成骨潛力更強，而下頜骨來源的成骨細胞更多地表現為促血管生成的作用［15］。Yang 等［15］發現股骨來源的成骨細胞表現出更高的ALP 活性，其基質礦化程度增加同時成骨相關標記基因的表達也更多。但有趣的是，下頜骨來源的成骨細胞表現出最高的增殖速率，血管生成相關因子的表達升高。與人臍靜脈內皮細胞的共培養結果顯示，下頜骨來源的成骨細胞表現出更強的促進血管內皮細胞增殖、遷移和管狀結構形成的作用，這與之前的結果矛盾，可能是下頜骨的骨量增加主要是由成骨細胞生成增加，而成骨細胞礦化活性的升高不明顯所導致。

盡管破骨細胞在不同部位的骨組織中有著相似的作用，但其存在多樣性和異質性。一方面，不同來源的破骨細胞表現出形態和體積上的差異。研究發現，在小鼠中盡管頜骨和股骨來源的破骨細胞之間的表面積無明顯差異，但頜骨來源的破骨細胞細胞核的數量顯著較少，吸收骨質時形成凹陷的表面積和體積也相對較小［16］。另一方面，早期研究表明，不同部位的骨組織再吸收和機械性能的功能差異可能是蛋白質組成不同導致的結果［17］。另外，來自不同骨部位的破骨細胞似乎對某些細胞因子的反應不同。在RANKL 表達缺陷小鼠中，T 細胞和B 細胞的轉基因誘導的RANKL 表達促進了長骨中的破骨細胞形成，在頜骨中表達RANKL 的T 細胞和B 細胞不能激活頜骨中的骨吸收。目前這種異質性發生的機制尚未闡明，有研究表明破骨細胞的異質性可能來源于成骨細胞誘導形成破骨細胞不同方式。

3.3 巨噬細胞及其他免疫細胞

當骨組織受到炎癥和異物刺激時，巨噬細胞可以活化游走，發揮免疫屏障作用。雙膦酸鹽骨壞死（bisphosphonate-related osteonecrosis，BRON）與其他頜骨感染相比，巨噬細胞標記物的表達有所差異，可能是雙膦酸鹽藥物對巨噬細胞免疫抑制。研究發現，在BRON 等代謝相關疾病中，股骨的表現較頜骨輕，這可能是由于股骨來源的巨噬細胞對雙膦酸鹽的敏感性低，受到的免疫抑制較小所導致［18］。其他研究表明通過巨噬細胞極化，可以改善種植體表面的骨結合。這種調節方式可能也存在部位特異性［19］。BRON 作為一種特異性的骨組織病理性變化，可能與BMSCs 的骨骼部位特異性成骨特性相關［20］，但目前其作用機制尚未闡明。此外，其他免疫細胞如淋巴細胞、漿細胞以及肥大細胞，都與種植體周圍新骨的形成有著密切的關系。

4 結 語

股骨由于其表層解剖結構簡單，易于操作，更常被作為臨床前研究中構建骨缺損或種植體植入位點，在許多口腔醫學基礎研究中甚至替代了頜骨模型。對于種植體植入模型而言，選擇不同的植入位點可能會因此出現程度不同的骨結合，然而，造成差異的具體機制尚未完全明確。進一步深入探究不同部位骨作為植入位點導致骨結合出現差異的細胞學及分子學基礎尤為重要，有望為種植臨床骨結合不良的相關病例的治療提供新的思路和策略。