髓内钉动力化在促进长骨愈合中的应用与争议

作者：闫旭、梅炯
来源：中华创伤骨科杂志, 2020,22(08)

髓内钉动力化是一种在髓内钉内固定一段时间后去除髓内钉一端的锁定螺钉，使得骨折断端获得直接接触并产生压力的治疗方法^[1]。临床研究证明，髓内钉动力化可以促进骨折愈合^[2,3]，在临床上是一种治疗胫骨、股骨延迟愈合及骨不连的一种有效手段^[4,5,6,7]。与此同时，这项技术存在一定的手术失败率及短缩畸形、旋转畸形等并发症的风险^[8]。随着近年来研究的不断深入，对髓内钉动力化影响骨愈合的作用机制及髓内钉动力化的实施时机、并发症等具有争议性的问题有了新的认识。这有助于骨科医师更好地运用这项技术治疗胫骨、股骨骨不连，同时也有助于理解生物力学因素在骨折愈合过程中发挥的作用。

髓内钉动力化影响骨折愈合的机制

骨折愈合是一个复杂的生理过程，需要成骨细胞、细胞因子和生物力学因素在时间和空间上密切配合^[9]，生物力学因素在骨折愈合过程中发挥重要作用^[10]。髓内钉动力化可以增加骨折部位的微动和负荷，改善骨折部位的生物力学环境^{[11,12,13,14]}。研究表明，髓内钉动力化后可观测到骨折间隙减小、骨折区域血管化增强、骨痂生成增多及骨痂硬度增加等变化^{[15,16,17,18]}，骨折愈合情况得到改善。髓内钉动力化促进骨折愈合作用的发挥可能与多种细胞因子的表达、间充质干细胞（mesenchymal stem cell，MSCs）的定向分化及骨折区域细胞摄氧水平改变等机制相关。

Veno等^[19]建立小鼠骨折模型，采用2种不同强度的内固定方法，低强度组允许骨折断端间发生微动。结果显示，低固定强度组内源性成纤维细胞生长因子2（fibroblast growth factor，FGF-2)生成量较多，表明不同力学环境下生长因子表达情况不同，导致了愈合过程的差异。国内一项研究发现，骨折断端间的微动可以促进血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）等细胞因子的表达^[20]。Zhao等^[21]研究了机械刺激对内皮祖细胞（endothelial progenitor cells，EPCs）的影响。研究表明机械应力通过激活MAPK-ERK1/2通路发挥促EPC增殖和促进血管新生的作用。

微动应力还具有诱导MSCs分化的作用。李颖^[22]建立大鼠股骨骨折模型，用不同刚度的外固定支架予以固定，取骨痂组织，用RT-qPCR法检测MSCs分化过程中发挥重要作用的Runx2、Osterix及Sox9转录表达水平，Western blot法检测Runx2、Sox9蛋白的表达，并采用流式细胞术检测MSCs的绝对数量，术后当天和2周后拍摄X线片测量骨痂生成量。实验结果显示同一时间点低刚度组具有较高Runx2、Osterix及Sox9的表达水平及较多的MSCs数目和骨痂生成量，表明微动可以通过影响骨折区MSCs成骨、成软骨分化发挥促进骨愈合的作用。Chen等^[23]的一项体外研究显示，机械应力通过促进AMPK-SIRT1信号通路的激活发挥诱导人骨髓间充质干细胞向成骨分化的作用。研究人员将提取到的人骨髓来源MSCs置于体外应力加载装置上，对其施加5%和10%的牵拉，检测成骨相关目标基因表达程度以及AMPK-SIRT1信号通路的活化程度。牵拉组和非牵拉组相比，成骨相关基因活化明显增强，AMPK-SIRT1信号通路被激活。加入该通路的抑制剂后，牵拉促进成骨分化的作用消失。

循环力学负荷可增加细胞对氧的摄取。Witt等^[24]将MSCs置于纤维蛋白培养基中以模拟骨折血肿形成期细胞所处环境，然后对其加载循环力学负荷。研究人员通过分别测量加载前和加载后装置中心的氧分压来比较细胞氧转运速率。结果显示加载循环力学负荷30 min后，中心区域氧分压显著增加，为正常大气氧分压的25.3%±7.2%。这表明在骨折愈合早期，骨折断端微动产生的循环力学负荷可以增加血肿区域细胞对氧的摄取，促进骨愈合。

以上的研究表明，髓内钉动力化可以通过促进细胞因子（如内源性FGF-2、VEGF等）的表达、诱导MSCs向成骨及成软骨分化、增强MSCs的摄氧水平等方式促进骨愈合。

髓内钉动力化的时机

动力化时机是影响治疗效果的重要因素^[25]，过早和过晚动力化均会对骨折愈合产生不利影响。但目前动力化的最佳时机尚未确定。

Huang等^[26]提出实施动力化最佳时机为初次髓内钉内固定后的第10~24周。这项研究包含了24例采用去除一端所有锁定螺钉实施动力化股骨干骨折延迟愈合的患者。研究人员统计患者接受动力化的时间后发现，在10~24周内实施动力化的患者具有骨折愈合率为83.3%，而24周之后实施动力化骨折愈合率仅为33.3%。Shaikh等^[27]的一项包含42例股骨骨折延迟愈合的研究结果表明，在初次手术后6周到6个月实施动力化可以取得较满意的疗效。国内1项包含29例股骨骨折延迟愈合患者的研究结果显示，初次手术后6个月内实施动力化的效果（有效率为87.63%）明显优于初次手术6个月后的效果（有效率为33.33%）^[28]。以上研究结果说明，早期动力化效果优于晚期动力化，动力化实施时间不应超过初次手术后6个月。

Perumal等^[12]的实验表明，晚期动力化，即实施动力化时间距初次手术时间>12周，对促进股骨和胫骨骨折愈合依旧有效。38例胫骨和股骨骨折的髓内钉在置入平均19.11周（12~36周）后动力化，术后31例愈合，愈合率为81.5%。这说明胫骨和股骨骨折的晚期动力化能收到较好的效果。

骨折时间可以帮助判断动力化时机，除此之外有研究证实术前骨痂直径和骨干直径的比值（callus-to-diaphysis ratio，CDR）也具有参考意义。Vaughn等^[29]认为CDR可以作为预测动力化效果的指标，这一数据可以通过在正、侧位X线片上分别测量骨痂厚度和骨干直径获得。在这项研究中，CDR与骨折愈合率之间呈现良好的相关性。Vaughn等^[29]术前测量CDR>1.17时骨延迟愈合或骨不连动力化后有效率为93%，而CDR≤1.17时骨不连或骨延迟愈合动力化后的有效率仅为20%。Peruml等^[12]的实验结果与前者类似，在这项研究中骨折愈合指数（计算方法同CDR）>1.18的骨折实施动力化后的骨愈合率为92.8%，而骨折愈合指数≤1.18骨折动力化后愈合率为50%。

Vicenti等^[30]的研究也表明CDR可以作为预测动力化效果的工具。在这项研究中，68例股骨干骨不连依据最终达到愈合时间分成3组：损伤后9个月内达到愈合的归为A组，9~12个月达到愈合归为B组，12个月后达到愈合以及需要第2次手术方能愈合的归为C组。研究人员通过分析数据发现，A组和B组的CDR分别与C组结果相比均具有显著差异。线性回归分析结果表明，如果想使得骨折在创伤后9个月内达到愈合，则应在CDR处在1.19~1.47之间的时候实施动力化。

从以上研究中可以看出，实施长骨髓内钉动力化手术时机尚无统一标准。对于胫骨与股骨骨折或骨不连，在初次髓内钉内固定术后第10~24周行髓内钉动力化效果较好。此外，CDR可以帮助判断动力化的时机。

髓内钉动力化的争议

髓内钉动力化的应用存在争议。据文献报道，髓内钉动力化后发生骨不连的概率为为2.3%~28%^{[8,24,30,31,32]}。在这种情况下髓内钉有可能发生断裂，通常需要二次手术干预，Huang等^[26]报道了1例内固定失败髓内钉导致的髓内钉断裂，在采用加压钢板固定联合植骨的方法干预后骨折达到了愈合。其他二次干预的方法包括更换髓内钉，换钉联合植骨^[26,30,31]，二次干预骨愈合率为78%~100%^[26,30,31]。此外，对于某些病例动力化有可能引起严重短缩畸形（短缩>2 cm）及旋转畸形^[26,33]。在Wu^[33]的一项回顾性研究中，28例股骨骨折采用髓内钉动力化治疗后有5例发生了严重短缩畸形（短缩>2 cm），严重短缩畸形发生率为17.86%。在一项回顾性研究中，39例胫骨、股骨骨折采用了髓内钉动力化治疗，39例均发生了短缩，平均短缩长度为4 mm，1例发生严重短缩畸形（短缩21 mm）^[26]。

研究发现，骨折类型是影响动力化效果的重要因素^[29]。长斜型、螺旋型和粉碎性骨折动力化后容易出现短缩畸形，不适合采用这种疗法^[12,29]。Papakostidis等^[34]根据稳定性和骨折部位生物活性将骨折和骨不连分成4种类型：①稳定/增生型（横型或短斜型骨折或骨折周围骨皮质完整度>50%，伴有X线上骨痂生成的表现），②稳定/萎缩型（骨折形态同前者，X线缺乏骨折愈合的表现），③不稳定/增生型（粉碎性骨折或骨折周围皮质完整度<50%，伴有X线上骨痂生成的表现），④不稳定/萎缩型（骨折形态同前者，X线缺乏骨折愈合的表现）。结果显示，稳定/增生型和不稳定/增生型骨折与骨不连动力化后骨折全部愈合，且没有发生并发症。稳定/萎缩型骨折与骨不连动力化后均愈合（包括1例愈合时间延长），不稳定/萎缩型接受动力化的愈合率最低，且出现了4例严重短缩畸形（短缩>2 cm）和1例旋转畸形患者^[33]。

此外，实施髓内钉动力化的方法也对动力化效果产生影响。目前动力化方法主要有2种，即'移除一端全部锁定螺钉'（即完全动力化）和'保留动力锁定孔内螺钉'（即部分动力化）。在前一种方法中一侧锁定螺钉被完全移除，使得骨折断端之间可以产生轴向压缩运动，为骨折愈合创造有利条件。然而，与此同时骨折断端也丧失了旋转稳定性，容易过度压缩引起短缩畸形。后一种方法中，保留下来的螺钉被限制在动力锁定孔内，骨折断端可以在避免发生旋转和弯曲的情况下做一定程度的轴向压缩运动。Huang等^[26]将39例股骨干骨折分成了两组分别用这两种方法实施动力化，结果显示部分动力化组患者的骨折愈合率（93%）明显高于完全动力化组患者的愈合率（58%）。此外，这项研究的结果还表明，对于24周之后实施动力化患者，使用部分动力化能获得更好的疗效。国内也有研究证实部分髓内钉动力化相比完全动力化更有利于骨折愈合^[28]。

综上所述，髓内钉动力化因存在导致严重短缩畸形、旋转畸形等并发症的风险而引发争议。采用更有效的分型方法和部分动力化方式有助于避免此类情况发生。长斜型、螺旋型和粉碎型骨折在动力化后容易产生并发症，此类骨折应避免使用动力化。结合骨折稳定性和骨折部位生物学活性的方法可以帮助判断动力化效果，提高动力化疗效。此外，相比髓内钉完全动力化，部分动力化拥有较高骨愈合率和较少并发症发生率。

骨不连和骨延迟愈合是骨折局部的生物活性和力学环境紊乱等原因导致的骨愈合能力下降。既往的临床和基础研究表明，髓内钉动力化可以改善局部生物力学环境，促进成骨、成血管，是治疗骨延迟愈合和骨不连的一种有效手段。但由于存在一定比例的术后骨不连和并发症等原因，这项技术的应用尚存在争议。近年来对这项技术的研究取得了一些进展，使用CDR判断动力化时机以及骨折稳定性与生物学活性相结合的分类方法。这些方法有助于提高髓内钉动力化的治疗效果，较少发生并发症。目前对于这项技术的机制研究存在不足，动力化促进骨愈合的生物力学机制尚不明确，有待进一步阐明。骨折部位的生物力学条件，如骨折稳定性、骨折断端间运动等对骨痂生成的速度和质量有重要影响，研究生物力学条件刺激成骨机制有助于骨科医师制定更合理的治疗方案。

参考文献：略