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GBR技术引导颌骨再生的研究进展

2019-9-18 14:09  来源:口腔医学
编辑:施少杰 丁锋 宋应亮 阅读量:5765

    临床上长期缺牙、牙周病及其他原因导致的牙槽嵴骨量不足是口腔种植的一大难题,所以很多情况下需要人为改善种植位点。目前,改善牙槽嵴的方法包括引导骨再生(guided bone regeneration,GBR)、垂直骨劈开术、上颌窦提升术和外置植骨术等。其中GBR是临床应用时间较长的一种方法,但在缺损较大时成骨效果仍不理想。

    随着组织工程的发展,越来越多的新材料和生物活性分子被试图用于增强GBR的效果。但是很多研究表明生长因子应用于GBR后,新生骨的长期稳定性不能得到保证,这违背了使用生长因子的初衷。若能找出原因并予以解决,将能大大增强GBR的效果,拓展GBR的应用。为此,文章选取了国内外关于组织工程应用于GBR的文献,通过分析整合,对二者联合应用的现状和发展前景进行阐述,据此对目前生长因子辅助GBR长期稳定性不良的问题提出相关看法。

    下一步的研究方向初步拟定为先验证文中提出的假设,改进生长因子和屏障膜的使用,以期能增强GBR的骨再生效果,若能有稳定的骨量和骨质,则有望将GBR扩展到用于改善口腔以外的骨质,如糖尿病患者及骨质疏松患者的骨质不良性缺损,或损伤后较大缺损的修复,使之成为一种全身性组织缺损修复的常态化辅助手段。

    1.关于GBR膜的研究

    1.1GBR膜的分类和应用

    GBR的概念来源于牙周的引导组织再生(guided tissue regeneration,GTR),是用屏障膜将牙周软组织与缺损隔绝开来以保证缺损处优先成骨。屏障膜分为可吸取与不可吸取两种:不可吸取的有e-PTFE、钛网膜等;可吸取的有胶原膜、聚乳酸合成膜等。两者各有优缺点:不可吸取膜机械性能好,但组织亲和性差,需要二次手术取出,患者的痛苦和花费较多;可吸取膜不需要手术取出,但是其机械性能较差,且降解速率难以控制。

    应用较多的膜材料有:①不可吸取膜:e-PTFE膜生物相容性好且能保护血凝块,被视为屏障功能材料的金标准。然而,e-PTFE膜需要二次手术取出,若提前暴露于口腔环境会导致治疗的失败,所以需保证软组织封闭。②钛网:可以作为屏障膜单独使用或用于加强可吸取胶原膜,有良好的生物机械性能。③天然材料:胶原是细胞外基质的主要成分,配合生长因子,可以诱导新骨形成,但是胶原膜在体内的不定期降解会影响成骨效果。④人工合成高分子聚合物:聚乳酸的合成聚合物(PLA)等诱导成骨分化的潜力较强,已经发展成为自然膜的替代。但是聚乳酸膜降解较快,并且聚乳酸水解后的残余会引起局部炎症,形成脓肿。⑤脱细胞真皮基质:脱细胞真皮基质是去除自体或异体的皮肤组织中的细胞后保留结构完整的细胞外基质作为屏障膜,促进缺损区域组织再生。

    1.2GBR的限制因素

    1.2.1GBR技术的相关不足

    目前GBR技术的不足在于主要依赖机体自身的生长潜力来修复缺损,干细胞的活性和数量不足,以致于很难预测成骨效果,在缺损较大和机体情况不佳时无法取得满意的成骨效果。并且膜在应用中有屏障功能失效的可能性,一是因为软组织封闭不良导致膜暴露于口腔环境中,二是软组织封闭良好但可吸取膜降解失去屏障保护功能,这些都是GBR技术应用的限制所在。随着技术的进步,GBR膜也需要有一些新的发展方向:①提高膜的理化性能来增强屏障功能;②设法提高其成骨能力。

    1.2.2GBR膜暴露的研究

    GBR需要良好的软组织封闭和伤口的长期稳定性来保护再生过程。有学者对膜暴露后的成骨效果进行了研究,发现膜不暴露组的水平骨增量比膜暴露组多74%,骨缺损体积减小量多27%。还有研究使用不同孔径的不可吸取膜进行暴露实验,孔径小于细菌一般直径的膜暴露后也能取得近似于对照组的成骨效果。更进一步地,有研究报道,在膜暴露早期及时进行系统抗菌治疗,更换膜并关闭软组织,可以观察到与对照组近似的成骨效果。可以看出膜暴露的危害主要来自于细菌侵入,所以在GBR进程中发生膜暴露后及时进行处理可以将消极影响降到最低。

    1.2.3可吸取膜的降解规律研究

    可吸取膜临床应用较多,但是其降解规律尚不完全清楚。目前试图研究膜降解模式的实验不多,其中较有说服力的是Calciolari等,他们发现胶原膜的完整性可以维持一段时间,然后随着新生骨和血管的形成以及炎症细胞的作用,屏障膜丧失完整性从而失去屏障保护功能。与现有类似实验相同的是,研究者太侧重于膜降解的物理变化,而忽略了膜降解时新生骨的成长过程。在骨再生早期,膜降解后屏障功能丧失,软组织侵入会影响成骨效果。

    但是,新生骨的生长是一个动态的过程,所以不难想到,在骨再生的过程完全结束之前是否会存在一个时间点或范围,其后膜降解无法再影响成骨效果。可设置实验以验证:通过人为设定拆除不可吸取屏障膜的时间点来模拟体内可吸取膜失去屏障功能的情况,对照屏障膜完好组,找出新生骨成长过程不再被软组织干扰的时间点或范围,以及对应的骨生长参数。

    若要采取此种验证方法,在人为取出不可吸取膜时需要严格做好组织管理和系统抗菌处理,按前文的结论,可以尽量降低术区污染的不可控性,提高实验成功率,但仍有一定风险。可以肯定的是,要解决屏障膜降解不可控的问题,除了设法改进屏障膜理化性质以延缓降解,还可以设法加速新生骨的生长,使其在可吸取膜失去屏障功能的时间之前达到不被软组织影响的程度,然而这两者是否会互相干扰还需要研究验证。

    2.组织工程基础和应用于GBR的现状

    2.1组织工程应用基础

    组织工程有三要素:干细胞、生长因子以及携带二者的生物支架。组织工程支架提供细胞粘附、生长和周围组织长入的三维空间结构,由生长因子调控和诱导干细胞增殖、分化。随着新生骨组织和血管长入,支架材料逐渐降解,最终达到缺损完全由自体组织充满的目的。GBR要使用屏障膜和植骨材料,其中自体骨为植骨材料的金标准,但是存在第二手术位点以及一系列的并发症。

    由于纯粹的骨替代材料修复进程较慢,所以有学者试图通过组织工程来加快再生,如Thoma等将rhBMP-2载入异种骨材料用以增强GBR,还有Talaat等将骨髓浓缩液和富自体浓缩生长因子应用于下颌骨病变切除后的骨再生,也取得了较好的成骨效果。虽然这些实验没能提出定性的作用机制和定量的使用方案和用药规划,但是表明组织工程有加强GBR的可能性。

    2.2组织工程在GBR中的应用研究进展

    2.2.1GBR中生长因子作用的质疑

    生长因子对新生骨组织的形成有着重要的调控作用,在诱导新生骨形成的过程中用到的有骨形成蛋白(BMP)、血小板衍生生长因子(PDGF)、血管内皮生长因子(VEGF)等。目前对生长因子应用较多的形式有血小板制剂和rhBMP家族等。按照组织工程的理论,生长因子应该是有利于骨再生的,然而现实不仅限于此。有研究将取自人血小板的生长因子混合物和胶原支架、牙周膜干细胞分组联合后辅以胶原膜用来修复种植体周围骨缺损。实验发现使用了生长因子的组相比对照组没能取得理想效果,对此实验者没能作出说明。还有研究发现,使用生长因子的成骨效应前后不一。

    有研究者将BMP-2载入聚乙烯乙二醇凝胶(PEG)用来治疗种植体周围缺损,实验发现生长因子组16周的成骨效果不如第8周,新生骨区域百分比甚至降低一半,组织学观察发现骨改建尚未完成,有破骨细胞的存在和软组织的长入。此实验时间略短,应适当延长实验观察期,待实验组骨改建完毕,确认生长因子对骨再生的作用总和,但由于组织学观察发现主要是破骨细胞的活动,所以骨量更有可能越来越差。

    由于不同生长因子的作用不同,有可能是因为单一一种不足以支撑完整的骨再生过程,所以又查阅了多种生长因子联合使用的文献。有研究将VEGF和rhBMP-2联合应用于GBR,发现生长因子组仍然存在长期稳定性不良的现象。还有研究将血小板浓缩物和rhBMP-2用于GBR,发现生长因子组第8周的成骨效果高于阴、阳性对照组,第16周高于阴性对照组,低于阳性对照组。得到类似结果的实验很多,但是尚未有研究者给出有说服力的说明。

    经过对比发现,这些实验有一个共性:都使用了生长因子,但成骨的长期稳定性不如未使用生长因子的对照组。所以有理由怀疑新生骨长期稳定性不良与人为加入的生长因子有关。按照内分泌系统的规律推测,可能是最初高浓度的生长因子引发了负反馈机制,抑制了自身生长因子分泌,再加上外源生长因子逐渐消耗而不能支撑新生骨的生长和成熟,在后期的生长阶段不能满足成骨所需的生长因子浓度,导致骨吸取发生。可以通过定期注入生长因子来保持缺损处的生长因子水平,观察成骨结果来验证猜想。

    有研究用携带生长因子膜浸润的上浮液培养成纤维细胞,发现第1个小时的上浮液促细胞有丝分裂能力很高,之后快速下降,虽然此实验与体内环境不同,但也有一定的参考意义,可以看出的是人工生长因子不能保持恒定水平,需要后期补充,但是补充时间点尚未能明确,一方面是目前没有定量检测人工生长因子在体内浓度变化的方法;另一方面尚不清楚需要在生长因子水平降低到何种程度时进行补充。所以只能人为界定浓度与时间梯度进行探索,这都需要进一步研究。

    但进一步的研究仍有困难,主要在于体内环境的特殊性,一方面关于生长因子在体内局部停留时间的研究较少,而体外实验又很难模拟体内环境,体外实验得到的生长因子清除速率与体内不同;再有就是在体内不同浓度的生长因子在不同时期的成骨效果如何不得而知。若假设成立,则表明需要后期持续的人工生长因子供应,可以通过更改膜携带生长因子的浓度来建立浓度档次与成骨效果对应关系的数据库,通过建模型来推测合理的长期用药规划。

    2.2.2组织工程支架用于GBR的研究观察

    组织工程支架为新生的骨组织和血管提供生长和延伸的空间,但是由于骨缺损的形状往往很复杂,要充满缺损处较为困难。新近兴起的聚乙二醇(PEG)灵活易于处理,是一种很理想的支架材料。有研究将PEG代替胶原膜用于GBR,结果发现实验组也出现了新生骨长期稳定性不良的问题,但是实验组新骨区域减少的百分比小于使用了生长因子的实验(用百分比可以更客观地比较不同实验的效果)。

    凝胶组没有使用屏障膜,其屏障功能难以得到保证,所以新生骨的长期稳定性不良可能不仅仅与生长因子有关,还可能与屏障功能有关。有研究者尝试将颗粒状骨替代材料和切碎的L-PRF膜一起用纤维蛋白液混合植入缺损处,覆以胶原膜加一层L-PRF膜,观察5到8个月后发现水平骨增量较好且无明显的长期稳定性不良现象。与之前类似的实验对比可发现此实验中应用了两层膜,然后得出了比一层膜更理想的成骨效果,所以更有理由怀疑新生骨稳定性是否与屏障膜有关。

    还有实验从分子水平证实了这种现象,有研究将L-PRF膜用于兔子胫骨缺损的复原,第14天出现骨生长相关分子表达降低的现象,而且在第14天时膜出现了不完全的吸取,也可以看出成骨过程与膜的完整性有关。之前文中提到有关于膜体外降解规律的研究,可以研究使用了生长因子后膜的体外降解规律,看是否是生长因子改变了膜的降解规律。若与此无关,则可能是体内因素:生长因子在加速骨生长的同时,诱导新生血管形成和炎性细胞趋化等作用,从而促进了膜的降解,使膜在新生骨成熟之前就失去了完整的屏障功能,导致软组织长入,干扰新生骨生长,引起骨吸取,出现了观察到的新生骨长期稳定性不良的现象。

    目前关于生长因子的实验使用的大多是可吸取膜,所以对于这种可能性,可以将不可吸取膜用于生长因子的GBR过程,来判定是否与膜和屏障材料的完整性有关,若证明有关,则应设法加强屏障功能。

    2.2.3组织工程改性膜的发展

    组织工程可以将生长因子载入屏障膜中,有研究发现将rhBMP-9载入胶原膜中可以取得比载入骨替代材料更好的成骨效果,另外有研究表明肝素化处理生物膜后有助于控制生长因子的携带和释放。虽然仍有膜加速降解的风险,但若能在膜降解之前诱导新生骨更快的成熟,也可以达到目的。但是研究者们未提到的一种可能性是,膜作为生长因子载体是否有促进屏障膜附近的骨比深处骨更快生成,起到加固屏障的作用。有研究发现将脱细胞基质生物矿化可以使其化学组成近似于自然骨,提高其成骨能力。

    有研究者将透明质酸(HA)加入胶原中发现其降解率被大大降低,另外有研究将硅藻土加入壳聚糖复合膜中发现膜具有非常好的物理、化学和生物性能。在膜中加入无机填料可以改善其物理性能,延缓降解,这可以作为解决膜降解问题的新思路。除了设法改进膜的性能外,还可以使用双层膜来增强屏障功能,既允许营养交换,又可以隔绝软组织。

    总的来说,要将组织工程和GBR更好地联合起来,既要设法增强其再生效果,还要考虑对膜性能的影响,以及对机体的后续作用。

    3.前景及展望

    文中讨论了生长因子对机体的作用和对膜的作用,发现要解决成骨的长期稳定性问题,一是要加快成骨速度;二是设法延长膜的功能时间。这二者之间很可能存在矛盾性,即采取措施加快成骨的同时会可能会无意间加速膜的降解。所以无论生长因子作用如何,增强膜性能都是必要的。通过改进膜的理化性质来增强其抗降解能力与抗菌能力,还可以配合凝胶材料充填缺损和应用双层膜来延长屏障膜的功能时间。对于生长因子水平不足的问题,则可以通过后期更换携带生长因子的外层膜或直接注入生长因子来保证供应量充足。

    屏障功能和生长因子功能得以保证后,种植体周围缺损的修复乃至牙周病学中GTR的疗效都有可能被加强。但是这些都需要后期研究的支撑,所以进一步的研究将把重点放在提高组织工程和GBR新生骨稳定性上,找出生长因子的用药规划,设计出更理想的改性屏障膜方案,若能取得快速、稳定的成骨效果,将不止限于口腔内种植体周围骨组织缺损修复,甚至可以用于改善糖尿病及骨质疏松缺损、修复外伤造成的缺损等。

编辑: 陆美凤

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