CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về cấu tạo xương và vật liệu dùng cấy ghép và tái tạo xương 1.1 Thành phần, cấu tạo xương Xương là mô liên kết cấu tạo bởi 5-8% nước và 95-92% mô đặc, trong đó 65-70% là thành phần vô cơ (calcium phopshate ở dạng tinh thể hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2, calcium carbonate, magnesium phosphate và magnesium fluoride pha tạp với nhiều loại ion khác nhau) và thành phần hữu cơ, chủ yếu dưới dạng collagen đóng vai trò cung cấp khung sườn cho các tinh thể muối lắng đọng [1]. Như được minh họa trong Hình 1.1, xương là một cấu trúc phân cấp với kết cấu thành phần trải dài từ kích thước macro đến kích thước nano. Ởcấp độ phân tử, các phân tử collagen dưới dạng các sợi nhỏ (màu cam) được khoáng hóa thông qua sự hình thành các tinh thể apatite (màu tím), được gọi là các sợi khoáng hóa. Sự tương tác giữa các sợi collagen và tinh thể apatite ở cấp độ phân tử góp phần quan trọng trong việc đánh giá khả năng chịu lực của xương.
Mặc dù cấu trúc xương khác nhau tùy thuộc vào loại xương và loài, nhưng cấu trúc của các sợi khoáng hóa này được bảo tồn cao giữa các loài và các loại xương khác nhau [2]. Bên cạnh đó, xương có cấu trúc mắt lưới, từng vùng khác nhau của xương có độ đặc khác nhau. Do đó, để có thể mô phỏng được đặc điểm sinh học và chức năng củaxương tự nhiên, nhiều loại vật liệu cấy ghép đã được phát triển dựa trên cơ sở thành phần và cấu trúc này. Cấu tạo chung của xương gồm có 2 thành phần chính, gồm: xương đặc ở ngoài, rắn chắc chiếm phần lớn khối lượng của xương và xương xốp ở trong, do nhiều bè xương bắt chéo nhau chằng chịt, tạo nên những hốc nhỏ trông như bọt biển.
Lớp ngoài có một lớp phủ mỏng gọi là màng xương có độ dày dưới 2 mm. Lớp trong của màng xương có nhiều mạch máu nuôi xương và cốt bào giữ vai trò quan trọng trong việc điều hòa hàm lượng calcium và phosphorus huyết tương.1 Cấu trúc phân cấp của xương ở kích thước khác nhau [3] Hình 1.2 Cấu tạo xương và quá trình sửa chữa xương [4] Xương là những cấu trúc phức tạp liên tục trải qua quá trình sửa chữa năng động do sự tương tác phức tạp của nhiều quá trình sinh hóa, chủ yếu có thể được mô tả bằng quá trình kép liên quan đến 2 loại cơ cấu tế bào, mà trong đó sự hình 8 thành xương thực hiện bởi nguyên bào xương tiếp nối quá trình tái hấp thu xương bị tổn thương bởi hủy cốt bào để đạt trạng thái cân bằng về khối lượng khi xương phát triển [5]. Sự cân bằng này giúp duy trì tính toàn vẹn cấu trúc của mô. Những quá trình như vậy có thể xảy ra một cách tự nhiên trong trường hợp xương bị tổn thương nhỏ; tuy nhiên nếu xảy khuyết tật xương lớn do nguyên nhân trao đổi chất, chấn thương, nhiễm trùng hay phẫu thuật thất bại, quá trình chữa lành tự nhiên của nó diễn ra chậm và kéo dài.
Hơn nữa, mô mới không đạt được đặc tính liên quan đến cấu trúc ban đầu trong một khoảng thời gian ngắn. Do đó, một khung xương vững chắc được sử dụng đóng vai trò như “cấu trúc dẫn đường” cho các tế bào thực hiện và đẩy nhanh quá trình tái tạo và chữa lành.2 Sự tương tác giữa các tế bào xương và ma trận xương Xương là một mô liên kết được khoáng hóa, chứa bốn loại tế bào: nguyên bào xương (Ob), tế bào liên kết (BLC), tế bào xương (Ot) và hủy cốt bào (Oc). Nguyên bào xương (Ob) có nguồn gốc từ tế bào gốc trung mô (MSC) phân bố dọc theo bề mặt xương, chiếm 4 – 6% tổng số tế bào xương và đóng vai trò chức năng tạo xương thông qua quá trình tổng hợp ma trận xương [6], [7]. Quá trình tổng hợp ma trận xương bởi các nguyên bào xương xảy ra theo hai bước chính: lắng đọng ma trận hữu cơ và quá trình khoáng hóa [8].
Các nguyên bào xương giải phóng protein collagen, chủ yếu là collagen loại I, protein không phải collagen và proteoglycan tạo thành ma trận hữu cơ. Sau đó, quá trình khoáng hóa của chất nền xương diễn ra khi các nguyên bào xương tiết ra các enzym phân hủy proteoglycan, các ion calcium được giải phóng khỏi proteoglycan và đi qua các kênh calcium có trong màng túi chất nền. Mặt khác, các hợp chất chứa phosphat bị phân hủy bởi ALP do các nguyên bào xương giải phóng và giải phóng các ion phosphat bên trong các túi chất nền. Sau đó, các ion phosphat và calcium bên trong túi tạo mầm, tạo thành tinh thể hydroxyapatite.
Tế bào liên kết (BLC) là các nguyên bào xương “thụ động” bao phủ các bề mặt xương mà không có quá trình hấp thụ hoặc hình thành xương diễn ra. Một số tế bào này có quá trình kéo dài vào các kênh nhỏ, và kết nối rãnh giữa chúng và Ot. Chức năng của các tế bào liên kết được chứng minh là ngăn chặn sự tương tác trực tiếp giữa các Oc và ma trận xương khi quá trình tiêu xương không xảy ra và tham gia vào quá trình biệt hóa tế bào xương thông qua khả năng tạo ra Osteoprotegerin (OPG) và RANKL. 9 Tế bào xương (Ot), chiếm 90 – 95% tổng số tế bào xương, là những tế bào có số lượng nhiều nhất và tuổi thọ lâu nhất lên tới 25 năm [9].
Các tế bào xương nằm trong các khoảng trống được bao quanh bởi ma trận xương khoáng hóa, trong đó chúng có hình thái đuôi gai (Hình 1. Chúng có nguồn gốc từ MSC thông qua quá trình biệt hóa nguyên bào xương, thực hiện các chức năng liên quan đến phát triển xương mới, định hình lại xương để giúp chúng thay đổi, chữa lành xương bị hư hỏng hoặc gãy [10]. Hủy cốt bào (Oc) là các tế bào đa nhân biệt hóa ở giai đoạn cuối, có nguồn gốc từ các tế bào đơn nhân của dòng tế bào gốc tạo máu, dưới ảnh hưởng của một số yếu tố. Trong số các yếu tố này, yếu tố kích thích khuẩn lạc đại thực bào, được tiết ra bởi các tế bào trung mô và nguyên bào xương tạo xương, và phối tử RANK, được tiết ra bởi các Ob, Ot và tế bào nền [8].
Những yếu tố này thúc đẩy sự kích hoạt các yếu tố phiên mã và biểu hiện gen trong các hủy cốt bào [8]. Ma trận xương là một hệ phức tạp và có tổ chức, cung cấp hỗ trợ cơ học và đóng vai trò thiết yếu trong cân bằng nội môi xương. Ma trận xương có thể giải phóng một số phân tử can thiệp vào hoạt động của tế bào xương và do đó tham gia vào quá trình tái tạo xương. Nếu chỉ mất khối lượng xương được cho là không đủ để gây gãy xương, người ta cho rằng các yếu tố khác, bao gồm những thay đổi trong protein của ma trận xương và những biến đổi của chúng, có tầm quan trọng cốt yếu đối với sự hiểu biết và dự đoán về gãy xương [8], [11], [12].
Trên thực tế, collagen đóng một vai trò quan trọng trong cấu trúc và chức năng của mô xương [12]. Ma trận chất nền xương không chỉ cung cấp hỗ trợ cho tế bào xương mà còn có vai trò chính trong việc điều chỉnh hoạt động của tế bào xương thông qua một số phân tử bám dính. Các Ob tạo ra tương tác với ma trận xương bằng các protein integrin (α1β1, α2β1 và α5β1), chúng nhận biết và liên kết với arginylglycylaspartic acid (RGD) và các trình tự khác có trong protein ma trận xương bao gồm osteopontin, fibronectin, collagen và sialoprotein [13], [14]. Mặt khác, sự tương tác giữa các Oc và ma trận xương là cần thiết cho chức năng của Oc, vì quá trình tiêu xương chỉ xảy ra khi các tế bào hủy xương liên kết với bề mặt xương đã được khoáng hóa [15].
Do đó, trong quá trình tiêu xương, Oc biểu hiện các tích hợp αv β3 và α2β1 để tương tác với chất nền ngoại bào, trong đó protein integrin liên kết với các protein giàu RGD trong xương, chẳng hạn như 10 sialoprotein và osteopontin, trong khi integrin β1 liên kết đến các sợi collagen [8]. Bất chấp những ràng buộc này, chúng có khả năng vận động cao, thậm chí có khả năng tái hấp thu chủ động do Oc không biểu hiện cadherin, một loại phân tử cung cấp sự tiếp xúc mật thiết giữa tiền chất Ot và tế bào nền, biểu hiện các yếu tố tăng trưởng quan trọng đối với sự biệt hóa Oc [16]. Ngoài ra, tương tác Ot-ma trận xương rất cần thiết cho chức năng như tác nhận thụ cảm cơ học của các tế bào này, nhờ đó các tín hiệu gây ra bởi sự biến dạng của mô được tạo ra và khuếch đại. Mặc dù vẫn chưa rõ những integrin nào có liên quan, nhưng người ta gợi ý rằng integrins β3 và β1 có liên quan đến tương tác ma trận xương-xương [17], [18].
Ngoài ra, sự chuyển động của dòng chất lỏng cũng rất cần thiết cho việc vận chuyển chất tan hai chiều trong khoang màng ngoài tim, ảnh hưởng đến đường truyền tín hiệu tế bào xương và sự tương tác giữa các tế bào xương [19], [20].3 Vật liệu dùng cấy ghép và tái tạo xương Hiện nay, ghép xương là phương pháp tái tạo xương được sử dụng phổ biến trong thực hành lâm sàng. Mảnh ghép được sử dụng trong cấy ghép có thể phân thành 4 loại chính, gồm: mảnh ghép tự thân, mảnh ghép đồng loại, mảnh ghép dị loài và mảnh ghép nhân tạo (Hình 1. Ghép tự thân và ghép đồng loại có đặc tính dẫn xương được biết đến như là phương pháp đầy hứa hẹn để cung cấp khung cho sự phát triển của xương [21], [22]. Tuy nhiên, nguồn cung cấp xương hạn chế, gãy xương và nhiễm trùng ở vị trí hiến tặng hoặc hiện tượng đào thải cấy ghép dẫn đến những thách thức trong các ứng dụng lâm sàng của chúng [23].
Do đó, sự phát triển của các mảnh ghép xương nhân tạo như gốm sinh học, thủy tinh hoạt tính sinh học, polyme và composite… gần đây đã được chứng minh là một phương pháp thay thế lý tưởng để khắc phục những hạn chế của các phương pháp điều trị lâm sàng thông thường do tính sẵn có, tính tương thích sinh học, đặc tính được kiểm soát và giảm nguy cơ mắc bệnh, truyền bệnh [24]. Hơn nữa, các đặc tính cấu trúc đã được coi là quan trọng trong việc ảnh hưởng đến hiệu quả tái tạo xương.