李澤華 關俊杰 張長青

創(chuàng)傷性腦損傷(TBI)是指暴力作用于頭部造成腦組織器質(zhì)性損傷。TBI可導致一系列嚴重的感覺運動障礙，是年輕人群殘疾和死亡的主要原因之一。TBI可根據(jù)昏迷時間、嚴重程度等方面進行評估，其中格拉斯哥昏迷量表(GCS)是使用最廣泛的評分指標[1]，分數(shù)為3(腦死亡或預后極差)～15分(神經(jīng)功能正常)，其中3～8分被認定為重型TBI。重型TBI患者多因交通意外、高處墜落等高能量損傷導致，常合并四肢軀干骨折等損傷。TBI患者在接受骨科治療前，通常需要進行神經(jīng)外科治療，病情穩(wěn)定后才會治療合并損傷。在此過程中，TBI患者骨折愈合速度通常會有所加快，骨痂體積變大，密度增高，甚至沒有發(fā)生骨折的關節(jié)及軟組織會出現(xiàn)異位骨化(HO)[2-6]。也有研究發(fā)現(xiàn)，TBI會導致骨骼脆性增加和骨折風險增高[7]。因此，全面、深刻地理解TBI對骨折愈合的影響不僅有助于尋找潛在的骨折修復新療法，幫助患者早期康復，同時對于減少TBI后骨關節(jié)周圍HO等并發(fā)癥具有指導意義。

1 骨折愈合與HO

骨骼組分中約30%為基質(zhì)和細胞，約70%為礦物質(zhì)。骨折愈合過程通常分為3期：血腫炎癥機化期、原始骨痂形成期、骨痂改造塑形期。HO是指在軟組織處形成骨組織，多發(fā)生于髖關節(jié)、肘關節(jié)等大關節(jié)周圍，常見于神經(jīng)癱瘓的患者。關于TBI后骨折愈合加速與HO之間的關系，尚未達成共識。一些學者認為，TBI后神經(jīng)祖細胞增加，這些細胞作為神經(jīng)源性HO的主要成骨前體細胞，在骨折點形成骨痂，促進骨折愈合[8]。還有些學者則認為，TBI可以使骨折點和異位的成骨能力都得到提高，并否認了神經(jīng)源性HO的概念[9]。雖然學者們觀點各異，但一般認為骨折愈合加速和HO發(fā)生率增加具有相同的原理，它們都反映了TBI后成骨作用的增強。

2 TBI對成骨作用的影響

2.1 釋放成骨因子

TBI可上調(diào)血清中成骨因子如轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)-β1、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)等水平，這些成骨因子可能會加速骨折愈合。

2.1.1 TGF-β1

TGF-β1可以調(diào)節(jié)骨細胞增殖和分化，促進骨形成并抑制骨吸收。馬維等[10]研究發(fā)現(xiàn)，骨折合并TBI患者TGF-β1表達在骨折部位達到峰值的時間與在受損大腦和血清中達到峰值的時間同步，且骨折合并TBI組TGF-β1表達要強于單純TBI組。這表明TGF-β1可以通過受損的血腦屏障進入全身循環(huán)，促進骨骼生長和修復。

2.1.2 BMP

BMP是TGF-β超家族成員。BMP-2和BMP-4是調(diào)節(jié)成骨的重要因子，兩種因子都可促進成骨細胞分化[11]。BMP-2、BMP-4與血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)或TGF-β聯(lián)合應用，可以促進軟骨內(nèi)骨化[12]。TBI后BMP及其受體水平和mRNA表達均上調(diào)[13]。BMP-2還可以直接作用于感覺神經(jīng)元，誘導神經(jīng)炎癥，導致神經(jīng)重塑，促進成骨細胞和其他干細胞的遷移[14]。

2.2 激素變化

激素對骨骼形成、發(fā)育和修復發(fā)揮重要作用。TBI后某些激素水平會產(chǎn)生變化，并通過受損的血腦屏障進入體循環(huán)，促進骨折愈合。

2.2.1 瘦素

研究發(fā)現(xiàn)，TBI后血清和腦脊液中的瘦素水平顯著增加[15]。有學者研究TBI對ob/ob小鼠骨折愈合的影響，發(fā)現(xiàn)與野生型小鼠相比，瘦素缺陷型小鼠骨折愈合率顯著降低，而局部應用瘦素可有效減少延遲愈合[15-17]。后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)，瘦素在TBI后可以通過穩(wěn)定胰島素與骨鈣素水平促進骨折愈合[18]。瘦素作用于下丘腦可增加成骨細胞表面β2腎上腺素能受體，從而抑制成骨。當瘦素作用于骨痂時，它能通過抑制成骨細胞凋亡促進成骨。在正常情況下，這兩種效果保持平衡狀態(tài)。而TBI可能導致下丘腦損傷或功能障礙，從而削弱瘦素作用于下丘腦的抑制成骨作用，加速骨折愈合，增加骨痂形成[19]。

2.2.2 褪黑激素

TBI導致蛛網(wǎng)膜下腔出血后，褪黑激素在腦脊液中顯著增加[20]。褪黑激素可以調(diào)節(jié)鈣平衡和骨骼代謝，促進成骨細胞增殖和分化，抑制核因子-κB受體活化因子配體(RANKL)介導的破骨細胞活化作用[21]。此外，褪黑激素通過其自由基清除劑和抗氧化特性，使得破骨細胞活性和骨吸收下降[22]。

2.2.3 下丘腦-垂體-腎上腺軸

下丘腦-垂體-腎上腺(HPA)軸及內(nèi)分泌系統(tǒng)對于許多器官系統(tǒng)的生理功能至關重要。70%的TBI患者存在下丘腦-垂體功能障礙[23]。TBI破壞HPA軸可導致垂體功能減退，激素缺乏[24-26]。生長激素、促性腺激素和促甲狀腺激素缺乏會對骨骼產(chǎn)生長期負面影響。缺乏生長激素會增強分解代謝作用，導致骨量減少，骨骼脆性及骨折風險增加[27]；促甲狀腺激素可直接抑制破骨細胞骨質(zhì)吸收作用并刺激骨再生，因此缺乏促甲狀腺激素可顯著促進骨吸收并減少成骨[28]。

2.3 血-神經(jīng)屏障與神經(jīng)炎癥

血-神經(jīng)屏障(BNB)在TBI后HO形成中起到重要作用[29]。研究發(fā)現(xiàn)，鄰近大神經(jīng)的區(qū)域(如鄰近坐骨神經(jīng)的髖關節(jié)、鄰近尺骨神經(jīng)的肘關節(jié)等)更容易形成HO，可能是由于神經(jīng)伸展時BNB屏障功能降低導致[30]。

TBI后P物質(zhì)和降鈣素基因相關肽(CGRP)水平上調(diào)，可以募集大量的肥大細胞，從而引起神經(jīng)炎癥[14]。CGRP是一種在感覺神經(jīng)元中含量豐富的神經(jīng)肽，可以上調(diào)成骨細胞活性和下調(diào)破骨細胞活性。Song等[31]研究發(fā)現(xiàn)，與單純骨折組相比，TBI合并骨折組大鼠海馬體和整個大腦中的CGRP在造模后72 h和168 h均顯著增多。CGRP對血管具有舒張作用，可以通過軸突運輸至骨折處，從而改善血供并加速骨折愈合[32]。Zhang等[33]研究發(fā)現(xiàn)，CGRP可以促進成骨因子BMP-2、BMP-6、Wnt10b和抑瘤素M(OSM)的分泌，還可以通過Yes相關蛋白1(Yap1)調(diào)節(jié)M2巨噬細胞骨免疫反應來調(diào)控成骨作用。

2.4 電解質(zhì)與氧含量變化

TBI患者由于長期昏迷常需要持續(xù)機械通氣。van Kampen等[34]研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)生HO的TBI患者較未發(fā)生HO的TBI患者昏迷和機械通氣時間更長。長時間的機械通氣可能會增加體液pH值，改變電解質(zhì)含量，促進鈣沉積并加速骨折愈合[35]。

長時間的昏迷和體位固定還會導致血供和氧含量不足，這也為HO提供了發(fā)生環(huán)境[36]。實驗研究發(fā)現(xiàn)，大鼠模型缺氧可導致HO發(fā)生率增高及面積增加[37]。在軟骨內(nèi)骨化成骨時，必須以高度血管化的骨代替無血管軟骨組織。VEGF在血管生成中起關鍵作用，為骨組織修復提供營養(yǎng)物質(zhì)。Zhang等[38]研究發(fā)現(xiàn)，在22例鎖骨骨折并發(fā)TBI患者和25例單純鎖骨骨折患者中，鎖骨骨折合并TBI患者骨痂中的VEGF水平高于單純鎖骨骨折患者，且骨折愈合時間較短。TBI會導致腦缺血和缺氧，從而上調(diào)缺氧誘導因子(HIF)-1表達，并增加腦組織中VEGF水平。腦組織中的VEGF通過血腦屏障進入循環(huán)，可促進血管生成和軟骨內(nèi)骨化[39]。

2.5 微RNA變化

微RNA(miRNA)是成骨細胞分化的重要調(diào)節(jié)分子。它是一類非編碼單鏈RNA，平均長度為19～25個核苷酸。這些分子高度保守，通過靶向信使RNA的3’非翻譯區(qū)(3’-UTR)調(diào)節(jié)基因表達，從而實現(xiàn)多種生物學功能。miRNA通過調(diào)節(jié)基因表達在成骨過程中起著至關重要的作用，對于各種骨細胞募集和分化必不可少[40-41]，有些miRNA與神經(jīng)損傷密切相關。

2.5.1 miR-21

Di Pietro等[42]分析10例TBI患者血清中miRNA表達水平，并采用120例輕、中、重度TBI患者的血清進行驗證，從754個miRNA中選擇了4個可以作為候選生物標志物的miRNA，其中miR-21具有潛在治療前景。Yin等[43]研究發(fā)現(xiàn)，含有miR-21-5p的PC12細胞來源外泌體可被小膠質(zhì)細胞吞噬并誘導小膠質(zhì)細胞極化，加劇了神經(jīng)炎癥因子釋放，導致TBI后的神經(jīng)炎癥。Xiong等[44]研究發(fā)現(xiàn)，含有miR-21-5p中的外泌體可通過提高成骨細胞活性和促進DNA復制誘導成骨細胞增殖，增加骨小梁數(shù)目，促進肢端肥大癥異常骨化。Li等[45]體內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，TBI后miR-21-5p水平上調(diào)，且體外TBI模型中miR-21-5p可抑制神經(jīng)元自噬。Ge等[46]研究發(fā)現(xiàn)，TBI后miR-21-5p增加可減輕血腦屏障損傷，且大腦皮層撞擊后小鼠腦微血管內(nèi)皮細胞miR-21-3p水平升高；體外實驗中經(jīng)氧和葡萄糖剝奪/復氧處理的bEnd.3細胞損傷模型中miR-21-3p水平也升高。下調(diào)miR-21-3p水平可減輕糖氧剝奪導致的血腦屏障損傷，減少滲漏并增加緊密連接蛋白表達。miR-21-3p下調(diào)還可抑制細胞凋亡，并通過靶向MAT2B基因抑制核因子(NF)-κB信號轉(zhuǎn)導通路來控制炎癥反應。

2.5.2 miR-26

Xiong等[47]研究發(fā)現(xiàn)，TBI后患者血清中miRNA-26a-5p表達上調(diào)；在體外， miRNA-26a-5p可抑制磷脂酶和張力蛋白同源物PTEN表達并加速成骨細胞分化，而沉默miRNA-26a-5p則抑制成骨細胞活性。

2.5.3 miR-16

Sun等[48]研究發(fā)現(xiàn)，在TBI患者中miR-16-5p明顯下調(diào)，而miR-16-5p過表達顯著抑制了MC3T3-E1細胞增殖；流式細胞儀分析進一步證明，miR-16-5p過表達使細胞周期停滯在G1/S期，導致細胞凋亡，其還可負調(diào)控Bcl-2和Cyclin-D1表達；體內(nèi)實驗也進一步證實，miR-16-5p可抑制骨折愈合。

2.6 直接神經(jīng)源性作用

研究發(fā)現(xiàn)，輕度TBI后在交感神經(jīng)調(diào)控下骨穩(wěn)態(tài)受到影響，可能會使骨形成和骨密度改變，最終導致骨質(zhì)流失[49-50]。然而，這種現(xiàn)象的基礎機制目前尚不清楚，且缺乏對輕度TBI的定義[51]。

3 結(jié)語

骨折合并TBI患者骨折愈合加速是多種因素共同作用的結(jié)果。TBI先刺激人體釋放各種細胞因子，從而產(chǎn)生成骨作用；血腦屏障破壞會將各種成骨因子釋放到血液中。然后，這些因子通過體循環(huán)局部作用于骨折部位，從而促進骨折愈合并增加HO風險。TBI后體液中炎性因子上調(diào)，形成了促進HO的炎性微環(huán)境。短期來看，TBI通過成骨因子、激素、炎性因子和各種miRNA對成骨細胞、破骨細胞的作用加速骨折愈合；長期來看，中樞神經(jīng)系統(tǒng)及HPA軸破壞改變骨骼重塑過程，降低骨量，使骨骼脆性增加，增加骨折風險?？傊琓BI是復雜的多方面過程，可深刻影響骨骼系統(tǒng)完整性和功能。