引用本文: 夏遠軍, 余翔, 章瑩, 尹慶水, 夏虹, 鄭曉輝, 謝會斌, 黃顯華. 重組人BMP-2/殼聚糖/硫酸葡聚糖復合微球誘導異位成骨的micro-CT評價. 中國修復重建外科雜志, 2016, 30(3): 286-291. doi: 10.7507/1002-1892.20160057 復制
骨誘導是近年來骨缺損領域的研究熱點。1965年Urist首次發現BMP是具有單獨誘導成骨能力的細胞生長因子[1],其中BMP-2誘導成骨能力最強[2-3]。目前研究已明確,BMP-2具有在動物體內誘導異位骨形成的作用[4-5]。但是BMP-2半衰期短,容易代謝流失,不能維持足夠濃度,通過緩釋載體技術可有效解決這一問題。研究表明,載藥微球具有能控制藥物釋放速度、降低藥物毒副作用、提高疏水性藥物對細胞膜的通透性、改善藥物的穩定性和改變給藥途徑、延長藥物療效以及靶向給藥等優點[6]。有學者用殼聚糖(chitosan,CS)載體包裹重組人BMP-2(recombinant human BMP-2,rhBMP-2)制備了CS/rhBMP-2微球[7],載藥率為(33.437±2.290)μg/mg,但實驗中發現CS載體與rhBMP-2黏附效果不佳。本課題組前期實驗在CS/rhBMP-2微球基礎上引入硫酸葡聚糖(dextran sulfate,DS),構建rhBMP-2/CS/DS復合微球,實驗顯示該復合微球細胞相容性較好,載藥率高,并初步顯示出良好的骨誘導效果[8]。異位成骨實驗已廣泛用于驗證BMP-2及BMP-2微球的骨誘導能力[9],可有效避免原位宿主骨的干擾因素,是國際上檢測骨替代材料性能的常用評價手段[10-11]。為此,本次實驗選取SD大鼠進行異位成骨實驗,采用micro-CT掃描并行骨組織參數檢測,進一步分析探討rhBMP-2/CS/DS復合微球的異位成骨能力。
1 材料與方法
1.1 實驗動物及主要試劑、儀器
6~8周齡SPF級雄性SD大鼠48只,體質量140~160 g,由廣州軍區廣州總醫院動物實驗中心提供。CS(分子量為50 000~190 000、脫乙酰度85%)、DS(分子量為500 000、硫含量40%~50%)(Sigma公司,美國);rhBMP-2(上海瑞邦生物材料有限公司);ZnSO4(天津化學試劑公司);NaOH(廣州化學試劑廠);0.22μm、0.45μm濾過膜(Millipre公司,美國);ALP試劑盒、鈣離子檢測試劑盒(南京建成生物技術有限公司)。
JB-2型恒溫磁力攪拌器(上海雷磁儀器廠);DJ-300S型電子天平(SHINKO公司,日本);LGZ-12型低溫負壓凍干機(北京松源華興儀器公司);DUPONT0-RC5C型高速冷凍臺式離心機(Thermo Fisher公司,美國);S-4800掃描電鏡(Hitachi公司,日本);micro-CT(GE公司,美國);Mimics10.1軟件(Materalise公司,比利時)。
1.2 微球制備及觀測
1.2.1 CS/DS微球制備
取CS溶于0.175%乙酸中,配制成1 mg/mL CS溶液;用0.45μm和0.22?μm濾過膜依次過濾;取DS溶于雙蒸水,配置1?mg/mL DS溶液,用0.45μm和0.22μm濾過膜依次過濾。取0.2?mL DS溶液,加入0.12 mL CS溶液,在1?500?r/min轉速下攪拌5 min后,加入0.1 mL ZnSO4,繼續攪拌30 min,加入5%甘露醇后將微球移至離心管中;4℃,以離心半徑6 cm、15?000 r/min離心15 min,棄上清液;同上法離心3次后凍干。用3 000 Gy 60Co輻照消毒后,密封,4℃保存備用。
1.2.2 rhBMP-2/CS/DS復合微球制備
CS及DS溶液配制同1.2.1方法。取0.2 mL DS溶液加入0.04?mL rhBMP-2,在1?500 r/min轉速下攪拌20 min后,加入0.12 mL CS溶液,5 min后加入0.1 mL ZnSO4,繼續攪拌30 min,加入5%甘露醇后將微球移至離心管中;4℃,以離心半徑6 cm、15?000 r/min離心15 min,棄上清液;同上法離心3次后凍干。用3 000 Gy 60Co輻照消毒后,密封,4℃保存備用。
1.2.3 觀測指標
①掃描電鏡觀察:取rhBMP-2/CS/DS復合微球,用蒸餾水稀釋后均勻滴于載玻片上,冷凍干燥后掃描電鏡下觀察微球形態。②體外緩釋檢測:取rhBMP-2/CS/DS復合微球(n=3),按照ELISA法于2、6、12、18、24、48、72 h,之后每隔3?d檢測上清液中rhBMP-2含量,觀測終點為20 d,繪制緩釋曲線。
1.3 實驗分組及方法
將48只SD大鼠采用隨機數字表法分為A、B、C、D 4組(n=12)。4組大鼠腹腔注射10%水合氯醛(4 mL/kg)麻醉后,于左后肢大腿作長約1.5 cm切口,制備股四頭肌肌袋模型。A、B、C、D組肌袋肌間隙中分別植入相同體積明膠海綿、CS/DS微球(粉末狀)、rhBMP-2(粉末狀,0.25 mg)、rhBMP-2/CS/DS復合微球(粉末狀,含rhBMP-2 0.25 mg),逐層縫合切口。術后分籠正常喂養,自由進食、飲水;3 d內每天腹腔注射青霉素(5 mg/kg)抗感染。
1.3.1 一般情況
術后觀察大鼠存活情況,以及并發癥(如切口感染、紅腫、滲液等)發生情況。
1.3.2 micro-CT檢測及三維重建
術后4、8、12、16周,各組分別取3只大鼠脫頸處死。按照原切口入路切取異位骨化組織塊行micro-CT掃描。掃描參數:掃描分辨率21μm,旋轉角度360°,旋轉角度增量0.4°,電壓80 kV,電流80μA,曝光時間3?000?ms,幀平均數為4,像素組合為1×1。掃描完成后,于micro-CT中檢測以下參數:組織骨密度(tissue mineral density,TMD)、骨體積分數(bone volume fraction,BVF)、骨小梁厚度(trabecular thickness,Tb.Th)、骨小梁數量(trabecular number,Tb.N)、皮質骨骨密度(bone mineral density,BMD)及組織礦含量(tissue mineral content,TMC)。然后,將CT掃描原始數據導入Mimics10.1軟件,進行三維重建,觀察各組異位成骨情況。
1.4 統計學方法
采用SPSS19.0統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示,組間比較采用方差分析,兩兩比較用LSD檢驗;檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 rhBMP-2/CS/DS復合微球觀察
掃描電鏡觀察示,制備的rhBMP-2/CS/DS復合微球球形較規整,分散較均勻,無團聚,微球表面較光滑(圖 1)。微球體外釋放rhBMP-2于2 h后出現1個突釋放期,2 d時釋放值達峰值,之后緩慢下降,釋放周期約20 d(圖 2)。

2.2 植入實驗觀察
2.2.1 一般情況
術后各組大鼠均存活至實驗完成,大鼠活動、進食正常,切口愈合良好,無紅腫、滲液等。
2.2.2 micro-CT檢測及三維重建
術后各時間點,A、B組CT掃描均未見放射性顯影,三維重建未發現成骨。C、D組術后4周,可見少量模糊放射性顯影,密度較低,三維重建見少量骨組織形成;8周時,放射性顯影較4周增多,且密度稍高,三維重建可見一橢圓形骨組織塊;12、16周時,可見明顯大量蜂窩狀放射性顯影,骨截面邊緣密度較高,中央密度稍低,三維重建可見較多骨組織形成。各時間點兩組放射性顯影強度及三維重建骨組織均逐漸增加,且D組放射性顯影強度及三維重建骨體積均大于C組。見圖 3、4。


各時間點A、B組TMD、BVF、Tb.Th、Tb.N、BMD及TMC均為0。隨著時間延長,異位成骨形成,C、D組TMD、BVF、Tb.Th、BMD及TMC均呈總體增加趨勢,Tb.N 12周時達峰值、之后降低;各時間點與A、B組比較差異均有統計學意義(P < 0.05)。C、D組間比較,4周時以上骨組織參數比較差異均無統計學意義(P > 0.05);8~16周時D組顯著高于C組,比較差異有統計學意義(P < 0.05)。見圖 5。
3 討論
本研究旨在通過異位成骨實驗來驗證rhBMP-2/CS/DS復合微球的成骨誘導效應。對于異位成骨觀測方法的選擇,有學者采用micro-CT掃描觀察硫醇化的CS支架負載BMP-2的異位成骨效果,并通過異位成骨掃描結果來分析骨增生情況[12]。micro-CT掃描具有無創性,已被廣泛用于定量測定骨三維微結構及組織工程骨[13-14]。我們認為與X線檢查相比,micro-CT掃描可更清晰觀察到異位成骨情況。而且micro-CT掃描獲得的斷層平面,通過Mimics軟件進行三維重建后,除能清楚顯示異位成骨情況外,還能測量相關骨組織參數,進行定量分析,結果具有較高的精確性。
本研究結果顯示:C、D組術后4周僅見少量模糊低密度放射性顯影,三維重建見少量骨組織,這可能是因為rhBMP-2從CS/DS微球釋放需要一定時間,故成骨效果較緩慢。隨著時間延長,C、D組放射性顯影強度和骨組織參數均逐漸增加,三維重建顯示有橢圓形骨塊形成且體積不斷增加,各時間點D組放射性顯影強度、骨塊體積均大于C組,與之對應的TMD、BVF、Tb.Th、Tb.N、BMD、TMC也顯著高于C組,提示存在異位成骨不斷增加的過程。但值得注意的是,從12周開始D組Tb.N逐漸減少,這可能與骨組織內部骨小梁逐漸吸收有關。另外,各時間點各組micro-CT掃描圖片顯示骨塊外層為高密度放射性顯影,而骨塊內層放射性顯影密度較低,這是由于外層骨組織逐漸塑形成為皮質骨導致。植入后異位新生骨從疏松骨小梁形成橢圓形組織塊,12周后內部Tb.N逐漸減少,外部鈣化加強,骨質改建,與檢測得到的TMC和TMD總體呈上升趨勢相吻合。Tb.Th持續增加則更加充分地說明了骨小梁的進一步改建。
綜上述,CS/DS載體負載rhBMP-2后的成骨誘導能力強于單獨rhBMP-2,這與rhBMP-2/CS/DS復合微球高載藥率結果[8]相互印證。分析原因可能是由于DS與BMP-2有肝素結合位點,能廣泛結合,且CS帶正電荷[15]、DS帶負電荷[16],二者可以形成聚合物[15, 17],CS/DS微球作為載體使rhBMP-2在動物體內緩釋時間延長,提高了蛋白的包封率和載藥率,從而提高rhBMP-2的成骨效能。結合前期實驗[18]得到的rhBMP-2/CS/DS復合微球無毒性,生物相容性良好,載藥率、包封率滿意的結論,以及與其他載體材料相比,具有制作簡便、成本較低等明顯優勢,提示rhBMP-2/CS/DS復合微球在骨組織工程領域具有較好的應用前景。
骨誘導是近年來骨缺損領域的研究熱點。1965年Urist首次發現BMP是具有單獨誘導成骨能力的細胞生長因子[1],其中BMP-2誘導成骨能力最強[2-3]。目前研究已明確,BMP-2具有在動物體內誘導異位骨形成的作用[4-5]。但是BMP-2半衰期短,容易代謝流失,不能維持足夠濃度,通過緩釋載體技術可有效解決這一問題。研究表明,載藥微球具有能控制藥物釋放速度、降低藥物毒副作用、提高疏水性藥物對細胞膜的通透性、改善藥物的穩定性和改變給藥途徑、延長藥物療效以及靶向給藥等優點[6]。有學者用殼聚糖(chitosan,CS)載體包裹重組人BMP-2(recombinant human BMP-2,rhBMP-2)制備了CS/rhBMP-2微球[7],載藥率為(33.437±2.290)μg/mg,但實驗中發現CS載體與rhBMP-2黏附效果不佳。本課題組前期實驗在CS/rhBMP-2微球基礎上引入硫酸葡聚糖(dextran sulfate,DS),構建rhBMP-2/CS/DS復合微球,實驗顯示該復合微球細胞相容性較好,載藥率高,并初步顯示出良好的骨誘導效果[8]。異位成骨實驗已廣泛用于驗證BMP-2及BMP-2微球的骨誘導能力[9],可有效避免原位宿主骨的干擾因素,是國際上檢測骨替代材料性能的常用評價手段[10-11]。為此,本次實驗選取SD大鼠進行異位成骨實驗,采用micro-CT掃描并行骨組織參數檢測,進一步分析探討rhBMP-2/CS/DS復合微球的異位成骨能力。
1 材料與方法
1.1 實驗動物及主要試劑、儀器
6~8周齡SPF級雄性SD大鼠48只,體質量140~160 g,由廣州軍區廣州總醫院動物實驗中心提供。CS(分子量為50 000~190 000、脫乙酰度85%)、DS(分子量為500 000、硫含量40%~50%)(Sigma公司,美國);rhBMP-2(上海瑞邦生物材料有限公司);ZnSO4(天津化學試劑公司);NaOH(廣州化學試劑廠);0.22μm、0.45μm濾過膜(Millipre公司,美國);ALP試劑盒、鈣離子檢測試劑盒(南京建成生物技術有限公司)。
JB-2型恒溫磁力攪拌器(上海雷磁儀器廠);DJ-300S型電子天平(SHINKO公司,日本);LGZ-12型低溫負壓凍干機(北京松源華興儀器公司);DUPONT0-RC5C型高速冷凍臺式離心機(Thermo Fisher公司,美國);S-4800掃描電鏡(Hitachi公司,日本);micro-CT(GE公司,美國);Mimics10.1軟件(Materalise公司,比利時)。
1.2 微球制備及觀測
1.2.1 CS/DS微球制備
取CS溶于0.175%乙酸中,配制成1 mg/mL CS溶液;用0.45μm和0.22?μm濾過膜依次過濾;取DS溶于雙蒸水,配置1?mg/mL DS溶液,用0.45μm和0.22μm濾過膜依次過濾。取0.2?mL DS溶液,加入0.12 mL CS溶液,在1?500?r/min轉速下攪拌5 min后,加入0.1 mL ZnSO4,繼續攪拌30 min,加入5%甘露醇后將微球移至離心管中;4℃,以離心半徑6 cm、15?000 r/min離心15 min,棄上清液;同上法離心3次后凍干。用3 000 Gy 60Co輻照消毒后,密封,4℃保存備用。
1.2.2 rhBMP-2/CS/DS復合微球制備
CS及DS溶液配制同1.2.1方法。取0.2 mL DS溶液加入0.04?mL rhBMP-2,在1?500 r/min轉速下攪拌20 min后,加入0.12 mL CS溶液,5 min后加入0.1 mL ZnSO4,繼續攪拌30 min,加入5%甘露醇后將微球移至離心管中;4℃,以離心半徑6 cm、15?000 r/min離心15 min,棄上清液;同上法離心3次后凍干。用3 000 Gy 60Co輻照消毒后,密封,4℃保存備用。
1.2.3 觀測指標
①掃描電鏡觀察:取rhBMP-2/CS/DS復合微球,用蒸餾水稀釋后均勻滴于載玻片上,冷凍干燥后掃描電鏡下觀察微球形態。②體外緩釋檢測:取rhBMP-2/CS/DS復合微球(n=3),按照ELISA法于2、6、12、18、24、48、72 h,之后每隔3?d檢測上清液中rhBMP-2含量,觀測終點為20 d,繪制緩釋曲線。
1.3 實驗分組及方法
將48只SD大鼠采用隨機數字表法分為A、B、C、D 4組(n=12)。4組大鼠腹腔注射10%水合氯醛(4 mL/kg)麻醉后,于左后肢大腿作長約1.5 cm切口,制備股四頭肌肌袋模型。A、B、C、D組肌袋肌間隙中分別植入相同體積明膠海綿、CS/DS微球(粉末狀)、rhBMP-2(粉末狀,0.25 mg)、rhBMP-2/CS/DS復合微球(粉末狀,含rhBMP-2 0.25 mg),逐層縫合切口。術后分籠正常喂養,自由進食、飲水;3 d內每天腹腔注射青霉素(5 mg/kg)抗感染。
1.3.1 一般情況
術后觀察大鼠存活情況,以及并發癥(如切口感染、紅腫、滲液等)發生情況。
1.3.2 micro-CT檢測及三維重建
術后4、8、12、16周,各組分別取3只大鼠脫頸處死。按照原切口入路切取異位骨化組織塊行micro-CT掃描。掃描參數:掃描分辨率21μm,旋轉角度360°,旋轉角度增量0.4°,電壓80 kV,電流80μA,曝光時間3?000?ms,幀平均數為4,像素組合為1×1。掃描完成后,于micro-CT中檢測以下參數:組織骨密度(tissue mineral density,TMD)、骨體積分數(bone volume fraction,BVF)、骨小梁厚度(trabecular thickness,Tb.Th)、骨小梁數量(trabecular number,Tb.N)、皮質骨骨密度(bone mineral density,BMD)及組織礦含量(tissue mineral content,TMC)。然后,將CT掃描原始數據導入Mimics10.1軟件,進行三維重建,觀察各組異位成骨情況。
1.4 統計學方法
采用SPSS19.0統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示,組間比較采用方差分析,兩兩比較用LSD檢驗;檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 rhBMP-2/CS/DS復合微球觀察
掃描電鏡觀察示,制備的rhBMP-2/CS/DS復合微球球形較規整,分散較均勻,無團聚,微球表面較光滑(圖 1)。微球體外釋放rhBMP-2于2 h后出現1個突釋放期,2 d時釋放值達峰值,之后緩慢下降,釋放周期約20 d(圖 2)。

2.2 植入實驗觀察
2.2.1 一般情況
術后各組大鼠均存活至實驗完成,大鼠活動、進食正常,切口愈合良好,無紅腫、滲液等。
2.2.2 micro-CT檢測及三維重建
術后各時間點,A、B組CT掃描均未見放射性顯影,三維重建未發現成骨。C、D組術后4周,可見少量模糊放射性顯影,密度較低,三維重建見少量骨組織形成;8周時,放射性顯影較4周增多,且密度稍高,三維重建可見一橢圓形骨組織塊;12、16周時,可見明顯大量蜂窩狀放射性顯影,骨截面邊緣密度較高,中央密度稍低,三維重建可見較多骨組織形成。各時間點兩組放射性顯影強度及三維重建骨組織均逐漸增加,且D組放射性顯影強度及三維重建骨體積均大于C組。見圖 3、4。


各時間點A、B組TMD、BVF、Tb.Th、Tb.N、BMD及TMC均為0。隨著時間延長,異位成骨形成,C、D組TMD、BVF、Tb.Th、BMD及TMC均呈總體增加趨勢,Tb.N 12周時達峰值、之后降低;各時間點與A、B組比較差異均有統計學意義(P < 0.05)。C、D組間比較,4周時以上骨組織參數比較差異均無統計學意義(P > 0.05);8~16周時D組顯著高于C組,比較差異有統計學意義(P < 0.05)。見圖 5。
3 討論
本研究旨在通過異位成骨實驗來驗證rhBMP-2/CS/DS復合微球的成骨誘導效應。對于異位成骨觀測方法的選擇,有學者采用micro-CT掃描觀察硫醇化的CS支架負載BMP-2的異位成骨效果,并通過異位成骨掃描結果來分析骨增生情況[12]。micro-CT掃描具有無創性,已被廣泛用于定量測定骨三維微結構及組織工程骨[13-14]。我們認為與X線檢查相比,micro-CT掃描可更清晰觀察到異位成骨情況。而且micro-CT掃描獲得的斷層平面,通過Mimics軟件進行三維重建后,除能清楚顯示異位成骨情況外,還能測量相關骨組織參數,進行定量分析,結果具有較高的精確性。
本研究結果顯示:C、D組術后4周僅見少量模糊低密度放射性顯影,三維重建見少量骨組織,這可能是因為rhBMP-2從CS/DS微球釋放需要一定時間,故成骨效果較緩慢。隨著時間延長,C、D組放射性顯影強度和骨組織參數均逐漸增加,三維重建顯示有橢圓形骨塊形成且體積不斷增加,各時間點D組放射性顯影強度、骨塊體積均大于C組,與之對應的TMD、BVF、Tb.Th、Tb.N、BMD、TMC也顯著高于C組,提示存在異位成骨不斷增加的過程。但值得注意的是,從12周開始D組Tb.N逐漸減少,這可能與骨組織內部骨小梁逐漸吸收有關。另外,各時間點各組micro-CT掃描圖片顯示骨塊外層為高密度放射性顯影,而骨塊內層放射性顯影密度較低,這是由于外層骨組織逐漸塑形成為皮質骨導致。植入后異位新生骨從疏松骨小梁形成橢圓形組織塊,12周后內部Tb.N逐漸減少,外部鈣化加強,骨質改建,與檢測得到的TMC和TMD總體呈上升趨勢相吻合。Tb.Th持續增加則更加充分地說明了骨小梁的進一步改建。
綜上述,CS/DS載體負載rhBMP-2后的成骨誘導能力強于單獨rhBMP-2,這與rhBMP-2/CS/DS復合微球高載藥率結果[8]相互印證。分析原因可能是由于DS與BMP-2有肝素結合位點,能廣泛結合,且CS帶正電荷[15]、DS帶負電荷[16],二者可以形成聚合物[15, 17],CS/DS微球作為載體使rhBMP-2在動物體內緩釋時間延長,提高了蛋白的包封率和載藥率,從而提高rhBMP-2的成骨效能。結合前期實驗[18]得到的rhBMP-2/CS/DS復合微球無毒性,生物相容性良好,載藥率、包封率滿意的結論,以及與其他載體材料相比,具有制作簡便、成本較低等明顯優勢,提示rhBMP-2/CS/DS復合微球在骨組織工程領域具有較好的應用前景。