引用本文: 楊永康, 李剛. 脛骨橫向骨搬移技術促進微循環再生及組織修復生物學機制的初步探索. 中國修復重建外科雜志, 2020, 34(8): 964-968. doi: 10.7507/1002-1892.202003042 復制
1 研究背景
1997 年,Shevtsov 等[1]首先報道應用脛骨橫向骨搬移(tibial transverse transport,TTT)技術治療血栓閉塞性脈管炎引起的下肢遠端缺血。2001 年,國內曲龍等[2]的研究也證實 TTT 技術治療血栓閉塞性脈管炎有效。之后,國內骨科醫師將該技術用于治療糖尿病足潰瘍[3-8]。中國是糖尿病患者最多的國家,患病率從 1980 年的 1% 劇增至 2016 年的 11.6%[9]。隨著糖尿病患者的增多,糖尿病足潰瘍的發生率也越來越高,該并發癥也成為非外傷性截癱的重要原因。糖尿病足潰瘍如未及時清創、抗感染治療或者清創效果不佳,最終只能截肢,嚴重影響患者生活質量。
臨床研究初步顯示 TTT 技術可誘導糖尿病足下肢微血管網再生,促進足部潰瘍愈合,有效避免截肢[3-8]。在全身治療控制血糖水平和其他全身癥狀[10]前提下,TTT 技術通過在患肢實施微創脛骨皮質骨開窗術,利用特制的橫向外固定骨片搬移裝置,緩慢橫向搬移脛骨皮質截骨片,通過給予持續張力刺激,最終達到改善、修復下肢缺血和難治創面的目的[3-4, 8]。回顧性研究顯示該技術用于治療 Wagner 3 級糖尿病足,其創面愈合率和保肢率均超過 95%,而且 1 年復發率低于 10%[3-4, 8]。相較于傳統治療方式,TTT 技術治療糖尿病足后 2 年潰瘍治愈率、截肢率、血管再通率、血流量等指標都有較明顯改善[8],原本面臨截肢的嚴重糖尿病足潰瘍患者,足部創面逐漸愈合,并恢復正常生活。
2 生物學機制研究
臨床應用結果顯示,TTT 技術能有效改善大部分糖尿病足潰瘍患者的下肢缺血、血供情況,但是其生物學機制尚未明確,相關研究缺乏。目前,初步動物實驗研究證實牽張-應力機械刺激可促進毛細血管再生及組織再生,牽拉組織再生技術可刺激“血管網”的形成[11-12];同時,骨(片)瓣橫向牽拉能顯著改善牽拉區域微循環,促進難愈性潰瘍的愈合[3-8]。TTT 技術促進微血管網重建的生物學機制可能有以下三方面:① 脛骨開窗后,髓內壓力降低,解除了一部分小血管因為髓內水腫而產生的壓力,瞬時改善微循環。大部分患者自述術后 24 h 內疼痛減輕,感到肢體發熱[3-4]。② 張應力機械刺激可促進毛細血管再生,加速“血管網”的形成,逐步改善遠端循環(除動脈循環外,可能還包括靜脈和淋巴的循環),促進組織再生,目前臨床研究和動物實驗均已發現 TTT 技術可以促進肢體側支循環的快速建立與疏通[3-4, 8]。③ 橫向骨搬移可以促進全身干細胞的調動,尤其是促進干細胞向損傷組織的募集,參與調解并降低局部炎癥反應,改善局部微環境,以利局部干細胞的激活和加速組織修復[13-16]。
骨橫向骨搬移動物模型對研究 TTT 技術的生物學機制十分重要。目前大鼠 TTT 模型已經成功建立。制備方法如下:在大鼠脛骨內側緣中上 1/3 的脛骨平面處,用直徑 1 mm 電鉆進行密集打孔以截取骨片(圖 1a、b),骨片大小為 8 mm×4 mm(圖 1c);在骨片上打 2 個 0.8 mm 孔供牽拉釘使用,在鄰近遠、近端分別打 1 個 1 mm 的孔供固定釘使用;最后安裝特制的大鼠微型橫向骨搬移支架(圖 1d、e)。3 d 后每天牽拉微型橫向骨搬移支架 0.4 mm(分 2 次完成),持續牽拉 5 d,牽拉總距離為 2 mm;維持 3 d 后以相同速度進行反向牽拉,將骨片推回至原位(圖 1f)。超聲多普勒成像檢查發現,與未行骨搬移的對照組相比,骨片牽拉后第 5 天 TTT 組大鼠足背動脈血流速度明顯提高,動脈也有增粗現象,血液總體充盈程度更高(圖 2)。另外,為了研究血管數量的變化,經全身灌注 X 線顯影增強劑氧化鉛、血管顯影劑 Microfill 后,X 線片及 Micro-CT 檢查示 TTT 組大鼠后肢可見大量微小血管分支(圖 3a、b),提示骨搬移能促進血管增生。因為大鼠外周血管細小(直徑<10 μm),造影劑可能無法到達這些微小血管,定量評估較困難,故選擇組織學和免疫組織化學染色標記微小血管以進行定性和定量評估。TTT 組骨片搬移區皮下組織的免疫組織化學染色顯示,血管內皮細胞標記物(CD31)數量相較于對照組有顯著提高(圖 3c、d),提示牽拉刺激了附近毛細血管網的再生。

a. 于脛骨內側緣中上 1/3 處 8 mm×4 mm 范圍內打孔;b. 用骨刀截取骨片;c. 游離體外的骨片(僅作示意用,實際操作不應游離體外);d. 安裝特制的大鼠微型橫向骨搬移支架;e. 逐層縫合后消毒;f. X 線透視確認安裝位置
Figure1. Schematic illustration of the rat TTT modela. Drilling holes in the upper 1/3 of the medial aspect to form a bone chip in size of 8 mm×4 mm; b. Cutting bone chip by a small osteotome; c. Free bone chip (only for illustrative purpose, the bone chip should not be removed during the surgery); d. Installing a special rat mirco-TTT frame; e. Sterilizing after layer-by-layer suturing; f. Confirming the installation position by X-ray fluoroscopy

從左至右分別為超聲確定足背動脈位置、彩色超聲多普勒觀察足背動脈血流速度、定量分析血流速度 a. 對照組;b. TTT 組
Figure2. Ultrasound Doppler examination of the dorsal plantar artery blood flow velocityFrom left to right for location of the dorsal plantar artery, dorsal plantar artery blood flow velocity, and quantitative analysis of blood flow velocity, respectively a. Control group; b. TTT group

a. 經心臟肝素生理鹽水灌注后,于股動脈注射氧化鉛造影劑;b. X 線片觀察股動脈及其遠端血管分支走行,可見大量微小血管分支;c、d. 組織學和免疫組織化學染色標記微小血管,顯示 TTT 組骨片搬移區皮下組織血管內皮細胞標記物(CD31 陽性細胞,箭頭所示)數量顯著多于對照組
Figure3. The changes of the femoral artery and its distal vascular branch angiography and subcutaneous capillaries in the ratsa. After perfused with cardiac heparin saline, lead oxide contrast agent was injected into the femoral artery; b. X-ray film showed the femoral artery and a large number of small distal branches; c, d. Histological and immunohistochemical stainings showed the micro-vessels, which can be qualitatively and quantitatively evaluated. Immunohistochemical staining of the subcutaneous tissues in the bone transfer area of the TTT group revealed that vascular endothelial cell marker (CD31) positive cells, as indicated by arrows, were significantly increased compared to the control group, suggesting that bone transverse transport stimulated the regeneration of nearby capillary network
最新研究發現,脊椎動物以及人類長骨中有一套被稱為“跨皮質血管(transcortical vessels,TCV)”的封閉血液循環系統,該發現為研究 TTT 技術生物學機制奠定了理論基礎[17]。在這些 TCV 中可見動、靜脈標記物,并且它們轉運中性粒細胞。此外,通過掃描電鏡可以觀察到數量龐大的直徑僅 10 μm 左右的微小孔洞,而血管就在這些微小孔洞中走行,定量分析顯示超過 80% 和 59% 的骨內動、靜脈通過這些孔洞,形成了密集的 TCV 系統。通過 CT 三維重建技術也能清晰觀察到這些孔洞,其橫截面如同隧道般溝通骨內外環境(圖 4a~c)。通過在血管內灌注有熒光標記的血管內皮細胞抗體、使用肉桂酸乙酯處理使骨組織透明化后,在光片熒光顯微鏡下可以檢測整個小鼠脛骨樣本,觀察顯示小鼠骨骼中有很多非常微小的紅血管穿過骨干,覆蓋整個骨皮質和骨松質,骨骼大部分血供由此類微小血管網提供(圖 4d、e)。這些 TCV 類型不一樣,并且位于骨干不同區域,可以是動脈,也可以是靜脈(60%TCV 是動脈、40%是靜脈)[17]。通過動脈 TCV 進入骨髓的細胞可以通過靜脈 TCV 離開,從而保證骨髓中細胞的快速釋放。通過以上直接或間接方法已明確在骨組織中存在繁多且極為細小的血管網絡,形成骨骼系統的血供系統[17]。我們認為 TTT 技術能加快肢體遠端潰瘍創面修復,可能是微創皮質骨截骨開窗術后施加的機械應力刺激,促進了周圍骨與軟組織內 TCV(微小血管)快速增生及形成,從而激活局部微循環系統功能,加強了組織內的代謝,激活組織內干細胞的修復潛能,最終促進組織修復。總之,TCV 是長骨封閉循環系統的核心組成部分,可能是骨髓內干細胞和免疫細胞輸出的重要途徑, TCV 系統的激活可能是 TTT 技術促進糖尿病足潰瘍創面愈合的重要生物學機制之一。

a. 小鼠脛骨骨皮質內有粗細不一的通道貫穿骨髓內與骨皮質(空心箭頭為較粗通道,實心箭頭為較細通道);b、c. 分別為圖 a 上、下白框內區域的 5 倍成像; d. 通過血管內灌注有熒光標記的血管內皮細胞抗體 CD31,使用肉桂酸乙酯處理使骨組織透明化后,光片熒光顯微鏡下顯示小鼠骨骼中有很多微小紅血管穿過骨干脛骨表面(實心箭頭,紅色熒光代表 CD31 陽性血管)以及 1 條脛骨后位血管分支(空心箭頭);e. 圖 d 的 10 倍成像,可見致密髓內血管網(紅色熒光代表 CD31 陽性血管網)和大量血管(實心箭頭)穿過骨皮質與髓內血管網相連
Figure4. CT three-dimensional reconstruction of cortex and fluorescent microscopy images showed the transcortical vessel network that penetrate the bone marrow and cortices[17]a. Different size channels in the mouse tibia cortices penetrated the bone marrow and bone cortices (the hollow arrows indicated bigger channels, whereas the solid arrows indicated smaller channels); b, c. Five-fold enlargement of the areas in the upper and lower white boxes in Fig.a, respectively; d. Intravascular perfusion using fluorescently labeled vascular endothelial cell antibody CD31, and after treatment with ethylcinnamate, the bone tissues became transparent. Fluorescent microscope examination showed that there were many tiny blood vessels running through the tibia surfaces. There were dense blood vessels (solid arrows, red fluorescence indicated CD31-positive blood vessels) and a posterior tibial blood vessel branch (hollow arrows); e. Ten times of enlargement of Fig.d, showing that the dense intramedullary vascular network (red fluorescence indicated a CD31-positive vascular network) and a large number of blood vessels (solid arrows) were connected to the intramedullary vascular network through the bone cortices
3 小結
TTT 技術從 Ilizarov 技術演化而來,臨床應用證實其對于下肢缺血和糖尿病足潰瘍等疾病有明顯療效,可作為常規內科治療效果不佳情況下的一個理想外科治療選項。TTT 技術手術創面較小,易于操作,不會對骨骼結構造成不可逆損傷,大部分患者可以取得較好療效。TTT 技術促進微血管網重建的生物學機制可能包括:① 脛骨開窗降低髓內壓力,改善微循環。② 張應力刺激可促進毛細血管再生,加速新生 TCV 網絡的形成。③ 全身干細胞的調動,降低局部炎癥反應等。TTT 技術生物學機制的研究仍需進一步加強,以便進一步優化并在臨床應用推廣。
作者貢獻:李剛負責綜述構思及設計、觀點形成、修改; 楊永康負責資料收集、文章撰寫。
機構倫理問題:所有作者聲明,在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。
1 研究背景
1997 年,Shevtsov 等[1]首先報道應用脛骨橫向骨搬移(tibial transverse transport,TTT)技術治療血栓閉塞性脈管炎引起的下肢遠端缺血。2001 年,國內曲龍等[2]的研究也證實 TTT 技術治療血栓閉塞性脈管炎有效。之后,國內骨科醫師將該技術用于治療糖尿病足潰瘍[3-8]。中國是糖尿病患者最多的國家,患病率從 1980 年的 1% 劇增至 2016 年的 11.6%[9]。隨著糖尿病患者的增多,糖尿病足潰瘍的發生率也越來越高,該并發癥也成為非外傷性截癱的重要原因。糖尿病足潰瘍如未及時清創、抗感染治療或者清創效果不佳,最終只能截肢,嚴重影響患者生活質量。
臨床研究初步顯示 TTT 技術可誘導糖尿病足下肢微血管網再生,促進足部潰瘍愈合,有效避免截肢[3-8]。在全身治療控制血糖水平和其他全身癥狀[10]前提下,TTT 技術通過在患肢實施微創脛骨皮質骨開窗術,利用特制的橫向外固定骨片搬移裝置,緩慢橫向搬移脛骨皮質截骨片,通過給予持續張力刺激,最終達到改善、修復下肢缺血和難治創面的目的[3-4, 8]。回顧性研究顯示該技術用于治療 Wagner 3 級糖尿病足,其創面愈合率和保肢率均超過 95%,而且 1 年復發率低于 10%[3-4, 8]。相較于傳統治療方式,TTT 技術治療糖尿病足后 2 年潰瘍治愈率、截肢率、血管再通率、血流量等指標都有較明顯改善[8],原本面臨截肢的嚴重糖尿病足潰瘍患者,足部創面逐漸愈合,并恢復正常生活。
2 生物學機制研究
臨床應用結果顯示,TTT 技術能有效改善大部分糖尿病足潰瘍患者的下肢缺血、血供情況,但是其生物學機制尚未明確,相關研究缺乏。目前,初步動物實驗研究證實牽張-應力機械刺激可促進毛細血管再生及組織再生,牽拉組織再生技術可刺激“血管網”的形成[11-12];同時,骨(片)瓣橫向牽拉能顯著改善牽拉區域微循環,促進難愈性潰瘍的愈合[3-8]。TTT 技術促進微血管網重建的生物學機制可能有以下三方面:① 脛骨開窗后,髓內壓力降低,解除了一部分小血管因為髓內水腫而產生的壓力,瞬時改善微循環。大部分患者自述術后 24 h 內疼痛減輕,感到肢體發熱[3-4]。② 張應力機械刺激可促進毛細血管再生,加速“血管網”的形成,逐步改善遠端循環(除動脈循環外,可能還包括靜脈和淋巴的循環),促進組織再生,目前臨床研究和動物實驗均已發現 TTT 技術可以促進肢體側支循環的快速建立與疏通[3-4, 8]。③ 橫向骨搬移可以促進全身干細胞的調動,尤其是促進干細胞向損傷組織的募集,參與調解并降低局部炎癥反應,改善局部微環境,以利局部干細胞的激活和加速組織修復[13-16]。
骨橫向骨搬移動物模型對研究 TTT 技術的生物學機制十分重要。目前大鼠 TTT 模型已經成功建立。制備方法如下:在大鼠脛骨內側緣中上 1/3 的脛骨平面處,用直徑 1 mm 電鉆進行密集打孔以截取骨片(圖 1a、b),骨片大小為 8 mm×4 mm(圖 1c);在骨片上打 2 個 0.8 mm 孔供牽拉釘使用,在鄰近遠、近端分別打 1 個 1 mm 的孔供固定釘使用;最后安裝特制的大鼠微型橫向骨搬移支架(圖 1d、e)。3 d 后每天牽拉微型橫向骨搬移支架 0.4 mm(分 2 次完成),持續牽拉 5 d,牽拉總距離為 2 mm;維持 3 d 后以相同速度進行反向牽拉,將骨片推回至原位(圖 1f)。超聲多普勒成像檢查發現,與未行骨搬移的對照組相比,骨片牽拉后第 5 天 TTT 組大鼠足背動脈血流速度明顯提高,動脈也有增粗現象,血液總體充盈程度更高(圖 2)。另外,為了研究血管數量的變化,經全身灌注 X 線顯影增強劑氧化鉛、血管顯影劑 Microfill 后,X 線片及 Micro-CT 檢查示 TTT 組大鼠后肢可見大量微小血管分支(圖 3a、b),提示骨搬移能促進血管增生。因為大鼠外周血管細小(直徑<10 μm),造影劑可能無法到達這些微小血管,定量評估較困難,故選擇組織學和免疫組織化學染色標記微小血管以進行定性和定量評估。TTT 組骨片搬移區皮下組織的免疫組織化學染色顯示,血管內皮細胞標記物(CD31)數量相較于對照組有顯著提高(圖 3c、d),提示牽拉刺激了附近毛細血管網的再生。

a. 于脛骨內側緣中上 1/3 處 8 mm×4 mm 范圍內打孔;b. 用骨刀截取骨片;c. 游離體外的骨片(僅作示意用,實際操作不應游離體外);d. 安裝特制的大鼠微型橫向骨搬移支架;e. 逐層縫合后消毒;f. X 線透視確認安裝位置
Figure1. Schematic illustration of the rat TTT modela. Drilling holes in the upper 1/3 of the medial aspect to form a bone chip in size of 8 mm×4 mm; b. Cutting bone chip by a small osteotome; c. Free bone chip (only for illustrative purpose, the bone chip should not be removed during the surgery); d. Installing a special rat mirco-TTT frame; e. Sterilizing after layer-by-layer suturing; f. Confirming the installation position by X-ray fluoroscopy

從左至右分別為超聲確定足背動脈位置、彩色超聲多普勒觀察足背動脈血流速度、定量分析血流速度 a. 對照組;b. TTT 組
Figure2. Ultrasound Doppler examination of the dorsal plantar artery blood flow velocityFrom left to right for location of the dorsal plantar artery, dorsal plantar artery blood flow velocity, and quantitative analysis of blood flow velocity, respectively a. Control group; b. TTT group

a. 經心臟肝素生理鹽水灌注后,于股動脈注射氧化鉛造影劑;b. X 線片觀察股動脈及其遠端血管分支走行,可見大量微小血管分支;c、d. 組織學和免疫組織化學染色標記微小血管,顯示 TTT 組骨片搬移區皮下組織血管內皮細胞標記物(CD31 陽性細胞,箭頭所示)數量顯著多于對照組
Figure3. The changes of the femoral artery and its distal vascular branch angiography and subcutaneous capillaries in the ratsa. After perfused with cardiac heparin saline, lead oxide contrast agent was injected into the femoral artery; b. X-ray film showed the femoral artery and a large number of small distal branches; c, d. Histological and immunohistochemical stainings showed the micro-vessels, which can be qualitatively and quantitatively evaluated. Immunohistochemical staining of the subcutaneous tissues in the bone transfer area of the TTT group revealed that vascular endothelial cell marker (CD31) positive cells, as indicated by arrows, were significantly increased compared to the control group, suggesting that bone transverse transport stimulated the regeneration of nearby capillary network
最新研究發現,脊椎動物以及人類長骨中有一套被稱為“跨皮質血管(transcortical vessels,TCV)”的封閉血液循環系統,該發現為研究 TTT 技術生物學機制奠定了理論基礎[17]。在這些 TCV 中可見動、靜脈標記物,并且它們轉運中性粒細胞。此外,通過掃描電鏡可以觀察到數量龐大的直徑僅 10 μm 左右的微小孔洞,而血管就在這些微小孔洞中走行,定量分析顯示超過 80% 和 59% 的骨內動、靜脈通過這些孔洞,形成了密集的 TCV 系統。通過 CT 三維重建技術也能清晰觀察到這些孔洞,其橫截面如同隧道般溝通骨內外環境(圖 4a~c)。通過在血管內灌注有熒光標記的血管內皮細胞抗體、使用肉桂酸乙酯處理使骨組織透明化后,在光片熒光顯微鏡下可以檢測整個小鼠脛骨樣本,觀察顯示小鼠骨骼中有很多非常微小的紅血管穿過骨干,覆蓋整個骨皮質和骨松質,骨骼大部分血供由此類微小血管網提供(圖 4d、e)。這些 TCV 類型不一樣,并且位于骨干不同區域,可以是動脈,也可以是靜脈(60%TCV 是動脈、40%是靜脈)[17]。通過動脈 TCV 進入骨髓的細胞可以通過靜脈 TCV 離開,從而保證骨髓中細胞的快速釋放。通過以上直接或間接方法已明確在骨組織中存在繁多且極為細小的血管網絡,形成骨骼系統的血供系統[17]。我們認為 TTT 技術能加快肢體遠端潰瘍創面修復,可能是微創皮質骨截骨開窗術后施加的機械應力刺激,促進了周圍骨與軟組織內 TCV(微小血管)快速增生及形成,從而激活局部微循環系統功能,加強了組織內的代謝,激活組織內干細胞的修復潛能,最終促進組織修復。總之,TCV 是長骨封閉循環系統的核心組成部分,可能是骨髓內干細胞和免疫細胞輸出的重要途徑, TCV 系統的激活可能是 TTT 技術促進糖尿病足潰瘍創面愈合的重要生物學機制之一。

a. 小鼠脛骨骨皮質內有粗細不一的通道貫穿骨髓內與骨皮質(空心箭頭為較粗通道,實心箭頭為較細通道);b、c. 分別為圖 a 上、下白框內區域的 5 倍成像; d. 通過血管內灌注有熒光標記的血管內皮細胞抗體 CD31,使用肉桂酸乙酯處理使骨組織透明化后,光片熒光顯微鏡下顯示小鼠骨骼中有很多微小紅血管穿過骨干脛骨表面(實心箭頭,紅色熒光代表 CD31 陽性血管)以及 1 條脛骨后位血管分支(空心箭頭);e. 圖 d 的 10 倍成像,可見致密髓內血管網(紅色熒光代表 CD31 陽性血管網)和大量血管(實心箭頭)穿過骨皮質與髓內血管網相連
Figure4. CT three-dimensional reconstruction of cortex and fluorescent microscopy images showed the transcortical vessel network that penetrate the bone marrow and cortices[17]a. Different size channels in the mouse tibia cortices penetrated the bone marrow and bone cortices (the hollow arrows indicated bigger channels, whereas the solid arrows indicated smaller channels); b, c. Five-fold enlargement of the areas in the upper and lower white boxes in Fig.a, respectively; d. Intravascular perfusion using fluorescently labeled vascular endothelial cell antibody CD31, and after treatment with ethylcinnamate, the bone tissues became transparent. Fluorescent microscope examination showed that there were many tiny blood vessels running through the tibia surfaces. There were dense blood vessels (solid arrows, red fluorescence indicated CD31-positive blood vessels) and a posterior tibial blood vessel branch (hollow arrows); e. Ten times of enlargement of Fig.d, showing that the dense intramedullary vascular network (red fluorescence indicated a CD31-positive vascular network) and a large number of blood vessels (solid arrows) were connected to the intramedullary vascular network through the bone cortices
3 小結
TTT 技術從 Ilizarov 技術演化而來,臨床應用證實其對于下肢缺血和糖尿病足潰瘍等疾病有明顯療效,可作為常規內科治療效果不佳情況下的一個理想外科治療選項。TTT 技術手術創面較小,易于操作,不會對骨骼結構造成不可逆損傷,大部分患者可以取得較好療效。TTT 技術促進微血管網重建的生物學機制可能包括:① 脛骨開窗降低髓內壓力,改善微循環。② 張應力刺激可促進毛細血管再生,加速新生 TCV 網絡的形成。③ 全身干細胞的調動,降低局部炎癥反應等。TTT 技術生物學機制的研究仍需進一步加強,以便進一步優化并在臨床應用推廣。
作者貢獻:李剛負責綜述構思及設計、觀點形成、修改; 楊永康負責資料收集、文章撰寫。
機構倫理問題:所有作者聲明,在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。