引用本文： 章沖, 鄧凱, 郭永春, 王喆, 余國榮. 創傷性腦外傷與骨折愈合關系的研究進展. 中國修復重建外科雜志, 2017, 31(7): 885-889. doi: 10.7507/1002-1892.201612048 復制
自 20 世紀 60 年代，Gilbson 和 Roberts 首先報道了創傷性腦外傷（traumatic brain injury，TBI）合并骨折患者的骨折處有大量骨痂形成現象，之后有大量關于 TBI 合并骨折患者的骨折愈合加速的研究報道，但目前仍缺乏有力證據證明 TBI 與加速骨痂形成間存在聯系。現就 TBI 對骨折愈合影響的機制以及相關研究進展作一綜述。
1 骨折及 TBI 的病理生理過程
1.1 骨折病理生理過程
骨折愈合主要包括血管生成和骨組織再生兩方面，其過程包括促炎性細胞因子（IL-1、IL-6、TNF-α）的釋放和信號肽（TGF-β 超家族和 PDGF）的觸發，促炎性細胞因子與信號肽之間如何相互作用有待進一步研究。
在血腫形成期間，TNF-α 促進間葉干細胞分化為成骨細胞。IL-1 在急性期由巨噬細胞產生，并且通過成骨細胞誘導 IL-6 產生，而 IL-6 可以促進 VEGF 的生成以及成骨細胞和破骨細胞的分化。TGF-β 超家族（TGF-β、BMP、生長分化因子）也在骨折愈合過程中發揮重要作用，但這些因子的具體作用機制尚未得到明確闡述。TGF-β 能刺激 MSCs 生長、分化，促進膠原和其他細胞基質蛋白合成，也作為成纖維細胞和巨噬細胞的趨化因子而發揮功能。
血管再生是由 VEGF 通路介導的將無血管軟骨轉換成有血管骨組織的過程。骨再生的增強可能是糖蛋白非轉移性黑色素瘤蛋白 B（glycoprotein nonmetastatic melanoma protein B，GPNMB）通過 FGF 受體 1 介導的通路來刺激血管及骨生成而實現的，GPNMB 還可以誘導 BMSCs 向成骨細胞分化[1]；同時， Wnt 家族的蛋白在調節 MSCs 分化為成骨細胞家族的過程中，以及后期成骨細胞的骨形成中也發揮重要作用。
骨折愈合的重構階段是由 IL-1、TNF-α、BMP 和通過應用于結晶環境的應力所控制的。成骨細胞及破骨細胞的相互作用對骨痂的重構至關重要。
1.2 TBI 病理生理過程
TBI 分為原發性和繼發性腦損傷。繼發性腦損傷是原發性損傷后延遲發生的涉及免疫、生化、生理的復雜病理過程，持續幾天到幾周[2]。繼發性腦損傷中參與骨折愈合的可能包括炎性反應以及血腦屏障破壞。
1.2.1 炎性反應 TBI 后的炎性反應會受大量介質以及補體、細胞因子、趨化因子的影響[3]。TBI 后補體系統會通過損傷血腦屏障的被動性滲漏以及大腦內的合成而上調，通過募集前炎性分子、吞噬作用、細胞凋亡和損害血腦屏障來促進炎性反應。趨化因子在炎性反應中也發揮重要作用，其通過促進白細胞的滲透來提高炎性反應。同樣損傷腦組織中存在的大量細胞因子也會促進炎性反應。在神經源性炎癥情況下，通過從感覺神經元釋放神經肽，會導致血漿外滲、血管舒張、神經過敏，釋放的神經肽中的降鈣素基因相關肽（calcitonin gene-related peptide，CGRP）和 P 物質是最顯著標志。但有研究認為，這些介質在 TBI 后發揮早期促炎及晚期抗炎的雙重作用[3]。
除了炎癥級聯所釋放的多種促炎性調質外，凋亡和壞死細胞釋放的多種細胞毒性細胞因子、生長因子、IL，也會導致炎癥惡性循環和細胞死亡，且該影響可持續至創傷后數月。
1.2.2 血腦屏障破壞 如 TBI 后存在介質釋放且會影響骨愈合，那么介質應穿過血腦屏障。血腦屏障主要作用為調節血漿和腦間隙之間的物質交換[4]。TBI 后血腦屏障滲透性立刻升高，4～6 h 達高峰，之后經短暫恢復期后，維持長期高滲透性。血腦屏障的修復過程，對大分子為 4 h，而小分子為 4～7 d。血腦屏障滲透性受早期的機械因素和后期的介質因素（VEGF、IL-1β、IL-8、TNF-α等）影響，此外這種滲透率也受到 TBI 后缺氧的影響。
2 腦外傷對骨折愈合的影響
2.1 MSCs
在骨折后的級聯反應中 MSCs 發揮重要作用，其來源于骨髓、骨膜等部位。近期研究認為，TBI 大鼠骨折部位的基質細胞衍生因子 1 及其 G 蛋白偶聯受體 CXCR-4 軸[5]在聚集 MSCs 及促進骨修復方面發揮了重要作用。其他關于細胞聚集的理論認為 TGF-β、IGF-1、視黃醇結合蛋白 1、BMP、成骨細胞刺激因子 1 和缺氧誘導因子 1α（hypoxia inducible factor 1α，HIF-1α）也發揮了重要作用。
MSCs 分化受多種因素影響。Boes 等[6]的體外研究發現，與單純骨折組相比，TBI 伴骨折大鼠血清能促進多潛能 MSCs 系（C3H10T）增殖，對成骨細胞系（MC3T3）和成纖維細胞系（NIH3T3）增殖無影響。但 Yang 等[7]的體外研究發現，TBI 后 24 h 大鼠血清能促進鼠成骨細胞系（MC3T3-E1）增殖，但損傷后遠期血清是否具有促進作用有待進一步觀察。Boes 等[6]發現腦外傷 21 d 后，相較于單純骨折組，TBI 伴骨折大鼠骨痂直徑降低，骨痂硬度仍較高；但兩組骨痂抗扭強度相似，分析可能與骨痂已發展至改造重塑階段有關。
Cadosch 等[8]和 Gautschi 等[9]發現 TBI 患者的腦脊液有骨誘導潛力，因此他們認為在 TBI 患者血清的骨誘導潛力可能會在體外對成骨細胞（hFOB1.19）產生刺激作用。他們觀察發現，采用 TBI 患者傷后 1 周內血清培養后成骨細胞增殖增加；而受傷 1 周后血清培養后成骨細胞增殖開始減少，且細胞增殖減少趨勢與外傷性血腦屏障的修復能力以及受傷 1 周后大腦成骨因子生成減少的趨勢一致。但尚不清楚 TBI 患者血清的骨誘導作用是否會在 TBI 傷后 1 周恢復至正常水平或是發揮相反的成骨抑制作用，有待進一步研究。
另外，Gautschi 等[9]研究還發現，在成骨細胞標記表達方面，單純 TBI 和 TBI 合并骨折患者的血清中， ALP 和 Runt 相關轉錄因子 2（runt-related tran-scription factor 2，RUNX-2）顯著增加，而 TBI 合并骨折患者絲氨酸蛋白酶 7 和組織蛋白酶 K 也顯著增加。Cadosch 等[8]研究還發現，TBI 合并骨折患者的骨痂生成量和成骨細胞（hFOB1.19 細胞）增殖成正相關，與骨折愈合時間和格拉斯哥昏迷評分成負相關。但也有研究認為骨折愈合時間和腦損傷程度無關[10]。
2.2 激素及神經遞質
2.2.1 瘦素和 CGRP 瘦素可通過兩條途徑影響骨代謝：第一是中央通道，瘦素通過增加由下丘腦控制的交感神經遞質輸出，發揮抑制骨生成作用；第二是外圍通路，瘦素有促進骨礦化和成骨細胞向骨細胞分化的作用。研究認為 TBI 患者血清瘦素水平的提高主要有三方面原因，首先與高代謝所導致的游離脂肪酸動員有關，其次是缺氧增加脂肪細胞瘦素表達，最后是骨髓在骨折端釋放的包含造血細胞的物質引起瘦素在組織水平傳遞[3]。TBI 后復雜的神經內分泌炎性反應以及血腦屏障的損害都會影響瘦素的生成和聚集。Wei 等[11]研究發現，傷后 4～12 周 TBI 大鼠血清中瘦素顯著增加，而骨痂體積僅在傷后 4～8 周呈顯著增加趨勢，12 周后骨痂體積增長速度減緩，但組織學觀察可見骨折處厚板層骨形成。Wei 等[11]認為創傷后期下丘腦損傷可能會導致額外的外圍瘦素分泌，進而減弱瘦素抑制骨生成的作用，同時交感神經性瘦素抑制的丟失也有助于增強骨再生。
瘦素抑制骨折愈合作用的另一可能機制是通過 CGRP 實現的。在中樞神經系統，CGRP 幾乎見于各部位神經細胞和纖維，尤其是脊髓后角。在周圍神經系統，CGRP 主要存在于感覺神經末梢，并隨神經末梢廣泛分布于周圍器官。CGRP 對血管擴張具有顯著影響，該影響對加速骨形成及腦損傷修復尤其重要[12]。研究發現，大鼠骨折后 7 d 的骨痂內即可檢測到 CGRP 免疫陽性神經纖維，21 d 時高于正常組織 3 倍以上[13]。也有研究發現，TBI 伴骨折大鼠模型其 CGRP 僅表達于大腦皮層和骨折周圍[14]。以上兩研究均提示感覺神經纖維能產生影響骨折愈合的神經肽，而且 CGRP 可能是由腦組織產生。Zhang 等[15]發現瘦素的外圍控制可以促進 CGRP 表達，CGRP 受體拮抗劑能部分減弱瘦素而有利于骨痂形成，這表明瘦素誘導的神經元保護與 CGRP 的釋放具有相關性。研究還發現周圍神經損傷骨折愈合過程減慢，而中央神經損傷時骨折愈合加速，相較于腦損傷，脊髓損傷后骨痂形成增速以及傷后炎性反應會更明顯。而這一現象在頸髓和胸髓損傷后表現更突出[16]。也有研究認為，瘦素和生長激素以及 IGF-1 在 TBI 后骨折愈合過程中發揮協同作用[17]。
2.2.2 神經氈蛋白-1（neuropilin-1，Nrp-1）及腦信號蛋白 3A（semaphorin 3A，Sema3A） 研究發現，TBI 合并折的大鼠骨痂中 Nrp-1 和 Sema3A 表達顯著高于單純骨折大鼠，但 Nrp-1 在 TBI 合并骨折大鼠骨外膜及軟骨內成骨區域的軟骨細胞中表達較高，而在單純骨折大鼠新生骨小梁周圍的成骨細胞中的表達較高[18]。另有研究發現，大鼠脊髓損傷后 Sema3A 表達上調，并通過促進成骨、抑制破骨在骨折愈合過程中發揮重要作用，其作用機制主要是通過與受體 Nrp-1 結合，阻斷下游 ITAM 和 Rho A 信號通路，從而抑制 RANKL 誘導的破骨細胞分化，同時通過經典的 Wnt 3a/β-catenin/RUNX-2 蛋白信號通路促進成骨細胞分化[19-20]。李爭爭等[21]研究發現，TBI 合并骨折大鼠軟骨細胞中 Sema3A 高表達，而在成骨細胞中低表達，提示骨折愈合過程中 Sema3A 可能通過影響軟骨細胞分化、增生，排斥軟骨痂骨化中心內感覺神經纖維長入，未能及時調控成骨細胞分化促進新生骨小梁成熟，導致 TBI 后骨折愈合時軟骨痂生成較多、新生骨小梁排列疏松、骨痂生物強度降低。
2.2.3 其他激素及神經肽 研究發現，TBI 合并骨折患者血清中促乳素、甲狀腺激素以及生長激素等明顯升高[17]。另外在骨折愈合早期骨痂中出現大量神經纖維，而在改造塑形階段神經纖維卻大量凋亡，提示神經肽和兒茶酚胺在骨折愈合時發揮作用[22]。有研究認為神經肽 Y 可能是通過調節 MSCs 的成骨而發揮促進骨折愈合作用[23]。
2.3 細胞因子
2.3.1 VEGF 和 PDGF 在骨折愈合過程中，血管生成對于加速骨骼生長至關重要。血管生成主要由 VEGF 通路介導。研究發現，TBI 合并骨折患者血清中 VEGF、PDGF 含量顯著高于單純骨折患者[24]。VEGF 可促進血管內皮細胞分泌 IGF-Ⅰ及內皮素 1，從而刺激成骨細胞的生長以及促進組織中 TGF-β 的表達，同時 VEGF 誘導血管環境也是 PDGF、FGF 等發揮作用所必須的。陳雯輝等[25]研究還發現，TBI 合并骨折大鼠骨痂中 PDGF 和 VEGF 表達的高峰期均提前且持續時間較長。但也有研究發現 TBI 合并骨折大鼠血清中 PDGF 含量降低，提示其可能聚集于腦外傷及骨折部位促進相關組織的修復[26]。
2.3.2 HIF-1α 及核心結合因子 α1（core binding factor alpha 1，Cbfα1） HIF-1α 是調控低氧張力下 BMSCs 增殖及維持其干細胞特性的重要轉錄調控因子，對于促進骨折愈合、治療骨折并發癥具有重要意義。HIF-1α 通過誘導促血管生成因子表達，促進骨折愈合過程中血管生成，以及直接調控成骨細胞系功能而發揮作用。Cbfα1 是近來發現的調控骨生長發育、誘導骨化過程的重要基因，Cbfα1 基因敲除小鼠不僅成骨細胞發育明顯受阻，而且軟骨細胞成熟及血管入侵軟骨組織等過程也受影響。TBI 合并骨折大鼠血清中 HIF-1α 和 Cbfα1 表達相對更早且下降更明顯、更平緩[27]，HIF-1α 和 Cbfα1 可能發揮骨折愈合的啟動調節因子作用[28]。低氧時隨著 HIF-1α 的表達逐漸增加，Cbfα1/Runx2 的表達也逐漸增高，血管再生加強且 HIF-1α 和 VEGF 的表達上調，說明 HIF-1α 和 VEGF 也存在相互作用[29]。
2.3.3 TGF-β 超家族 TGF-β 對細胞的分化和增殖可能有抑制和刺激雙向作用，并直接影響成骨細胞和破骨細胞的活性，參與骨折愈合的調節。研究發現，TBI 合并骨折大鼠顱內損傷區域和肢體骨折局部 TGF-β1 高表達，而血清中 TGF-β1 表達明顯降低，分析認為 TGF-β1 向腦內損傷區和骨折局部聚集并進行腦損傷修復和調節骨折愈合[30]。
除 BMP-1外，其他 BMP 都屬于 TGF-β 超家族，BMP 可以誘導 MSCs 不可逆地分化為軟骨細胞和成骨細胞，通過鈣鹽沉積導致新骨形成，也具有很強的誘導成骨作用。有研究發現 TBI 合并骨折大鼠骨痂中 BMP-2 表達明顯升高，表明 BMP 在 TBI 促進骨折愈合方面發揮重要作用[31]。
2.3.4 花生四烯酸和前列腺素 研究發現，TBI 大鼠血清中升高的花生四烯酸能促進成骨細胞系（MC3T3-E1）的增殖，提示花生四烯酸在提高 TBI 合并骨折大鼠的骨痂形成中起關鍵作用[6]。前列腺素是花生四烯酸環氧化酶途徑的代謝產物之一，對局部骨代謝起調節作用。研究發現損傷及水腫的腦組織中前列腺素 2 含量異常增高，另外局部或全身給予前列腺素 2 均能增加骨形成[32]。前列腺素 2 對骨生成具有雙重作用[33]，這種作用也是基于骨保護素/RANK/RANKL 信號系統誘導造血前干細胞分化為破骨細胞而實現。其作用與濃度相關，即低濃度前列腺素 2 抑制破骨細胞促進骨生成代謝，而高濃度前列腺素 2 通過抑制成骨細胞骨保護素基因表達而加強骨吸收代謝。
2.3.5 其他細胞因子 TBI 合并骨折患者及大鼠血清腫，IGF-1、IGF-2[17, 34]、bFGF、NGF 以及 EGF[35]等均明顯升高，這些細胞因子在骨細胞代謝及調節方面發揮重要作用，從而促進骨折修復。另外，bFGF 在骨折端的表達也明顯增加，提示 bFGF 加速骨折愈合可能是通過直接刺激機體成骨作用，加速干細胞向骨折部位遷移以及促進局部細胞的增殖分化而實現。神經元特異性烯醇化酶作為評價腦外傷嚴重程度的指標，其在 TBI 合并骨折大鼠體內的含量較單純骨折大鼠明顯升高，提示其對骨折愈合也起到了促進作用[36]。
3 結論及展望
目前 TBI 對骨折愈合的作用研究以臨床前研究為主，可大致分為兩方面：① 骨折愈合過程中血管生成及骨再生的調節，如 VEGF、HIF-1α、PDGF 等細胞因子和 MSCs 的聚集、增殖、分化等；② 腦外傷后神經肽及相關激素反應后的局部和全身變化，如瘦素和 CGRP 等。最新研究發現，骨折部位某些受體（電位香草精受體 6）表達的上調[37]以及 Sema3A 在 TBI 促進骨折愈合中也發揮一定作用。但目前研究大多周期較短，且缺乏針對某種物質的長期觀察，多種物質間的相互作用也未得到闡明。TBI 促進骨折愈合機制非常復雜，相關研究仍處于起步階段，但對其進行深入研究可對臨床上骨折延遲愈合及不愈合的治療產生積極影響。
自 20 世紀 60 年代，Gilbson 和 Roberts 首先報道了創傷性腦外傷（traumatic brain injury，TBI）合并骨折患者的骨折處有大量骨痂形成現象，之后有大量關于 TBI 合并骨折患者的骨折愈合加速的研究報道，但目前仍缺乏有力證據證明 TBI 與加速骨痂形成間存在聯系。現就 TBI 對骨折愈合影響的機制以及相關研究進展作一綜述。
1 骨折及 TBI 的病理生理過程
1.1 骨折病理生理過程
骨折愈合主要包括血管生成和骨組織再生兩方面，其過程包括促炎性細胞因子（IL-1、IL-6、TNF-α）的釋放和信號肽（TGF-β 超家族和 PDGF）的觸發，促炎性細胞因子與信號肽之間如何相互作用有待進一步研究。
在血腫形成期間，TNF-α 促進間葉干細胞分化為成骨細胞。IL-1 在急性期由巨噬細胞產生，并且通過成骨細胞誘導 IL-6 產生，而 IL-6 可以促進 VEGF 的生成以及成骨細胞和破骨細胞的分化。TGF-β 超家族（TGF-β、BMP、生長分化因子）也在骨折愈合過程中發揮重要作用，但這些因子的具體作用機制尚未得到明確闡述。TGF-β 能刺激 MSCs 生長、分化，促進膠原和其他細胞基質蛋白合成，也作為成纖維細胞和巨噬細胞的趨化因子而發揮功能。
血管再生是由 VEGF 通路介導的將無血管軟骨轉換成有血管骨組織的過程。骨再生的增強可能是糖蛋白非轉移性黑色素瘤蛋白 B（glycoprotein nonmetastatic melanoma protein B，GPNMB）通過 FGF 受體 1 介導的通路來刺激血管及骨生成而實現的，GPNMB 還可以誘導 BMSCs 向成骨細胞分化[1]；同時， Wnt 家族的蛋白在調節 MSCs 分化為成骨細胞家族的過程中，以及后期成骨細胞的骨形成中也發揮重要作用。
骨折愈合的重構階段是由 IL-1、TNF-α、BMP 和通過應用于結晶環境的應力所控制的。成骨細胞及破骨細胞的相互作用對骨痂的重構至關重要。
1.2 TBI 病理生理過程
TBI 分為原發性和繼發性腦損傷。繼發性腦損傷是原發性損傷后延遲發生的涉及免疫、生化、生理的復雜病理過程，持續幾天到幾周[2]。繼發性腦損傷中參與骨折愈合的可能包括炎性反應以及血腦屏障破壞。
1.2.1 炎性反應 TBI 后的炎性反應會受大量介質以及補體、細胞因子、趨化因子的影響[3]。TBI 后補體系統會通過損傷血腦屏障的被動性滲漏以及大腦內的合成而上調，通過募集前炎性分子、吞噬作用、細胞凋亡和損害血腦屏障來促進炎性反應。趨化因子在炎性反應中也發揮重要作用，其通過促進白細胞的滲透來提高炎性反應。同樣損傷腦組織中存在的大量細胞因子也會促進炎性反應。在神經源性炎癥情況下，通過從感覺神經元釋放神經肽，會導致血漿外滲、血管舒張、神經過敏，釋放的神經肽中的降鈣素基因相關肽（calcitonin gene-related peptide，CGRP）和 P 物質是最顯著標志。但有研究認為，這些介質在 TBI 后發揮早期促炎及晚期抗炎的雙重作用[3]。
除了炎癥級聯所釋放的多種促炎性調質外，凋亡和壞死細胞釋放的多種細胞毒性細胞因子、生長因子、IL，也會導致炎癥惡性循環和細胞死亡，且該影響可持續至創傷后數月。
1.2.2 血腦屏障破壞 如 TBI 后存在介質釋放且會影響骨愈合，那么介質應穿過血腦屏障。血腦屏障主要作用為調節血漿和腦間隙之間的物質交換[4]。TBI 后血腦屏障滲透性立刻升高，4～6 h 達高峰，之后經短暫恢復期后，維持長期高滲透性。血腦屏障的修復過程，對大分子為 4 h，而小分子為 4～7 d。血腦屏障滲透性受早期的機械因素和后期的介質因素（VEGF、IL-1β、IL-8、TNF-α等）影響，此外這種滲透率也受到 TBI 后缺氧的影響。
2 腦外傷對骨折愈合的影響
2.1 MSCs
在骨折后的級聯反應中 MSCs 發揮重要作用，其來源于骨髓、骨膜等部位。近期研究認為，TBI 大鼠骨折部位的基質細胞衍生因子 1 及其 G 蛋白偶聯受體 CXCR-4 軸[5]在聚集 MSCs 及促進骨修復方面發揮了重要作用。其他關于細胞聚集的理論認為 TGF-β、IGF-1、視黃醇結合蛋白 1、BMP、成骨細胞刺激因子 1 和缺氧誘導因子 1α（hypoxia inducible factor 1α，HIF-1α）也發揮了重要作用。
MSCs 分化受多種因素影響。Boes 等[6]的體外研究發現，與單純骨折組相比，TBI 伴骨折大鼠血清能促進多潛能 MSCs 系（C3H10T）增殖，對成骨細胞系（MC3T3）和成纖維細胞系（NIH3T3）增殖無影響。但 Yang 等[7]的體外研究發現，TBI 后 24 h 大鼠血清能促進鼠成骨細胞系（MC3T3-E1）增殖，但損傷后遠期血清是否具有促進作用有待進一步觀察。Boes 等[6]發現腦外傷 21 d 后，相較于單純骨折組，TBI 伴骨折大鼠骨痂直徑降低，骨痂硬度仍較高；但兩組骨痂抗扭強度相似，分析可能與骨痂已發展至改造重塑階段有關。
Cadosch 等[8]和 Gautschi 等[9]發現 TBI 患者的腦脊液有骨誘導潛力，因此他們認為在 TBI 患者血清的骨誘導潛力可能會在體外對成骨細胞（hFOB1.19）產生刺激作用。他們觀察發現，采用 TBI 患者傷后 1 周內血清培養后成骨細胞增殖增加；而受傷 1 周后血清培養后成骨細胞增殖開始減少，且細胞增殖減少趨勢與外傷性血腦屏障的修復能力以及受傷 1 周后大腦成骨因子生成減少的趨勢一致。但尚不清楚 TBI 患者血清的骨誘導作用是否會在 TBI 傷后 1 周恢復至正常水平或是發揮相反的成骨抑制作用，有待進一步研究。
另外，Gautschi 等[9]研究還發現，在成骨細胞標記表達方面，單純 TBI 和 TBI 合并骨折患者的血清中， ALP 和 Runt 相關轉錄因子 2（runt-related tran-scription factor 2，RUNX-2）顯著增加，而 TBI 合并骨折患者絲氨酸蛋白酶 7 和組織蛋白酶 K 也顯著增加。Cadosch 等[8]研究還發現，TBI 合并骨折患者的骨痂生成量和成骨細胞（hFOB1.19 細胞）增殖成正相關，與骨折愈合時間和格拉斯哥昏迷評分成負相關。但也有研究認為骨折愈合時間和腦損傷程度無關[10]。
2.2 激素及神經遞質
2.2.1 瘦素和 CGRP 瘦素可通過兩條途徑影響骨代謝：第一是中央通道，瘦素通過增加由下丘腦控制的交感神經遞質輸出，發揮抑制骨生成作用；第二是外圍通路，瘦素有促進骨礦化和成骨細胞向骨細胞分化的作用。研究認為 TBI 患者血清瘦素水平的提高主要有三方面原因，首先與高代謝所導致的游離脂肪酸動員有關，其次是缺氧增加脂肪細胞瘦素表達，最后是骨髓在骨折端釋放的包含造血細胞的物質引起瘦素在組織水平傳遞[3]。TBI 后復雜的神經內分泌炎性反應以及血腦屏障的損害都會影響瘦素的生成和聚集。Wei 等[11]研究發現，傷后 4～12 周 TBI 大鼠血清中瘦素顯著增加，而骨痂體積僅在傷后 4～8 周呈顯著增加趨勢，12 周后骨痂體積增長速度減緩，但組織學觀察可見骨折處厚板層骨形成。Wei 等[11]認為創傷后期下丘腦損傷可能會導致額外的外圍瘦素分泌，進而減弱瘦素抑制骨生成的作用，同時交感神經性瘦素抑制的丟失也有助于增強骨再生。
瘦素抑制骨折愈合作用的另一可能機制是通過 CGRP 實現的。在中樞神經系統，CGRP 幾乎見于各部位神經細胞和纖維，尤其是脊髓后角。在周圍神經系統，CGRP 主要存在于感覺神經末梢，并隨神經末梢廣泛分布于周圍器官。CGRP 對血管擴張具有顯著影響，該影響對加速骨形成及腦損傷修復尤其重要[12]。研究發現，大鼠骨折后 7 d 的骨痂內即可檢測到 CGRP 免疫陽性神經纖維，21 d 時高于正常組織 3 倍以上[13]。也有研究發現，TBI 伴骨折大鼠模型其 CGRP 僅表達于大腦皮層和骨折周圍[14]。以上兩研究均提示感覺神經纖維能產生影響骨折愈合的神經肽，而且 CGRP 可能是由腦組織產生。Zhang 等[15]發現瘦素的外圍控制可以促進 CGRP 表達，CGRP 受體拮抗劑能部分減弱瘦素而有利于骨痂形成，這表明瘦素誘導的神經元保護與 CGRP 的釋放具有相關性。研究還發現周圍神經損傷骨折愈合過程減慢，而中央神經損傷時骨折愈合加速，相較于腦損傷，脊髓損傷后骨痂形成增速以及傷后炎性反應會更明顯。而這一現象在頸髓和胸髓損傷后表現更突出[16]。也有研究認為，瘦素和生長激素以及 IGF-1 在 TBI 后骨折愈合過程中發揮協同作用[17]。
2.2.2 神經氈蛋白-1（neuropilin-1，Nrp-1）及腦信號蛋白 3A（semaphorin 3A，Sema3A） 研究發現，TBI 合并折的大鼠骨痂中 Nrp-1 和 Sema3A 表達顯著高于單純骨折大鼠，但 Nrp-1 在 TBI 合并骨折大鼠骨外膜及軟骨內成骨區域的軟骨細胞中表達較高，而在單純骨折大鼠新生骨小梁周圍的成骨細胞中的表達較高[18]。另有研究發現，大鼠脊髓損傷后 Sema3A 表達上調，并通過促進成骨、抑制破骨在骨折愈合過程中發揮重要作用，其作用機制主要是通過與受體 Nrp-1 結合，阻斷下游 ITAM 和 Rho A 信號通路，從而抑制 RANKL 誘導的破骨細胞分化，同時通過經典的 Wnt 3a/β-catenin/RUNX-2 蛋白信號通路促進成骨細胞分化[19-20]。李爭爭等[21]研究發現，TBI 合并骨折大鼠軟骨細胞中 Sema3A 高表達，而在成骨細胞中低表達，提示骨折愈合過程中 Sema3A 可能通過影響軟骨細胞分化、增生，排斥軟骨痂骨化中心內感覺神經纖維長入，未能及時調控成骨細胞分化促進新生骨小梁成熟，導致 TBI 后骨折愈合時軟骨痂生成較多、新生骨小梁排列疏松、骨痂生物強度降低。
2.2.3 其他激素及神經肽 研究發現，TBI 合并骨折患者血清中促乳素、甲狀腺激素以及生長激素等明顯升高[17]。另外在骨折愈合早期骨痂中出現大量神經纖維，而在改造塑形階段神經纖維卻大量凋亡，提示神經肽和兒茶酚胺在骨折愈合時發揮作用[22]。有研究認為神經肽 Y 可能是通過調節 MSCs 的成骨而發揮促進骨折愈合作用[23]。
2.3 細胞因子
2.3.1 VEGF 和 PDGF 在骨折愈合過程中，血管生成對于加速骨骼生長至關重要。血管生成主要由 VEGF 通路介導。研究發現，TBI 合并骨折患者血清中 VEGF、PDGF 含量顯著高于單純骨折患者[24]。VEGF 可促進血管內皮細胞分泌 IGF-Ⅰ及內皮素 1，從而刺激成骨細胞的生長以及促進組織中 TGF-β 的表達，同時 VEGF 誘導血管環境也是 PDGF、FGF 等發揮作用所必須的。陳雯輝等[25]研究還發現，TBI 合并骨折大鼠骨痂中 PDGF 和 VEGF 表達的高峰期均提前且持續時間較長。但也有研究發現 TBI 合并骨折大鼠血清中 PDGF 含量降低，提示其可能聚集于腦外傷及骨折部位促進相關組織的修復[26]。
2.3.2 HIF-1α 及核心結合因子 α1（core binding factor alpha 1，Cbfα1） HIF-1α 是調控低氧張力下 BMSCs 增殖及維持其干細胞特性的重要轉錄調控因子，對于促進骨折愈合、治療骨折并發癥具有重要意義。HIF-1α 通過誘導促血管生成因子表達，促進骨折愈合過程中血管生成，以及直接調控成骨細胞系功能而發揮作用。Cbfα1 是近來發現的調控骨生長發育、誘導骨化過程的重要基因，Cbfα1 基因敲除小鼠不僅成骨細胞發育明顯受阻，而且軟骨細胞成熟及血管入侵軟骨組織等過程也受影響。TBI 合并骨折大鼠血清中 HIF-1α 和 Cbfα1 表達相對更早且下降更明顯、更平緩[27]，HIF-1α 和 Cbfα1 可能發揮骨折愈合的啟動調節因子作用[28]。低氧時隨著 HIF-1α 的表達逐漸增加，Cbfα1/Runx2 的表達也逐漸增高，血管再生加強且 HIF-1α 和 VEGF 的表達上調，說明 HIF-1α 和 VEGF 也存在相互作用[29]。
2.3.3 TGF-β 超家族 TGF-β 對細胞的分化和增殖可能有抑制和刺激雙向作用，并直接影響成骨細胞和破骨細胞的活性，參與骨折愈合的調節。研究發現，TBI 合并骨折大鼠顱內損傷區域和肢體骨折局部 TGF-β1 高表達，而血清中 TGF-β1 表達明顯降低，分析認為 TGF-β1 向腦內損傷區和骨折局部聚集并進行腦損傷修復和調節骨折愈合[30]。
除 BMP-1外，其他 BMP 都屬于 TGF-β 超家族，BMP 可以誘導 MSCs 不可逆地分化為軟骨細胞和成骨細胞，通過鈣鹽沉積導致新骨形成，也具有很強的誘導成骨作用。有研究發現 TBI 合并骨折大鼠骨痂中 BMP-2 表達明顯升高，表明 BMP 在 TBI 促進骨折愈合方面發揮重要作用[31]。
2.3.4 花生四烯酸和前列腺素 研究發現，TBI 大鼠血清中升高的花生四烯酸能促進成骨細胞系（MC3T3-E1）的增殖，提示花生四烯酸在提高 TBI 合并骨折大鼠的骨痂形成中起關鍵作用[6]。前列腺素是花生四烯酸環氧化酶途徑的代謝產物之一，對局部骨代謝起調節作用。研究發現損傷及水腫的腦組織中前列腺素 2 含量異常增高，另外局部或全身給予前列腺素 2 均能增加骨形成[32]。前列腺素 2 對骨生成具有雙重作用[33]，這種作用也是基于骨保護素/RANK/RANKL 信號系統誘導造血前干細胞分化為破骨細胞而實現。其作用與濃度相關，即低濃度前列腺素 2 抑制破骨細胞促進骨生成代謝，而高濃度前列腺素 2 通過抑制成骨細胞骨保護素基因表達而加強骨吸收代謝。
2.3.5 其他細胞因子 TBI 合并骨折患者及大鼠血清腫，IGF-1、IGF-2[17, 34]、bFGF、NGF 以及 EGF[35]等均明顯升高，這些細胞因子在骨細胞代謝及調節方面發揮重要作用，從而促進骨折修復。另外，bFGF 在骨折端的表達也明顯增加，提示 bFGF 加速骨折愈合可能是通過直接刺激機體成骨作用，加速干細胞向骨折部位遷移以及促進局部細胞的增殖分化而實現。神經元特異性烯醇化酶作為評價腦外傷嚴重程度的指標，其在 TBI 合并骨折大鼠體內的含量較單純骨折大鼠明顯升高，提示其對骨折愈合也起到了促進作用[36]。
3 結論及展望
目前 TBI 對骨折愈合的作用研究以臨床前研究為主，可大致分為兩方面：① 骨折愈合過程中血管生成及骨再生的調節，如 VEGF、HIF-1α、PDGF 等細胞因子和 MSCs 的聚集、增殖、分化等；② 腦外傷后神經肽及相關激素反應后的局部和全身變化，如瘦素和 CGRP 等。最新研究發現，骨折部位某些受體（電位香草精受體 6）表達的上調[37]以及 Sema3A 在 TBI 促進骨折愈合中也發揮一定作用。但目前研究大多周期較短，且缺乏針對某種物質的長期觀察，多種物質間的相互作用也未得到闡明。TBI 促進骨折愈合機制非常復雜，相關研究仍處于起步階段，但對其進行深入研究可對臨床上骨折延遲愈合及不愈合的治療產生積極影響。