引用本文: 夏远军, 余翔, 章莹, 尹庆水, 夏虹, 郑晓辉, 谢会斌, 黄显华. 重组人BMP-2/壳聚糖/硫酸葡聚糖复合微球诱导异位成骨的micro-CT评价. 中国修复重建外科杂志, 2016, 30(3): 286-291. doi: 10.7507/1002-1892.20160057 复制
骨诱导是近年来骨缺损领域的研究热点。1965年Urist首次发现BMP是具有单独诱导成骨能力的细胞生长因子[1],其中BMP-2诱导成骨能力最强[2-3]。目前研究已明确,BMP-2具有在动物体内诱导异位骨形成的作用[4-5]。但是BMP-2半衰期短,容易代谢流失,不能维持足够浓度,通过缓释载体技术可有效解决这一问题。研究表明,载药微球具有能控制药物释放速度、降低药物毒副作用、提高疏水性药物对细胞膜的通透性、改善药物的稳定性和改变给药途径、延长药物疗效以及靶向给药等优点[6]。有学者用壳聚糖(chitosan,CS)载体包裹重组人BMP-2(recombinant human BMP-2,rhBMP-2)制备了CS/rhBMP-2微球[7],载药率为(33.437±2.290)μg/mg,但实验中发现CS载体与rhBMP-2黏附效果不佳。本课题组前期实验在CS/rhBMP-2微球基础上引入硫酸葡聚糖(dextran sulfate,DS),构建rhBMP-2/CS/DS复合微球,实验显示该复合微球细胞相容性较好,载药率高,并初步显示出良好的骨诱导效果[8]。异位成骨实验已广泛用于验证BMP-2及BMP-2微球的骨诱导能力[9],可有效避免原位宿主骨的干扰因素,是国际上检测骨替代材料性能的常用评价手段[10-11]。为此,本次实验选取SD大鼠进行异位成骨实验,采用micro-CT扫描并行骨组织参数检测,进一步分析探讨rhBMP-2/CS/DS复合微球的异位成骨能力。
1 材料与方法
1.1 实验动物及主要试剂、仪器
6~8周龄SPF级雄性SD大鼠48只,体质量140~160 g,由广州军区广州总医院动物实验中心提供。CS(分子量为50 000~190 000、脱乙酰度85%)、DS(分子量为500 000、硫含量40%~50%)(Sigma公司,美国);rhBMP-2(上海瑞邦生物材料有限公司);ZnSO4(天津化学试剂公司);NaOH(广州化学试剂厂);0.22μm、0.45μm滤过膜(Millipre公司,美国);ALP试剂盒、钙离子检测试剂盒(南京建成生物技术有限公司)。
JB-2型恒温磁力搅拌器(上海雷磁仪器厂);DJ-300S型电子天平(SHINKO公司,日本);LGZ-12型低温负压冻干机(北京松源华兴仪器公司);DUPONT0-RC5C型高速冷冻台式离心机(Thermo Fisher公司,美国);S-4800扫描电镜(Hitachi公司,日本);micro-CT(GE公司,美国);Mimics10.1软件(Materalise公司,比利时)。
1.2 微球制备及观测
1.2.1 CS/DS微球制备
取CS溶于0.175%乙酸中,配制成1 mg/mL CS溶液;用0.45μm和0.22 μm滤过膜依次过滤;取DS溶于双蒸水,配置1 mg/mL DS溶液,用0.45μm和0.22μm滤过膜依次过滤。取0.2 mL DS溶液,加入0.12 mL CS溶液,在1 500 r/min转速下搅拌5 min后,加入0.1 mL ZnSO4,继续搅拌30 min,加入5%甘露醇后将微球移至离心管中;4℃,以离心半径6 cm、15 000 r/min离心15 min,弃上清液;同上法离心3次后冻干。用3 000 Gy 60Co辐照消毒后,密封,4℃保存备用。
1.2.2 rhBMP-2/CS/DS复合微球制备
CS及DS溶液配制同1.2.1方法。取0.2 mL DS溶液加入0.04 mL rhBMP-2,在1 500 r/min转速下搅拌20 min后,加入0.12 mL CS溶液,5 min后加入0.1 mL ZnSO4,继续搅拌30 min,加入5%甘露醇后将微球移至离心管中;4℃,以离心半径6 cm、15 000 r/min离心15 min,弃上清液;同上法离心3次后冻干。用3 000 Gy 60Co辐照消毒后,密封,4℃保存备用。
1.2.3 观测指标
①扫描电镜观察:取rhBMP-2/CS/DS复合微球,用蒸馏水稀释后均匀滴于载玻片上,冷冻干燥后扫描电镜下观察微球形态。②体外缓释检测:取rhBMP-2/CS/DS复合微球(n=3),按照ELISA法于2、6、12、18、24、48、72 h,之后每隔3 d检测上清液中rhBMP-2含量,观测终点为20 d,绘制缓释曲线。
1.3 实验分组及方法
将48只SD大鼠采用随机数字表法分为A、B、C、D 4组(n=12)。4组大鼠腹腔注射10%水合氯醛(4 mL/kg)麻醉后,于左后肢大腿作长约1.5 cm切口,制备股四头肌肌袋模型。A、B、C、D组肌袋肌间隙中分别植入相同体积明胶海绵、CS/DS微球(粉末状)、rhBMP-2(粉末状,0.25 mg)、rhBMP-2/CS/DS复合微球(粉末状,含rhBMP-2 0.25 mg),逐层缝合切口。术后分笼正常喂养,自由进食、饮水;3 d内每天腹腔注射青霉素(5 mg/kg)抗感染。
1.3.1 一般情况
术后观察大鼠存活情况,以及并发症(如切口感染、红肿、渗液等)发生情况。
1.3.2 micro-CT检测及三维重建
术后4、8、12、16周,各组分别取3只大鼠脱颈处死。按照原切口入路切取异位骨化组织块行micro-CT扫描。扫描参数:扫描分辨率21μm,旋转角度360°,旋转角度增量0.4°,电压80 kV,电流80μA,曝光时间3 000 ms,帧平均数为4,像素组合为1×1。扫描完成后,于micro-CT中检测以下参数:组织骨密度(tissue mineral density,TMD)、骨体积分数(bone volume fraction,BVF)、骨小梁厚度(trabecular thickness,Tb.Th)、骨小梁数量(trabecular number,Tb.N)、皮质骨骨密度(bone mineral density,BMD)及组织矿含量(tissue mineral content,TMC)。然后,将CT扫描原始数据导入Mimics10.1软件,进行三维重建,观察各组异位成骨情况。
1.4 统计学方法
采用SPSS19.0统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示,组间比较采用方差分析,两两比较用LSD检验;检验水准α=0.05。
2 结果
2.1 rhBMP-2/CS/DS复合微球观察
扫描电镜观察示,制备的rhBMP-2/CS/DS复合微球球形较规整,分散较均匀,无团聚,微球表面较光滑(图 1)。微球体外释放rhBMP-2于2 h后出现1个突释放期,2 d时释放值达峰值,之后缓慢下降,释放周期约20 d(图 2)。

2.2 植入实验观察
2.2.1 一般情况
术后各组大鼠均存活至实验完成,大鼠活动、进食正常,切口愈合良好,无红肿、渗液等。
2.2.2 micro-CT检测及三维重建
术后各时间点,A、B组CT扫描均未见放射性显影,三维重建未发现成骨。C、D组术后4周,可见少量模糊放射性显影,密度较低,三维重建见少量骨组织形成;8周时,放射性显影较4周增多,且密度稍高,三维重建可见一椭圆形骨组织块;12、16周时,可见明显大量蜂窝状放射性显影,骨截面边缘密度较高,中央密度稍低,三维重建可见较多骨组织形成。各时间点两组放射性显影强度及三维重建骨组织均逐渐增加,且D组放射性显影强度及三维重建骨体积均大于C组。见图 3、4。


各时间点A、B组TMD、BVF、Tb.Th、Tb.N、BMD及TMC均为0。随着时间延长,异位成骨形成,C、D组TMD、BVF、Tb.Th、BMD及TMC均呈总体增加趋势,Tb.N 12周时达峰值、之后降低;各时间点与A、B组比较差异均有统计学意义(P < 0.05)。C、D组间比较,4周时以上骨组织参数比较差异均无统计学意义(P > 0.05);8~16周时D组显著高于C组,比较差异有统计学意义(P < 0.05)。见图 5。
3 讨论
本研究旨在通过异位成骨实验来验证rhBMP-2/CS/DS复合微球的成骨诱导效应。对于异位成骨观测方法的选择,有学者采用micro-CT扫描观察硫醇化的CS支架负载BMP-2的异位成骨效果,并通过异位成骨扫描结果来分析骨增生情况[12]。micro-CT扫描具有无创性,已被广泛用于定量测定骨三维微结构及组织工程骨[13-14]。我们认为与X线检查相比,micro-CT扫描可更清晰观察到异位成骨情况。而且micro-CT扫描获得的断层平面,通过Mimics软件进行三维重建后,除能清楚显示异位成骨情况外,还能测量相关骨组织参数,进行定量分析,结果具有较高的精确性。
本研究结果显示:C、D组术后4周仅见少量模糊低密度放射性显影,三维重建见少量骨组织,这可能是因为rhBMP-2从CS/DS微球释放需要一定时间,故成骨效果较缓慢。随着时间延长,C、D组放射性显影强度和骨组织参数均逐渐增加,三维重建显示有椭圆形骨块形成且体积不断增加,各时间点D组放射性显影强度、骨块体积均大于C组,与之对应的TMD、BVF、Tb.Th、Tb.N、BMD、TMC也显著高于C组,提示存在异位成骨不断增加的过程。但值得注意的是,从12周开始D组Tb.N逐渐减少,这可能与骨组织内部骨小梁逐渐吸收有关。另外,各时间点各组micro-CT扫描图片显示骨块外层为高密度放射性显影,而骨块内层放射性显影密度较低,这是由于外层骨组织逐渐塑形成为皮质骨导致。植入后异位新生骨从疏松骨小梁形成椭圆形组织块,12周后内部Tb.N逐渐减少,外部钙化加强,骨质改建,与检测得到的TMC和TMD总体呈上升趋势相吻合。Tb.Th持续增加则更加充分地说明了骨小梁的进一步改建。
综上述,CS/DS载体负载rhBMP-2后的成骨诱导能力强于单独rhBMP-2,这与rhBMP-2/CS/DS复合微球高载药率结果[8]相互印证。分析原因可能是由于DS与BMP-2有肝素结合位点,能广泛结合,且CS带正电荷[15]、DS带负电荷[16],二者可以形成聚合物[15, 17],CS/DS微球作为载体使rhBMP-2在动物体内缓释时间延长,提高了蛋白的包封率和载药率,从而提高rhBMP-2的成骨效能。结合前期实验[18]得到的rhBMP-2/CS/DS复合微球无毒性,生物相容性良好,载药率、包封率满意的结论,以及与其他载体材料相比,具有制作简便、成本较低等明显优势,提示rhBMP-2/CS/DS复合微球在骨组织工程领域具有较好的应用前景。
骨诱导是近年来骨缺损领域的研究热点。1965年Urist首次发现BMP是具有单独诱导成骨能力的细胞生长因子[1],其中BMP-2诱导成骨能力最强[2-3]。目前研究已明确,BMP-2具有在动物体内诱导异位骨形成的作用[4-5]。但是BMP-2半衰期短,容易代谢流失,不能维持足够浓度,通过缓释载体技术可有效解决这一问题。研究表明,载药微球具有能控制药物释放速度、降低药物毒副作用、提高疏水性药物对细胞膜的通透性、改善药物的稳定性和改变给药途径、延长药物疗效以及靶向给药等优点[6]。有学者用壳聚糖(chitosan,CS)载体包裹重组人BMP-2(recombinant human BMP-2,rhBMP-2)制备了CS/rhBMP-2微球[7],载药率为(33.437±2.290)μg/mg,但实验中发现CS载体与rhBMP-2黏附效果不佳。本课题组前期实验在CS/rhBMP-2微球基础上引入硫酸葡聚糖(dextran sulfate,DS),构建rhBMP-2/CS/DS复合微球,实验显示该复合微球细胞相容性较好,载药率高,并初步显示出良好的骨诱导效果[8]。异位成骨实验已广泛用于验证BMP-2及BMP-2微球的骨诱导能力[9],可有效避免原位宿主骨的干扰因素,是国际上检测骨替代材料性能的常用评价手段[10-11]。为此,本次实验选取SD大鼠进行异位成骨实验,采用micro-CT扫描并行骨组织参数检测,进一步分析探讨rhBMP-2/CS/DS复合微球的异位成骨能力。
1 材料与方法
1.1 实验动物及主要试剂、仪器
6~8周龄SPF级雄性SD大鼠48只,体质量140~160 g,由广州军区广州总医院动物实验中心提供。CS(分子量为50 000~190 000、脱乙酰度85%)、DS(分子量为500 000、硫含量40%~50%)(Sigma公司,美国);rhBMP-2(上海瑞邦生物材料有限公司);ZnSO4(天津化学试剂公司);NaOH(广州化学试剂厂);0.22μm、0.45μm滤过膜(Millipre公司,美国);ALP试剂盒、钙离子检测试剂盒(南京建成生物技术有限公司)。
JB-2型恒温磁力搅拌器(上海雷磁仪器厂);DJ-300S型电子天平(SHINKO公司,日本);LGZ-12型低温负压冻干机(北京松源华兴仪器公司);DUPONT0-RC5C型高速冷冻台式离心机(Thermo Fisher公司,美国);S-4800扫描电镜(Hitachi公司,日本);micro-CT(GE公司,美国);Mimics10.1软件(Materalise公司,比利时)。
1.2 微球制备及观测
1.2.1 CS/DS微球制备
取CS溶于0.175%乙酸中,配制成1 mg/mL CS溶液;用0.45μm和0.22 μm滤过膜依次过滤;取DS溶于双蒸水,配置1 mg/mL DS溶液,用0.45μm和0.22μm滤过膜依次过滤。取0.2 mL DS溶液,加入0.12 mL CS溶液,在1 500 r/min转速下搅拌5 min后,加入0.1 mL ZnSO4,继续搅拌30 min,加入5%甘露醇后将微球移至离心管中;4℃,以离心半径6 cm、15 000 r/min离心15 min,弃上清液;同上法离心3次后冻干。用3 000 Gy 60Co辐照消毒后,密封,4℃保存备用。
1.2.2 rhBMP-2/CS/DS复合微球制备
CS及DS溶液配制同1.2.1方法。取0.2 mL DS溶液加入0.04 mL rhBMP-2,在1 500 r/min转速下搅拌20 min后,加入0.12 mL CS溶液,5 min后加入0.1 mL ZnSO4,继续搅拌30 min,加入5%甘露醇后将微球移至离心管中;4℃,以离心半径6 cm、15 000 r/min离心15 min,弃上清液;同上法离心3次后冻干。用3 000 Gy 60Co辐照消毒后,密封,4℃保存备用。
1.2.3 观测指标
①扫描电镜观察:取rhBMP-2/CS/DS复合微球,用蒸馏水稀释后均匀滴于载玻片上,冷冻干燥后扫描电镜下观察微球形态。②体外缓释检测:取rhBMP-2/CS/DS复合微球(n=3),按照ELISA法于2、6、12、18、24、48、72 h,之后每隔3 d检测上清液中rhBMP-2含量,观测终点为20 d,绘制缓释曲线。
1.3 实验分组及方法
将48只SD大鼠采用随机数字表法分为A、B、C、D 4组(n=12)。4组大鼠腹腔注射10%水合氯醛(4 mL/kg)麻醉后,于左后肢大腿作长约1.5 cm切口,制备股四头肌肌袋模型。A、B、C、D组肌袋肌间隙中分别植入相同体积明胶海绵、CS/DS微球(粉末状)、rhBMP-2(粉末状,0.25 mg)、rhBMP-2/CS/DS复合微球(粉末状,含rhBMP-2 0.25 mg),逐层缝合切口。术后分笼正常喂养,自由进食、饮水;3 d内每天腹腔注射青霉素(5 mg/kg)抗感染。
1.3.1 一般情况
术后观察大鼠存活情况,以及并发症(如切口感染、红肿、渗液等)发生情况。
1.3.2 micro-CT检测及三维重建
术后4、8、12、16周,各组分别取3只大鼠脱颈处死。按照原切口入路切取异位骨化组织块行micro-CT扫描。扫描参数:扫描分辨率21μm,旋转角度360°,旋转角度增量0.4°,电压80 kV,电流80μA,曝光时间3 000 ms,帧平均数为4,像素组合为1×1。扫描完成后,于micro-CT中检测以下参数:组织骨密度(tissue mineral density,TMD)、骨体积分数(bone volume fraction,BVF)、骨小梁厚度(trabecular thickness,Tb.Th)、骨小梁数量(trabecular number,Tb.N)、皮质骨骨密度(bone mineral density,BMD)及组织矿含量(tissue mineral content,TMC)。然后,将CT扫描原始数据导入Mimics10.1软件,进行三维重建,观察各组异位成骨情况。
1.4 统计学方法
采用SPSS19.0统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示,组间比较采用方差分析,两两比较用LSD检验;检验水准α=0.05。
2 结果
2.1 rhBMP-2/CS/DS复合微球观察
扫描电镜观察示,制备的rhBMP-2/CS/DS复合微球球形较规整,分散较均匀,无团聚,微球表面较光滑(图 1)。微球体外释放rhBMP-2于2 h后出现1个突释放期,2 d时释放值达峰值,之后缓慢下降,释放周期约20 d(图 2)。

2.2 植入实验观察
2.2.1 一般情况
术后各组大鼠均存活至实验完成,大鼠活动、进食正常,切口愈合良好,无红肿、渗液等。
2.2.2 micro-CT检测及三维重建
术后各时间点,A、B组CT扫描均未见放射性显影,三维重建未发现成骨。C、D组术后4周,可见少量模糊放射性显影,密度较低,三维重建见少量骨组织形成;8周时,放射性显影较4周增多,且密度稍高,三维重建可见一椭圆形骨组织块;12、16周时,可见明显大量蜂窝状放射性显影,骨截面边缘密度较高,中央密度稍低,三维重建可见较多骨组织形成。各时间点两组放射性显影强度及三维重建骨组织均逐渐增加,且D组放射性显影强度及三维重建骨体积均大于C组。见图 3、4。


各时间点A、B组TMD、BVF、Tb.Th、Tb.N、BMD及TMC均为0。随着时间延长,异位成骨形成,C、D组TMD、BVF、Tb.Th、BMD及TMC均呈总体增加趋势,Tb.N 12周时达峰值、之后降低;各时间点与A、B组比较差异均有统计学意义(P < 0.05)。C、D组间比较,4周时以上骨组织参数比较差异均无统计学意义(P > 0.05);8~16周时D组显著高于C组,比较差异有统计学意义(P < 0.05)。见图 5。
3 讨论
本研究旨在通过异位成骨实验来验证rhBMP-2/CS/DS复合微球的成骨诱导效应。对于异位成骨观测方法的选择,有学者采用micro-CT扫描观察硫醇化的CS支架负载BMP-2的异位成骨效果,并通过异位成骨扫描结果来分析骨增生情况[12]。micro-CT扫描具有无创性,已被广泛用于定量测定骨三维微结构及组织工程骨[13-14]。我们认为与X线检查相比,micro-CT扫描可更清晰观察到异位成骨情况。而且micro-CT扫描获得的断层平面,通过Mimics软件进行三维重建后,除能清楚显示异位成骨情况外,还能测量相关骨组织参数,进行定量分析,结果具有较高的精确性。
本研究结果显示:C、D组术后4周仅见少量模糊低密度放射性显影,三维重建见少量骨组织,这可能是因为rhBMP-2从CS/DS微球释放需要一定时间,故成骨效果较缓慢。随着时间延长,C、D组放射性显影强度和骨组织参数均逐渐增加,三维重建显示有椭圆形骨块形成且体积不断增加,各时间点D组放射性显影强度、骨块体积均大于C组,与之对应的TMD、BVF、Tb.Th、Tb.N、BMD、TMC也显著高于C组,提示存在异位成骨不断增加的过程。但值得注意的是,从12周开始D组Tb.N逐渐减少,这可能与骨组织内部骨小梁逐渐吸收有关。另外,各时间点各组micro-CT扫描图片显示骨块外层为高密度放射性显影,而骨块内层放射性显影密度较低,这是由于外层骨组织逐渐塑形成为皮质骨导致。植入后异位新生骨从疏松骨小梁形成椭圆形组织块,12周后内部Tb.N逐渐减少,外部钙化加强,骨质改建,与检测得到的TMC和TMD总体呈上升趋势相吻合。Tb.Th持续增加则更加充分地说明了骨小梁的进一步改建。
综上述,CS/DS载体负载rhBMP-2后的成骨诱导能力强于单独rhBMP-2,这与rhBMP-2/CS/DS复合微球高载药率结果[8]相互印证。分析原因可能是由于DS与BMP-2有肝素结合位点,能广泛结合,且CS带正电荷[15]、DS带负电荷[16],二者可以形成聚合物[15, 17],CS/DS微球作为载体使rhBMP-2在动物体内缓释时间延长,提高了蛋白的包封率和载药率,从而提高rhBMP-2的成骨效能。结合前期实验[18]得到的rhBMP-2/CS/DS复合微球无毒性,生物相容性良好,载药率、包封率满意的结论,以及与其他载体材料相比,具有制作简便、成本较低等明显优势,提示rhBMP-2/CS/DS复合微球在骨组织工程领域具有较好的应用前景。