使用新型兔Masquelet技术模型对比自体骨移植与骨形态发生蛋白-2在骨再生中的应用研究

《Injury》：Comparative study of autologous bone graft and bone morphogenetic protein-2 for bone regeneration using a novel rabbit Masquelet technique model

　　

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  建立了一种新的兔股骨Masquelet模型用于治疗大骨缺损。
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  BMP-2（骨形态发生蛋白-2）/β-TCP（β-磷酸三钙）实现了与自体骨移植相当的骨愈合效果。
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  BMP-2显示出更高的组织矿化密度，表明矿化作用增强。
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  自体移植在μCT（微计算机断层扫描）分析中显示出更大的骨痂总体积。
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  BMP-2可能减少骨重建中供体部位的并发症。

引言

由创伤、骨不连、感染或肿瘤切除引起的临界骨缺损重建仍是骨科手术中最具挑战性的问题之一。已开发出多种重建策略，包括使用Ilizarov技术的骨搬运术和带血管骨移植术；然而，这些手术技术难度较高，且常伴随漫长的治疗周期和并发症[1]、[2]。

诱导膜技术，也称为Masquelet技术，已成为治疗大段骨缺损的有效方法。该技术分两个阶段进行。第一阶段，用甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥填充骨缺损，以诱导形成具有生物活性的膜。第二阶段，取出骨水泥占位器，在诱导膜内用骨移植材料填充缺损，从而促进骨再生并防止移植物吸收[3]。自体骨移植，尤其是髂骨取骨，由于其成骨、骨诱导和骨传导特性，常用于此技术[4]。

然而，取取自体骨移植存在一些缺点，包括供体部位疼痛、出血、感染和有限的移植物体积[5]。这些局限性促使人们越来越关注能够在避免供体部位并发症的同时促进骨再生的替代策略。

骨形态发生蛋白（BMPs）是一类骨诱导生长因子，在骨形成和修复中起重要作用。其中，BMP-2被认为是最强的成骨因子之一，已被广泛用于脊柱融合和骨折愈合等临床应用的研究[6]、[7]、[8]。重组人BMP-2已被证明能够刺激间充质干细胞向成骨细胞分化，并增强多种实验和临床环境中的骨再生[9]、[10]、[11]、[12]。此外，在大肠杆菌中生产的重组人BMP-2与CHO来源的rhBMP-2具有相同的氨基酸序列，但由于细菌表达系统不能进行糖基化，因此缺乏翻译后糖基化修饰。尽管如此，负责成骨活性的受体结合域得以保留，其生物活性与CHO来源的rhBMP-2相当[13]、[14]、[15]。

尽管人们对基于BMP-2的治疗越来越感兴趣，但在Masquelet技术背景下BMP-2与自体骨移植之间的直接比较仍然有限。本研究的主要目的是确定载有重组人BMP-2的β-TCP是否能实现与自体骨移植相当的骨再生效果，后者目前仍是Masquelet技术重建的金标准。因此，主要比较有意设计在ABG组和BMP-2组之间进行，而骨缺损组和β-TCP组作为参考对照组，为解释BMP-2的作用提供生物学背景。

此外，此前报道的大多数兔Masquelet模型使用前臂骨缺损[16]、[17]、[18]，这可能无法充分反映临床中大段骨缺损常发生于下肢的情况[19]。

因此，本研究的目的是建立一种新的兔股骨Masquelet模型，并比较自体骨移植与载有BMP-2的β-磷酸三钙（β-TCP）的骨再生能力。我们假设BMP-2在该实验模型中能够实现与自体骨移植相当的骨再生效果。

各节摘要

动物模型

所有程序均经机构动物伦理委员会批准，并按照机构指南进行。所有实验均符合ARRIVE指南。

本研究共使用43只雌性新西兰白兔（日本SLC公司，日本滨松）。所有手术操作在动物24周龄时进行。

使用吸入异氟烷（1–3%）配合100%氧气进行麻醉诱导和维持，流速为

手术操作

建立兔股骨Masquelet技术模型的方法如下。在手术第一阶段，在右侧大腿做一个纵行皮肤切口；暴露股骨。使用锁定钢板和螺钉（LCP 2.4；DePuy Synthes公司，美国宾夕法尼亚州韦斯特切斯特）进行内固定。使用[工具]在股骨干上创建一个20毫米的节段性骨缺损，该缺损在兔中被确定为无法在无干预情况下自发愈合的临界骨缺损。

实验一致性

在所有动物中均发现了诱导膜形成的宏观证据。每组有一只兔出现植入物失败。这些病例被纳入影像学评估，但被排除在组织学、微计算机断层扫描（μ-CT）和生物力学分析之外。

影像学评估

在第二阶段手术12周后进行影像学评估（图3）。BD组、β-TCP组、ABG组和BMP-2组的骨愈合率分别为0%、12.5%、86.7%和80%。

讨论

在本研究中，两组均取得了令人满意的骨愈合；此外，影像学、组织学和生物力学分析显示ABG组和BMP-2组之间的骨再生效果相当。

此前在兔上使用Masquelet技术的实验研究主要涉及前臂骨缺损[16]、[17]、[18]。然而，在临床实践中，大段骨缺损更常见于下肢[19]。因此，我们建立了

结论

我们成功建立了一种新的兔股骨Masquelet模型，该模型将有助于大骨缺损的实验研究。在该模型中，载有BMP-2的β-TCP在影像学、组织学和生物力学评估中实现了与自体骨移植相当的骨再生效果。这些发现表明，使用适当载体递送的BMP-2可能代表Masquelet技术骨重建的一种有前景的策略；然而，还需要进一步的

伦理批准

经神户大学动物伦理委员会批准（P210603-R1）。

伦理声明

所有动物程序均经神户大学动物伦理委员会批准，并按照机构和国家的实验室动物养护和使用指南进行（批准号P210603-R1）。

资助

本研究得到日本学术振兴会科学研究资助（KAKENHI）的支持[资助编号：22K09423]。

CRediT作者贡献声明

Yuya Yamamoto：论文撰写—审阅与编辑、论文撰写—初稿撰写、方法论、调查研究、数据整理、概念构思。Keisuke Oe：论文撰写—审阅与编辑、监督指导、方法论、正式分析、概念构思。Ryosuke Kuroda：论文撰写—审阅与编辑、监督指导、方法论、正式分析、概念构思。Takahiro Niikura：论文撰写—审阅与编辑、方法论、调查研究、正式分析、概念构思。Hyuma Kondo：调查研究、数据整理。Ryota

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

感谢Yasuda M.、Tanaka K.、Nagata M.、Jonathan和Fukumoto G.（神户大学医学研究生院骨科），以及H. Irie（Osteopharma）提供的出色技术协助。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

Yuya Yamamoto|Tomoaki Fukui|Yohei Kumabe|Kenichi Sawauchi|Ryo Yoshikawa|Kyohei Takase|Ryota Nishida|Hyuma Kondo|Takahiro Niikura|Ryosuke Kuroda|Keisuke Oe