骨形态发生蛋白治疗骨折、骨缺损的发展和临床疗效_0

骨形态发生蛋白治疗骨折、骨缺损的发展和临床疗效骨折和骨缺损是骨科临床常见病症，在传统治疗方法中存在骨折或骨缺损愈合过程缓慢、骨组织来源不足以及修复后的骨组织力学性能不佳等缺点。

在骨形态发生蛋白家族被发现后，学者们对其生理学进行了许多研究，并结合各种载体系统及应用基因治疗技术将其作为新型治疗方法引入临床。

本文对骨形态发生蛋白的研究进展、其在临床前期及临床应用中的疗效、优势及有待解决的问题等予以综述。

标签：骨形态发生蛋白；骨折；骨缺损；基因治疗骨折和骨缺损的治疗一直是骨科医师面临的挑战。

骨折是一个重要的公众健康问题，有5%～10%出现骨折愈合障碍。

随着对骨生理学的不断理解及生物技术的发展，已开始出现应用生长因子调控骨愈合的新型治疗方法。

骨再生（骨愈合）是胚胎骨骼发育的重演，通过生成新骨来实现。

骨形态发生蛋白（bone morphogenetic proteins，BMPs）属于转化生长因子β超家族，是胚胎发生和成人骨修复中研究最广泛的肽类。

最有效的BMPs（BMP-2和BMP-7）正引入临床。

生长因子的应用将在未来外科治疗中产生举足轻重的影响。

1BMPs的识别和结构Urist[1]在1965年首先描述了骨诱导现象，发现在鼠股肌内移植脱钙骨块后局部有新骨形成。

他认为是由骨基质中的一种蛋白质引发，并命名为BMP。

到20世纪80年代后，陆续发现骨基质中存在一组骨诱导性的蛋白质。

目前已发现17种BMP，除BMP-1 外均为β转化生长因子超家族成员，其中BMP -2、-3、-4、-5、-7可异位诱导软组织形成软骨或骨组织。

BMP家族在胚胎发育过程中的骨形成及在成人骨愈合中的作用，逐渐得到阐释[2]。

2BMPs的生理学2.1骨诱导活性能特异诱导新骨形成的BMPs亚型包括BMP-2到BMP-7及BMP-9[3]，通过提供初始信号使间充质干细胞分化成成骨细胞。

BMPs募集单核细胞、间充质细胞及诱导其增殖分化成软骨细胞，软骨细胞发生肥大，软骨基质发生钙化，伴随成骨细胞分化及形成血管侵入，最终重塑新骨形成及生成骨髓。

Cheng等[4，5]向间充质祖细胞和成骨细胞中转染携带BMPs基因的腺病毒，证明各BMPs在分化中的不同阶段具有相对骨诱导性。

BMP-2、BMP-6和BMP-9在环境中存在多能细胞时更有效（比如自体骨移植或周围有肌肉组织）。

有学者证明BMP-3的骨诱导活性依赖于实验环境和分化阶段[6。

体内试验显示BMP-3具有骨诱导性，有其他BMPs（如BMP-2和BMP-7）存在时，BMP-3却具有抑制作用，动物模型中证实BMP-3是出生后骨密度的一个负调节剂[7，说明骨修复是细胞内和细胞外信号级联放大效应的复杂产物，BMPs在不同阶段可能具有相反的作用。

2.2受体和细胞内信号转化生长因子β超家族包括转化生长因子β、生长分化因子、激活素及抑制素、苗勒抑制物质和BMPs。

个别BMPs特定地结合到一些膜受体复合物，激活细胞内Smad信号通路产生结果。

转化生长因子β超家族信号表达发生于Ⅰ型、Ⅱ型丝氨酸-苏氨酸激酶受体。

转化生长因子β超家族的成员，包括BMPs，结合到特异的具有一个磷酸化复合物的Ⅰ型、Ⅱ型受体复合物，引起磷酸化及活化受体调节的Smads。

核效应器Smad蛋白复合物通过激活或抑制细胞核的目标基因决定信号表达，最后改变细胞活性，如生长、分化和细胞外基质合成。

需要通过反馈机制调和生长和分化因子（比如BMPs）之间的信号发生来协调骨形成及骨重塑。

在细胞外由拮抗剂（如noggin），在细胞内由抑制剂及Smad 信号表达途径[8]。

目前人们对抑制或激发细胞内BMP信号表达的下游核因子知道很少。

3BMPs临床前期的研究3.1BMPs的生物学活性rhBMPs本身就具有骨诱导性，每种BMP的骨诱导性具有剂量-反应比率[7]。

BMPs的剂量必须超过一个阈值才能有效地促进骨形成，剂量太低，骨形成不充分；剂量太高，会有过多骨形成及过快的骨诱导性[9]，导致直接骨化（膜内骨化），而在低剂量BMPs时会有软骨内骨化的中间相。

在高剂量BMPs时，最初局部的骨吸收可被看成是增强的破骨反应产生的结果[8，10]。

BMPs的剂量达到一个上界后不会更快加速骨形成[10]。

在生理学条件下并未见到局部过高剂量的BMPs会导致异位骨化。

用BMP-4引发异位骨化的小鼠模型中，Glaser等[11]描述了进行性骨化性纤维发育不良症的异位骨化源自细胞外BMPs的拮抗剂noggin的低表达。

通过局部输送noggin可以预防过量骨化，表明BMPs具有的高度的调节性负反馈机制能够预防异常或异位骨形成。

BMP的剂量必须超过一个阈值才能产生临床效果。

从啮齿类模型到非人灵长类模型，剂量-反应比曲线变得更陡峭。

用非人灵长类来推断过人类的治疗剂量：rhBMP-7的0.88 mg/mL无菌盐水溶液，rhBMP-2的1.50 mg/mL无菌盐水溶液。

BMPs在局部和系统中被快速清除，这也使更高剂量BMPs成为必要。

也有学者[12]提出更高级物种中的反应性细胞更少。

采用联合BMPs治疗及开发更有效的输送系统可能会产生更好的性价比。

3.2BMPs的输送系统BMPs的系统清除率很高，有必要采用在局部应用BMPs。

BMPs的自然输送系统（骨基质）非常有效。

RhBMPs的生物活性显示出一种剂量-反应关系，此活性必须维持一段时间以增加骨诱导反应。

动物骨折模型的研究显示[13]：当BMPs与缓冲液一同局部注射时，效果很好。

但大型动物模型中BMPs刺激骨修复的作用并不理想。

通过不同类型的输送系统有效地把BMPs运送到移植部位，总的来说，已有两种方法：①蛋白质治疗，是直接或不使用载体基质将重组蛋白质输送到再生部位；②基因治疗，是间接输送特定蛋白质的编码基因以表达该蛋白质。

3.2.1载体理想的载体材料必须兼有生物相容性、生物可降解性和骨诱导性。

载体的动力学作用会显著影响骨诱导速度和效力。

使用缓冲输送系统时，BMP遗留在应用部位的剂量<5%，而当BMPs结合明胶泡沫、胶原或磷酸钙糊剂时，BMPs的贮留量可达15%～55%[14]。

载体提供骨诱导基质来稳定BMPs的释放，并减少其所需剂量。

针对不同临床情形，还需要研究载体材料的最适类型。

为治疗骨折，必须用能快速降解的载体以适应新骨形成的速率。

骨不连及脊柱融合的治疗中，载体必须让BMPs缓慢释放，驻留时间充分，还要骨诱导基质的支持以实现骨原性细胞渗入和避免软组织侵入。

已用于动物试验中的载体包括脱钙胶原骨基质、胶原产品[15]、可再吸收聚合体例如多乳酸化合物和多乳酸-乙醇酸交酯-复合物、明胶水凝胶、磷酸钙陶瓷例如磷酸三钙[16]和羟基磷灰石、可重吸收磷酸钙水泥（alpha-BSM）[17]，以及这些材料的结合体。

3.2.2基因治疗目前载体材料有一些局限，如产生免疫反应及不能持续释放BMPs，需要有更先进的方法输送BMPs 。

输送BMP基因到达再生部位有两个途径：直接输送到组织，宿主细胞被转染后表达蛋白质（体内转导）；也可通过转染培养细胞，细胞被种植到再生部位（体外转导），再表达蛋白质[[18]。

基因治疗也需解决一些问题，如病毒媒介的安全性及病毒蛋白质的免疫影响。

3.3BMPs的局部及系统安全性BMPs是否有外周骨形成及移植后骨过量生长，在局部移植后的系统反应，比如是否具有致免疫性及致癌性，都需要被考虑。

有报道在使用了非常高剂量的BMPs后产生局部过量骨形成，但依动物种类而论[19]。

不过最终会通过重塑来形成正常骨外形。

迄今人体研究还没有表明BMPs 有任何系统毒性[20]。

目前使用的胶原载体材料有致免疫性，并引起抗体形成。

小序列临床研究中，有6%～10%的患者出现抗BMPs抗体，而在5%～20%的患者出现抗Ⅰ型牛胶原抗体。

抗体效价很低且短暂，未报道对骨愈合不利。

抗体的出现都与高剂量的BMP和胶原呈正相关关系。

目前体外及体内研究还没有任何证据表明BMPs有致癌性，反而有表明BMPs具有针对人类肿瘤的抗增殖效应。

还没有资料表明在妊娠期间应用BMPs对胚胎发育及对青春期发育是否有影响。

4BMPs的临床应用和疗效4.1BMPs刺激骨折愈合的临床疗效动物实验已证明局部给予rhBMPs能够加速骨折愈合[[21]。

新鲜（开放）骨折中使用BMPs的主要是为了增强骨折愈合进程，减少二次介入治疗概率并缩短愈合时间。

Riedel等[22]最早完成了rhBMP-2/可吸收胶原海绵应用在新鲜开放性胫骨骨折的可行性研究。

表明外科植入rhBMP 安全可行，大多数患者在初期就愈合，并不需要二次介入。

McKee等[23]进行rhBMP-7刺激新鲜胫骨干开放性骨折的临床试验，试验组在骨折部位治疗中使用rhBMP-7复合Ⅰ型胶原载体，对照组给常规闭合治疗，需做第二次介入的人数在试验组（12%）低于对照组（27%）。

4.2BMPs治疗骨缺损和骨不连的临床疗效很多研究已显示BMPs诱导临界大小骨缺损愈合的潜力，例如在没有外源性成骨刺激就无法愈合的缺损。

在节段性骨缺损的动物模型中，BMPs的效果与自体骨移植相当或更好，后者是临床中骨缺损和骨不连的标准治疗方法，而获取骨移植物会导致如持续痛、麻木或在供区出现高敏反应[24]。

20世纪80至90年代，Johnson等[25，26最早评价在临床使用纯化BMPs治疗顽固性骨不连和节段性长骨缺损的患者，显示这些移植物在人体具有耐受性并能在顽固性骨不连的治疗中有效。

Geesink等[27]首次在人类中证实rhBMP-7具有骨诱导能力和效应。

4.3BMPs在脊柱融合中的临床疗效BMPs在后外侧横突间及椎体间融合术中具有骨诱导潜力[28]。

Burkus等[29]在一组279例的椎间盘变性患者中使用rhBMP-2/ACS来刺激椎体融合，用X线及CT评价在椎体间隙里的骨诱导模式及融合的进展。

在第6个月，所有治疗组的患者显示出有骨诱导。

在第24个月，治疗组患者中有94.5%实现融合，而对照组是88.7%。

他们还研究了42例用rhBMP-2来增强线状皮质自体骨移植物复合的效果。

在第12个月，治疗组100%出现椎体间融合，而对照组是89.5%。

使用BMPs来增强脊柱融合的主要顾虑是骨过度生长或异位骨化导致椎管或骶管狭窄。

在椎板切除造成缺损伴硬脑膜缺损的犬模型中，Meyer等[30]发现在使用rhBMP-2治疗后鞘膜囊内或脊髓束内没有非正常矿化。

因此，将BMPs应用于脊柱外科，关键要考虑在什么部位精确放置BMP，选择合适的载体，还要限制骨不要超过融合区域。

5小结BMPs的发现标志着在理解骨生理学和骨骼外科发展新方法上前进了一大步。

这些生长和分化因子具有特有的潜力来诱导骨形成，甚至是在骨外的部位。

在Urist发现这些生长因子后的40多年后，人们才将BMPs引入临床。