低强度脉冲超声在颌骨牵张成骨中的应用

低强度脉冲超声在颌骨牵张成骨中的应用 低强度脉冲超声在颌骨牵张成骨中的应用 ?374? 国际口腔医学杂志第34卷第5期2007年9月 InternationalJournalofStomatologyVo1.34No.5Sep.200 低强度脉冲超声在颌骨牵张成骨中的应用 王成综述曾融生审校 (中山大学光华口腔医学院?附属口腔医院口腔颌面外科广东广州510055) 【摘要】在颌骨牵张成骨中,缩短治疗时间和促进新骨形成以及 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 理想的牵张 超声以 器一直是研究的热点. 其独特的理化性质和生物学作用在医学领域有广泛的应用,尤其是低强度脉冲超声在促进骨愈合中显示出了巨 大的潜力,已有学者将其用于牵张成骨中.低强度脉冲超声能促进新骨生成,加快骨组织愈合,缩短治疗时间, 减少牵张成骨术的并发症.本文就低强度脉冲超声在颌骨牵张成骨中的作用及其机制作一综述. 【关键词】牵张成骨;低强度脉冲超声;成骨细胞;骨愈合 【中图分类号】R454-3【文献标识码】A Advanceoflow-intensitypulsedultrasoundindistractionosteogenesisWANGCheng,ZEN GRong-sheng. (Dept.ofOralandMaxillofacialSurgery,Gz姗劝SchoolofStomatology,SunYat—SenUnivers,Gtumgzhou 510055,China) 【Abstract]Indistractionosteogenesis,researchersalwaysfocusondesigningperfectdistra etortoacceleratebone regenerationandtoshortenthecourseoftreatment.SincetheultrasoundWaSfound,ithaSbee nwidelyusedin medicineasadiagnosticandtherapeutictoo1.Low— intensitypulsedultraSound(LIPUS)isaformofmechanical energythatistransmittedthroughandintobiologicaltissuesasanacousticpressure.IthaSbee npermittedto印一 plyinclinictoacceleratehealingoffracture.LIPUShaSbeenappliedindistractionosteogene sistoenhanceOS— teogenesis,toacceleratehealingofOSSEOUStissue,toshortenthetimeoftherapyandtomini mizethecompliea- tions.ThegoalofthisreviewWaStopresentthecurrentknowledgeofLIPUSindistractionost eogenesis. 【Keywords]distractionosteogenesis;low-intensitypulsedultraSound;osteoblast;boneh ealing 近年来,牵张成骨术(distractionosteogenesis, DO)在颅颌面外科得到广泛应用,取得了常规治 疗手段难以达到的治疗效果,有其无可比拟的优 越性.超声治疗对骨折愈合是生理物理性干预, 能促进骨痂形成,加速骨折愈合.将超声治疗与 牵张成骨术相结合,可以增加新骨形成的数量和 质量,缩短治疗时间,显示出了广阔的应用前景. 1低强度脉冲超声在牵张成骨中应用的实验研究 牵张成骨是将骨密质或骨切断,被切断的骨 块保留骨膜,软组织及其血供,然后安装牵张器 固定,逐步施加牵张力,保持一定的持续张力, 刺激骨间隙组织增殖新生,形成新骨.其愈合类 似于骨折时骨断段的愈合,有血肿形成,炎症反 应,血管形成,血肿机化和骨痂形成以及骨痂改 建.整个过程中有软骨内化骨和膜内化骨两种成 【收稿日期】2007—0l—l2:【修回日期】2007—04—17 【作者简介】王成(1983一),男,甘肃人,硕士 【通讯作者】曾融生,Tel:020—87334452 骨形式.但牵张成骨并不完全等同于骨折愈合, 它不是一次次形成微小的骨折,而是对骨源性细 胞持续的机械性刺激l".同时,若在牵张成骨的 过程中予以低强度脉冲超声(1ow—intensitypulsed ultrasound,LIPUS)刺激,可以促进新骨生成,提 高骨痂血管化程度和矿化密度,增强骨组织机械 强度,加快牵张成骨速度,缩短治疗疗程. 1.1低强度脉冲超声用于牵张成骨的动物实验研 究 LIPUS用于牵张成骨的动物实验研究,学者 们的研究结果不尽相同,存在争论.有学者在兔 胫骨牵张成骨实验中应用LIPUS使得快速牵引组 (牵引速度3mm/d,无间歇期)获得了良好的骨愈 合,且组织学检查未见组织损伤12].还有学者 在兔模型中,研究了超声对双侧胫骨的骨延长和 愈合的促进作用,发现即使以3mm/d的速度进行 肢体延长(这大于公认的1mm/d的延长速度),同时 予以超声治疗,亦可促进骨痂的出现,取得良好 的疗效[31.一些学者在34只SD大鼠单侧胫骨 国际口腔医学杂志第34卷第5期2007年9月 :elTlatioilalJournalofStomatolow~Vo1.34No.5SeD.2007 牵张术中应用LIPUS治疗5周后,发现LIPUS治 疗组比对照组骨损伤愈合早1周,骨量和骨小梁 也比对照组多,骨硬度和骨强度也分别比对照组 高20%和33%t4~.而有学者在26只新西兰大白兔 胫骨上的实验表明,LIPUS在牵张成骨固定期能 增加骨痂量,改变新生骨成分,但对增加新生骨 的机械性能和骨矿物质密度没有作用嘲.学者们 在兔牵张成骨模型中用LIPUS治疗,发现实验组 与对照组的骨矿物质的质量分数和骨强度差异无 统计学意义昀.也有学者在用新西兰白兔建立的 牵张成骨模型上证实了LIPUS在牵张成骨固定期 可以加速骨改建和骨形成,其作用最佳时机在固 定期的初期;LIPUS治疗组相对于对照组在固定 后第2周时骨矿物质的质量分数,骨矿物质密度 和骨强度指数均有明显的提高,但随着时间的延 长,这种差异变小,在第4周时实验组与对照组 的差异己无统计学意义.这提示LIPUS仅在牵张 成骨的早期有明显的作用17].一些学者将75只日 本白兔分为对照组,间歇期组,牵张组和固定 组,在后三组分别予以LIPUS治疗来探讨LIPUS 的最佳治疗时机,他们发现最有效的治疗时间是 在牵张期,在此期中牵引组的骨矿物质密度和骨 机械强度远大于其他各组,新生骨量也比其他各 组多嗍.由此可见,尽管LIPUS在牵张成骨中的 作用尚有争论,但争论主要集中在治疗的时机和 是不是可以增加新生骨组织矿物质的质量分数, 密度以及机械强度.由于大多数研究都选择在牵 张成骨的固定期予以超声治疗,其LIPUS治疗时 机选择是不是得当还有待考证;而且学者们研究 的测量方法也不一样,其可比性也存在问题.但 LIPUS在牵张成骨中能够加速骨痂成熟,加快骨 组织矿化,促进新骨形成已被众多动物实验研究 证明. 1.2低强度脉冲超声用于牵张成骨的临床实验研 究 LIPUS虽已广泛用于临床,促进骨折愈合, 但将其用于牵张成骨的临床研究报道较少.有 学者在进行骨延长的患者中使用LIPUS,发现 其明显地促进了骨痂的形成与塑形,缩短了固定 时间删.一些学者则在21例双侧膝关节炎和内翻 畸形患者身上行开放性楔形高位胫骨切开术,然 后行牵张成骨术,随机选择患者的一侧胫骨作为 超声治疗组,对侧为对照组.治疗4周后,超声 治疗组的骨痂矿物质密高于对照组,其差异具有 ?375? 统计学意义.整个研究表明,在牵张成骨的固定 期,LIPUS能加速骨痂成熟,促进骨组织矿化形 成?.临床研究也证实,LIPUS在牵张成骨中能 促进新骨形成和成熟,减少延迟成骨,甚至在一 些不利成骨的条件下如慢性骨炎时也可以促进新 骨形成【ll】.而在另一临床随机双盲实验中,学者 们对无牙颌下颌骨严重吸收的患者行下颌骨垂直 牵张成骨术,术后对其中一组患者在牵张的最初 几天开始给予LIPUS治疗,直到装上种植体.在 经过31d的固定期后,显微照相检查和组织学检 查显示与对照组相比,LIPUS没有促进垂直牵张 术后下颌骨的新骨形成,两组患者的下颌骨均增 高(6.6+1.1)mm,这可能是由于观察时间太短, LIPUS作用不明显的缘故【l2】.虽然LIPUS在牵张 成骨中应用的临床研究报道还较少,效果也存在争 议,但LIPUS具有促进新骨形成的作用是肯定 的,可是其具体作用于牵张成骨哪个阶段以及采 用何种功率,频率和脉冲间隔的LIPUS对牵张成 骨的效果最优,尚需要进一步研究.在牵张成骨 的延迟期,炎性细胞,骨髓细胞和间充质细胞聚 集在截骨位点;牵张期时,截骨位点的细胞在持 续性机械张力的刺激下,间充质细胞分化成骨源 性细胞并增殖;而在固定期,骨源性细胞承受的 张力下降,牵张的骨痂逐渐钙化.这种不同阶段 的组织细胞变化可能对LIPUS治疗有很大影响, 但尚需进一步研究. 2低强度脉冲超声在牵张成骨中的作用机制 超声的治疗作用主要是由其作用于机体产生 的机械振荡效应,微细的按摩效应,生理物理效 应以及温热效应引起.按照Wollf定律,骨组织 据其所受的应力而塑形.LIPUS对牵张成骨的影 响主要是其产生的微机械效应直接作用骨源性细 胞,刺激骨源性细胞增殖并表现出成骨活性.此 外,LIPUS还能促进血管形成,激活细胞信号转 导和刺激骨形成相关基因的表达.LIPUS就是通 过这些作用及之间的相互联系共同调控从而影响 新骨的形成. 2.1低强度脉冲超声对血管的作用 体外实验表明,LIPUS可以增加血管生成相关 细胞因子的合成,使得白细胞介素(interleukin, ID一8,碱性成纤维细胞生长因子(basicfibroblast growthfactor,bFGF)和血管内皮生长因子(vascular endothelialgrowthfactor,VEGF)增加?,进而促 ?7|6? 进新生血管形成,增加血流.LIPUS还能使无功 能性毛细血管与其吻合支开放,加速血流循环, 增强并改善血供,从而使各类细胞因子及促进骨 愈合的必要成分的运输增强,促进了营养物质转 运和代谢废物排除,使得截骨位点细胞微环境有 利于新骨形成.有学者用LIPUS治疗狗的尺骨骨 折,发现在骨折位点及其周围组织的血流量显着 增加,在uPUS治疗第7天时,血管中显示剂的 像素值为对照组的3倍,这说明LIPUS通过促进 血管形成来提高骨组织的代谢活性04t.还有研究表 明,LIPUS可使血小板源生长因子(plateletderived growthfactor,PDGF)分泌增加p】,而PDGF可以 诱导成骨细胞分化成熟,诱导其合成胶原纤维, 促进软骨形成和膜内化骨. 2.2低强度脉冲超声对骨源性细胞的作用 骨源性细胞在适当的机械力作用下,可通过 力敏感离子通道,G蛋白与酪氨酸激酶,整合素 受体与细胞骨架等多种途径,感受体内外各种力 刺激,并把力刺激信号转化为细胞生物化学信号, 激活信号级联反应,介导相关敏感基因表达,合 成活性物质,参与骨形成过程.用LIPUS刺激体 外培养细胞的实验证明,LIPUS通过对骨源性细 胞直接施加机械压力来刺激其增殖并显示出成骨 活性[15-161,而且LIPUS还可激活前成骨细胞, 成骨细胞和骨膜细胞以及骨髓干细胞n78】.还有 体外实验发现,在LIPUS作用下破骨细胞的数量 显着减少而成骨细胞数量增加,培养基中碱性磷 酸酶活性显着增高,前列腺素E质量增多,成骨 细胞合成IL一6,IL一11以及肿瘤坏死因子一的能 力下降,而IL一6和IL一11可以诱导破骨细胞形 成,肿瘤坏死因子一能减少破骨细胞凋亡并抑制 Caspase酶活性.虽然LIPUS不直接作用于破骨 细胞,但可作用于成骨细胞,通过激活成骨细胞 来调节破骨细胞【5,19删.LIPUS的微机械按摩效应 还可以作用于细胞膜,引起细胞膜通透性改变, 膜上离子通道发生变化,细胞膜内外跨膜电位降 低,Ca2+内流,细胞内Ca:浓度升高.高浓度Ca 使细胞内PDEF激活,成骨细胞从静止状态的 GdG期进入S期,开始有丝分裂.研究表明, LIPUS可以促进分化中的软骨细胞和骨细胞Ca2 内流,腺苷酸环化酶活性增强,成骨细胞合成转 化生长因子(transforminggrowthfactor,TGF)一B增 加,活化的腺苷酸环化酶使得cAMP水平增高, 通过cAMP—PKA途径加强细胞内信号转导.有 国际口腔医学杂志第34卷第5期2Oo7年9月 IntemationalJournalofStomatolog3,VolI34N0.5Sep.2007 学者发现,体外培养的人成骨细胞在LIPUS作用 下,细胞膜上兴奋性G蛋白质量没有变化,而抑 制性G蛋白质量增加,最终使得细胞外信号调节 激酶磷酸化,丝裂原活化蛋白激酶激活,其下游 Cbfal/Runx2(Runx2是成骨细胞分化的必要转 录因子)和骨钙素基因表达增加.由此可见, LIPUS可刺激骨源性细胞合成分泌一系列细胞因 子,这些细胞因子又相互影响相互依赖,形成细 胞因子网络,共同激活转录因子,引起相关基因 表达,最终使得骨源性细胞及间充质细胞向成骨 方向分化,显示出成骨活性. 2.3低强度脉冲超声对基因表达的作用 LIPUS作用于膜表面阳离子通道,引起膜通 透性改变,Ca2内流和细胞内钙池(线粒体)释放 钙,导致细胞内Ca2+浓度升高,而Ca+作为第二 信使调节细胞内信号转导和基因表达.早期就有 研究发现,用LIPPUS刺激培养的软骨细胞可刺 激其可聚蛋白聚糖(aggrecar0基因表达.也有学者 发现LIPUS可刺激aggrecan基因早期表达,加快 软骨细胞合成蛋白多糖,促进软骨内化骨,增加 骨的机械强度吲.后来一些学者用LIPUS刺激培 养的鼠软骨细胞,也发现aggrecanmRNA表达增 强,并证明其表达与细胞内Ca:信号转导有关【l3】. 学者们用LIPUS刺激体外培养的人骨膜细胞,发 现LIPUS可刺激骨膜细胞向成骨细胞增殖分化. 在培养的早期,骨膜细胞中的VEGF,碱性磷酸 酶和骨钙素的基因表达明显增加并成剂量性依赖, 随着时间的延长,效果更加显着旧.有学者将体 外培养的骨细胞用LIPUS刺激,发现c-f0s基因, 环氧化酶(cycloxygenase,COX)一2,骨钙素,胰岛 素样生长因子和骨涎蛋白的基因表达在早期就 出现明显升高.c—fos基因在成骨细胞增殖分化 和骨基质成分基因的转录调控中起重要作用, 而COX一2是前列腺素生成过程中的关键酶,前 列腺素E:不但可以促进骨细胞的增殖分化,还对 COX一2有正反馈调节作用【l8】.近年来,学者们将 LIPUS早期作用于鼠骨髓基质细胞,用实时多聚 酶链反应定量分析早期反应基因和骨分化标志基 因的表达,结果发现在应用LIPUS后3h,早期 反应基因和骨分化标志基因的表达升高,这些基 因的表达同骨髓基质?胞向成骨细胞分化增殖有 关例.这些研究均表明,LIPUS通过强化某些特 殊基因的表达来刺激骨源性细胞分化增殖,并显 示出成骨活性,进而促进新骨形成和骨痂改建. 国际口腔医学杂志第34卷第5期2007年9月 InternationalJournalofStomatolo~~Vo1.34No.5Seo.2007 此类基因的表达产物还有bFGF,TGF—B等,这 些因子都具有诱导间充质细胞向成骨细胞分化, 促进成骨细胞增殖和细胞外基质合成,刺激细胞 合成胶原纤维和骨钙的作用. 此外,LIPUS除了上述3种作用外,还对一 些酶产生影响,如胶原蛋白酶和基质金属蛋白 酶,进而促进钙化支架——胶原蛋白的成熟.这 些酶对极小的温度变化都非常敏感,因此推测 LIPUS亦影响了一些酶促反应,这主要是通过温 热效应来实现的. 3结束语 LIPUS促进骨折愈合的作用早已得到证实, 但牵张成骨毕竟不同于骨折愈合,它不是一次次 地使骨组织产生微小骨折,使毛细血管一次次断 裂,而是对骨细胞施加持续温和地机械张力.在 这个过程中,形成新骨的模式还存在争论.一些 学者认为是膜内化骨,另外一些学者却认为是软 骨内化骨,而有学者应用原位杂交技术在牵张骨 段中发现软骨样骨细胞,提出第3种骨化模式即 经软骨样细胞骨化I".但目前较令人信服的观点 是在牵张成骨早期是软骨内化骨,而后期则是膜 内化骨.这由于细胞培养表明LIPUS作用最大的 细胞是软骨细胞,尤其是在aggrecan基因上的研 究更支持LIPUS作用的最佳时机多在固定期早 期.但究竟LIPUS具体作用的靶细胞是什么,其 作用的详细机制以及信号传导途径还有待进一步 阐明.将LIPUS引入到牵张成骨中,同时配合应 用镍钛记忆合金牵张器将会显现出更大的价值. 将镍钛记忆合金用于牵张成骨术中是最近才出现 的新技术,它的出现丰富了传统的牵张成骨理 论,减少了手术并发症.由于镍钛记忆合金牵张 器特殊的性能,利用其形状记忆效应配合超声的 温热效应可以设计出温控的镍钛记忆合金牵张 器,达到人为控制镍钛记忆合金牵张器的目的, 这与LIPUS刺激成骨的优点结合,使得牵张成骨 术更加完善,手术并发症更少,患者更容易接 受,因此有着广阔的应用前景. 4参考文献 [1]YasuiN,SatoM,OehiT,eta1.JBoneJointSurgBr, 1997.79(5):824-830. 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