应力作用下骨不连断端组织中成骨因子的变化

doi:10.12307/2021.029

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (23): 3619-3624.doi: 10.12307/2021.029

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应力作用下骨不连断端组织中成骨因子的变化

刘金伟1，陈允震2，万春友1

1天津医院矫形一科，天津市 300211；2山东大学齐鲁医院骨一科，山东省济南市 250012

收稿日期:2020-06-06 修回日期:2020-06-12 接受日期:2020-07-14 出版日期:2021-08-18 发布日期:2021-01-26
通讯作者: 万春友，硕士，主任医师，天津医院矫形一科，天津市 300211
作者简介:刘金伟，男，1986年生，山东省潍坊市人，汉族，2014年山东大学毕业，硕士，医师，主要从事四肢骨折，骨质疏松与骨不连研究。
基金资助:
天津市卫生健康委员会2019年度中医中西医结合科研课题(2019114)，项目负责人：万春友

Changes of osteogenic growth factors in the broken end of bone nonunion under stress

Liu Jinwei1, Chen Yunzhen2, Wan Chunyou1

1Department of Orthopedics, Tianjin Hospital, Tianjin 300211, China; 2Department of Orthopedics, Qilu Hospital of Shandong University, Jinan 250012, Shandong Province, China

Received:2020-06-06 Revised:2020-06-12 Accepted:2020-07-14 Online:2021-08-18 Published:2021-01-26
Contact: Wan Chunyou, Master, Chief physician, Department of Orthopedics, Tianjin Hospital, Tianjin 300211, China
About author:Liu Jinwei, Master, Physician, Department of Orthopedics, Tianjin Hospital, Tianjin 300211, China
Supported by:
2019 Research Project of Tianjin Municipal Health Commission for Integrated Chinese and Western Medicine, No. 2019114 (to WCY)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
反转录-聚合酶链反应(RT-PCR)：是将RNA的反转录(RT)和cDNA的聚合酶链式扩增(PCR)相结合的技术。首先经反转录酶的作用，从RNA合成cDNA，再以cDNA为模板，在DNA聚合酶作用下扩增合成目的片段。RT-PCR可用于检测组织细胞中基因表达水平。
骨形态发生蛋白：是一组具有类似结构的高度保守的功能蛋白，属于转化生长因子β家族。骨形态发生蛋白能刺激DNA的合成和细胞的复制，从而促进间充质细胞定向分化为成骨细胞。它还是体内诱导骨和软骨形成的主要因子，并在肢体生长、软骨内骨化、骨折早期、软骨修复时表达，对骨骼的胚胎发育和再生修复起重要作用。

背景：动物实验表明在骨不连断端的纤维组织中仍存在一定数量的成骨细胞及成骨因子，并且断端周围血管数量与正常骨折愈合组织差异无统计学意义。
目的：观察机械应力作用下骨不连断端成骨生长因子骨形态发生蛋白、血管内皮生长因子、转化生长因子β1的变化。
方法：选取60只成年雄性SD大鼠，通过股骨干截骨，采用自制可调节加压式外固定架建立骨不连模型。术后第4，8，12周X射线片及组织学观察断端变化，确立骨不连模型，排除感染、外架脱落等个体。选取40只骨不连模型大鼠随机分成2组：实验组定期给予低强度高频率应力刺激；对照组无应力刺激。3个月后采用放射学评分和组织学切片观察骨不连断端成骨情况；通过RT-PCR及免疫组化评估不同时间段断端组织中骨形态发生蛋白2、血管内皮生长因子及转化生长因子β1的表达及差异。
结果与结论：①第12周X射线片及组织学显示断端髓腔骨性封闭，无骨桥连结，结缔纤维组织填充，骨不连模型建立；②实验组第4周，断端间隙显影模糊；第8周断端间隙呈絮状影；第12周断端间隙出现单侧的骨桥，第12周X射线评分显著高于第4，8周及对照组(P < 0.05)；③RT-PCR及免疫组化结果显示，实验组骨形态发生蛋白2表达在第8周达到峰值，血管内皮生长因子基因扩增在第4周出现高峰，而其表达在第8周出现峰值，转化生长因子β1表达趋势平稳；实验组不同时间段成骨因子表达均显著高于对照组(P < 0.05)；④结果表明，机械应力作用下骨不连断端骨形态发生蛋白2、转化生长因子β1、血管内皮生长因子表达增高，断端间有新骨形成，提示低强度应力有促进成骨的作用。

https://orcid.org/0000-0001-5597-5495 (刘金伟)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

关键词: 骨, 机械应力, 骨不连, 成骨生长因子, 瘢痕, 模型, 鼠

Abstract: BACKGROUND: Existing animal experiments have shown that there are a certain number of osteoblasts and osteogenic growth factors in the fibrous tissue of the fractured bone end, and moreover, the number of blood vessels around the fractured end is not statistically different from that in the healed tissue.
OBJECTIVE: To investigate the change of osteogenic growth factors, bone morphogenetic protein, vascular endothelial growth factor, transforming growth factor β1, in the broken end of bone nonunion under mechanical stress.
METHODS: Sixty male Sprague-Dawley rats were selected to build the nonunion models. Nonunion models were established with self-made adjustable compressive external fixation. Then 40 rat models were selected for the experiment and were randomized into an experimental group and a control group. Then low-intensity high-frequency mechanical stress was applied to the experimental group, while nothing done to the control group. After 3 months, osteogenesis at the broken end of bone nonunion was assessed by radiological and histological observations. The changes of osteogenic growth factors, bone morphogenetic protein, vascular endothelial growth factor, transforming growth factor β1 at the broken end of bone nonunion were detected by immunochemistry and RT-PCR.
RESULTS AND CONCLUSION: The consequences of radiography and histology showed that the broken end was sealed, with no bone bridge linking and connective tissue filled the broken gap between bone nonunion after 12 weeks. Then the gap became vague under mechanical stress after 4 weeks and was flocculent after 8 weeks. Unilateral osseous bridge connected the ends after 12 weeks. The radiographic score of the experimental group at the 12th week was significantly higher than that at the 4th and 8th weeks as well as that of the control group (P < 0.05). The results of RT-PCR and immunohistochemistry showed the expression of bone morphogenetic protein reached the peak at the 8th week. Gene amplification of vascular endothelial growth factor reached the peak at the 4th week and its expression peaked at the 8th week. The expression of transforming growth factor β1 kept smooth tendency. Compared with the control group, the expression of these osteogenic growth factors was significantly higher in the experimental group (P < 0.05). To conclude, the expression and gene amplification of bone morphogenetic protein, vascular endothelial growth factor, and transforming growth factor β1 could be obviously increased between the ends under mechanical stress, osteogenic tissue was found at the broken end. The consequences indicate that low-intensity mechanical stress has a positive relationship with osteogenesis.

Key words: bone, mechanical stress, nonunion, osteogenic growth factor, scar, model, rat

中图分类号:

刘金伟, 陈允震, 万春友. 应力作用下骨不连断端组织中成骨因子的变化[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(23): 3619-3624.

Liu Jinwei, Chen Yunzhen, Wan Chunyou. Changes of osteogenic growth factors in the broken end of bone nonunion under stress[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(23): 3619-3624.

图/表（结果） 7

2.1 实验动物数量、成活率及死亡原因分析纳入60只SD大鼠，其中在骨不连造模手术过程中因麻醉死亡4只，造模过程中针眼感染、营养状态差，外架脱落造模失败6只，影像学观察麻醉时死亡3只。
2.2 影像学观察结果术后第4，8，12周X射线片提示骨折断端无连续骨桥形成，术后第8周骨折断端骨密度增高，部分呈杵状样改变；术后第12周断端髓腔骨性封闭(图3)。

2.3 组织学观察结果骨不连模型中股骨断端结缔纤维组织填充，髓腔封闭，无骨桥形成(图4)。实验组第4周断端间隙新骨形成，骨膜下及钉道周围有成骨反应；第8周断端间隙显影密度不均，呈絮状改变，有少量新骨形成，与同组第4周及对照组相比，影像学评分差异有显著性意义(P < 0.05)；第12周断端间隙缩短，显影模糊，单侧骨桥连接(图5)，与同组第4，8周及对照组比较评分差异有显著性意义(P < 0.05，表2)。

2.4 免疫组化观察结果实验组在第4周骨形态发生蛋白2局部表达明显高于同时段对照组，两者差异有显著性意义(P < 0.05)；第8周骨形态发生蛋白2表达出现峰值，与同组第4，12周及同期对照组比较，差异有显著性意义(P < 0.05)；第12周骨形态发生蛋白2表达量下降，但仍高于对照组(P < 0.05，图6)。

实验组在第8周血管内皮生长因子出现高峰，与同组第4，12周比较差异有显著性意义(P < 0.05)；第4周与第12周间表达无明显差异，但均高于同期对照组(P < 0.05，图7)。实验组转化生长因子β1在第4，8，12周与同期对照组比较差异有显著性意义(P < 0.05)，实验组内比较差异无显著性意义(图8)。
对照组骨不连断端骨形态发生蛋白2、血管内皮生长因子、转化生长因子β1均有表达，但整体呈低表达，无峰值变化，组间的表达差异无显著性意义(P < 0.05)。
2.5 RT-PCR分析结果实验组中骨形态发生蛋白基因表达在第8周出现峰值，与第4，12周比较差异有显著性意义(P < 0.05；图6)，血管内皮生长因子基因扩增在第4周出现峰值，与第8，12周比较差异有显著性意义(P < 0.05；图7)；转化生长因子β1在各期表达平稳，无高峰期，但表达量高于对照组，差异有显著性意义(P < 0.05；图8)。相对于对照组，实验组骨形态发生蛋白、血管内皮生长因子、转化生长因子β1基因扩增差异有显著性意义(P < 0.05)。

参考文献

[1] NELSON FR, BRIGHTON CT, RYABY J, et al. Use of physical forces in bone healing. J Am Acad Orthop Surg. 2003;11(5):344-354.
[2] 韩昕光, 毕郑钢, 王东奎, 等. 骨不连接区成骨活性的实验研究[J]. 中华创伤骨科杂志,2009,11(1):45-50.
[3] REED AA, JOYNER CJ, BROWNLOW HC, et al. Human atrophic fracture non-unions are not avascular. J Orthop Res. 2002;20(3):593-599.
[4] SIGURDSEN U, REIKERAS O, UTVAG SE. The influence of compression on the healing of experimental tibial fractures. Injury.2011;42(10):1152-1156.
[5] SANTOS A, BAKKER AD, WILLEMS HM, et al. Mechanical loading stimulates BMP7, but not BMP2, production by osteocytes. Calcif Tissue Int. 2011; 89(4):318-326.
[6] PALOMARES KT, GLEASON RE, MASON ZD, et al. Mechanical stimulation alters tissue differentiation and molecular expression during bone healing. J Orthop Res. 2009;27(9):1123-1132.
[7] SCHWARZ C, WULSTEN D, ELLINGHAUS A, et al. Mechanical load modulates the stimulatory effect of BMP2 in a rat nonunion model. Tissue Eng Part A. 2013;19(1-2):247-254.
[8] BOERCKEL JD, UHRIG BA, WILLETT NJ, et al. Mechanical regulation of vascular growth and tissue regeneration in vivo. Proc Natl Acad Sci U S A. 2011;108(37):E674-680.
[9] 赵震宇, 邵林, 刘建宇, 等. 新型外固定器制作大鼠负重骨节段性骨缺损模型的实验研究[J]. 中华创伤骨科杂志,2010,12(12):1160-1163.
[10] HUANG G, LIU G, ZHANG F, et al. Combination of heel-strike like mechanical loading with deproteinized cancellous bone scaffold implantation to repair segmental bone defects in rabbits. Int J Med Sci. 2017;14(9):871-879.
[11] Yang H, Embry RE, Main RP. Effects of loading duration and short rest insertion on cancellous and cortical bone adaptation in the mouse tibia. PLoS One.2017;12(1):e0169519
[12] BEDFORD TG, TIPTON CM, WILSON NC, et al. Maximum oxygen consumption of rats and its changes with various experimental procedures. J Appl Physiol Respir Environ Exerc Physiol. 1979;47(6):1278-1283
[13] 梁军,钱洁,王惠芳,等.不同强度的主动运动对大鼠膝关节软骨的影响[J].中国康复医学杂志,2012,27(1):8-11.
[14] JOHNSON KD, FRIERSON KE, KELLER TS, et al. Porous ceramics as bone graft substitutes in long bone defects: a biomechanical, histological, and radiographic analysis. J Orthop Res. 1996;14(3):351-369.
[15] CHAROENPANICH A, WALL ME, TUCKER CJ, et al. Cyclic tensile strain enhances osteogenesis and angiogenesis in mesenchymal stem cells from osteoporotic donors. Tissue Eng Part A. 2014;20(1-2):67-78.
[16] HU M, QIN YX. Dynamic fluid flow stimulation on cortical bone and alterations of the gene expressions of osteogenic growth factors and transcription factors in a rat functional disuse model.Arch Biochem Biophys. 2014;545:154-161.
[17] JIANG Y, WANG Y, TANG G. Cyclic tensile strain promotes the osteogenic differentiation of a bone marrow stromal cell and vascular endothelial cell co-culture system. Arch Biochem Biophys. 2016;607:37-43.
[18] CLAES L, BLAKYTNY R, BESSE J, et al. Late dynamization by reduced fixation stiffness enhances fracture healing in a rat femoral osteotomy model. J Orthop Trauma. 2011;25(3):169-174.
[19] GARDNER MJ, VAN DER MEULEN MC, DEMETRAKOPOULOS D, et al. In vivo cyclic axial compression affects bone healing in the mouse tibia. J Orthop Res. 2006;24(8):1679-1686.
[20] ZHAO F, VAUGHAN TJ, MCNAMARA LM. Quantification of fluid shear stress in bone tissue engineering scaffolds with spherical and cubical pore architectures. Biomech Model Mechanobiol. 2016;15(3):561-577.
[21] MCDERMOTT AM, HERBERG S, MASON DE, et al. Recapitulating bone development through engineered mesenchymal condensations and mechanical cues for tissue regeneration. Sci Transl Med. 2019;11(495).
[22] LEE S, SUZUKI T, IZAWA H, et al. The Influence of the Type of Continuous Exercise Stress Applied during Growth Periods on Bone Metabolism and Osteogenesis. J Bone Metab. 2016;23(3):157-164.
[23] WANG L, HSU HY, LI X, et al. Effects of Frequency and Acceleration Amplitude on Osteoblast Mechanical Vibration Responses: A Finite Element Study. Biomed Res Int. 2016;2016:2735091.
[24] 查丁制. 低强度高频率振动对成骨细胞生物学特性的影响及机制[D]. 广州:南方医科大学, 2011.
[25] EINHORN TA,GERSTENFELD LC.Fracture healing: mechanisms and interventions. Nat Rev Rheumatol. 2015;11(1):45-54.
[26] NAUTH A, GIANNOUDIS PV, EINHORN TA, et al. Growth factors: beyond bone morphogenetic proteins. J Orthop Trauma.2010;24(9):543-546.
[27] STEINBRECH DS, MEHRARA BJ, SAADEH PB, et al. Hypoxia regulates VEGF expression and cellular proliferation by osteoblasts in vitro. Plast Reconstr Surg. 1999;104(3):738-747.
[28] KERAMARIS NC, CALORI GM, NIKOLAOU VS, et al. Fracture vascularity and bone healing: a systematic review of the role of VEGF. Injury. 2008;39 Suppl 2:S45-557.
[29] SENEL K, BAYKAL T, SEFEROGLU B, et al. Circulating vascular endothelial growth factor concentrations in patients with postmenopausal osteoporosis. Arch Med Sci. 2013;9(4):709-712.
[30] BALTZER AW, LATTERMANN C, WHALEN JD, et al. Genetic enhancement of fracture repair: healing of an experimental segmental defect by adenoviral transfer of the BMP-2 gene. Gene Ther. 2000;7(9):734-739.
[31] MIYAZAKI M, MORISHITA Y, HE W, et al. A porcine collagen-derived matrix as a carrier for recombinant human bone morphogenetic protein-2 enhances spinal fusion in rats. Spine J. 2009;9(1):22-30.
[32] KHAN SN, BOSTROM MP, LANE JM. Bone growth factors. Orthop Clin North Am. 2000;31(3):375-388.
[33] ECKARDT H, CHRISTENSEN KS, LIND M, et al. Recombinant human bone morphogenetic protein 2 enhances bone healing in an experimental model of fractures at risk of non-union. Injury. 2005;36(4):489-994.
[34] MCBRIDE-GAGYI SH, MCKENZIE JA, BUETTMANN EG, et al. Bmp2 conditional knockout in osteoblasts and endothelial cells does not impair bone formation after injury or mechanical loading in adult mice. Bone. 2015;81:533-543.
[35] PATIL AS, SABLE RB, KOTHARI RM. An update on transforming growth factor-β (TGF-β): sources, types, functions and clinical applicability for cartilage/bone healing. J Cell Physiol. 2011;226(12):3094-3103.
[36] CARTER DR, BLENMAN PR, BEAUPRÉ GS. Correlations between mechanical stress history and tissue differentiation in initial fracture healing. J Orthop Res. 1988;6(5):736-748.

引言

材料方法

1.1 设计随机对照动物实验。
1.2 时间及地点实验于2018年9月至2019年12月在山东大学齐鲁医院动物实验室和山东大学齐鲁医院心血管重点实验室完成。
1.3 材料
1.3.1 实验动物 SD雄性大鼠60只，体质量600-750 g，平均680 g，由山东大学动物实验中心提供，许可证号：SCXK(鲁)20140007。
1.3.2 试剂体积分数4%甲醛、10%水合氯醛(武汉博士得公司)；组织脱钙液(Plunk液)、骨形态发生蛋白、转化生长因子、血管内皮生长因子一抗(武汉博士得公司)；免疫组化二步法检测试剂盒(北京中杉金桥)；Trizol(Invitrogen公司，美国)；反转录及PCR试剂盒(Takara公司，日本)；引物(济南博尚生物公司)。

1.3.3 器械及仪器可调式加压外固定架(自制，图1)；西门子X射线透视仪、倒置相差显微镜及图像采集系统、石蜡切片机光学显微镜、组织自动脱水机、石蜡包埋机(均由山东大学齐鲁医院心血管重点实验室提供)。

1.4 实验方法
1.4.1 动物模型制备股骨截断，自制外固定架固定，建立骨不连模型(图2A)，采用食物刺激方法，模拟低强度高频率的应力刺激，建立应力刺激骨不连断端的动物模型(图2B)。大鼠腹腔注射10%水合氯醛(3 mL/kg)，术前庆大霉素2 mL肌肉注射。所有大鼠剃去右后肢毛发，术区碘伏消毒，切开皮肤、筋膜，暴露股骨，保留骨膜，自小转子与第3转子之间，自股骨髁远端向近端方向，依次钻孔、拧入2枚螺纹钉，安装外固定架，截骨4 mm，调整外架使断端距离d=6 mm[9](图2A)，生理盐水冲洗断端髓腔，逐层缝合伤口。术后青霉素肌肉注射连续用5 d。
1.4.2 实验分组及干预可调式加压外固定架螺帽1可自由滑动，有固定滑块2的作用，从而维持活动块2与3之间的固定距离。选取40只造模成功的骨不连模型随机分成2组：实验组定期给予应力刺激，通过卡尺计量将螺帽1内移
2 mm，参照Bedford方法及Russell P. Main等实验方法[10-13]，结合实验室条件，每天采用食物刺激的方法诱导大鼠主动活动，每次活动持续5 min，间歇10 min，重复循环25次，结束后恢复原始缺损长度；对照组无应力刺激，同样内移
2 mm，不给予食物刺激，结束后恢复原始缺损长度。
1.5 主要观察指标
1.5.1 影像学观察分别于术后第4，8，12周拍摄大鼠骨缺损区X射线片，观察动物模型的断端间成骨变化。按照JOHNSON等[14]的骨缺损区X射线评分标准行放射学评分，评分越高说明骨折愈合越好。

1.5.2 组织学观察分别在应力刺激后第4，8，12周麻醉大鼠后取骨缺损中心区和外周区组织。每次实验组和对照组各选取5只动物模型，将所取标本一部分冻存，另一部分经体积分数4%甲醛固定，Plunk液脱钙，梯度乙醇脱水，二甲苯透明，石蜡包埋，切片厚度5 μm，苏木精-伊红染色镜下观察。

1.5.3 免疫组织化学检测断端中的成骨生长因子表达组织切片于65 ℃烤箱中烘烤1 h后，依次用二甲苯、梯度乙醇脱蜡、脱水，抗原修复，体积分数3%的双氧水灭活，分别滴加成骨生长因子β、血管内皮生长因子一抗抗体(1∶50稀释)，4 ℃冰箱中过夜；37 ℃复温，SP(链霉素菌抗生物素-过氧化物酶连结法)2步法孵育，PBS冲洗，DAB(3，3-二氨基联苯胺)显色，苏木精复染，脱水、透明、封固，镜检，采用显微镜图像分析软件(Image-Pro Plus)通过计算平均灰度值，分析免疫组化结果，棕褐色为阳性结果。
1.5.4 荧光定量反转录聚合酶链反应(RT-PCR)检测断端中成骨生长因子基因表达先将冻存组织置于无菌研钵中，加入液氮，研磨至粉末状，按TRIZOL法提取总RNA，测吸光度值，检测总RNA含量及纯度；将提取的RNA按含量与反转录试剂混和，配成10 μL反应液；37 ℃ 15 min，85 ℃

5 s设定反转录程序。然后将反转录得到的引物与PCR反应试剂混合，按细胞因子设定不同的温度，进行PCR反应。按以下公式计算实验组中骨形态发生蛋白2、血管内皮生长因子、转化生长因子β1基因相对于对照组的扩增倍数。计算公式：拷贝数=2-∆∆Ct，即：拷贝数=2-[(CT实验组研内参)-(CT对照组-CT内参)]。引物序列见表1。

1.6 统计学分析用SPSS 21.0统计学软件，所得结果采用x±s表示，比较实验组与对照组断端中的成骨生长因子表达的差异采用配对t检验，比较各时间点间成骨因子表达的差异采用单因素方差检验，P < 0.05认为差异有显著性意义。

讨论

骨不连断端存在低表达的成骨样细胞、血管网及成骨因子，仍具有成骨潜能[2-3]。体外细胞实验证实机械应力如压力、张力、牵张力等，均能促进细胞组织向骨的转化[6，15-17]，并且其分化与机械应力的类型、强度、时间、频率等密切相关[18-21]，其中低强度高频率的机械应力能有效促进成骨[11，22-24]，但是以上结论大多来自体外细胞实验，缺乏动物实验的支持，不能为临床应用治疗骨不连提供有力的理论支持。因此，此次实验建立骨不连模型，给予低强度的机械应力刺激[10-13]，观察断端成骨因子的变化。
骨折愈合过程涉及多种细胞、生长因子和理化条件，其中生长因子(骨形态发生蛋白、血管内皮生长因子等)发挥着至关重要的作用[7，25-26]。血管内皮生长因子能直接作用于血管内皮促进血管生成；还参与软骨内和膜内成骨，在骨的生成、骨折愈合过程中起正性调节作用[26-29]。实验组血管内皮生长因子基因在加压第4周出现扩增高峰，在3种成骨因子中最早反应，提示机械应力刺激下，优先激活断端组织中血管内皮生长因子信号通路，其基因表达相继增多，刺激血管再生和重塑血管网，为骨不连断端新骨形成提供营养通道；加压第8周，血管内皮生长因子表达出现峰值，基因扩增呈下降趋势，而此时骨形态发生蛋白扩增表达逐渐增高，X射线片显示断端显影模糊，组织学提示散在骨岛形成，可能提示局部血管再生趋于稳定，局部微环境向成骨方向转变。血管内皮生长因子优先表达，骨形态发生蛋白随后出现表达高峰，以上变化提示成骨过程中不同作用的生长因子的表达具有时间性差异；第12周，实验组血管内皮生长因子的表达出现下降趋势，虽然断端组织中有部分新骨形成，但是仍说明当前的机械应力无法维持其持续高表达。
骨形态发生蛋白在骨的发生、诱导、修复等方面发挥重要作用，是目前已知的最为有效的成骨诱导因子，能够诱导干细胞增殖、分化为软骨细胞或成骨细胞，目前已被广泛用于临床治疗[25，30-32]。其中骨形态发生蛋白2诱导骨形成，促进骨折愈合的作用尤为突出[31，33]。SCHWARZ等[7]研究证明外源性骨形态发生蛋白2治疗大鼠骨不连时，联合使用机械应力可放大其作用促进新生骨形成。与对照组相比，实验组在第4周，骨形态发生蛋白的阳性表达增加，第8周，基因扩增和表达可达到峰值，这种现象可能与早期应力刺激形成新生血管网，成骨样细胞迁移、募集，成骨因子表达增多，两者相互协同促进成骨，骨形态发生蛋白的基因扩增和免疫组化结果证明上述观点。在成骨过程中，成骨因子的持续作用下成骨样细胞可转化为软骨细胞，后者形成软骨岛或骨样组织，促进骨折愈合[34]。实验中骨形态发生蛋白2、血管内皮生长因子等成骨因子的表达在第12周后下降，组织中只出现单侧骨桥，以上变化结果说明早期的应力刺激可诱导骨不连断端组织中骨形态发生蛋白2、血管内皮生长因子等成骨因子的持续表达，但随着成骨微环境的稳定，其表达下降，局部有效浓度降低，成骨过程出现延缓或停滞；提示骨不连断端成骨后期可能需要调整机械应力的强度、频率等，从而促进持续的成骨过程。
转化生长因子β1能诱导成骨细胞增殖、刺激膜内成骨、促进骨折的愈合[25，32，35]，实验组中转化生长因子β1表达平稳，峰值波动不明显，但与对照组仍有差异，该结果提示成骨过程中转化生长因子β1可能以协同作用，放大其他成骨因子的成骨作用为主导，其协同作用机制有待进一步研究。通过以上实验结果表明血管内皮生长因子、骨形态发生蛋白基因表达存在时间性差异，应力刺激下血管内皮生长因子基因早期表达，为组织内的成骨提供先决的理化环境和物质基础。断端新生血管网形成之后，成骨细胞完成有效募集、成骨因子发挥最佳成骨作用。
该结果表明实验采用的应力强度和频率可促进骨不连断端的组织成骨，有效的应力刺激时间需持续8周以上，符合CARTER等[36] 研究提示的低强度应力可促进成骨作用，在动物模型中未发生明显的不良反应，具备良好的临床应用前景，但是后期是否需要调整应力的强度、频率等以促进持续的成骨过程有待进一步研究。
该实验仍存在一定的局限，如应力刺激的频率、强度等无法达到精确量化，缺乏不同强度应力刺激的对照，后期如何调整机械应力等，同时对于时间较长的骨不连其断端组织的变化有待进一步研究；另外对于在机械性应力作用下，不同成骨因子相互作用的分子机制有待深入的研究。
综上，实验成功制作大鼠股骨骨不连模型，并且实验结果表明机械应力刺激可促进骨不连断端骨形态发生蛋白2、血管内皮生长因子等成骨因子表达，其表达具有时间性差异，通过相互的协同作用，放大成骨因子的成骨作用，促使骨不连断端组织中骨再生，为临床治愈骨不连提供一种有效的治疗方法。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

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[1]	胡凯, 乔晓红, 张永红, 王栋, 秦泗河. 空心螺钉和钢板内固定修复移位型跟骨关节内骨折：基于15篇随机对照试验的Meta分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1465-1470.
[2]	黄登承, 王志科, 曹学伟. 体外冲击波疗法治疗中老年膝骨关节炎短期疗效对比的荟萃分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1471-1476.
[3]	徐峰, 康辉, 魏坦军, 席金涛. 椎弓根螺钉不同固定方法治疗胸腰椎骨折的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1313-1317.
[4]	姜勇, 罗翼, 丁永利, 周勇, 闵理, 唐凡, 张闻力, 段宏, 屠重棋. 骶骨精准切除影响骨盆稳定性的冯米斯应力特征及临床验证[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1318-1323.
[5]	张同同, 王中华, 文杰, 宋玉鑫, 刘林. 3D打印模型在颈椎肿瘤手术切除与重建中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1335-1339.
[6]	张宇, 田少奇, 曾国波, 胡川. 初次下肢全关节置换后发生心肌梗死的危险因素[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1340-1345.
[7]	韦玮, 李剑, 黄林海, 兰敏东, 卢显威, 黄绍东. 全膝或全髋关节置换后老年人首次活动时跌倒恐惧的影响因素[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1351-1355.
[8]	王金军, 邓增发, 刘康, 何智勇, 余新平, 梁建基, 李晨, 郭洲洋. 全膝关节置换静脉滴注氨甲环酸联合含氨甲环酸鸡尾酒局部应用的止血效果及安全性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1356-1361.
[9]	肖国庆, 刘选泽, 严钰皓, 钟喜红. 后交叉韧带替代型假体全膝关节置换术后屈曲受限的影响因素[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1362-1367.
[10]	彭智浩, 冯宗权, 邹勇根, 牛国庆, 吴峰. 活动平台单髁置换后下肢力线与外侧间室骨关节炎进展的关系[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1368-1374.
[11]	黄泽晓, 杨妹, 林诗炜, 何和与. 血清n-3多不饱和脂肪酸水平与全膝关节置换早期股四头肌肌力变化的相关性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1375-1380.
[12]	张冲, 刘志昂, 姚帅辉, 高军胜, 姜岩, 张陆. 局部应用氨甲环酸减少老年股骨颈骨折全髋关节置换后引流的安全和有效性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1381-1386.
[13]	姚汝斌, 王仕永, 杨开舜. 微创经椎间孔椎间融合治疗单节段腰椎管狭窄症对腰椎-骨盆平衡的改善作用[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1387-1392.
[14]	王海莹, 吕冰, 李辉, 王顺义. 减压植骨融合内固定治疗退变性腰椎滑脱：基于脊柱骨盆参数预测患者的功能预后[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1393-1397.
[15]	吕振, 白金柱. 基于McKenzie技术的腰椎运动链训练应用于腰椎间孔镜术后分期康复的前瞻性研究[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1398-1403.