综述：萎缩性长骨不愈合：关于病理机制和管理的最新认识——一篇叙述性综述 Vasileios P. Giannoudis, Helena F. Barber, Vincenzo Giordano, Nikolaos K. Kanakaris 和 Peter V. Giannoudis

《Journal of Clinical Medicine》：Atrophic Long-Bone Non-Union: Current Insights into Pathogenesis and Management—A Narrative Review Vasileios P. Giannoudis, Helena F. Barber, Vincenzo Giordano, Nikolaos K. Kanakaris and Peter V. Giannoudis

　　摘要
骨折的手术和非手术治疗都会出现并发症之一，即不愈合（非联合）的发生。国际文献中报道的非联合发生率为5-10%，这一数据被认为低估了这一临床问题的实际严重性。萎缩性不愈合的病因是多因素的，涉及生物学、机械学、感染以及宿主相关因素。关于其发病机制的许多证据都存在异质性，且大多基于假设。这种异质性导致了针对萎缩性不愈合的治疗方法多种多样，但成功率各不相同。本结构化的叙述性综述总结了当前对萎缩性不愈合发病机制的见解，包括炎症和免疫反应、间充质干细胞的作用、骨形态发生蛋白以及重塑和血管生成的机制。同时，还概述了管理策略，包括排除隐匿性感染、评估机械稳定性、优化可调节的宿主因素，以及最终改善非联合区域的生物学和机械环境。

1. 引言
美国食品药品监督管理局（FDA）将骨折不愈合定义为：在受伤后九个月内骨折未能进展为骨性愈合，并且在连续三个月的X光片上没有愈合的迹象[1]。据估计，美国每年有超过10万例骨折属于不愈合情况[2]。在苏格兰的一项最新流行病学研究中，报告的年发病率约为每10万人中有18.94例[3]。
不愈合根据骨折部位是否存在细菌分为感染性（伴有细菌）和非感染性（无细菌）两种类型。不愈合的X光表现可以判断其为增生性或萎缩性：增生性不愈合是由于骨折固定不足引起的，伴有大量的骨痂形成；而在萎缩性不愈合中，尽管骨折固定通常足够，但局部生物活性可能存在障碍，导致几乎或完全没有骨痂形成。

间接骨折修复过程分为三个阶段：炎症期、软骨形成期和骨形成期[4]（图1）。炎症期的特点是纤维蛋白凝块/血肿的形成、炎症细胞的浸润、修复细胞前体（间充质干细胞，MSCs）的募集，最后形成由成纤维细胞和内皮细胞组成的肉芽组织（图1a）。在软骨形成期，“软骨痂”逐渐成熟为软骨；同时，在骨折边缘会发生骨膜骨痂的形成和破骨细胞对死骨端的吸收（图1b）。最后的骨形成期，“重塑”阶段包括软骨痂向硬骨痂的转化，涉及血管再生、矿化、软骨组织吸收和长期骨重塑（图1c）。许多不同类型的细胞在这些精细协调的过程中起着关键作用：细胞成熟为中间表型并产生趋化因子和生长因子，从而促进其他细胞的浸润、成熟和分化。

2. 方法学
2.1. 目的
本文对长期骨萎缩性不愈合的病因机制的最新理论进行了叙述性回顾，旨在综合这些理论并提出实用的管理方案。
2.2. 文献搜索和研究选择
我们使用PubMed、Embase、Scopus和Cochrane系统评价数据库进行了文献检索。检索关键词包括：“萎缩性不愈合”、“发病机制”、“病因”、“间充质干细胞”、“骨形态发生蛋白”、“骨免疫学”、“炎症”、“免疫反应”、“血管生成”和“钻石概念”。一个代表性的PubMed检索策略如下：((“atrophy”[MeSH Terms] OR “atrophy”[All Fields] OR “atrophic”[All Fields]) AND (“nonunion”[All Fields] OR “nonunions”[All Fields]) AND (“etiology”[MeSH Subheading] OR “etiology”[All Fields] OR “pathogenesis”[All Fields])) AND (2005:2026[pdat])。这一检索过程重复进行了多次，每次都保留了“atrophic nonunion”这一关键词。最后一次检索是在2026年4月19日，纳入了2005年至2026年间的文章。纳入的研究需要探讨萎缩性不愈合的发病机制，并报告其病因或管理措施。研究对象包括人类和动物的实验研究、观察性研究，以及发表在同行评审期刊上的相关综述文章（原文为英文）。排除那些仅关注增生性不愈合或未讨论不愈合的骨折愈合的研究；缺乏关于萎缩性不愈合发病机制或管理细节的研究；以及非英文文献。根据研究对萎缩性不愈合发病机制或管理的相关性进行排序，优先考虑2005年以后的研究。通过关键研究的引用追踪和进一步的针对性搜索，进一步细化和扩展了各理论和管理方案。重点研究是指那些明确关注萎缩性不愈合病因的研究，特别是那些在文献中频繁被引用的研究。此外，还通过引用追踪发现了2005年之前发表的具有里程碑意义的论文，因为它们对后续研究具有重要的影响。由于本文为叙述性综述，因此未对纳入的研究进行正式的偏倚风险评估。

3. 萎缩性长骨不愈合的发病机制
目前关于萎缩性不愈合的生物学病因机制主要有三种观点：
3.1. 免疫细胞的不受控制的行为
第一种理论认为免疫细胞的行为不受控制。在骨折修复的炎症阶段，血小板聚集和血栓形成会释放大量的血小板来源的趋化因子和生长因子，吸引其他免疫细胞和非免疫细胞到损伤区域。中性粒细胞首先进入该区域，随后是巨噬细胞和适应性免疫细胞（如T淋巴细胞和B淋巴细胞）。免疫细胞的浸润导致骨折部位干扰素-γ（IFN-γ）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和其他促炎细胞因子的浓度增加。局部细胞因子环境的变化会激活单核细胞来源的破骨细胞前体，并使其成熟为具有吸收死骨能力的功能破骨细胞。一种理论认为，个体循环中的适应性免疫特征和炎症的延迟终止对内源性骨再生有重要影响[6,7,8]。尤其是过量的TNF-α会对骨折部位同时聚集的间充质干细胞的存活、增殖和分化产生不利影响[1a]。近期研究关注免疫细胞的不受控制行为及其在骨折愈合和随后的不愈合中的作用[9,10,11]。骨折血肿的微环境、细胞因子和生长因子含量组织了初始的炎症反应和后续的免疫反应[12,13]。已知在免疫抑制人群中骨折愈合会延迟，动物模型和免疫受限患者中早期就表现出过量的促炎细胞因子[14,15,16,17]。虽然初始的局部炎症反应对骨折愈合至关重要，但失调、持续或过度的炎症可能有害，并导致不愈合。
此外，其他研究还阐明了免疫失调在萎缩性不愈合中的影响。萎缩性不愈合的动物模型显示异常的炎症反应，表现为炎症细胞因子（如TNF-α、IL-1β、MMP-9和MMP-13）的表达增加[18,19]；其他研究则发现萎缩性不愈合患者体内存在长期炎症状态的血清生物标志物升高[18,20]。不必要的或持续的炎症（如TNF-α的过度表达）会导致破骨细胞相对于成骨细胞的过度激活，从而引起骨吸收或侵蚀[21,22,23,24]。Wagner等人证明，在萎缩性不愈合的动物模型中，RANKL的表达显著增加，破骨细胞活性增强[19,23]。后续研究中，他们使用依那西普调节TNF-α水平，恢复了骨再生[19,23]。其他研究也在人类不愈合组织中确认了破骨细胞的存在及其活性增强[25,26,27,28]。多种植物调节因子和随后的骨形成反应之间的复杂平衡和相互作用对于成功的骨折愈合至关重要。萎缩性不愈合中的免疫行为不应被视为一个静止的过程，而应是一个生物活性失调的过程。确切的相互作用和最佳平衡状态仍有待确定，以便更好地指导萎缩性不愈合的治疗。
3.2. 间充质干细胞的局部或系统不足
第二种理论认为，间充质干细胞（MSCs）或骨形态发生蛋白（BMP）的局部或系统不足是导致萎缩性不愈合的原因。MSCs是软骨细胞和成骨细胞的前体，对软骨和骨膜骨痂的形成至关重要。MSCs从邻近的骨髓和骨膜局部募集到骨折部位[29]（图1b）。MSCs的趋化作用通过血小板来源的生长因子（PDGFs）、基质来源的SDF-1以及其他在血小板激活时释放的强趋化分子介导。虽然已在动物模型中证明MSCs可以从远处部位系统募集，但在人类中尚未有确凿证据。Hernigou和Beaujean首次报告了不愈合部位MSCs水平降低，并提出了一种通过注射自体骨髓MSCs来治疗骨折不愈合的新方法[30]。此后，通过严格的表型和功能分析证实了人类骨折血肿中存在MSCs[31,32]；并且发现晚期萎缩性不愈合人类组织中的MSCs在功能上不如标准骨髓MSCs[25,33,34]。尽管未培养的MSCs表现出较低的生长因子表达和较高的静息状态，但动物和人类研究均表明它们在体外仍能保持成骨活性，并且在有利条件下可以诱导分化[33,34,35,36,37,38,39]。目前尚不清楚不愈合部位MSCs的缺乏是由于修复早期募集减少（图1a）还是不愈合过程本身的结果。
骨形态发生蛋白（BMPs）的生产不足，或由肉芽组织、骨膜或软再生骨痂中的非免疫细胞产生的BMP拮抗剂（如Noggin）过多，长期以来被认为是动物模型中不愈合的另一个潜在原因[40]。虽然有大量文献研究了人类和动物模型中的BMP及其抑制剂的作用，但由于相关信号通路的高度冗余，研究结果尚无定论。因此，评估各个BMP分子及其拮抗剂的相对贡献较为困难。在将这一知识转化为未来的治疗策略方面，一些作者建议，阻断BMP拮抗剂可能比添加外源性BMP更有效地降低不愈合的发生率[41]。在考虑第二种理论时，也提出了患者骨髓中存在固有的间充质干细胞（MSC）缺陷的问题。与对照组和急性创伤患者相比，不愈合患者的骨髓MSC数量减少已被记录在案[33,42,43,44]。这可能是不愈合的结果，而不是原因。需要进一步的研究来探讨成功愈合的患者与发生不愈合的患者在PDGF和SDF-1趋化因子反应性方面的差异。这样的前瞻性研究将有助于确定MSC迁移缺陷是否是不愈合患者数量减少的原因。尽管在定义骨折愈合过程中MSC或BMP失调的确切点上存在模糊性，但MSC和BMP经常被用于管理萎缩性不愈合，并取得了相当大的患者成功率[45,46,47,48,49]。特别是BMP-2和BMP-7在促进人类研究和动物模型中的骨折愈合方面发挥了重要作用[47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58]。它们的治疗效果进一步支持了MSC和BMP在萎缩性不愈合发病机制中的关键作用。

第三种也是最后一种理论涉及骨折修复后期细胞的功能障碍。在骨折修复后期发挥作用的细胞包括分化中的软骨细胞和内皮细胞，这些细胞参与将软性骨痂重塑为硬性骨痂组织（图1c）。基质金属蛋白酶（MMPs）及其组织抑制剂介导细胞外基质从II型胶原向I型胶原的转变，在重塑阶段至关重要。临床前研究和体外数据表明，免疫细胞谱型和/或BMP谱型的改变可能会破坏MMP活性，从而导致愈合延迟或失败[59,60]（图1c）。然而，在人类萎缩性不愈合中，直接的因果关系尚未完全明确。此外，骨折部位的血管生成反应和再血管化也可能受损，这体现了血管内皮细胞/前体细胞与MSC后代（如软骨细胞和成骨细胞）之间的复杂相互作用。血管化受损在萎缩性不愈合的发展中的作用仍然是一个争论的话题[61]。最近的假设主要由临床前模型支持，强调了VEGF和血管生成在骨折愈合中的时间重要性，以及血管生成蛋白和成骨蛋白（如BMP-2和BMP-4）表达的平衡[62,63]。虽然已知MMP在调节MSC命运和骨骼重塑及修复中起着重要作用，但针对人类萎缩性不愈合中MMP失调的具体作用的研究仍然有限。最近的研究开始探讨CtBP1/2复合体对MMP的抑制作用及其对不愈合风险的影响，但这些发现主要来自动物和机制研究[64,65,66,67]。多项研究表明MMP-9和MMP-13是骨骼愈合的重要调节因子。MMP-9和MMP-13的敲除模型显示骨折愈合延迟，支持它们在动物模型中的功能作用，而最近的临床前和人类研究发现MMP-13的多态性与不愈合具有保护作用[68,69,70,71]。相反，在多项萎缩性不愈合的研究中观察到MMP-9和MMP-13的显著上调；然而，这些发现主要是描述性的，并未阐明这是因果关系还是补偿机制[19,27]。与BMP通路类似，MMPs之间的复杂相互作用和功能冗余使得分离特定变化并定义其在萎缩性不愈合中的确切作用变得具有挑战性[72,73]。血管生成受损常被认为是萎缩性不愈合的致病因素，多项研究表明血管供应中断或血管生成抑制可以在动物模型中诱导萎缩性不愈合[74,75,76,77,78]。进一步的证据表明，添加血管内皮生长因子（VEGF）可以促进骨折愈合和骨形成，这在临床前研究中得到了证实[79,80,81]。虽然血管生成不足会导致不愈合，但多项人类研究通过对已建立的不愈合病例进行组织学评估发现，与愈合或增生性不愈合相比，这些病例的血管生成是足够的[25,26,27,62,82,83,84,85]。Garcia等人发现，在任何时间点，萎缩性不愈合與愈合骨折之间的血管密度没有差异；然而，其他研究发现，在骨折早期愈合过程中萎缩性不愈合的血管密度较低，而在不愈合形成后恢复到正常甚至升高的水平[62,75,83,86]。同样，VEGF在不愈合病例中和对照组中的水平相当，甚至表达更高，表明存在活跃的血管生成[43,87]。关于VEGF上调和血管密度增加是否是不愈合的致病因素或补偿因素，讨论仍在继续。血管生成对于骨折愈合至关重要。尽管导致萎缩性不愈合的血管生成途径的具体失调机制尚未完全了解，但它很可能是一个多因素过程，依赖于血管生成因子与其他关键骨形成级联因素的适当时机和平衡。

4. 萎缩性长骨不愈合的管理
4.1. 萎缩性长骨不愈合的影响
萎缩性长骨不愈合的治疗具有高昂的经济成本，平均直接费用分别为加拿大元11,800元、美国元11,333元和英镑29,204元[88,89]。然而，总体成本的主要驱动力是由于生产力损失导致的间接成本。针对萎缩性不愈合的根本原因进行治疗，以实现更快愈合、早期功能恢复和工作重建，将优化治疗效果并减轻患者的经济负担。
4.2. 萎缩性长骨不愈合的治疗选择
对于无菌性长骨萎缩性不愈合，已经提出了不同的治疗方法，包括骨髓抽吸的微创注射、生长因子的应用、骨移植的输送以及骨折环境的动态化处理，还有更复杂的介入手术，如通过额外骨移植重新固定骨折[90,91,92,93,94]。此外，还使用了低脉冲超声治疗和电磁刺激等非侵入性刺激方法，取得了积极的结果[90,95,96,97,98]。治疗选择取决于不愈合间隙的大小、不愈合环境的生物潜力以及机械环境等因素。
4.3. 萎缩性长骨不愈合的非手术管理
萎缩性长骨不愈合的非手术管理方法包括低强度脉冲超声（LIPUS）和电磁刺激等。在适当的患者群体和临床情况下使用这些方法时，发现其具有较高的愈合成功率。自2000年以来，LIPUS在美国已被批准用于不愈合的治疗，提供了一种非侵入性的生物物理刺激方法来促进愈合[99]。尽管增生性不愈合似乎从LIPUS中获益更多，但LIPUS仍然是萎缩性不愈合的一个可行治疗选择，报道的愈合率在76.9%到93%之间[96,100,101]。最近的一项综述确定了LIPUS治疗成功的几个关键因素，包括适当的骨折部位稳定性、骨折间隙小于10毫米、换能器的准确放置、适当的治疗时间以及高每日依从性[99]。标准的LIPUS治疗方案包括每日自我实施的20分钟疗程，总治疗次数与不愈合持续时间成正比[99]。脉冲电磁场（PEMF）刺激是另一种用于促进骨折愈合的非侵入性生物物理技术。治疗方案各不相同，但通常涉及每天佩戴外部电极数小时[102,103,104,105]。与LIPUS类似，其在萎缩性不愈合管理中的作用仍在研究中。虽然系统评价显示有临床益处的趋势，但也指出缺乏高质量的证据来证明其优于对照组[97,103]。PEMF治疗的禁忌症通常包括活动性感染、机械稳定性不足以及骨折间隙大于5-10毫米[104,105]。PEMF也适用于某些心血管风险患者，包括装有单极起搏器的患者[106]。报道的愈合率在75%到90%之间；然而，许多研究并未区分萎缩性和增生性不愈合[104,105,107]。与LIPUS类似，这些非手术方法在机械稳定性不足或骨折间隙较大时不宜单独使用。然而，对于具有有利不愈合特征的高风险手术患者，它们代表了一种低风险、非侵入性的选择。
4.4. “钻石概念”在萎缩性长骨不愈合的手术管理中的应用
“钻石概念”最近被引入用于成功管理长骨不愈合[108]。该概念强调了不愈合部位成功愈合所需的重要因素，包括信号（骨诱导分子/生长因子）、骨前体细胞、骨传导基质（支架）、健康的血管床（促进血管生成）和最佳的骨折固定（机械环境）（图2）。外科医生在翻修手术时需要考虑这些因素的组合。图2展示了“钻石概念”在骨骼愈合中的应用。在难治性病例中全面应用“钻石概念”已取得有希望的结果[49,109,110,111,112,113,114,115,116,117,118,119,120,121]。然而，并非所有不愈合病例都需要这种治疗方法，因此关键问题是如何识别可以从这种策略中受益的病例。为此，Calori等人开发了一种综合评分系统（NUSS），用于评估必须克服的固有困难，并提出了一种逐步治疗的方法来预测成功的愈合结果（图3和图4）。NUSS评分系统基于15个不同的临床和生物学参数为不愈合病例分配一个总分[122]。总分数将不愈合病例分为四组（0-25、26-50、51-75和76-100），每组对应推荐的治疗策略和逐步增加的干预水平。较低的分数表示风险较低的不愈合病例，通常可以通过优化机械稳定性和使用非侵入性或微创辅助措施来处理。随着分数的增加，病例通常需要更广泛的干预和分期或联合治疗。最高组则提示可能需要进行肢体或关节挽救，可能需要考虑截肢、关节固定或假体重建。Calori等人的研究以及Abumunaser和Al-Sayya的研究验证了该评分系统的有效性，证明其作为下肢不愈合治疗指南的实用性[123,124]。表1展示了使用“钻石概念”治疗的病例。图3显示了计算NUSS（非愈合评分系统）所需评估的几个参数，以选择适当的治疗升级方案来优化愈合结果。图4展示了一位46岁男性患者左胫骨骨折的情况，该骨折用髓内钉固定。九个月后，X光片显示了萎缩性胫骨不愈合：(a) 侧面视图和(b) 正面-背面视图。NUSS评分为14分（标准治疗）。由于机械环境稳定，仅从髂嵴进行了骨移植。(c) 术中图片显示了不愈合环境。(d) 骨移植位于不愈合区域。(e) 术后9.8个月的X光片显示愈合情况。许多复杂的萎缩性不愈合重建涉及骨移植，自体移植被认为能够满足钻石概念中的多个因素，包括成骨细胞、生长因子和骨传导支架[125]。由于自体骨移植的有限可用量和采集过程中的并发症，需要开发其他生物刺激移植材料，如异体移植、同种移植和合成材料。最近提出了复合移植的概念（在植入前结合不同的移植材料），以应对自体移植不足的情况[125]。选择适当的移植材料或应用复合移植取决于不愈合的持续时间、之前的失败尝试次数、患者的合并症和成本[125]。
4.5. 萎缩性长骨不愈合的算法化管理
萎缩性不愈合的管理需要一种个体化的、系统化的方法，如图5所示。非联合的定义因情况而异。通常将其定义为在6-9个月内未能愈合且没有愈合进展迹象的骨折；萎缩性非联合与肥大型非联合是通过放射学分析来区分的。管理的初步步骤是排除隐匿性感染，这通常通过全面的临床和实验室检查来实现。如果经过临床和实验室检查后仍怀疑存在隐匿性感染，可能需要进行骨活检。如果确诊为化脓性非联合，则必须先进行充分的清创并确认感染被清除，才能进行进一步的骨折愈合促进措施。一旦确认为无菌性非联合，就需要仔细评估机械、生物因素以及宿主因素。机械环境包括骨折对齐情况、稳定性、植入物的合理使用以及骨折间隙内的应力情况，同时要留意任何植入物失效的迹象。生物环境涉及损伤程度（如最初的软组织损伤程度和骨折部位的血管情况）、当前的骨骼和软组织缺损以及软组织包裹情况。最后要考虑宿主因素。病史应明确并解决可改变的宿主因素，如营养不良、吸烟、维生素D缺乏、血糖控制不良、潜在的炎症状态以及高风险药物的使用。图5展示了萎缩性非联合管理的算法流程图。最终的治疗策略应综合考虑所有这些因素。尽管萎缩性非联合的生物学特性常常成为讨论的重点，但在缺乏足够机械稳定的情况下，骨折是无法愈合的。每个病例都需要根据患者和损伤的具体情况来评估，包括初始软组织损伤的程度、骨折部位的血管情况、缺损大小、临床感染的嫌疑以及影响生物愈合能力的宿主因素。根据确定的机械、生物、感染和宿主相关因素，治疗方案可能包括单独使用或联合使用多种技术，如再次固定、骨移植、生物辅助手段（如BMP或骨髓抽吸浓缩物BMAC）和复合移植。对于存在 segmental bone loss（部分骨丢失）的情况，可能需要采用诱导膜技术或骨移植等缺损管理方法。在具有多个高风险因素的晚期病例中，可以考虑进行挽救手术（如关节融合术）；而在最严重的情况下，应与患者讨论是否进行截肢。非联合评分系统（NUSS）为外科医生提供了指导管理的框架，帮助他们决定是否采用诱导膜技术或分期重建等更高级的治疗方法。低分（0-25分）表示仅通过优化机械环境可能就足够了，而高分则往往需要机械和生物学的联合干预。中等分数（26-50分）支持考虑辅助疗法，包括非侵入性方法（如LIPUS和PEMF）或使用成骨细胞（如骨髓抽吸浓缩物BMAC）及生长因子的微创生物增强治疗[122,124]。随着分数的增加，表明非联合的风险越高，所需的干预措施也更为复杂。分数在51-75分之间时，通常需要通过分期诱导膜技术、骨移植或自体移植等方法结合生长因子（BMP）、骨传导支架和BMAC等生物增强措施来处理缺损。最高分类别则要求对非联合重建的可行性进行全面评估，并考虑是否需要进行关节或肢体牺牲手术[122,124]。总之，萎缩性非联合仍然是骨折固定后的常见并发症。导致长骨萎缩性非联合的具体机械和分子机制尚不清楚，其管理仍然具有挑战性，并给医疗系统带来了巨大的经济负担。为扭转这一过程而制定的干预措施应当及时且目标明确，以恢复患者的并发症以及生物学和机械方面的缺陷。