骨科基础科学研究的现状与未来发展方向

我国骨科基础科学研究的现状
与未来发展方向
【关键词】骨科基础科学研究
从2006年中华医学会第八届骨科学术会议暨第一届国际CORS 学术大会开始，骨科基础科学会议第一次独立出来提前1天举行，目前已经成功地举办了三届，这反映了近年我国骨科学界对基础研究的重视程度不断提高，基础研究队伍的稳定发展和不断壮大。

对比前两届，2008年11月在苏州举行的第三次骨科基础会议内容，反映出我国骨科基础研究水平已经有了可喜的进步和变化，并逐步向国际骨科学界的发展趋势和先进水平靠拢和接轨;我们也清楚地看到在这一过程中暴露出的一些方向性和原则性的问题，需要在未来的发展中不断解决和调整。

1 我国骨科基础科学研究的现状
我国骨科基础科学研究目前仍然集中在生物工程技术应用和组织再生方面的研究，按技术性质分类，包括以下几个方面：
1.1 生物技术
1.1.1 生长因子
在众多骨作用生长因子中，对骨形态发生蛋白(BMPs)的重点关注至今尚在持续。

由于受直接提取自动物骨组织中的BMPs存在动物性潜在疾病在人类传播的风险，现逐渐倾向于试图通过基因重组的方法制取或通过转基因技术导致宿主靶细胞表达BMPs，以提高局部BMPs的水平。

基于BMPs骨作用机制的大量实验资料，研究的对象
主要包括BMP-2/4和BMP-7(OP-1)，但到目前还未有商品化的产品。

在软骨尤其针对关节软骨细胞表型的调控，常用的调节因子为TGF-β，采取的策略与BMPs相似。

关键问题是，重组生长因子的活性低、在应用部位易分解与流失、时效短;目的基因修饰的靶细胞，不仅表达生长因子的时效性、量效性尚待评估，而且目的基因的转染载体(如病毒)会干扰宿主靶细胞的生物学性能，甚至致瘤;而非病毒转染载体转染效率低。

因此，近年来筛选与发现具有研发前景的骨诱导和(或)骨形成性小分子化合物(如BMP模拟化合物)的研究工作正在展开，并已见于会议交流论文或文献报道。

1.2 药物的改良和研发
双磷酸盐类化合物可通过抑制由破骨细胞引起的骨量丢失而成为现在治疗骨质疏松的主要药物。

已有的实验资料报道，这一有益作用正在应用于防治因关节假体-骨界面间的骨吸收而发生的假体松动;通过对骨巨细胞瘤细胞在体外对二膦酸盐类药物反应性的研究，发现二膦酸盐类药物可抑制骨巨细胞瘤细胞的生长并诱发其凋亡，因此提出二膦酸盐类药物在治疗骨巨细胞瘤尤其是预防其术后复发，具有潜在的临床应用价值。

国外研究发现，斯盖亭(statins)作为用于降低血胆固醇以预防心脏病和中风发作的药物，可刺激BMP-2的合成而促进成骨细胞性骨形成与可抑制COX-2(环氧化酶-2)活性，由此所显现的治疗骨质疏松症和关节炎性疾病的潜在价值，在我国也已受到重视。

为降低雌激素在治疗骨质疏松症中的系统性不良作用(如子宫内膜增生、子宫内膜癌和乳腺癌等)，并使雌激素可在骨组织中浓集、
减少治疗有药剂量的目的，应用亲骨性化合物作为雌激素的导向载体，而合成的趋骨性雌激素复合物已显现出实验性优势性能，我国这方面的研究趋近同步于国际水平。

1.3 生物物理技术
生物物理技术如冲击波，超声波，电刺激和振动因为其无创性，而广泛应用于骨科临床和康复治疗。

大部分生物物理刺激，认为都是通过针对骨骼肌肉组织的力学刺激，诱发和放大愈合级连反应。

但是该类技术的机制研究在国内较少。

同时，这类技术在骨骼肌肉系统疾病的治疗效果，有比较大的争议。

实际上，这类治疗的开始和中止的时间，治疗周期和治疗剂量都非常关键。

而且，机体对这类力学刺激的反应也直接影响治疗效果。

关于力学感应器的研究值得进一步开展。

1.4 生物材料和组织工程技术
有关移植性生物材料的研究，现今着重针对天然性和合成性生物材料的改良，包括纳米级材料的制备、适于细胞粘附和生长的材料表面修饰、符合生理状态的材料构筑的完善，等。

在生物材料植入体内后还难以实现自身诱导血管神经化的情况下，有研究报告初步尝试通过显微外科技术，利用带蒂筋膜瓣包裹、带血供肌瓣包裹和利用血管束的植入，拟达到生物材料血管化以提高骨缺损修复性能的目的。

但对生物材料要实现真正意义上的血管神经化，更宜从改善材料的内部微环境入手，以使之更接近或相似于生理状态，使其血管神经化进程和组织结构更或基本趋近与体内自然发生过程。

具有骨形成诱导和骨吸收抑制功能的锶盐，和传统的羟基磷灰石混合，临床前试验显示骨填充和骨结合能力良好，目前已经用于临床试验。

骨髓基质干细胞也尝试种植到生物材料表面，早期结果显示细胞存活率比较低，随着纳米技术的引入，改造生物材料的表面，更加有利于细胞的贴附和生长。

2 目前存在的问题
从以上总结可以看出，目前我国的骨科基础科学明显存在以下倾向：重技术，轻思维;重治疗，轻诊断;重疗效，轻原理。

“重技术，轻思维”是指目前科研人员紧跟国内外高新科技的发展动向，一味的追求技术本身的“高、精、尖”而忽略了科学研究思维本身。

特别应该注意的是，骨科基础研究必须以骨科疾病为导向，以实际临床问题为依托，推导和提炼出科学假设，从而再选择合适的实验技术加以证明，不一定需要“高新”技术，不可以削足适履、本末倒置。

关键是要临床问题针对性强，实验假设科学合理，那么运用常规技术一样可以出很好的研究结果。

“重治疗，轻诊断”是指目前研究主流是生物工程干细胞技术应用于骨骼肌肉系统组织再生的研究当中。

从逻辑上来讲，“早期诊断，早期治疗”，这些先进的生物工程的治疗技术，只有等疾病能够得到早期诊断才能更大的发挥其作用。

因此在大力发展治疗技术的同时，也应该积极推动早期诊断的发展。

“重疗效，轻原理”是指某些科研人员持有的所谓的“黑匣子”理论，只关心有效和没有效果，不关心为什么有效为什么没效。

对治疗
原理的不重视，只会导致简单重复低水平的研究，对未来进一步技术改良和技术创新非常不利，将无法形成具有独立知识产权的学术成果。

综上所述，我们主张我国骨科基础研究，应该从技术导向性研究向临床问题导向性研究和科学假设导向性研究的转变，从简单效能型研究向机制探讨型研究转化，开展诊断技术研究和治疗技术研究并重。

3 未来发展的方向
从我国骨科基础研究的现状出发，针对以上所述的方向性问题，我们认为在未来2～3年内应该加强以下四个领域的研究工作。

3.1 骨关节的发育生物学以及具有遗传倾向的骨关节疾病研究
我国关于骨与关节生长发育及其调节机制的研究相对滞后。

在骨科学研究领域，对多因素性、多基因性疾病如骨性关节炎、骨质疏松、脊柱侧凸等已陆续展开，并取得了初步的成果。

单纯从技术角度来讲，我国目前已经拥有很多国际先进水平的分子生物学仪器和方法。

但是，这些研究涉及的靶基因或其突变位点，常常是依据于国外的研究线索。

北京蛋白质组研究中心贺福初院士、张令强副研究员课题组的最新研究发现了一种新的骨形成负调控分子CKIP-1(酪蛋白激酶相互作用蛋白1)及其在机体骨量稳态调控中的作用机制。

相关成果于2008年7月20日在线发表于国际著名学术刊物《自然-细胞生物学》(Nature cell biologv)。

CKIP-1基因特异调控骨形成过程，其作用机制是结合
并增强调控骨形成的另一重要蛋白Smurfl的活性。

Smurfl是早先国际上揭示的调控骨形成蛋白质降解的主要分子，它可以在参与骨形成的关键蛋白质上添加一串泛素信号，这个信号可以被蛋白质降解机器——蛋白酶体识别，从而将蛋白质剪切为肽段，这一途径被称为泛素-蛋白酶体系统。

泛素-蛋白酶体途径的发现曾在2004年被授予诺贝尔化学奖。

Smuffl是这个系统中的关键组分，该实验室的人员发现Smurfl发挥功能需要依赖CKIP-1的辅助激活作用，其分子作用机制为一种全新的模式;在CKIP-1缺失的小鼠体内Smurfl的活性大大降低，骨重塑的平衡状态被打破，而CKIP-1的存在则可以帮助Smurfl 更好地识别并结合它要修饰并降解的蛋白分子。

当前国际认可的骨调控因子多来自国外研究，我国的原创性工作很少，这项研究成果揭示了CKIP-1在骨量控制中的重要功能及其与Smurfl分子的相互作用关系，将为骨质疏松病的预防、诊断、治疗提供新的靶点。

这一突破值得欣喜。

我国骨科基础科学学界的骨干同时又是临床医生，我国拥有大量的病人资源，而且相对集中，只要提高科研意识和科研实践水平，在大型医疗科研机构完全有条件对大样本的多基因性骨关节疾病进行筛查，从而找出针对中国人群的未来分子治疗的靶点。

3.2 力学生物学以及力学信号传导的分子机制
力学刺激对于骨骼肌肉系统的发育、损伤和愈合的病理生理过程至关重要。

细胞对机械性刺激作出反应时，细胞表面受体和细胞骨架可能在机械转导过程中起关键作用。

在可控制条件对离体细胞“机械
敏感性”生化途径的研究，将有助于针对靶细胞的干预性治疗。

现在所面临的主要问题是难以进行重复性的比较研究，因为细胞来源、培养条件、施加的机械负荷等都不尽相同。

负荷设计以外的意外性负载力(如贴壁生长的细胞，由于培养液活动所产生的反应性液体张力)常干扰实验结果。

如何对相关性刺激进行定义始终是争论议题。

通过对生长于生物载体材料内的骨髓基质干细胞，在流体力学作用下增殖、分化与成骨功能表型的影响及其发生机制的研究，指出培养液适当的灌流速度所产生的流体剪切力将有助于骨髓基质干细胞的成骨性分化。

力学刺激参数的筛选和确定，不仅可加深对骨生物学的认识，而且将可用于指导骨科用生物材料的研究与设计。

静态压力可抑制关节软骨组织蛋白多糖和蛋白质的合成，而动态压力则相反;人的关节软骨随年龄增加对动态压力的反应性增强。

提示关节施加规律性的负载，有延缓关节软骨性能随年龄增长而下降的作用。

对其机制的研究主要涉及二个方面：力学刺激对细胞膜转运过程的调控;力学刺激信号在细胞内的传导。

由于组织工程化软骨能否长期保持其活性状态，依赖于适当的基质成分和细胞活性的保持，因此，现在已将力学刺激信号对软骨细胞生物行为影响的研究内容扩展至组织工程化软骨。

骨生物力学作用机制的研究，现在主要侧重于骨陷窝-骨小管网状结构内的液体流动，细胞-细胞间连结对机械力学信号在骨组织内传导过程中的重要性。

通过液体流动和细胞-细胞间连结，骨组织细胞间可相互传递信号。

因骨骼受力变形，骨组织内部产生的液体流动
所造成的流体力学，叠加性地作用于骨细胞，可引起骨细胞的一系列生物学变化，而导致骨塑形和改建。

3.3 生物影像学在骨骼肌肉系统的应用
生物影像学技术在过去的十年迅猛发展，是以MRI技术为代表，不仅可以描述关节软骨的形态，还可以定量软骨体积和生化成分的变化;DTI技术更加可以定量胶原纤维网络的连接性和方向排列。

而且MRI的解像度也不断提高，目前临床使用的3-telsla MRI和试验使用的7-telsla MRI都已经达到了微米级别。

DXA，pQCT和micro-CT广泛运用于临床和基础的骨的形态计量学研究，提供骨(面，体)密度和微观结构。

目前，nano-CT已经开始在实验室得到应用，主要用于骨陷窝的数量、大小和形态的定量。

不过，这些技术在骨关节疾病的早期诊断和判断预后的意义尚待进一步研究。

随着计算机硬件水平的提高和有限元技术在生物力学中的不断深入应用，近年来关于骨与关节计算生物力学研究已经从传统的对骨性结构的简单线性模拟，逐渐提高到了对骨与关节及其附属韧带与肌肉组织的非线性仿真计算上。

利用影像学(主要为MRI和CT)数据采集模式获取原始数据，通过高仿真度的非线性三维有限元分析与先进的生物力学离体标本测试手段，探讨骨与关节的非线性力学特征，可为骨与关节稳定性评估、骨与关节功能重建、骨科植入物的研制、关节假体设计、脊柱畸形矫正等临床重点难点问题提供理论指导。

3.4 纳米医学的发展
纳米技术在医学中的应用一直都是研究热点。

最近，纳米嵌压技
术和原子力显微镜被引入到骨性关节炎的基础研究当中。

研究结果提示，纳米级的检测手段比微米级的检测手段可以更敏感更早的监测到骨性关节炎的病变。

这项技术有望开发成为纳米感应器，和关节镜手术中的探子相结合，提供软骨的纳米级生物力学信息和表面形态学。

纳米级的生物材料的开发业已出现，不过针对目前药物开发的趋势，如小干扰RNA药物的开发，药物需要合适的载体将药物应用到人体内，发展纳米非病毒载体为这类药物的开发提供必要的条件。