骨折愈合：从分子与细胞机制到治疗策略

主要细胞内整合因子在骨折修复过程中协调细胞存活、增殖、分化、迁移和代谢。A PI3K-Akt-mTOR通路：RTK、GPCR和整合素-FAK输入激活PI3K，生成PIP3，招募Akt并由PDK1和mTORC2激活。Akt依赖的mTORC1信号促进合成代谢和基质产生，而其他Akt依赖分支支持存活、迁移、应激适应和细胞骨架组织。PTEN将PIP3转化为PIP2，SHIP1将PI(3,4,5)P3转化为PI(3,4)P2，从而负向调节PI3K-Akt信号。B MAPK级联：ERK1/2、JNK和p38分支调节增殖、迁移、应激反应、基质周转和分化。C NF-κB和JAK/STAT轴：TLR和TNFR1等受体激活经典NF-κB信号，通常通过IκB降解和p65/p50核转位；部分TNF受体超家族成员通过NIK和IKKα依赖的p100加工及p52/RelB依赖程序激活非经典NF-κB信号。细胞因子受体激活JAK/STAT信号，包括STAT3和STAT6相关程序，SOCS3介导的反馈限制细胞因子信号。通路在多个修复阶段活跃；图中阶段标注表示主要或示例性活动，而非严格阶段专一性。

a TNFR1偏向的早期炎症信号和TNFR2相关的修复信号，而非严格的TNFR1-to-TNFR2开关；b IL-6信号双重性，包括反式信号与经典信号；以及SDF-1受体相互作用，涉及CXCR4和CXCR7梯度精修。通路活动在修复阶段间重叠；阶段标签表示主要或示例性活动，而非排他性时间。其他关键细胞因子包括IL-1β（IL-1R→NF-κB/MAPK；促炎）、IL-17A（IL-17RA→NF-κB/MAPK；促炎并在早期修复中启动成骨）、IL-4（IL-4R→JAK/STAT6；抗炎和修复性巨噬细胞极化）和IL-10（IL-10R→JAK/STAT3；抗炎和支持成骨细胞），通过组成性受体-通路对起作用。

本图展示在骨折愈合过程中指导MSC分化的三条主要形态发生信号通路：TGF-β超家族/BMP信号激活Smad依赖通路（BMP为Smad1/5/8；TGF-β为Smad2/3），其与Smad4形成复合物，并与谱系特异性转录因子（成骨为Runx2；软骨生成为Sox9）协作，驱动MSC募集和谱系承诺。抑制性Smad提供细胞内负反馈，而分泌型拮抗剂Noggin、Chordin和Gremlin主要作为BMP拮抗剂。经典Wnt/β-catenin：Wnt配体稳定β-catenin，其与TCF/LEF形成复合物激活成骨基因，并可以时间依赖方式抑制Sox9相关软骨生成程序，促进成骨细胞分化。Hedgehog和Notch：Ihh驱动软骨细胞肥大和软骨膜祖细胞成骨分化；由早期/增殖软骨细胞或软骨膜/关节周围区域产生的PTHrP通过PTH1R信号抑制过早肥大并调节软骨内骨化速度。Notch信号由Jagged和Delta样配体如Dll1和Dll4激活，维持祖细胞池并在骨膜前沿平衡软骨生成与成骨细胞分化。阶段标签表示主要活动，不意味着这些通路在其他修复阶段不存在。

VEGF主要通过内皮VEGFR2促进血管出芽和毛细血管形成，而VEGFR1调节VEGF可用性并限制过度血管生成信号。PDGF-BB信号主要通过周细胞和其他壁细胞上的PDGFRβ促进周细胞覆盖的募集和稳定，从而间接支持血管成熟。内皮细胞产生的Ang2在VEGF或炎症丰富环境中主要作用于内皮Tie2，使血管不稳定并促进出芽；而来自周细胞、基质细胞或成骨细胞谱系的Ang1主要作用于内皮Tie2，促进连接完整性、血管静止和血管成熟。成骨细胞来源的Slit3可通过内皮细胞上的Robo1信号促进内皮迁移和H型血管扩张，从而支持骨-血管生成偶联，并通过成骨细胞上的Robo1促进成骨分化和骨形成。

本图展示骨细胞如何通过骨陷窝-小管网络感知机械应变，并将物理信号转化为协调的合成代谢和抗分解代谢程序。机制主要展示与骨痂成熟和重塑相关的骨细胞机械生物学通路；并非每个分子相互作用都应解释为骨折骨痂特异性。流体剪切和应变激活Piezo1离子通道、整合素和初级纤毛，其中Piezo1促进快速Ca2+内流，整合素相关信号招募FAK作为中心信号枢纽，初级纤毛通过纤毛机械敏感信号通路发挥作用。FAK启动平行级联：ERK/MAPK和PI3K/Akt通路通过抑制GSK3β和核转位稳定并激活β-catenin；以及RhoA/ROCK介导的MST1/2-LATS1/2抑制，使YAP/TAZ核积累和TEAD依赖基因表达。同时，Ca2+内流激活CaMKII和其他钙敏感通路，促进骨硬化蛋白的快速细胞内抑制和溶酶体降解，并刺激旁分泌介质产生，包括NO、PGE2和ATP。Cx43缝隙连接支持相邻骨细胞和骨表面细胞之间Ca2+相关信号和其他小分子的直接细胞间转移，而Cx43半通道促进细胞外介质释放，尤其是PGE2。净结果是载荷响应性成骨基因表达，包括OPG增加和RANKL/骨硬化蛋白减少，同时增强基质产生和抑制破骨细胞活性，反应受应变大小、频率和机械背景影响。红色箭头表示低表达即低蛋白水平；绿色箭头表示高表达即高蛋白水平。

本图展示协调破骨细胞介导吸收与成骨细胞驱动骨形成的信号轴。RANKL/OPG/RANK轴是核心：主要由成骨细胞、骨细胞、基质细胞和T细胞产生的RANKL通过RANK激活破骨细胞生成，而由成骨细胞、骨细胞和内皮细胞分泌的OPG螯合RANKL以限制吸收。双向EphB4/ephrinB2信号精修此平衡：正向信号促进成骨细胞基质沉积，反向信号抑制破骨细胞分化。可溶性介质进一步调节偶联：S1P将成骨细胞招募到吸收部位，并通过S1PR1/3受体支持存活和分化；主要由成骨细胞和骨细胞产生、可能有背景依赖内皮贡献的Sema3A，通过Nrp1/Plexin A1受体复合物抑制破骨细胞生成，同时增强成骨细胞分化；来自破骨细胞的Sema4D通过Plexin B1限制骨形成。基质结合因子，包括TGF-β和IGF-1，在吸收过程中释放，招募并激活骨祖细胞，直接将分解代谢与合成代谢联系起来。骨细胞机械转导进一步精修此平衡，确保重塑随机械需求缩放。直箭头从配体指向其结合的受体；直虚线箭头从配体指向效应；弯曲箭头表示分泌。

欧盟对骨折愈合疗法的监管分类。欧盟的监管分类依据其预期用途、主要作用方式（PMOA）、操作程度、细胞或组织在受体和供体中是否执行相同或不同基本功能、细胞/组织来源以及产品成分等因素。这些因素决定了骨折愈合产品是根据（EU）2017/745号法规作为医疗器械，还是根据（EC）第1394/2007号法规下的先进治疗药品（ATMPs），或根据（EC）第2001/83/EC号指令下的药品，或根据适用的人体组织、血液、手术、医院或国家框架（如相关情况下包括（EC）第2004/23/EC号指令）进行监管。所列类别及示例仅为示意性说明，并非统一的法律归类；分类需结合具体产品、工艺、预期用途及成员国情况而定。与骨折及不愈合治疗相关的示例包括固定装置、合成或异体骨源替代物、生物物理辅助装置、组织工程制品、体外器官等。细胞、基因治疗药品、生物生长因子、骨代谢促进类药品、单克隆抗体、骨移植材料、血小板制剂以及骨髓穿刺浓缩物。血小板制剂和骨髓穿刺浓缩物可能受不同血液、组织/细胞、操作或医院框架的监管。根据来源、加工方式、预期用途、产品上市许可申请（PMOA）、活性及国家背景，处理后的异基因骨源替代品可能属于不同的类别；在组织框架下提供的人体组织和细胞，应与符合资格但已失去活性或被处理为非活性的人体组织衍生物区分开来，后者可能属于医疗器械法规的范畴。