磷酸钙骨水泥在骨缺损修复中的载药研究

1、磷酸钙骨水泥在骨缺损修复中的载药研究【摘要】感染性骨缺损临床常见且治疗难度大，既要解决感染问题，也要解决骨缺损修复重建的问题。本文对磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cement，CPC；或译作羟基磷灰石骨水泥，hydroxyapatite cement，HAC)作为缓释载体在骨缺损修复中应用的近期国内外研究进行文献整理与分析。研究表明，磷酸钙骨水泥是一种优良的骨科药物载体，在控制局部感染和修复骨缺损方面发挥巨大的作用。介绍了磷酸钙骨水泥载药系统所负载的不同药物，包括抗生素、细胞因子、干细胞和中药；讨论了抗生素与中药在骨水泥载药中的研究现状，以及多系统复合型磷酸钙骨水泥在骨科的

2、应用前景。【关键词】磷酸钙骨水泥；缓释；抗生素；骨形态发生蛋白-2；骨髓间充质干细胞；中药；感染性骨缺损Calcium Phosphate Cement for Drug Deliver Applications in the Treatment of Bone Defect【Abstract】Infected bone defects are common happen and difficult to treatment of in clinical. It is necessary to solve both the infection, and the repair and recon

3、struction of bone defects problems. This study investigated the applications of calcium phosphate cement (CPC) as drug deliver system to treat bone defect. Studies have shown that CPC is an excellent drug carrier. It played a huge role in the control local infection and repairing bone defect. In dec

4、ades, different drugs have been loaded in CPC，including antibiotic, cell factors, stem cells and traditional Chinese medicines. Research antibiotics and traditional Chinese medicine in the drug-loaded bone cement. There is a feasible prospect that compound-CPC used as a drug delivery system to treat

5、 bone disease.【Key words】calcium phosphate cement；drug delivery system；antibiotic； bone morphogenetic protein-2；bone marrow Mesenchymal Stem Cells；traditional Chinese medicine；infected bone defects1背景感染性骨缺损是骨科常见的治疗难题，它具有骨缺损及并发感染双重病变的特点，易转变为慢性病变，从而使患者肢体的形态、功能受到严重影响。由于现代社会中遭受交通事故、外伤的机会大大增加，以及术后护理不当、术后

6、感染，感染性骨缺损导致骨不愈合成为骨科的常见病。随着骨组织工程学的发展，生物材料越来越多地被应用在骨缺损的修复中，19世纪80年代研制出自固化磷酸钙人工骨（CPC，或译作HAC），它是一种非陶瓷型羟基磷灰石类（HAP)人工骨材料，以其良好的生物相容性、自固化、可降解性、骨传导性、可注射性和随意塑性等优点，成为近年来骨缺损修复中一种应用较多的、理想的生物材料1。应用于临床后得出结论，人工骨植入局部无皮肤红肿、皮温增高、出现斑丘疹或皮肤溃破等不良反应。术后6个月X线片示人工骨与骨组织融合,骨缺损基本修复；12个月时骨缺损修复,人工骨被完全吸收2。对感染性骨缺损的治疗起到明显的促进作用，同时，作为理

7、想的素缓释系统载体，CPC搭载药物及某些因子可产生更加稳定的疗效。2目的通过对磷酸钙人工骨不同复合方式的综述，对磷酸钙人工骨移植在骨科中的应用进行评价。3评价3.1抗生素在感染性骨缺损时，骨折处血运遭到破坏，全身应用抗生素时，骨患处局部有效药物浓度低，很难达到控制感染的目的。Zhang等3研究了磷酸钙人工骨的药物控释作用，将羟基磷灰石/壳聚糖复合万古霉素，通过冷冻干燥后，植入家兔肌袋，4周后植入周围肌肉组织中万古霉素依然保持释放，且浓度仍然高于最低抑菌浓度。Amador等4在磷灰石中加载不同浓度(25、100、500 microg/mg)的万古霉素，移植到感染耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA

8、)的急性骨髓炎家兔骨上，对骨、骨髓、关节液样本中的细菌计数进行评估。这项研究表明载万古霉素的人工骨在骨组织周围可以明显抑菌。Jiang等5通过动物实验，用复合万古霉素的羟基磷灰石植入患慢性骨髓炎兔骨内，结果证实有新骨形成，骨髓炎无复发感染，骨缺损完全修复，可有效治疗骨髓炎。同时，载入的抗生素能影响CPC的固化时间、机械强度等理化性质，而抗生素的释放与CPC的孔隙率、微孔直径等显微结构参数相关6。随着抗生素CPC载药系统研究不断深入，应用于临床治疗已成现实。袁枭等7应用ACPC载药核心块状同种异体骨治疗36例小段创伤性骨髓炎患者，全部患者未见明显全身反应，31例局部软组织愈合好，I期治愈率为86

9、.1%；另5例需要第二次清创、ACPC载药核心块状同种异体骨植入填充手术后获治愈。表明这种载药体系具有局部药物浓度高、缓释、药物极少进入全身循环等优点，可有效控制骨缺损处的感染。3.2细胞因子人体骨骼组织创伤后的修复是通过传导成骨和诱导成骨实现的，自体骨作为一种良好的骨修复材料，既可填补骨缺损，又能促进骨生物学修复，但因其来源有限，不能提供合适形状，可引起供区并发症，大大限制其临床使用。现已证实，骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）有高效的诱导成骨活性8，这为骨缺损的治疗提供了另一条途径。BMP-2是目前研究较多的一种BMP，2002年，rhBMP-2

10、被食品和药物管理局（FDA）批准应用于临床。BMP与CPC结合后植入体内，可使BMP继续保持其成骨活性，并且作用时间持久。动物实验显示9，将rhBMP-2和自体骨处理在家兔急性颅顶的缺陷中，在组织学上, rhBMP-2形成小梁和细胞比自体骨多，成骨效果更显著。Bai等10，将rhBMP-2 /磷酸钙骨水泥作用于经皮椎体成形术的猕猴，6个月后，几乎所有骨水泥都被成熟的骨组织所取代，说明了rhBMP-2 /磷酸钙骨水泥是一种具有骨诱导性同时可生物降解的材料。金占轩11将30只新西兰兔双前肢桡骨干造成15mm骨缺损，左侧植入rhBMP-2/CPC人工骨，右侧植入同规格CPC人工骨，结果显示rhBMP

11、-2/CPC侧新生骨形成量较CPC侧多。单纯的BMP有骨诱导活性，但无支架作用，而CPC具有良好的骨传导性，同时是一种理想的载体。所以，将BMP与CPC复合是一种优势互补的手段。3.3干细胞骨骼组织的修复需要成骨细胞和血管内皮细胞，前者成骨，后者生成新的血管。实验证实，骨髓间充质干细胞（bone marrow Mesenchymal Stem Cells，BMSCs）具有自我复制和多向分化的能力，可以区分成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞、血管平滑肌细胞和血管平滑肌周围细胞，通过培养增殖、克隆等方法可以向具有功能的成熟细胞分化。同时，转染基因（FHL2, ITGA5, Fgf18）后使骨缺损的修复效

12、果更加明显12。王磊等13培养出第2代比格犬骨髓间充质干细胞，转染绿色荧光蛋白（GFP）后与多孔磷酸钙（CPC）复合培养，在倒置和荧光显微镜、扫描电镜下观察了干细胞的黏附和生长情况。并将复合体植入裸鼠皮下8周观察异位成骨，结果显示，BMSCs转染GFP与多孔CPC复合培养1d，细胞从材料中爬出，形态正常，7d可见细胞伸出伪足，分泌基质；复合体可异位成骨。邓永忠14等以及Liu等15通过动物实验证实，转染血管内皮生长因子(VEGF)基因的骨髓间充质干细胞复合多孔CPC构建的组织工程化骨的修复效果明显好于未转染组。组织形态计量学分析显示，转染组的骨形成速率明显快于未转染组，新生成血管数多于未转染组

13、，说明VEGF转染细胞后血供加强，骨缺损修复加速。Lu等16指出，GenEscort II介导的pBMP-2转染可增强骨髓基质干细胞分化成骨和促进异位新骨形成的能力。由此可见，局部植入骨髓间充质干细胞可有效地修复骨缺损，通过在动物模型上研究骨髓间充质干细胞的修护能力，可以开发出用于修复骨缺损的新型材料，为临床试验打下基础。3.4中药中药是中国传统中医特有的药物，已有数千年的历史。中医学中常用不同的中药促进骨折愈合和治疗骨伤损害。刘强等17 将磷酸钙骨水泥复方丹参缓释系统局部植入家兔坏死的股骨头中，治疗后6周，通过观察血液流变学指标及空骨陷窝率，结果证实自体骨复合CPC-丹参缓释系统通过中药的局

14、部缓释能改善坏死股骨头血供，促进坏死骨的吸收、修复与重建。Qian等18通过动物实验证实，淫羊藿与CPC复合移植可加速骨折愈合，同时，比口服相同剂量效果更好。Jiang等19 对48例（54髋）股骨头缺血性坏死患者行病灶清除、磷酸钙骨水泥/丹参缓释系统植入治疗。结果患者术后均未发生下肢深静脉血栓、异物排斥反应等并发症，切口期愈合。48例均获随访2273个月，平均425个月。优33髋，良17髋，可3髋，差1髋，优良率为926。得出结论为磷酸钙骨水泥/丹参缓释系统植入治疗股骨头缺血性坏死，在髓芯减压、死骨清除的基础上，提供了骨修复的力学支撑，避免了股骨头塌陷，同时通过中药的局部释放改善股骨头微循环

15、，有利于股骨头的修复重建，手术创伤小、操作简便。中药及其成分具有良好的成骨药理活性，其来源广泛、价格低廉，有望作为一类新的药物应用于CPC局部给药的临床研究。4讨论4.1抗生素选用当今临床骨科外伤性骨髓炎和骨缺损两种疾病难以治愈。为了控制感染及修复骨缺损，许多研究人员在进行人工骨的研究，尤其是加入其中的药物。但这些研究尚处于实验室阶段，缺乏相关动物模型的制定标准，同时需要改进目前的缓释系统20。葡萄球菌是目前医院内最常见的致病菌，也是假体等骨科内置物周围感染的主要致病菌21，所以抗感染药物的选择应针对骨科感染最常见的致病菌，抗生素通常纳入骨水泥以防止感染。但是相当数量的微生物在增长或发展中获得

16、了对抗生素的耐药性,如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA），这是一个重要的问题22。随着金黄色葡萄球菌对甲氧西林耐药性的增加，MRSA感染产生了严重的危害。万古霉素是目前临床上公认治疗MRSA疗效肯定的抗生素23。然而动物实验表明24，万古霉素对骨组织的穿透能力差，对骨的杀菌是无效的，治疗时必须监测血药浓度以及相关的副作用；达托霉素是非经肠道给药的万古霉素的替代药物23。Crompton等25在一项使用达托霉素治疗成人骨髓炎患者的特例研究中，对该药的安全性和有效性做了评价；利奈唑胺属嗯唑烷酮类，对抗革兰阳性菌包括MRSA感染尤其有效，在感染性骨骼组织中也能达到较高的血药浓度。但使用时间过长会引

17、起周围神经和视觉神经的改变，若治疗超过2周，则每周须对血液药物浓度监测26；替考拉宁具有与万古霉素相似的抗菌活性，相同的作用机制，相近或更优的临床疗效，不良反应更低，引发的“红人综合征”更少，体内抗菌活性高、半衰期长，具有较持久的抗菌药物后效应27。当其他一线药物治疗失败时，达托霉素和替考拉宁是很好的选择。4.2中药的应用某些中药单体在临床治疗骨病中表现出无可比拟的优势，如厚朴酚具有极强的抗菌、抗真菌作用 ；隐丹参酮具有抑菌及抗癌作用 ；水杨苷具有解热、镇痛及抗炎、抗风湿等作用，并且有抑制破骨细胞的作用 ；蛇床子素具有预防骨质疏松的作用。将治疗骨病的特效中药单体与骨靶向载体耦联，寻找高效、安全

18、、新型的骨靶向药物是极具有价值的研究方向28。张海燕等29讨论了黄芪多糖、香丹注射液、丹红注射液和复方丹参注射液等在骨水泥载药中的应用研究现状。中药有望应用于CPC局部给药的临床研究，但目前相关安全性研究较少，有待加强。4.3多系统整合研究随着对磷酸钙骨水泥药物载体研究的深入，目前已有多系统整合的研究。Abbah等30以医用聚已酸内酯和磷酸三钙为载体，评估了rhBMP-2和骨髓干细胞在椎体间融合中刺激成骨的水平，指出载rhBMP-2或骨髓基质干细胞的支架系统可以替代传统的自体骨移植；Wang等31将rhBMP-2和万古霉素复合，制成载药人工骨，移植入家兔胫骨缺损模型。实验结果说明：在体内，万古

19、霉素持续释放超过14天并抑制细菌生长、rhBMP-2持续释放超过21天并具有骨诱导活性。结果均说明载药复合型移植骨是伴有污染或感染骨缺损较理想的修复材料，有着广泛的研究前景。但目前对于各种系统整合的研究较少，因此，开发一种复合型移植骨，并评估其释放能力、匹配效果和骨生成能力是非常必要的。5结语感染性骨缺损由于病理基础复杂，对其的治疗仍是骨科的一大难题，良好的治疗方案应该是同时满足控制感染及重建修复骨缺损两方面要求。对载药CPC的研究正在蓬勃发展：（1）抗感染药物的选择应针对骨科感染最常见的致病菌；（2）中药有着广泛的应用前景，但还需继续研究其生物相容性及安全性；（3）应继续进行复合型人工骨的研

20、究，制成同时具有抗感染和骨传导、骨诱导功能的复合人工骨，提高感染性骨缺损的治疗效果。参考文献 1 殷桂华，韩泽民. 磷酸钙骨水泥在骨缺损修复中的应用J. 中国康复理论与实践,2011,17(12):1139-1141. 2 阿不来提·阿不拉，艾克拜尔·艾拜也都拉，艾合买提江·玉素甫，等. 松质骨粒型自固化磷酸钙人工骨初步临床应用J. 中国修复重建外科杂志,2010,24(9):1100-1102. 3 Zhang J, Wang C, Wang J, et al. In vivo drug release and antibacterial properties

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