基于“动静平衡”骨折康复理论研究力学环境在骨折愈合早期对骨断端MSCs募集和分化的影响

During fracture rehabilitation, in order to reduce occurrence of complications, getting the course of rehabilitation under perfect control is the most crucial factor. After years of clinical practice, our study group has discovered that the ultimate therapeutic effects of fracture healing largely depends on the degree of motion of fracture site, therefore we introduce clinical idea and method of "balance of motion and immobility" and "under quantifiable control", both for fracture rehabilitation. In experimental research, our study group has made the following findings: ①trapping large amount of migrating cells by embedding porous tissue engineering material into spatium intermusculare, and further separating quantitative MSCs from those trapped cells;②fracture healing sensitively responding to even minor changes in mechanical environment; ③fracture healing could be completed under a range of mechanical environment. However, the above findings could not provide us the degree of motion which assists callus formation and fracture healing safely and effectively. By studying effects of mechanical environment on recruitment and differentiation of MSCs during early stage of fracture healing at cellular and molecular levels, we aim to elucidate the quantity and efficacy of MSCs recruited at the fracture site and their differentiation fate either towards osteoblasts or chondrocytes under different mechanical environment. As a result, we would furnish clinical practice with safe and effective degree of motion by the optimal mechanical parameters obtained, therefore reveal the scientific essentials of the idea of "balance of motion and immobility", and raise clinical treatment of fracture to a higher level.

在骨折康复治疗中，最重要的是控制骨折康复过程，避免由于康复不当引起的骨折并发症。本课题组在临床实践中发现"动量"的大小决定着骨折康复的最终效果，提出了"动静平衡"康复理念和"量化控制"康复方法。我们在实验研究中又发现：①将多孔组织工程材料埋植肌间隙可捕获大量迁移细胞，并证明这些细胞可分离出大量MSCs；②骨愈合过程对力学环境的微小变化非常灵敏；③骨折可以在一定力学环境中愈合。但这些研究还不能明确促进骨痂生长的安全有效"动量"及其机制。本课题拟通过研究骨折愈合早期力学环境对MSCs募集、分化影响的细胞和分子机制，明确不同力学环境对骨折间隙募集MSCs的"量""效"关系，及体内不同力学环境下MSCs向成骨细胞谱系和软骨细胞谱系分化，进而通过"最佳"力学环境的参数，为临床提供和确定安全有效的康复"动量"及范围，并合理诠释"动静平衡"理念的科学内涵，指导和提升临床骨折治疗水平。

本项目主要基于“动静平衡”骨折治疗理念，探讨了力学环境在骨折愈合早期对骨折断端MSCs募集和分化的影响。实验中以三组不同刚度的大鼠股骨外固定支架建立大鼠股骨骨折外固定模型，通过影像学、组织学、细胞学、实时定量RT-qPCR、Western blot等方法，观察了以下指标：1、三组大鼠术后2、4、6、10天骨折断端MSCs绝对数量；2、三组大鼠术后2周、6周DR影像；3、三组大鼠术后6周组织学；4、三组大鼠术后2、6、10、14 d ，RT-qPCR检测Runx2、Osterix（OSX）及Sox9表达水平，Western-blot检测Runx2、Sox9蛋白的表达。综合分析影像学、组织学、细胞学，以及分子生物学的相关资料，研究骨折愈合早期力学环境对骨折断端募集MSCs的“量”“效”关系；探讨定量力学环境调节MSCs向成骨细胞和软骨细胞分化的作用及机制。应用SPSS17.0统计学软件进行数据统计及结果分析。结果显示：1、骨折愈合早期，三组不同刚度固定的大鼠股骨骨折断端募集的MSCs绝对数量存在明显差异，低刚度固定较高刚度固定能够募集更多数量MSCs；2、力学环境调控MSCs 向软骨细胞分化的转录因子Sox9和向成骨细胞分化的转录因子Runx2 的表达对固定器刚度的变化反应敏感，能够反映不同时点MSCs向成骨细胞和软骨细胞分化的倾向；3、低刚度固定能够促进骨折断端MSCs向软骨细胞分化和周围膜内成骨，但不利于软骨成骨，高刚度固定不利于MSCs向软骨细胞分化和周围膜内成骨，但有利于骨折断端软骨内成骨；4、骨折端MSCs募集、MSCs向软骨细胞和向成骨细胞分化、软骨内成骨与周围膜内成骨的力学环境存在差异。由于固定器的刚度与肢体负荷是调节骨折端力学环境的两个重要因素，因此在固定器刚度不变情况下，仅仅量变肢体康复负荷对骨折端力学环境的调节作用与量变固定器刚度的作用是一致的。基于上述研究结果，课题组创新性提出了“量化量变”理念和“安全量化、有效量变”的骨折康复模式，进一步通过临床研究，取得了优良的临床效果。从理论与方法上解决了骨科临床长期存在盲目康复的难点问题。