引用本文: 張蒼宇, 王栓科, 任廣鐵, 拓振合, 庾佳佳, 汪靜, 安麗萍, 馬婧琳, 趙琳. 組織工程骨膜同種異體體內成骨修復兔肩胛骨缺損的初步研究. 中國修復重建外科雜志, 2014, 28(3): 384-388. doi: 10.7507/1002-1892.20140085 復制
因創傷、骨病及腫瘤切除后引起的骨缺損修復是臨床難題。組織工程為再生修復骨缺損提供了新思路和方法,但骨組織工程研究目前仍存在難以真正仿生骨組織天然結構及其微血管系統等問題,尤其缺乏大段、不規則骨缺損修復方面的突破性研究進展[1]。骨組織的形成分為軟骨內化骨和膜內化骨(骨膜成骨)[2]。在成體骨折愈合過程中,骨膜可通過膜內化骨自發成骨,這為骨缺損通過骨膜成骨再生修復提供了一種新思路[3-4]。用骨膜修復骨缺損的可行性已被大量實驗證實[5-6],但因其來源有限,且存在抗原性問題,只能自體應用而不能同種異體應用,限制了其臨床發展[7]。同時,目前罕見構建組織工程骨膜,并以其同種異體體內成骨修復大塊骨缺損的研究報道。我們前期研究成功制備了組織工程骨膜,并模擬膜內化骨成骨模式修復同種異體兔長骨臨界骨缺損,表明在理論上膜狀組織工程骨膜修復大塊骨缺損可行[8]。在此基礎上,本次研究以豬小腸黏膜下層(small intestinal submucosa,SIS)為支架,復合兔BMSCs構建組織工程骨膜,并在同種異體體內成骨修復兔肩胛骨缺損,探討組織工程骨膜修復大塊骨缺損的可行性,為臨床開發可修復各種骨缺損的人工骨膜產品奠定研究基礎。
1 材料與方法
1.1 實驗動物及主要試劑、儀器
2周~1月齡清潔級新西蘭大白兔6只,體重約150 g,雌雄不限;6月齡普通級新西蘭大白兔18只,體重2.5~3.0 kg,雌雄不限;均由蘭州大學醫學院動物房提供。經過檢疫的健康成年豬屠宰4 h內的新鮮近端空腸,由蘭州肉聯廠提供。
Percoll分離液(深圳達科為生物技術有限公司);L/H-DMEM、FBS(HyClone公司,美國);地塞米松、維生素C、β-磷酸甘油鈉、胰蛋白酶、EDTA-2Na(AmreSCO公司,美國);PBS(北京中杉金橋生物技術有限公司)。CKX3倒置相差顯微鏡(Olympus公司,日本);低溫冰箱(SANYO公司,日本);6孔板、96孔板(上海普飛生物技術有限公司); JSM-6380LV掃描電鏡(JEOL公司,日本);5810臺式高速冷凍離心機(Eppendorf公司,德國)。
1.2 兔BMSCs分離、培養及成骨誘導
取2周~1月齡新西蘭大白兔,根據文獻[9]方法分離培養BMSCs。取原代BMSCs,用成骨誘導培養液[10](含0.1 μmol/ L地塞米松、50 μg/L維生素C、10 mmol/L β-磷酸甘油鈉及10%FBS的H-DMEM)誘導培養,倒置相差顯微鏡下見細胞長滿90%后,用0.25%胰蛋白酶-0.01%EDTA消化2~3 min后繼續傳代培養[11]。倒置相差顯微鏡觀察細胞形態、貼附及增殖情況。
1.3 SIS的制備
按Abraham等[12]的方法制備SIS。取豬近端空腸,40℃水持續沖洗,清除小腸內外壁黏附物質,挑選管腔粗細均勻、管壁無破損及淋巴結的部分,用裹有紗布的刀柄刮除小腸漿膜層和肌層,室溫下行脫細胞和消毒滅菌處理,凍干后切成3 cm × 3 cm大小,無菌袋包裝,γ射線照射消毒,備用。掃描電鏡觀察SIS微觀結構。
1.4 組織工程骨膜構建及觀察
復合培養前將6孔板置于紫外燈下照射40 min;從- 80℃冰箱中取出SIS,無菌條件下按6孔板孔徑大小剪取SIS,單層鋪滿孔底;紫外燈下照射30 min后,每孔加入適量FBS,將SIS潤濕;置于37℃、5%CO2及飽和濕度孵箱中過夜。取成骨誘導后的第3代細胞,胰蛋白酶消化后調整細胞濃度為2.0 ×105個 / mL,用沉淀法將細胞懸液加入預孵過夜的SIS上(200 μL/ 孔),于37℃、5%CO2及飽和濕度孵箱中培養4~6 h,加成骨誘導培養液3~5 mL,于相同孵育條件繼續培養。分別于誘導培養3、5、7、11 d取出組織工程骨膜,掃描電鏡觀察BMSCs在SIS上的附著、生長、分裂及增殖情況。
1.5 兔肩胛骨缺損模型制備及實驗分組
取6月齡新西蘭大白兔18只,3%戊巴比妥鈉(40 mg/kg)腹腔注射麻醉,右側肩胛骨區域備皮,側臥位固定。順肩胛岡方向作縱形切口,逐層暴露肩胛骨,自肩胛頸處切除整塊肩胛骨及其骨膜(留取關節盂和部分肩胛頸以備與肱骨頭形成關節,術后不明顯影響動物活動并便于固定組織工程骨膜),制備約大小3 cm × 3 cm肩胛骨次全切、不規則骨缺損模型。
造模后將動物隨機分為兩組,每組9只。實驗組于骨缺損區植入與肩胛骨大小、形狀基本一致的組織工程骨膜,對照組植入相同大小的SIS。植入物邊緣與四周肌肉、筋膜及鎖骨、殘余肩胛頸等以絲線縫合固定,使其張緊保持肩胛骨的三角形狀。術后逐層縫合切口,黑色絲線“十”字標記植入手術區,以“人”字石膏固定傷肢(石膏開槽以便換藥及觀察)。術后動物分籠飼養,肌肉注射青霉素(30萬U/d),連續3 d;4周拆除石膏。
1.6 觀測指標
1.6.1 一般情況
觀察術后動物飲食、行為;切口有無紅腫、異常滲出;拆除石膏后患肢負重行走情況 等。
1.6.2 大體觀察
術后8周將動物以空氣栓塞法處死,原手術入路觀察新生骨表面、骨缺損修復情況及周圍組織反應情況。
1.6.3 X線片觀察
術后8周處死動物后,采用DR數字正位X線片檢查,投射部位為肩胛骨,投照距離為100 cm;投射條件:50 kV,4 mA/s。觀察兩組骨缺損修復情況,并根據Lane-Sandhu X 線片評分標準[13]評分。
1.6.4 組織學觀察
X線片觀察后,按標記絲線找到手術區,切除骨缺損區組織并隨機選取5個測試點組織作為標本,以4%甲醛固定3 d,標本常規脫鈣、脫水、包埋、切片,厚約30 μm,行HE及Masson染色觀察。
1.7 統計學方法
采用SPSS17.0統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示,組間比較采用獨立樣本t檢驗;檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 BMSCs形態觀察
倒置相差顯微鏡下觀察示,原代細胞形態呈長梭形(圖 1 a);經成骨誘導傳至第3代后,部分細胞由梭形變為多角形和立方形,體積變大(圖 1 b)。

2.2 SIS及組織工程骨膜掃描電鏡觀察
單純SIS主要結構為單一的平行于小腸長軸的纖維,偶有與長軸交錯的纖維(圖 2 a)。組織工程骨膜成骨誘導培養3 d時,BMSCs細胞間連接少;培養5 d,部分細胞變形,細胞間連接增多;培養7 d后細胞變形明顯,胞體表面有大量突起,微絲形成并附著于材料表面,部分細胞相連接,有些細胞進入材料孔隙;培養11 d后細胞形狀更不規則,大量細胞相互連接,胞體向外突出鋪滿材料表面,部分細胞重疊生長(圖 2 b)。
2.3 一般情況
兩組動物術后飲食及日常行為基本正常;切口無紅腫、滲液等。術后4周拆除石膏后,傷肢基本能負重行走。
2.4 大體觀察
術后8周,實驗組標本外骨痂增多但生長紊亂,將材料部分包裹,可見植入材料大部分已降解,兩端橋接部已形成骨性愈合,部分骨缺損區已被新生骨填充(圖 3 a);對照組骨缺損中央被軟組織填充,無骨組織形成(圖 3 b)。
2.5 X線片觀察
術后8周,實驗組植入物兩斷端模糊,骨缺損處密度與正常骨相似,呈斑片狀陰影,新生骨與自體殘留骨邊緣連接(圖 4 a),外骨痂增多但生長紊亂,未形成完整骨組織。對照組骨缺損中央區域無骨形成征象,密度與周圍軟組織影相似(圖 4 b)。根據Lane-Sandhu X線片評分標準[13],實驗組為(6.67 ± 0.32)分,對照組為(0.32 ± 0.04)分,兩組比較差異有統計學意義(t=19.871,P=0.001)。
2.6 組織學觀察
術后8周,HE染色示實驗組骨缺損區可見大量新骨形成,骨細胞豐富,毛細血管及骨陷窩多見,骨髓腔不規則,未見明顯淋巴細胞及巨噬細胞浸潤(圖 5 a);對照組骨缺損區僅見膠原瘢痕組織形成(圖 5 b)。Masson染色示實驗組骨缺損區為大量均質藍染組織,與自體殘留骨染色顏色不同,提示有新骨形成(圖 6 a);對照組為疏松纖維結締組織,無骨組織形成(圖 6 b)。
3 討論
目前有關骨缺損修復的動物模型報道較多,但大多僅限于臨界骨缺損的修復[14-15]。而在臨床實踐中,骨缺損往往是呈不規則形狀和大小,因此現有研究與臨床實踐仍有較大距離,這正是本研究的切入點,也是亟待解決的問題。
肩胛骨由扁骨(肩胛體)、不規則骨及諸多突體(肩胛骨、肩胛頸、喙突、肩峰)組成,能較好代表各種不規則骨[16],同時其位置表淺、易于整塊切除和進行修復手術。此外,我們在制備盡可能接近臨床整塊骨缺損模型的同時,考慮到人工骨膜的固定及術后動物活動問題,注意了實驗動物的創傷承受程度、活動影響、實驗實際可操作性和可行性,制備了兔肩胛骨次全切模型。
BMSCs具有很強的自我更新和高度增殖能力,在不同誘導條件下,可分化為骨、軟骨、脂肪組織和肌肉等間質組織,且具有免疫排斥反應小及不受倫理限制等優點[17],是組織工程研究理想種子細胞。SIS是由豬空腸黏膜下層組織經脫細胞等一系列生物及理化處理后制備的一種膜狀材料,是一種天然細胞外基質,具有良好的組織相容性及低免疫原性[18]。本研究將經成骨誘導的BMSCs與SIS復合構建組織工程骨膜,既含有成骨細胞,又含有骨膜具有的膠原成分和生長因子,實現了生理意義上的仿生骨膜構建。將其植入同種異體兔體內后,以期通過膜內化骨的方式修復肩胛骨缺 損。
目前,限制骨組織工程研究的主要問題是組織工程內植物中細胞的成活及工程組織的血管化[19-20]。在體內,組織液通過彌散滲透能為細胞提供營養的組織厚度不超過0.5 mm,提示大塊支架材料中的細胞植入體內后成活困難,降低了采用三維立體支架構建大塊骨組織的可行性[21]。本實驗所選擇的支架材料為種間低免疫原性的生物衍生材料SIS,厚度約100 μm,因此其表面及空隙內黏附的細胞均可通過彌散滲透方式從組織液中獲得營養,隨著體內骨組織的再生,機體會再生出新的血管系統,支架材料也同步降解,其釋放的VEGF也可促進血管化過程[22]。我們前期研究也表明組織工程骨膜在修復骨缺損的同時再生出了完備的血管系統[14-15]。本實驗結果顯示:隨著時間延長,植入組織工程骨膜的缺損部位形成新生骨組織,并以爬行方式逐漸覆蓋骨缺損;同時,在體外難以構建的骨組織微血管系統也隨新骨組織形成而形成。而對照組未見骨缺損修復征象。
綜上述,用組織工程骨膜修復兔肩胛骨次全切骨缺損是可行的,為臨床實踐中修復各種原因造成的大塊不規則骨缺損奠定了理論基礎。但本研究存在無空白對照組、缺乏成骨定量評價指標等不足,影響了研究的科學性,尚需在下一步實驗中改進。
因創傷、骨病及腫瘤切除后引起的骨缺損修復是臨床難題。組織工程為再生修復骨缺損提供了新思路和方法,但骨組織工程研究目前仍存在難以真正仿生骨組織天然結構及其微血管系統等問題,尤其缺乏大段、不規則骨缺損修復方面的突破性研究進展[1]。骨組織的形成分為軟骨內化骨和膜內化骨(骨膜成骨)[2]。在成體骨折愈合過程中,骨膜可通過膜內化骨自發成骨,這為骨缺損通過骨膜成骨再生修復提供了一種新思路[3-4]。用骨膜修復骨缺損的可行性已被大量實驗證實[5-6],但因其來源有限,且存在抗原性問題,只能自體應用而不能同種異體應用,限制了其臨床發展[7]。同時,目前罕見構建組織工程骨膜,并以其同種異體體內成骨修復大塊骨缺損的研究報道。我們前期研究成功制備了組織工程骨膜,并模擬膜內化骨成骨模式修復同種異體兔長骨臨界骨缺損,表明在理論上膜狀組織工程骨膜修復大塊骨缺損可行[8]。在此基礎上,本次研究以豬小腸黏膜下層(small intestinal submucosa,SIS)為支架,復合兔BMSCs構建組織工程骨膜,并在同種異體體內成骨修復兔肩胛骨缺損,探討組織工程骨膜修復大塊骨缺損的可行性,為臨床開發可修復各種骨缺損的人工骨膜產品奠定研究基礎。
1 材料與方法
1.1 實驗動物及主要試劑、儀器
2周~1月齡清潔級新西蘭大白兔6只,體重約150 g,雌雄不限;6月齡普通級新西蘭大白兔18只,體重2.5~3.0 kg,雌雄不限;均由蘭州大學醫學院動物房提供。經過檢疫的健康成年豬屠宰4 h內的新鮮近端空腸,由蘭州肉聯廠提供。
Percoll分離液(深圳達科為生物技術有限公司);L/H-DMEM、FBS(HyClone公司,美國);地塞米松、維生素C、β-磷酸甘油鈉、胰蛋白酶、EDTA-2Na(AmreSCO公司,美國);PBS(北京中杉金橋生物技術有限公司)。CKX3倒置相差顯微鏡(Olympus公司,日本);低溫冰箱(SANYO公司,日本);6孔板、96孔板(上海普飛生物技術有限公司); JSM-6380LV掃描電鏡(JEOL公司,日本);5810臺式高速冷凍離心機(Eppendorf公司,德國)。
1.2 兔BMSCs分離、培養及成骨誘導
取2周~1月齡新西蘭大白兔,根據文獻[9]方法分離培養BMSCs。取原代BMSCs,用成骨誘導培養液[10](含0.1 μmol/ L地塞米松、50 μg/L維生素C、10 mmol/L β-磷酸甘油鈉及10%FBS的H-DMEM)誘導培養,倒置相差顯微鏡下見細胞長滿90%后,用0.25%胰蛋白酶-0.01%EDTA消化2~3 min后繼續傳代培養[11]。倒置相差顯微鏡觀察細胞形態、貼附及增殖情況。
1.3 SIS的制備
按Abraham等[12]的方法制備SIS。取豬近端空腸,40℃水持續沖洗,清除小腸內外壁黏附物質,挑選管腔粗細均勻、管壁無破損及淋巴結的部分,用裹有紗布的刀柄刮除小腸漿膜層和肌層,室溫下行脫細胞和消毒滅菌處理,凍干后切成3 cm × 3 cm大小,無菌袋包裝,γ射線照射消毒,備用。掃描電鏡觀察SIS微觀結構。
1.4 組織工程骨膜構建及觀察
復合培養前將6孔板置于紫外燈下照射40 min;從- 80℃冰箱中取出SIS,無菌條件下按6孔板孔徑大小剪取SIS,單層鋪滿孔底;紫外燈下照射30 min后,每孔加入適量FBS,將SIS潤濕;置于37℃、5%CO2及飽和濕度孵箱中過夜。取成骨誘導后的第3代細胞,胰蛋白酶消化后調整細胞濃度為2.0 ×105個 / mL,用沉淀法將細胞懸液加入預孵過夜的SIS上(200 μL/ 孔),于37℃、5%CO2及飽和濕度孵箱中培養4~6 h,加成骨誘導培養液3~5 mL,于相同孵育條件繼續培養。分別于誘導培養3、5、7、11 d取出組織工程骨膜,掃描電鏡觀察BMSCs在SIS上的附著、生長、分裂及增殖情況。
1.5 兔肩胛骨缺損模型制備及實驗分組
取6月齡新西蘭大白兔18只,3%戊巴比妥鈉(40 mg/kg)腹腔注射麻醉,右側肩胛骨區域備皮,側臥位固定。順肩胛岡方向作縱形切口,逐層暴露肩胛骨,自肩胛頸處切除整塊肩胛骨及其骨膜(留取關節盂和部分肩胛頸以備與肱骨頭形成關節,術后不明顯影響動物活動并便于固定組織工程骨膜),制備約大小3 cm × 3 cm肩胛骨次全切、不規則骨缺損模型。
造模后將動物隨機分為兩組,每組9只。實驗組于骨缺損區植入與肩胛骨大小、形狀基本一致的組織工程骨膜,對照組植入相同大小的SIS。植入物邊緣與四周肌肉、筋膜及鎖骨、殘余肩胛頸等以絲線縫合固定,使其張緊保持肩胛骨的三角形狀。術后逐層縫合切口,黑色絲線“十”字標記植入手術區,以“人”字石膏固定傷肢(石膏開槽以便換藥及觀察)。術后動物分籠飼養,肌肉注射青霉素(30萬U/d),連續3 d;4周拆除石膏。
1.6 觀測指標
1.6.1 一般情況
觀察術后動物飲食、行為;切口有無紅腫、異常滲出;拆除石膏后患肢負重行走情況 等。
1.6.2 大體觀察
術后8周將動物以空氣栓塞法處死,原手術入路觀察新生骨表面、骨缺損修復情況及周圍組織反應情況。
1.6.3 X線片觀察
術后8周處死動物后,采用DR數字正位X線片檢查,投射部位為肩胛骨,投照距離為100 cm;投射條件:50 kV,4 mA/s。觀察兩組骨缺損修復情況,并根據Lane-Sandhu X 線片評分標準[13]評分。
1.6.4 組織學觀察
X線片觀察后,按標記絲線找到手術區,切除骨缺損區組織并隨機選取5個測試點組織作為標本,以4%甲醛固定3 d,標本常規脫鈣、脫水、包埋、切片,厚約30 μm,行HE及Masson染色觀察。
1.7 統計學方法
采用SPSS17.0統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示,組間比較采用獨立樣本t檢驗;檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 BMSCs形態觀察
倒置相差顯微鏡下觀察示,原代細胞形態呈長梭形(圖 1 a);經成骨誘導傳至第3代后,部分細胞由梭形變為多角形和立方形,體積變大(圖 1 b)。

2.2 SIS及組織工程骨膜掃描電鏡觀察
單純SIS主要結構為單一的平行于小腸長軸的纖維,偶有與長軸交錯的纖維(圖 2 a)。組織工程骨膜成骨誘導培養3 d時,BMSCs細胞間連接少;培養5 d,部分細胞變形,細胞間連接增多;培養7 d后細胞變形明顯,胞體表面有大量突起,微絲形成并附著于材料表面,部分細胞相連接,有些細胞進入材料孔隙;培養11 d后細胞形狀更不規則,大量細胞相互連接,胞體向外突出鋪滿材料表面,部分細胞重疊生長(圖 2 b)。
2.3 一般情況
兩組動物術后飲食及日常行為基本正常;切口無紅腫、滲液等。術后4周拆除石膏后,傷肢基本能負重行走。
2.4 大體觀察
術后8周,實驗組標本外骨痂增多但生長紊亂,將材料部分包裹,可見植入材料大部分已降解,兩端橋接部已形成骨性愈合,部分骨缺損區已被新生骨填充(圖 3 a);對照組骨缺損中央被軟組織填充,無骨組織形成(圖 3 b)。
2.5 X線片觀察
術后8周,實驗組植入物兩斷端模糊,骨缺損處密度與正常骨相似,呈斑片狀陰影,新生骨與自體殘留骨邊緣連接(圖 4 a),外骨痂增多但生長紊亂,未形成完整骨組織。對照組骨缺損中央區域無骨形成征象,密度與周圍軟組織影相似(圖 4 b)。根據Lane-Sandhu X線片評分標準[13],實驗組為(6.67 ± 0.32)分,對照組為(0.32 ± 0.04)分,兩組比較差異有統計學意義(t=19.871,P=0.001)。
2.6 組織學觀察
術后8周,HE染色示實驗組骨缺損區可見大量新骨形成,骨細胞豐富,毛細血管及骨陷窩多見,骨髓腔不規則,未見明顯淋巴細胞及巨噬細胞浸潤(圖 5 a);對照組骨缺損區僅見膠原瘢痕組織形成(圖 5 b)。Masson染色示實驗組骨缺損區為大量均質藍染組織,與自體殘留骨染色顏色不同,提示有新骨形成(圖 6 a);對照組為疏松纖維結締組織,無骨組織形成(圖 6 b)。
3 討論
目前有關骨缺損修復的動物模型報道較多,但大多僅限于臨界骨缺損的修復[14-15]。而在臨床實踐中,骨缺損往往是呈不規則形狀和大小,因此現有研究與臨床實踐仍有較大距離,這正是本研究的切入點,也是亟待解決的問題。
肩胛骨由扁骨(肩胛體)、不規則骨及諸多突體(肩胛骨、肩胛頸、喙突、肩峰)組成,能較好代表各種不規則骨[16],同時其位置表淺、易于整塊切除和進行修復手術。此外,我們在制備盡可能接近臨床整塊骨缺損模型的同時,考慮到人工骨膜的固定及術后動物活動問題,注意了實驗動物的創傷承受程度、活動影響、實驗實際可操作性和可行性,制備了兔肩胛骨次全切模型。
BMSCs具有很強的自我更新和高度增殖能力,在不同誘導條件下,可分化為骨、軟骨、脂肪組織和肌肉等間質組織,且具有免疫排斥反應小及不受倫理限制等優點[17],是組織工程研究理想種子細胞。SIS是由豬空腸黏膜下層組織經脫細胞等一系列生物及理化處理后制備的一種膜狀材料,是一種天然細胞外基質,具有良好的組織相容性及低免疫原性[18]。本研究將經成骨誘導的BMSCs與SIS復合構建組織工程骨膜,既含有成骨細胞,又含有骨膜具有的膠原成分和生長因子,實現了生理意義上的仿生骨膜構建。將其植入同種異體兔體內后,以期通過膜內化骨的方式修復肩胛骨缺 損。
目前,限制骨組織工程研究的主要問題是組織工程內植物中細胞的成活及工程組織的血管化[19-20]。在體內,組織液通過彌散滲透能為細胞提供營養的組織厚度不超過0.5 mm,提示大塊支架材料中的細胞植入體內后成活困難,降低了采用三維立體支架構建大塊骨組織的可行性[21]。本實驗所選擇的支架材料為種間低免疫原性的生物衍生材料SIS,厚度約100 μm,因此其表面及空隙內黏附的細胞均可通過彌散滲透方式從組織液中獲得營養,隨著體內骨組織的再生,機體會再生出新的血管系統,支架材料也同步降解,其釋放的VEGF也可促進血管化過程[22]。我們前期研究也表明組織工程骨膜在修復骨缺損的同時再生出了完備的血管系統[14-15]。本實驗結果顯示:隨著時間延長,植入組織工程骨膜的缺損部位形成新生骨組織,并以爬行方式逐漸覆蓋骨缺損;同時,在體外難以構建的骨組織微血管系統也隨新骨組織形成而形成。而對照組未見骨缺損修復征象。
綜上述,用組織工程骨膜修復兔肩胛骨次全切骨缺損是可行的,為臨床實踐中修復各種原因造成的大塊不規則骨缺損奠定了理論基礎。但本研究存在無空白對照組、缺乏成骨定量評價指標等不足,影響了研究的科學性,尚需在下一步實驗中改進。