肢体延长的生物学理论及其对再生医学的启示

　　肢体延长技术至今已有 100 多年的历史，在Ilizarov理论与技术出现以前基本上遵循着组织弹性延展的生物学理念。随着人们对肢体延长术认识的加深，20 世纪 50 年代 Ilizarov 提出的张力 - 应力法则（ LTS） 使这一技术发生了划时代的飞跃，其理念也逐渐演变为肢体牵拉再生的生物学理论。大量肢体大幅度延长病例证实了肢体通过牵拉应力刺激能够实现复合组织再生增长或增粗的结果。那么肢体延长尤其是大幅延长的结果对再生医学的发展又具有怎样的新的启迪呢？ 本文拟就此设想作一浅析，以期为再生医学研究提供更多思维层面的启迪与拓展。

　　1 肢体延长术简史及延长幅度的发展变化
　　
　　骨延长术最早由 Codivilla 于1904 年报道，Codivil-la 也因此被后人称为肢体延长之父.1924 年 Abbott详细介绍了具有牵开和固定功能的延长器行胫骨延长方法，并对设计装置不断进行改进。1952 年 Anderson改良了 Abbott 的胫骨延长术。到 20 世纪 50 年代俄罗斯 Ilizarov 医生提出了牵张应力效应，并设计了具有多种用途的环行外固定架，证实了骨延长不需要植骨就能安全地完成，这使骨延长术得到了更为广泛的应用。1956 年 Bost 和 Larsen 首次将髓内钉用于肢体延长。1987 年 Bastiani 等提出了骨痂延长的概念。随后的科研人员研制出了各种带有传动装置的髓内钉。如今，Ilizarov 支架和各种内置式髓内钉被广泛的应用于肢体延长，并取得了满意的临床效果.

　　大量肢体延长病例的临床结果从另一个角度见证了肢体延长术的发展历程。早期肢体延长的速度多以生物弹性限度理论作指导，理论认知也局限在固定骨折与软组织单次弹性延展的阶段，肢体延长受神经、血管等软组织弹性延展幅度限制，延长幅度不能超过该肢节 20%; 甚至 Kawamura 提出胫骨延长限于原骨长度的 10%左右，不应超过 15%.Canchoix 提出股骨一次延长必须限于股骨全长的 15%,成人限于 4. 5cm.该阶段一直持续到 1985 年 Ilizarov 牵张成骨技术传遍世界之前.

　　近年来，随着认知的提高和技术的成熟，肢体延长幅度有了大幅的提高，生物弹性限度理论也逐渐被生物相融性理论所代替。国内曾祥伟等报道采用股骨髁上干骺端截骨延长，最长为 9. 5 cm,延长率为25% ,胫骨上干骺端延长最长 11. 5 cm,延长率为28. 9% ,288 例无并发神经与血管损伤或骨不连。李亚洲等在自制双边外固定架同步延长治疗双下肢不等长过程中发现胫骨延长长度为 3. 5 ~ 8. 5 cm,平均5. 5 cm,延长率为 23% ~ 45% ,平均 40. 5% ,骨愈合指数为 28 ~45 d/cm; 股骨延长长度为 4. 5 ~10. 5 cm,平均 6. 5 cm,延长率 22% ~ 43%,平均 32%,骨愈合指数为 28 ~ 47 d/cm; 余黎等报道通过 KW 组合式外固定骨延长器截骨延长，下肢骨最长延长或迁移可达 21. 0 cm,延长率超过 50%.国外学者报道显示肢体延长率达原骨长度的 10% ~ 110% 不等； 甚至有延长幅度达 130% ~ 140% 的个案报道.这些结果均表明了生物弹性限度理论的相对性，进一步证实肢体大幅度延长是肢体牵拉再生的结果。

　　2 肢体延长的生物学理论---牵拉组织再生
　　
　　关于肢体延长的生物学机理，人们的认识经历了长时期的骨痂延长术 （ callotasis） 理念，直至上世纪50 年代 Ilizarov 研究提出 “张力 - 应力法则” 的生物学理论，即 “生物组织在持续、稳定、缓慢牵拉下能刺激细胞分裂、生成组织，从而可修复肢体的各种缺损”.Ilizarov 在此基础上提出了牵拉性骨再生 （ dis-traction osteogenesis,DO） 的生物学理论，即在骨外固定技术的条件下，其骨塑形 （ bone modeling） 与骨重建 （ bone remodeling） 过程会随肢体的牵拉变化而产生骨量增生，为肢体延长奠定了科学的生物学基础，从而使肢体延长术的生物学原理发生了质的转变.

　　DO 概念在临床上的应用，显着提高了骨生长质量，大幅度减少了骨不连并发症的发生.然而肢体延长不是简单的骨长度的增加，软组织、关节以及全身性相互影响的因素，从而成为人们研究的新课题。DO技术在基础研究和临床应用中有了新的延伸，在张力- 应力条件下皮肤、肌肉、神经、血管等软组织的适应性再生与重建已被实验和临床证实。肢体是复合组织，所有参入牵伸的神经、肌肉、筋膜、皮肤等软组织在缓慢牵拉下，皆有类似胚胎发育过程的细胞分裂与组织生成，称之为牵拉成组织技术 （ distraction his-togenesis,DH） .在这一理念涵盖下，骨外固定技术体系不同程度的应用到骨科绝大多数的创伤、疾病的治疗，而且包括传统骨科技术难以治疗甚至不能治疗的一些重度肢体残缺和疑难骨科杂症等.

　　3 肢体延长与再生医学
　　
　　再生医学 （ regenerative medicine,RM） 是研究组织或器官受损后修复和再生的一门分支学科，涉及组织工程、细胞与分子生物学、发育生物学、材料学、生物力学以及计算机科学等诸多领域。再生医学不等同于组织工程学，而实际上组织工程是再生医学治疗手段的一种体现，同时它也拓宽了再生医学的广度和深度.

　　目前临床上大量肢体延长病例结果均进一步证实了肢体大幅度延长是肢体牵拉再生的结果。那么肢体延长能否会为再生医学带来新的启发呢？ 是否能给周围神经再生、骨骼肌再生、血管再生等组织再生带来新的思路呢？ 尤其是肢体延长的生物学原理--- “张力 - 应力法则”理论能否为再生医学研究开拓更广泛的思维，并为其进入临床应用提供一个新的平台？ 这是值得我们深思的！

　　3. 1 “张力 - 应力法则” 与力学生物学
　　物理因素促进组织再生最早用于骨愈合。虽然物理因素促进再生的临床应用历史悠久，但对其作用机制的认识还不够深入，治疗效果也有待提高，这也许是其至今尚未广泛应用的重要原因之一。 “张力 - 应力法则”理论促使细胞分裂、生成组织的始动因素“张应力 （ Tension - Stress） ”作为一种持续、稳定、缓慢物理因素在组织再生中发挥了重要作用，大量研究已经证实了张应力在牵拉骨再生中的作用。

　　随着生物力学研究深入到细胞水平，应力 - 生长关系以及细胞力学行为逐渐成了研究的焦点，并形成一个新兴的交叉学科 “力学生物学”.戴尅戎院士曾以骨与软骨为例，概要介绍了力学生物学在骨骼肌肉系统方面的研究进展和尚待解决的问题，并对这一新兴研究领域的发展前景作了展望.这为将张应力作为一种力学刺激信号应用于再生医学研究提供了理论依据。那么张应力这种力学刺激信号能否在骨和软骨之外的组织再生中发挥作用呢？

　　张应力作为一种力学刺激信号作用于生物体后不仅产生应变，还相伴产生肌肉神经活动、细胞增殖、分化、凋亡和迁移，以及物性改变等生理学、解剖学、组织学和生物化学等变化，这些变化将研究的侧重点从力学转移到生物学，即力学生物学。在肢体延长牵拉成骨过程中，骨力学生物学研究主要从细胞分子水平探讨力学环境对骨塑形、骨重建和骨适应性的作用或影响。未来作者将不断深入的探讨这种张应力如何传导至组织内，细胞如何感受力学信号刺激，力学信号如何刺激细胞的表达与分化以及这种张应力所引发的力学生物学研究在其他组织再生中的状况.

　　3. 2 “张力 - 应力法则” 与组织工程组织工程
　　 （ TE） 是将细胞与支架材料结合产生的一种新的组织修复与再生或替代的治疗方法，是再生医学 （ RM） 的外延，它拓宽了 RM 的广度和深度，已成为 RM 研究和发展的主要方向； 尤其是 TE 研究中的种子细胞、生物材料、组织构建技术均已成为 RM的核心内容，RM 涵盖了 TE 的研究内容。肢体延长尤其是大幅延长的结果涉及骨、神经、骨骼肌、深筋膜和血管等多种组织再生，这是一个重大的再生医学命题。那么，作为再生医学的外延，组织工程学研究在这个过程中是否发生了相应的作用呢？

　　3. 2. 1 种子细胞
　　首先，在种子细胞方面，牵张成骨可以刺激骨髓间充质干细胞的再生，为牵拉骨再生的组织工程构建提供了支持。目前国内外学者已经对牵张成骨对骨髓间充质干细胞再生做了较多研究，机械牵张力可以激活或促进骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化，还可以促进成骨细胞的增生。赵洪斌等研究拉伸应力对小鼠骨髓间充质干细胞 （ 细胞） 向成骨细胞分化的影响时发现随着拉伸时间的延长其排列方式也发生明显的改变，细胞与拉伸方向呈垂直或角度的方向排列，当细胞受到载荷作用时其排列方式会发生改变，这可能是力学刺激对细胞结构和功能影响的外在表现形式。不仅牵张成骨能促进骨髓间充质干细胞再生，而且在牵张间隙里局部注射骨髓间充质干细胞可以加快牵张成骨新骨形成。戚孟春等和沈庆冉等实验均证实这一点。

　　3. 2. 2 细胞因子
　　其次，在细胞因子方面，大量研究表明牵拉成骨过程张应力作为一种力学刺激信号作用于骨、神经、骨骼肌、深筋膜及血管等组织后可以产生较多的生物细胞因子，这些因子的释放可改变被修复组织的微环境，也在不同程度通过不同途径为组织工程重建提供了大量细胞因子，从而促进了组织的重建修复。在骨重建中 BMP -4、TGF - β、bFGF、IGF - l 等因子在机械应力下发生相应生理变化，从而发挥调控新骨生成的重要作用.这些结论的提出也为组织再生中细胞因子治疗或基因治疗提供了理论依据。

　　3. 3 “张力 - 应力法则” 与干细胞
　　干细胞 （ stem cell） 是组织再生的源泉和基础，是再生医学研究的前提。现已证明成体干细胞普遍存在于机体的各种组织器官中，在体内特定的微环境中，大多处于休眠状态，在病理状态或在外因诱导下可表现出不同程度的再生和更新能力，当组织受损时，微环境中的间质细胞能够产生一系列生长因子或配体，与干细胞相互作用，控制干细胞的更新和分化。利用这一原理，在体外培养时，通过改变微环境中的生长因子以及其他因素，来定向诱导干细胞的分化。并且远隔损伤处的干细胞经动员后出现归巢（ Homing） 而至损伤区参与修复过程。比如骨髓间充质干细胞、表皮干细胞、脂肪干细胞、胰腺来源的干细胞等均在组织修复及再生中发挥重要作用.那么大量肢体延长结果显示肢体的大幅延长是否与张应力这种力学刺激改变了组织微环境、诱导干细胞分化、动员干细胞归巢存在必然的联系呢？ 目前在这方面的研究较少，这将是未来研究的方向。

　　3. 4 张力 - 应力法则的时间变量对再生医学的启迪
　　在 Ilizarov 理论与技术出现之后，肢体延长的结果发生了质的飞跃。肢体延长的比例从之前研究的 20%提高到了 40%甚至更高。Ilizarov 治疗是一个手术与非手术交融、渐进、动态的过程，张力 - 应力法则因增加了 “时间”这一可调节的变量，被认为是一种具有哲学概念的四维相治疗方法，医生应具有 “时空一体、因势利导、有无相生”的哲学思维意识.

　　Ilizarov 张力 - 应力法则即 “生物组织在持续、稳定、缓慢牵拉下能刺激细胞分裂、生成组织，从而可修复肢体的各种缺损”,其持续、缓慢牵拉、经典的 “1mm /d,分 4 次完成” 的延长方式均为力学刺激信号赋予了 “时间”的调节变量，为骨、周围神经、肌肉组织再生等再生医学研究提供了更大的可延伸研究空间，同时也对传统的再生医学观念提出了新的挑战和突破。如何将 Ilizarov 张力 - 应力法则的 “时间”调节变量应用于再生医学的临床研究和组织工程研究之中，是肢体延长结果对再生医学研究的一个重要启迪。

　　目前，组织工程对于组织再生的研究还主要停留在自体组织移植、异体组织移植、去细胞异体组织移植、干细胞移植等一次性移植物填充组织缺损的阶段，已有研究报道了肢体延长时骨、周围神经、骨骼肌延长 可 耐 受 延 长 速 度 “时 间 变 量” 的 相 关 研究,这也为肢体延长的结果对再生医学组织再生的启迪和指导意义提供了很好的佐证和理论基础。

　　4 结语
　　
　　肢体延长结果随着 Ilizarov 牵张应力法则的提出出现了质的改变，而且这一改变将会对再生医学的发展产生重要影响并起到巨大的推进作用。目前针对数以千万的严重肢体残缺患者，大幅度肢体延长已成为亟待解决的难题，而传统骨科技术对这类情况没有很好的解决办法，采用以现代骨外固定技术为主导的骨科自然重建和牵拉组织再生的再生医学理念为此类患者提供满意疗效，给患者带去了福音。因此，这就促使我们转变观念、勇于实践，在骨外固定技术体系和再生医学领域再立新功。

　　参考文献：

　　[1] Ilizarov GA. The tession - stress effect on the genesis and growth oftissue: Part II. The influence of the rate and frequency of distraction[J]. Clin Orthop,1989,239: 263.
　　[2] 张涛，庞贵根 . 肢体延长的研究进展[J]. 中国骨与关节损伤杂志，2008,3: 262 -264.
　　[3] 杨小峰，张晓刚，宋敏 . Ilizarov 技术肢体延长过程中的相关问题探讨[J]. 中国中医骨伤科杂志，2006,5: 71 -74.
　　[4] 郭乾臣，张弢 . Ilizarov 牵张成骨在肢体延长中的临床应用及新进展[J]. 中华保健医学杂志，2011,4: 349 -351.
　　[5] 曾祥伟，蒋卫平，韦冰丹，等 . 干骺端潜行截骨延长 288 例[J].临床骨科杂志，2002,1: 24 -26.
　　[6] 李亚洲，王汉林，罗军忠，等 . 自制双边外固定架同步延长治疗双下肢不等长[J]. 中国矫形外科杂志，2007,11: 830 -832.
　　[7] 余黎，余国荣，蔡林，等。 KW 组合式外固定骨延长器在下肢截骨延长及骨迁移中的应用[J]. 中国矫形外科杂志，2011,25: 2019- 2021.