三維記憶應(yīng)力場下長骨干骨折愈合的生物學(xué)特征與相關(guān)成骨信號(hào)機(jī)制的研究.pdf

1、目的：明確SMC產(chǎn)生的特殊三維記憶應(yīng)力環(huán)境下長骨干骨折愈合的生物學(xué)特征，并探索這種特殊應(yīng)力通過何種途徑啟動(dòng)了骨折愈合所需的一系列生物學(xué)效應(yīng)。方法：建立新西蘭兔肱骨干骨折內(nèi)固定模型，分別用SMC和DCP固定，部分SMC固定的動(dòng)物以Celecoxib抑制COX-2活性。術(shù)后通過實(shí)時(shí)定量PCR技術(shù)檢測標(biāo)本中COX-1和COX-2基因mRNA在不同時(shí)期的表達(dá)量；通過放射免疫測定法檢測了骨折局部PGE2和cAMP的含量變化；通過紫外分光光度計(jì)方法

2、測定骨痂礦物質(zhì)代謝指標(biāo)；通過組織形態(tài)學(xué)方法對(duì)各組的骨折愈合過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)觀察；并用RT-PCR反應(yīng)測定了若干細(xì)胞外基質(zhì)蛋白基因的表達(dá)趨勢。結(jié)果：術(shù)后3-4周時(shí)SMC固定的動(dòng)物骨折間隙處骨痂標(biāo)本的COX-2mRNA的相對(duì)表達(dá)量和PGE2、cAMP含量明顯高于DCP固定者。相應(yīng)的，此時(shí)SMC固定者骨折間隙處骨痂標(biāo)本中鈣磷含量、Ⅰ型膠原和骨鈣素基因表達(dá)量以及血清中骨特異性堿性磷酸酶活性也均明顯升高；軟骨內(nèi)成骨和編織骨骨痂的形成較早。抑制SMC

3、應(yīng)力環(huán)境下COX-2的活性及PGE2和cAMP的合成之后，礦物質(zhì)代謝、軟骨內(nèi)骨化和細(xì)胞外基質(zhì)蛋白基因的表達(dá)也均受到抑制。結(jié)論：SMC的特殊三維記憶應(yīng)力環(huán)境可以促進(jìn)骨痂細(xì)胞外基質(zhì)的礦化和軟骨內(nèi)成骨，從而加速骨折愈合，而且該效應(yīng)與COX-2、PGE2、cAMP這一 基于鎳鈦形狀記憶合金的物理特性和上肢長骨干的解剖特點(diǎn)，我們研制了可用于上肢骨折內(nèi)固定的形狀記憶接骨器(shapememorycompressiveconnector,SM

4、C)。SMC在固定長骨干骨折時(shí)可以產(chǎn)生特殊的三維記憶應(yīng)力場，既保證了穩(wěn)定又在骨折端產(chǎn)生持續(xù)動(dòng)態(tài)的壓應(yīng)力，其力值大小接近生理范圍、方向也符合骨干軸向，并持續(xù)存在至愈合后期骨痂塑形及被板層骨替代時(shí)，臨床應(yīng)用療效良好。為了明確這種應(yīng)力環(huán)境下長骨干骨折愈合的生物學(xué)特征，并探索這種特殊應(yīng)力通過什么途徑啟動(dòng)了骨折愈合所需的一系列生物學(xué)效應(yīng)，我們進(jìn)行了本課題研究。 我們建立了新西蘭兔肱骨干骨折內(nèi)固定模型。A組：肱骨干截骨處以SMC內(nèi)固定；B組

5、：肱骨干截骨處以4孔動(dòng)力加壓接骨板(dynamiccompressionplate，DCP)內(nèi)固定；C組：肱骨干截骨處以SMC內(nèi)固定，且自術(shù)后第一天起經(jīng)口給予塞來昔布(Celecoxib)懸液，劑量為3.5mg/kg/d。術(shù)后分別通過RT-PCR反應(yīng)測定了若干骨折愈合相關(guān)基因的表達(dá)趨勢；通過放射免疫測定法檢測了骨折局部PGE2和cAMP的含量變化；通過紫外分光光度計(jì)的方法測定了骨痂的鈣、磷含量和血清中骨特異性堿性磷酸酶(bone-spe

6、cificalkalincphosphatase，B-ALP)的活性；并用組織形態(tài)學(xué)方法對(duì)各組的骨折愈合過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)觀察。 三組動(dòng)物均于術(shù)后3、7、14、21、28、56、84天時(shí)處死取材，切取骨折斷端間的連接骨痂留作標(biāo)本。通過實(shí)時(shí)定量PCR技術(shù)檢測標(biāo)本中COX-1和COX-2基因mRNA在不同時(shí)期的表達(dá)量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三組術(shù)后COX-2mRNA的相對(duì)表達(dá)量均較術(shù)前顯著上升，且術(shù)后3-4周時(shí)A組和C組明顯高于B組。而COX-1m

7、RNA的相對(duì)表達(dá)量在各時(shí)間點(diǎn)及各組之間未體現(xiàn)出明顯差異。術(shù)后7、14、21、28、56天時(shí)在骨折間隙取骨痂，應(yīng)用放射免疫方法檢測骨折局部PGE2和cAMP的含量。骨折后3周及4周時(shí)SMC內(nèi)固定的A組的PGE2和cAMP的含量明顯高于DCP固定的B組和以Celecoxib抑制的C組，B、C兩組間無明顯差異。上述結(jié)果提示，SMC在穩(wěn)定骨折端的基礎(chǔ)上在骨折間隙處產(chǎn)生持續(xù)動(dòng)態(tài)壓應(yīng)力，這種特殊的三維記憶應(yīng)力場可以通過誘導(dǎo)COX-2的表達(dá)引起PGE

8、2合成量的增高，這些PGE2作用于特定的受體引起細(xì)胞內(nèi)cAMP水平升高，然后經(jīng)PKA途徑導(dǎo)致一系列靶基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，最終使得成骨細(xì)胞分化成熟并提高了細(xì)胞的成骨功能活性，這促進(jìn)了骨折的愈合。 術(shù)后分期取材，以比色法測定骨折間隙中鈣、磷元素的含量和血清中B-ALP的活性。骨折間隙內(nèi)骨痂鈣、磷元素的含量均逐漸升高；血中骨特異性堿性磷酸酶的活性大致在術(shù)后4至8周時(shí)升至峰值，隨后緩慢下降。術(shù)后3-4周時(shí)SMC內(nèi)固定的A組骨折間隙內(nèi)骨痂的

9、鈣、磷含量和血中B-ALP活性均明顯高于DCP固定的B組和以Celecoxib抑制的C組，而且A組動(dòng)物的血漿B-ALP活性高峰早于B、C兩組。組織學(xué)觀察顯示：三組動(dòng)物骨折間隙內(nèi)均經(jīng)歷了軟骨內(nèi)骨化的愈合過程。骨折后1周時(shí)，骨折斷端為機(jī)化的血腫和肉芽組織，各組細(xì)胞成分相似。術(shù)后2-4周期間A組骨折間隙內(nèi)軟骨內(nèi)成骨的出現(xiàn)和編織骨骨痂的形成早于B組和C組，隨后A組也較早出現(xiàn)了板層骨替代。而且在編織骨痂形成及板狀骨替代的過程中，A組的骨痂組織學(xué)結(jié)

10、構(gòu)也較同時(shí)期的B、C兩組成熟。骨折后3、7、14、21、28、56天的標(biāo)本進(jìn)行半定量RT-PCR反應(yīng)，結(jié)果顯示A組Ⅱ型膠原mRNA的表達(dá)較B、C兩組提前結(jié)束，而A組Ⅰ型膠原和骨鈣素mRNA的表達(dá)量在骨折后3-4周期間明顯高于B、C兩組，而且Ⅰ型膠原mRNA的表達(dá)高峰和骨鈣素mRNA的上升也明顯較早。這些結(jié)果提示：SMC特殊的三維記憶應(yīng)力場通過COX-2、PGE2、cAMP及PKA這一信號(hào)通路調(diào)節(jié)了骨折處的礦物質(zhì)代謝，促進(jìn)了鈣、磷元素在細(xì)