植入物周围破骨细胞发生机制的研究进展

植入物周围破骨细胞发生机制的研究进展 植入物周围破骨细胞发生机制的研究进展 综述马洪强审校李宝兴孙世荃赵亚平 (中国辐射防护研究院,山西省医用组织库，山西太原学府街,,,,，,,,,,,) 摘要成熟破骨细胞是造成骨吸收的主要细胞。在一些病理条件下骨吸收和形成偶联失衡，会使破骨细胞数目增多以及活性增强，导致骨过度丢失，从而造成外植体一主要指硬组织修复材料，即骨、软骨和口腔植入材料植入失败。在体,勾,,,实验中有关破骨细胞的募集及诱导分化为成熟破骨细胞的细胞和分子生物学机理在过去的几年内取得了很大的进展。本文就外植体周围破骨细胞的发生机制以及影响因素的研究进展进行了综述，着重论述了颗粒对破骨细胞发生、发育和活性的影响。 关键词 植入物破骨细胞单核细胞组织相容性磨损颗粒 植入物通常用来修复和替换缺损的硬组织，主要是金属与合金、生物陶瓷、聚合物和复合材料以及骨科常用的自体和异体骨。它们应用于人工关节置换、金属骨固定板、骨填充以及牙齿修复，但是由于材料与受体的生物相容性差异，当这些材料植入体内某一部位时，局部的组织对异物的反应属于一种机体防御性应答反应，植入物周围组织将出现白细胞、淋巴细胞和吞噬细胞聚集，产生不同程度的炎症。当材料有毒性物质渗出时，局部炎症不断加剧，严重时出现组织坏死。植入物长期存在时，被淋巴细胞、成纤维细胞和胶原纤维包裹，形成纤维性包膜囊，使正常组织和材料隔开。如果材料组织相容性良好，则会形成很薄的,“,层纤维细胞形成的无炎症反应的正常包膜囊;如果相容性差，材料中残留的小分子物质不断渗出，刺激局部组织细胞形成慢性炎症，材料周围的包囊壁增厚、淋巴细胞浸润，逐步出现肉芽肿或发生癌变。随着时间的延长，这些材料由于受到体液浸泡、机械运动等因素的影响会形成大小不等的磨损颗粒，颗粒进一步引起机体的免疫应答。在骨性环境下会伴随着一些与破骨细胞发生相关的细胞因子的产生或者浓度发生变化，导致破骨细胞数目相对增加或者活性增强，使得骨吸收和形成偶联失去平衡，发生口腔材料植入失败、假体无菌性松动以及骨不连。,破骨细胞来源 破骨细胞是一种由单核,巨噬前体细胞分化而来的骨表面或其附近的组织特异性多核细胞，生命周期相对较短，体内一般,?,周:体外一般,,天左右，无分裂能力。破 ,,,骨细胞和树突细胞拥有共同的单细胞前体，只是分化方向不同;,,,,在决定他们的分化方向中起着关键作用,,,，培养的破骨细胞分化过程可分为三个阶段:(,)和破骨细胞前体产生一致的造血作用的诱导:(,)前体细胞的扩增:(,),，,,(,,)。,,。存在下终端分化成成熟破骨细胞口,，,,,等人采用不同密度的骨髓细胞和无破骨细胞前体造血干细胞共培养的证明了破骨细胞来源于多能造血干细胞,,。许多证据表明，,,,水平在骨质疏松、牙周病和风湿性关节炎等疾病造成的活跃的骨吸收部位增加，同时体外实验证明，,一,可以增强内皮活性，刺激外周血单核细胞穿过内皮从血管内逃逸到血管外空间，随后在无激素的成骨细胞和单核细胞共培养体系中刺激单核细胞发育成具有骨吸收活性的破骨细胞样细胞?,。,,,,,等在体外实验中证明滑液组织中破骨细胞前体来自于,,,,，的单核或者巨噬细胞,,。,,,,在研究牙齿正畸压缩位点破骨细胞募集时证明破骨细胞前体来自于骨髓单核细胞而不是局部的牙周肌腱细胞口,，而且,,,,,,等人通过对破骨细胞和破牙质细胞表达酶的研究证明这两种细胞对矿化组织的吸收机理是相同的隅,。,,,,,;,等人在由细胞介导的磷酸钙陶瓷降解超微结构研究中证明破骨细胞具有吞噬作用，与单核,巨噬细胞的功能相似阳,。,破骨细胞发育相关因子 在过去的十几年间，对调节破骨细胞形成和活化因子的研究有了很大的进展，破骨细胞形成需要一定浓度的,—,,,(,,;,,,,,,,—;,,,,, ,,,,,,,,,,, ,,;,,,)和骨中能够表达,,,,,(,,;,,,,, ,;,,,,,,, ,, ,,—,,,,,,(,,,,),,,,,,)的间充质细胞接触，破骨细胞前提表达,,,,，并且,,,,,和,,,,相互作用是破骨细胞形成的主要决定因素，,,,,,缺陷型小鼠表现出严重的免疫系统异常和骨骼石化症，同时,,,,,在体外实验中对破骨细胞的作用具有剂量依赖性，而且能够激活预存的破骨细胞,仉,,〕, ,,,,,,,,等人收集,,例无菌性松动病人的资料，病人疼痛而且,光显示植入物周围有明显的骨溶解，初次手术和翻修之间时间间隔平均为,,(,?,年。收集每次手术的样品(做微生物培养以确定松动过程和滑膜样界面组织无菌特性)作为实验组，收集由于股骨颈骨折行全关节置换术,个病人的滑膜组织作为对照组，检测,,,,,、,,,,以及,,,的表达水平，结果表明在松动的植入物周围基质中,,,,,和,,,,在,,,,和蛋白水平均增加:,,,局限于另外的组织成分如血管内皮细胞中，说明,,,并不能干扰,,,,,，和,,,,，细胞的直接接触, ,,。,,,,等人证明,,,,信号传导通路的阻断可以抑制骨痂中破骨细胞的形成,,,钊。 ,,,,,,等人证明了成骨细胞通过与破骨细胞直接接触激活破骨细胞,酗。激素例如,，，?,,,,,, ,【,引、糖皮质激素、,，,,(,,): ,、，,一,、,,,,,和前列腺素，通过改,,。(体液因子:包括,,,— 变这些分子的表达影响破骨细胞的形成。,,,,,，，,一,和，,一, ,证明也可以通过,,,,,非依赖性途径促进破骨细胞形成。,,,,,依赖性和非依赖性破骨细胞形成在病理情况下如炎症性关节炎、恶性骨吸收等中发挥着重要的作用，破骨细胞功能缺陷可能造成硬化性骨质紊乱,”。,,,和，,,,均是促炎症因子，二者协调诱导破骨细胞分化和刺激吸收陷窝的形成，这个过程不同于,,,,,,,,,,信号传导通路，可能在植入物周围组织中含有大量磨损颗粒和细胞因子时发挥作用,瓯,,,。，，,,,和，,,，对破骨细胞的作用效果相似，但是不女,,,,，可以上调,细胞,,,,,的表达，间接刺激破骨细胞形成啪,。 ,,,(,,,,,,,,,,,,,,,)能够与,,,,,竞争性结合,,,,，是,,,,,的抑制因子，能够抑制破骨细胞的活化乜?。严重骨溶解疾病患者体内,,,,,,,,,二者比率增加口羽。,,,,,,为了研究,,,的作用使用,,,和钛磨损颗粒结合之后植入小鼠颅盖骨，手术后,天完全抑制了破骨细胞的发生，而加入,一乳糖和钛与不加钛相比破骨细胞发生率增加了,倍口,,。参与的细胞成分主要是巨噬细胞、成骨细胞、成纤维细胞和破骨细胞乜钔。另外雌激素也是一种破骨细胞抑制因子，但是主要作用予成熟破骨细胞乜毛矧。 ,—,,,在破骨细胞发生中的重要作用是在,,,,,,、鼠的研究中发现的，这种小鼠由于缺乏具功能的巨噬细胞集落刺激因子而造成破骨细胞缺乏型骨骼石化症髓,,;但,,,,,,、鼠并不是破骨细胞完全缺失，小鼠下颌骨中破骨细胞在出生后快速减少至第,天完全消失，在第,周时破骨细胞开始在牙原基周围再次出现，此时在牙原基和骨小梁之间无明显的结缔组织侵入，至第,周达到最大值，随后破骨细胞逐渐减少，到,,周时几乎见不到破骨细胞，同时骨髓腔消失，这表明存在着,,,,,非依赖性破骨细胞募集途径啪,。,,,,，即,—,,,能够使破 骨细胞异常的小鼠破骨细胞发育正常和功能恢复例。在关节置换术中，破骨细胞造成的无菌性松动患者关节滑液中存在高浓度的,,,,,，而且巨噬细胞,单核吞噬细胞表面存在着,—,,,的受体啪,。在植入物外周骨溶解中,,,,,及其受体的重要性可以在体外实验中得到证实:关节造型术中出现的单核细胞与成骨细胞体外共培养体系中伴随着破骨细胞的形成可以检测出高表达的,,,,,眦,;如果阻断,,,,,与其受体的结合，会显著的减少破骨细胞的数目〔,,〕, ,,,,,等研究表明，,,,,,可诱导人类破骨细胞形成，通过膜结合形式或基质结合形式发挥作用?一圳。在体外实验中，,—,,,可以显著地增加,,,,，,,性破骨细胞数量，而且在一定范围内这种数量的增加与,,,,,的剂量呈正相关。同时抗,—,,,抗体与抗,—,,,受体抗体均能抑制破骨细胞形成?,。,,,,,,,,,在,,,,年证明,,,,,是破骨细胞发生早期的关键调节子，与,,,,,一起调节破骨细胞的形成啪,。,—,,, ,,,受,,,;,信号传导通路的影响，活化的,,,,,转染的间充质细胞增力,,,,,,,和,,,基因的表达，强烈抑,,,,,,,基因的表达，进而影响破骨细胞前体和间充质细胞的分化和发育口”。但是体外实验也证明过高的,,,,,会抑制破骨细胞前体向破骨细胞的转化例。 通过使用,,,,,或者,,,,,,激脾细胞、骨髓细胞或者,—,,,激活的巨噬细胞可以使他们分化成破骨细胞;或者与表达这些因子的细胞以及活化的,细胞共培养也可以产生破骨细胞，但是休止的,细胞则会通过产生,,,,,,和，,,等因子抑制外周血单核细胞向破骨细胞的分化??删。,,,,,,,,在研究免疫应答与牙周病的关系时，发现在,,,细胞因子存在的情况下活化的,细胞抑制破骨细胞的发生，而在其它因子女，，,,,、，,,，,存在的情况下则会刺激破骨细胞的分化,?。 植入物周围组织中分离的巨噬细胞和破骨细胞表达多种受体，包括，,,,、,,,,,等，可能破骨细胞的形成是由这些因子所介导的，许多研究为破骨细胞存在于植入物周围组织中提供了强有力的证据。巨噬细? 偷ズ送淌上赴 嬖谟谥踩胛镏芪ё橹 校 泶镉破骨细胞一致的标志物。巨噬细胞,单核细胞系细胞的数目与植入物周围骨吸收的程度是一样的。与骨溶解相关的植入物外周区域含有表达巨噬细胞标志物,,,,,的细胞百分比远高于无骨溶解的区域。 综上所述诱导破骨细胞发育的信号传导通路大体可以分为三条:?、,,(,,):,,:;受体介导的信号传导通路;?、蛋白激酶,介导的信号传导通路(,,,，,,,,,，,,,,和，,,,):?、,,,,,介导的信号传导通 , ? “,琴, ～ ;路(，,一,，，,一,,，抑瘤素,， ,;讹界,, ，,—, ,, ,,白血病抑制因子)臼别。 右图:示植入物周围存在的细胞成分和破骨细胞发育的关系，以及与破骨细胞募集和发育成熟密切相关的细胞因子,,,,磨损颗粒的作用 在植入物周围发现的颗粒是发生骨溶解的主要因子，体内研究已经证明这些颗粒能够刺激以巨噬细胞为特征的慢性炎症样应答，巨噬细胞吞噬颗粒导致刺激破骨细胞分化和骨吸收因子的释放。体外研究表明不同成分的颗粒和巨噬细胞共同培养时可以引起不同的生物学应答。,,,,,,,等通过皮下埋入实验证明破骨细胞前体在炎症部位的存在以及刺激破骨细胞分化因子,—,,,、,,,和,,,,在该处的表达，同时也证明了由于皮下埋入导致的破骨细胞前体和成熟吸收破骨细胞的产生具有时间依赖性〔,,, ,,,,,,,等人证明在植入物周围含有颗粒的巨噬细胞和周围组织高表达,,, ,,和,,,,,引。磨损颗粒的不同化学成分调节不同的生物学应答,副:例如，钛一铝一钒合金颗粒与钛一铝一镍合金颗粒相比，它可以诱导骨溶解因子,,,,、，,,,、,,,,,和，,,,的表达，,,,,,、,,,,、,,,、,,,,,和其他的破骨细胞形成因子也应对不同的颗粒成分而产生，这些差别反映了不同生物材料或者磨损颗粒的化学成分刺激破骨细胞发生的潜能，了解了这些机理有益于我们选择合适的不易引起骨溶解的生物替代材料。,(,(有机合成材料颗粒 ,,,,,,,,等人在研究颗粒大小和电荷对巨噬一破骨细胞分化和骨吸收的影响中，在体外小鼠单核细胞和巨噬细胞与成骨细胞样,,,,,,,细胞株以及,，,,(,,):,,。 (,，,, ,,,,,,,,,,,,,,,, ,,)共培养，加入不同大小的乳胶颗粒(,(,，,，,,，,,,微米)和不带电、带负电以及带正电的相同形状和成分的葡聚糖颗粒，由单核细胞和异物巨细胞而来的破骨细胞化程度通过破骨细胞相关酶抗酒石酸酸性磷酸酶(,,,,)和骨吸收陷窝确定。结果表明:不同大小的颗粒在,，,,(,,):,,。存在的情况下对破骨细胞形成和骨吸收影响程度差别不显著;不同电荷对破骨细胞形成的影响差别也不显著,训。然而,,,,,,,,研究了直径为,(,，,，,,微米的乳胶颗粒对体外巨噬细胞一破骨细胞分化的影响，他们把乳胶颗粒加入小鼠巨噬细胞一成骨细胞样,,,,,,,细胞共培养体系中，通过计算玻璃爬片上的,,,,阳性多核细胞数目和在牙片上的吸收陷窝的程度表示破骨细胞的数目和活性，直径为,和,,微米的颗粒显著的增加了,,,,阳性细胞的数目，,(,微米的颗粒对他们的作用不明显,,,。二者实验的不同之处在于,，,,(,,):,,。的加入与否和颗粒直径的差别，可能是,，,,(,,)。,,。的加入或者颗粒的大小影响了乳胶颗粒的作用方式。这种结果的差异说明了乳胶颗粒对破骨细胞作用的复杂性。 ,,,,;,,等人在研究使用颗粒处理过的成骨细胞对破骨细胞发生的分子基础时，成骨细胞从骨小梁中收集，并且使用氧化铝或者聚乙烯颗粒处理,,小时，上清夜用来做免疫酶化学检测,,,,,，也用来诱导外周血单核细胞分化成破骨细胞，在用超分子聚乙烯颗粒处理组中,,,,,,,,,的比率显著减少，增加了;,,,;的表达，表明聚乙烯颗粒促进了成骨细胞参与破骨细胞极化和黏附的旁分泌活性;与之相反，氧化铝颗粒下调;—,,,表达，表明该种成分颗粒作用偏离了巨噬细胞向破骨细胞的分化，这说明颗粒性质影响破骨细胞的分化,,,。,,,, ,,,;,等人在小鼠颅盖骨模型中证明聚乙烯颗粒诱导破骨细胞分化能力明显强于,，颗粒，因而可以考虑采用基于聚乙烯颗粒诱导骨溶解的小鼠颅骨模型作为研究各种干预因素的可靠的工具咖,。另外,,,,,,,也证明了聚乙烯颗粒(直径,(,,微米)可以诱导,,,—,的显著上调，,,,,,,,,,表达的显著增加随??。,(,钙一磷(,,,)复合物 ,,,等人研究烧结的焦磷酸钙(,,,,,,,, ,,,,—,,;,,;,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,,,)在全关节置换术中的应用时，采用成骨一破骨细胞共培养体系分析不同大小的,,,,颗粒对成骨和破骨细胞分化和发育的效应，当加入颗粒直径小于,,微米时，成骨细胞和破骨细胞数目均显著增加(纳米级颗粒的作用暂不做讨论);当颗粒大于,,,微米时，虽然成骨细胞显著增加，但是破骨细胞数目反而显著减少。同时前列腺素,,,:浓度在培养基和细胞质内均显著增加啼,,。,,,,,,,,证明羟基磷狄石颗粒(,,，,,,,,,,, ,,,,,,)在,，,,(,,):,,。(,，,,一,,,,,,,,,,,,,,,, ,,)存在的情况下与成骨细胞样细胞,,,一,,,共培养可以诱使,,相关性巨噬细胞发育成成熟破骨细胞，从皮下埋入聚甲基丙烯酸甲酯颗粒(,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,，,,,,)形成的肉芽肿中分离的巨噬细胞在同样条件下培养会形成更多的和功能更活跃的破骨细胞，说明这些对颗粒应答产生的巨噬细胞可以向破骨细胞分化?引，而且,,,,,是,,,,颗粒诱导的破骨细胞发生所必须的细胞因子畸”。当这些磨损产物出现时，引起炎症反应，经膜结合受体诱使巨噬细胞细胞,,,,,信号传导通路的活化，导致,,,,,(肿瘤坏死因子)、其它细胞因子以及生长因子的释放，,,,,,刺激成骨细胞释放细胞因子募集炎症细胞和破骨细胞前体到炎症位点，然后促使早期破骨细胞分化，同时,,,,,也影响成纤维细胞释放组织金属蛋白酶，诱导破骨细胞前体中,—,,;的表达。经成骨细胞残余物的吞噬作用可能减少胶原的合成，而通过成纤维细胞的吞噬作用则会诱导产生?銮垦字?从Φ幕 б蜃印,梢酝ü 跎僬庑 蜃拥男藕糯 纪 芬员;す牵 钦庑?字?从Φ幕 ?蜃拥氖头呕蛘咦柚拐庑? 砗陀跋煲蛩鼗剐枰 徊降牟 髅槌 ,桑颍椋宓热耸褂弥刈槿斯切翁 ? 鞍祝玻ǎ颍瑁拢停校 玻?盏家煳还腔 讨破骨细胞分化的实验证明了骨基质对破骨细胞前体的募集不是必不可少的，但是对破骨细胞的成熟则是必须的因素嘞,。,(,金属钛颗粒 „,,,,,,采用,?,,微克(,?,,,,;,,,,,,)钛颗粒加入通过,,,。处理的小鼠骨髓细胞，结果:钛颗粒仅仅抑制,,,。诱导的破骨细胞发生，而不作用于可容性,,,,,或者,，,,(,,):,,。(,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,)诱导的破骨细胞发生:同时这种抑制作用还具有浓度依赖性。这表明在高纯化的破骨细胞中钛颗粒抑制,,,:诱导的破骨细胞分化和,,,,,的表达，但不影响破骨细胞的生存和活性，因此钛颗粒可能改变了,,,:的作用方式，进而影响骨重塑畴钉。,,,,,,,,,,等人在,,,,年首次对脊柱矫正中磨损颗粒效应在动物模型和临床反馈病例中进行了详细的研究，他们把,,只新西兰大白兔随机分为两个组，第,组,,只，,个月后处死;第,组,,只，,个月后处死。第,组在,,一,,处使用三角形自体皮质髂骨块或者皮质骨块再加金属钛颗粒行后外侧关节固定术。第,组所有都使用皮质骨块，,周后再次手术。血清学分析:体液细胞因子水平在钛处理组和自体骨移植组没有明显的差别;免疫细胞化学分析表明使用金属钛颗粒处理组局部的细胞因子如,,,在两个时间点都有所增加;而且破骨细胞数目和吸收陷窝的区域远多于单独使用自体骨，金属钛颗粒处理组细胞凋亡程度两个时间点都明显增加:电子显微镜为钛处理位点吞噬了的钛颗粒和局部的慢性炎症变化提供了强有力的证据。,,例临床病例中的,例发现,,,有所增加，在接近由于钛或不锈钢裂掉的磨损颗粒处破骨细胞活性增强，光镜下可见到磨损颗粒以及包绕的纤维炎症性多糖一蛋白复合物。这表明金属钛颗粒可以引发炎症反应、增加细胞内因子,,,的表达以及增加破骨细胞活性和细胞凋亡呻,。,,使用条件培养基在钛颗粒存在,不存在的情况下把从小鼠或者人外周血获得的单核细胞与问充质支持细胞共同培养，结果表明仅仅使用条件培养基而不加入钛颗粒，检测不到参数的变化;而使用条件培养基与钛颗粒共同培养，破骨细胞数目显著增加，而且还具有浓度依赖性嘲,。 虽然颗粒会引起炎症反应，但是并不是所有的从骨与植入物界面获得的组织 均含有磨损颗粒，这可能是活化的巨噬细胞释放体液因子如炎症因子到关节滑液中，这些因子随后又被运输到外植体接近的骨髓组织，刺激骨髓细胞分化为破骨细胞，最后成熟的破骨细胞吸收周围的骨，也就是说它是通过炎症反应的远端效应激活破骨细胞，而引起骨吸收的。为了证明这些，,,,,,,,,,把直径为,微米的聚乙烯颗粒加入巨噬细胞和骨髓细胞共培养系统(加入体液，以防止细胞的直接接触)中，,,,,阳性细胞明显高于对照组，而且培养液中，,,,和,,,的浓度也显著增加，说明远端效应的存在呦,。 总之有机、无机以及各种合金磨损颗粒的大小、颗粒的形状、电荷性质、颗粒的组成均影响破骨细胞的分化，或者起到促? 鲇茫 蛘咂鹨种谱饔茫 易饔糜破骨细胞的分化和发育以及成熟的各个阶段，通过不同的信号传导通路作用于破骨细胞。另外炎症反应还具有远端效应，炎症细胞分泌的因子通过体液被转运到需要破骨细胞的位点，刺激间充质细胞、成纤维细胞以及成骨细胞分泌破骨细胞发生因子，刺激破骨细胞前体分化、发育为成熟破骨细 手术操作、外力刺激、磁场、微重状态、化学胞。 除了上述磨损颗粒的作用之外， 药物、年龄以及激素水平等因素均影响局部细胞因子如,,,,,和,,,,、,,,以及,,,,,、,,,,,的表达，进而影响破骨细胞的分化、发育和活性，影响植入物使用寿命。因而开发出稳定的、具有良好生物相容性的材料才是当务之急。虽然成熟破骨细胞在骨吸收中起着重要作用，但是也有证据表明成纤维细胞以及某些炎症细胞也可以降解骨质四,。,参考文献〔,〕,,,,,,,,(,，,,,,,,(,，,,,,(,，,, ,,(,,,,,;,,,,, ,, ,,,,,;,,,,, ,,, ,,,,,,,,; ;,,，, ,,,, ;,,,,, ,,,,,,,,,,,(,,,,,(,,,,，,,(,):,,,,,,,(〔,〕,(,,,,,,,，,(,,,,，,(,,,,，,, ,,(;—,,, ,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,;,,,, ,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,;,,,, ,,,,,,,,,,, ,,, ,,, ,,;,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,(,,,,，,,,,，,,(,):,,,,,,,(〔,〕,,,,,,,,,(,,,,,,，,,,,,,,,(,,,,,,,,，,,,,,,,,,(,,,,,,,,，,, ,,(,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,;,,,,, ,,,, ,,,,,,,,; ,,,, ,,, ,, ,,,,,,, , ,,,,,,, ,,,, ，, ,,,,,, ,,, ,,, ,,,,, ,,,,,,,,,(,,,,,，,,,,，,,(,):,, ,,,,,,,(〔,〕,,,,(,(,;,,,,,，,,,(,(,(,,,,,,,,,,,, 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