論基礎研究與臨床應用的關系

包倪榮,張英澤

0 引 言

加強基礎研究水平,是科技自立自強的迫切要求,是建設世界科技強國的必由之路。應對國際科技競爭、實現高水平自立自強,推動構建新發展格局、實現高質量發展,迫切需要我們加強基礎研究,從源頭和底層解決關鍵技術問題。同樣,醫學和醫院的發展也依賴于基礎研究的進展,促進基礎研究的進展及其臨床應用已經成為21世紀醫學領域的戰略目標和重點。如何通過基礎研究進而改善臨床治療效果,是醫學界不斷探討的話題。

1 基礎研究的內涵

所謂基礎研究,是指以認識現象、發現和開拓新的知識領域為目的,通過實驗分析或理論性研究對事物發展的規律進行分析,加深對客觀事物的認識,解釋現象的本質,揭示物質運動的規律,或者提出和驗證各種設想、理論或定律?；A研究的研究結果通常以論文的形式在科學期刊上發表或學術會議上交流。通過基礎研究的突破,往往可以實現科學技術突破性的進展,促使先進科學技術投入實際應用當中,可有效推動社會進步和發展。

2 基礎研究轉化為實際應用的經典案例

基礎研究向實際應用轉化往往會帶來科技水平的飛躍、社會的進步和國家的發展。1942年12月,恩利克·費米啟動了首臺核反應堆,人類從此進入原子能時代[1]。1945年7月16日,杜魯門總統上任初期,美國于拉斯維加斯成功引爆了世界上首顆原子彈;同年8月轟炸廣島、長崎,直接導致了日本的無條件投降[2]。美國通過將核裂變的基礎研究轉化為原子彈的實際應用,取得了巨大的科技與軍事優勢。時任美國總統羅斯福認為只要美國的科學技術、基礎研究永遠領先于世界就能夠真正贏得永久的和平[3]。由此可見,加強基礎研究對于促進科技發展,國家進步起到了至關重要的作用,是一個國家科技水平的核心所在。同時,基礎研究向實際應用的轉化往往會帶來具有突破性的生產力的改進。

目前我國醫療領域在基礎科研向臨床實際應用轉化方面還比較薄弱。1895 年 11 月 8 日,倫琴教授發現 X 射線。1896 年,德國西門子公司研制出第一只 X 射線球管,揭開了醫學影像學的序幕[4]。但是目前我國醫療領域的關鍵精密設備,如重離子加速器、磁共振、CT等高端醫療裝備大部分依舊嚴重依賴進口。近年來,民生科技領域的國產化替代取得了較大的進展,國產化CT等高端設備的出現大大降低了醫院的采購成本,同時也促進了CT檢查在基層醫院的普及,為提高基層醫院的診療水平,保障廣大人民群眾的醫療保健提供了有力支持。由此可見,促進基礎科學的發展,并將其應用至具體的臨床問題中,一方面可以提高國家科技水平,推動國產企業邁向全球價值更高的產業鏈;另外一方面,也可以顯著促進人民生活健康水平的提高。我國應當進一步聚焦基礎研究,加速成果轉化,促進我國醫療事業提高獨立自主水平、進一步保障民生福祉。同時,在骨科領域,將基礎研究成果應用至臨床實踐之中也至關重要。

3 骨科學領域中基礎研究改善臨床效果的經典案例

3.1 生物力學基礎研究解決單髁膝關節置換術(unicompartmental knee arthroplasty,UKA)后嚴重并發癥UKA是一種治療單側間室膝骨關節炎的有效方法,較全膝關節置換術而言患者具有更大的活動范圍,更好的本體感覺,更標準化的關節運動學,更優的長期生存率。早在1952年,英國的McKeever教授發明了該種手術,但該手術短期及中期隨訪報道顯示僅70%～90%病例獲得良好療效[5]。同時當時使用的MacIntosh假體導致該術式有較為嚴重的并發癥,如膝關節的劈裂和塌陷等, 1/3的患者隨訪時的臨床評分較差,1/5的假體需要翻修,1/3的假體出現了至少2 mm的下沉,導致其大規模應用有較大困難[6]。2011年,臺灣陽明大學生物力學教授鄭誠功團隊通過臨床及生物力學研究證實,關節脛骨平臺出現的劈裂和塌陷可能由于術者經驗不足,截骨時垂直方向電鋸過切導致截骨面轉角處角度銳利,近乎直角導致的應力集中使得脛骨平臺局部受力過大。通過使用鈍角的假體進而巧妙地解決了這一棘手問題。

3.2基礎解剖學研究發現骨薄弱區并提出髖臼骨折三柱分型髂骨、恥骨、坐骨三塊骨頭融合形成骨盆。骨骺負責增加骨長度;骨膜負責增加骨直徑。人體各部位骨骺閉合時間不同。本團隊據此繼續深入基礎研究,通過動物實驗、臨床回顧等方法確定骨薄弱區。三維重建圖顯示,骨骺閉合越晚的區域,愈合的部位就越薄弱,通過臨床回顧、有限元分析將此理念驗證于肱骨近端骨折,發現肱骨外科頸是由干骺端骺板閉合后形成的相對薄弱區,肱骨近端外科頸骨折線與骺板薄弱區幾乎完全吻合。同時本團隊發現髖臼骨折的骨折線走行與整個骺板發育的走行線有較強相關性,由此展開研究并提出髖臼骨折三柱分型,為臨床診療提供較好的理論支持[7]。

3.3力學基礎理論論證股骨Hoffa骨折猜想1869年,Busch (德國)首先報道了股骨遠端單髁或者雙髁后方的冠狀位骨折,但并未進行系統研究。1888年,德國骨科醫生Hoffa首次對其進行了系統研究,認為這是一種有規律的骨折,并命名為Hoffa骨折,此時距Busch首次報道這一骨折類型已過去19年[8]。早在1687年牛頓通過觀察、思考與實驗在《自然哲學的數學原理》中提到:相互作用的兩物體之間作用力與反作用力總是大小相等,方向相反作用在同一直線上。這一力學基礎理論對股骨Hoffa骨折做出了完美解釋:即來自股骨側的暴力與來自脛骨平臺的支持力互為作用力和反作用力,最終導致了股骨Hoffa骨折。因此本團隊猜測:若脛骨側率先無法承受反作用力,那骨折便會出現在脛骨側。本團隊在2019年發現了一例脛骨平臺冠狀位縱行劈裂骨折,經系統深入研究發現,其骨折類型、受傷機制、好發人群,與股骨Hoffa骨折完全一致,印證了我們的猜想,因此暫將其命名為脛骨平臺Hoffa骨折[9-11]。這為脛骨平臺骨折的診療提供了新的理論支持。

3.4解剖學與幾何學的基礎研究實現股骨轉子間骨折術后內固定的突破從20世紀50年代開始,股骨轉子間骨折行手術治療,需放置固定物固定,其內植物經不斷迭代有髓外髓內和特殊設計共20余種,并發癥雖有所減少,但仍維持在5%～12%。Gamma釘是早期內固定的典型代表。1980年在北美問世,1989年法國Grosse教授首先應用Gamma釘治療粗隆間骨折。但其頭釘粗大,且單枚螺釘抗旋轉能力差,螺釘切割的發生率高,股骨遠端骨折及斷釘的并發癥發生率高達12.5%。1997年,AO/ASIF在Gamma釘基礎上增加一枚橫釘,推出股骨近端髓內釘。通過主釘加長,避免應力過于集中,遠端允許縱向滑。但是其仍無法解決固定后穩定性差的問題,固定術后發生螺釘退釘、切、松動失效的發生率高達8%。2003年,AO/ASIF對 PFN 改進,改螺紋為螺旋刀片推出股骨近端防旋內釘,增強了抗旋轉及穩定支撐的作用,但是依舊沒有從根本上解決問題,退打、內固定松動和繼發性骨折屢有報道,發生率2.5%～8.0%[12-13]。

30多年中,骨科專業從業人員不斷探索與研究,從Gamma釘的單釘,變成了AO組織DePuy公司的雙釘,又變成螺旋刀片的股骨近端防旋內釘,這些研究只是在原來的基礎上的改良與改進,并未從根本上解決問題。1838年,20歲的Ward在《人類骨科學》首先闡述股骨頸基底部有一個由張力和壓力骨小梁交叉形成的天然三角區——Ward三角。當時,Ward三角并不為人所重視。直到1895年,X線的出現才讓人們了解到了Ward三角的重要性;但并未將這一重要發現與臨床應用的價值加以發掘。至2006年,即Ward三角發表170年后,本團隊開始發掘Ward三角的意義,圍繞三個核心問題進行了影像學、數學、機械力學、生物力學、臨床應用等方面的研究[14]。本團隊根據股骨近端的骨小梁架結構特點及張氏三角理論分析常用內固定物斷裂原因,對其進行了巧妙改動——將近端雙釘的橫向平行固定改為三角支撐固定,符合Ward三角解剖、生物、生理、力學特性,特別是三角形最穩定這一幾何學原理,達到完全仿生固定,實現了根本性突破[15]。

2015年,科學技術文獻出版社出版《張英澤教授百項專利集》,介紹了三角支撐固定的結構和優勢。系列產品獲3項授權專利。傳統的內固定器材易發生旋轉、切割、退釘。固定早期提供穩固的支持,在愈合過程中提供持續的穩定固定。與傳統內固定器材相比,三角支撐髓內固定在各個指標均有顯著改善:主釘應力峰值減少11.9%,螺釘應力峰值23.2%,骨折接觸區域應力峰值減少47.5%[16]。該技術現已應用于世界范圍47個國家。由此可見,骨科領域基礎研究的發展對于提高臨床治療效果具有關鍵作用。

綜上所述,我們認為在臨床醫學領域中,應更多在基礎研究下功夫,以基礎研究為理論基礎,將其應用至臨床以獲得臨床治療的更好療效。今后,對于基礎理論的開發應用,尋找其臨床應用場景,進而改善臨床治療效果將是臨床醫學的工作重點和研究方向。