ＢＭＰ－７在顱頜面外科中的應(yīng)用進(jìn)展

蘇 拓 綜述，呂長勝 審校

骨形態(tài)發(fā)生蛋白7（bone morphogenetic protein7，BMP-7）又稱為成骨蛋白1（osteogenic protein，OP-1），是當(dāng)今已知的骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMPs)中的一個。它在人體內(nèi)多種器官都有廣泛的表達(dá)，尤其在骨骼發(fā)育過程中是不可或缺的[1］。顱面骨膜內(nèi)成骨與長骨的軟骨內(nèi)成骨機(jī)制的差異，以及顱頜面外科涉及顱骨、上下頜骨、顴骨和牙齒等重要結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致BMP-7在顱頜面外科與其他骨相關(guān)外科的應(yīng)用有所不同，現(xiàn)對BMP-7在顱頜面外科的應(yīng)用進(jìn)展綜述如下。

1BMP-7的分子結(jié)構(gòu)及骨誘導(dǎo)機(jī)理

1990年，Sampath和Ozkaynak［2-3］克隆了BMP-7基因，BMP-7基因位于20號染色體，全長cDNA其閱讀框架為1293bp，編碼431個氨基酸組成的前體蛋白。BMP-7前體蛋白經(jīng)翻譯合成分泌后，在體內(nèi)由蛋白水解酶識別Arg-X-X-Arg加工信號后，在第292位的精氨酸和293位的絲氨酸之間切割得到含有139個氨基酸的成熟肽，其三維結(jié)構(gòu)形似“手掌”，由一個α-螺旋和8個β片層結(jié)構(gòu)組成，C端含有7個半胱氨酸殘基，其中6個半胱氨酸形成3個二硫鍵。第7個半胱氨酸殘基Cys103用于形成鏈間的二硫鍵，并借此連接兩條多肽鏈而形成有活性的二聚體形式。這個由3 對半胱氨酸組成的局部二硫鍵結(jié)構(gòu)稱為半胱氨酸結(jié)(cysteine knot)，構(gòu)成了單體的核心[4]。

BMP-7結(jié)合兩種不同的絲氨酸-蘇氨酸激酶受體稱為Ⅰ型和Ⅱ型受體[5]，Ⅰ型受體分為BMPRⅠA、BMPRⅠB和ACVR1，Ⅱ型受體分為BMPRⅡ、ACVR2A和ACVR2B[6]。兩種受體由胞外區(qū)、跨膜區(qū)和胞內(nèi)區(qū)組成，胞外區(qū)較短（大約150個氨基酸），包括有決定該區(qū)結(jié)構(gòu)和折疊的10多個半胱氨酸。其中有3個近跨膜區(qū)的半胱氨酸殘基構(gòu)成了一個特有的決定簇。BMP-7與受體結(jié)合后形成受體復(fù)合物，磷酸化細(xì)胞內(nèi)的Smad1，Smad5和Smad8，并最終與Smad4結(jié)合進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)調(diào)控靶基因的轉(zhuǎn)錄[7-8]。

BMP-7在體內(nèi)活性的重要標(biāo)志是誘導(dǎo)新骨形成，根據(jù)Reddi［9］觀察，BMP-7 誘導(dǎo)成骨可分為四期：①趨化期：植入0～3天，出現(xiàn)局部間充質(zhì)細(xì)胞行為、形態(tài)和數(shù)量的改變；②分化期：植入4～10天，發(fā)生間充質(zhì)細(xì)胞分化，出現(xiàn)軟骨祖細(xì)胞和軟骨細(xì)胞，同時伴有多種結(jié)締組織初步的遷移；③骨質(zhì)形成期：第10～20天，開始合成軟骨基質(zhì)，并在植入?yún)^(qū)中央的無血管區(qū)形成軟骨組織，而在血管區(qū)則發(fā)生軟骨內(nèi)成骨，出現(xiàn)骨細(xì)胞，并開始有骨鹽沉積形成新骨，即編織骨；④改建期：第29～30天，新生的編織骨經(jīng)重塑后形成具有骨髓的板層骨，新骨趨于成熟。

2BMP-7在顱骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用

顱骨缺損在顱腦損傷、顱骨腫瘤術(shù)后最常見，17.5%的病例需二次手術(shù)修補(bǔ)。常合并中樞神經(jīng)系統(tǒng)癥狀及精神癥狀，嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量。John等[10]指出，大面積顱骨缺損修復(fù)的主要目的是為了保護(hù)腦組織，小面積顱骨缺損修復(fù)是為了獲得美容效果。臨床上，許多學(xué)者先后嘗試了應(yīng)用自體骨、金屬、自熱凝甲基丙烯酸樹脂、聚乙烯及聚硅酮等材料進(jìn)行顱骨缺損的修復(fù)，但均有不同程度的術(shù)后并發(fā)癥。骨形態(tài)發(fā)生蛋白能夠誘導(dǎo)血管周圍未分化的骨間質(zhì)細(xì)胞和骨髓基質(zhì)細(xì)胞分化為軟骨和骨細(xì)胞，是一種高效的骨誘導(dǎo)物質(zhì)，目前成為顱骨缺損修復(fù)研究的熱點(diǎn)之一。為了證明BMP-7的成骨作用， Hyun等［11］分別將BMP-2、BMP-4和BMP-7用于顱骨缺損，結(jié)果顯示三種BMP在骨再生過程中無特殊差異，都能有效地誘導(dǎo)骨形成。Springer等［12]實(shí)驗(yàn)證明BMP-7能很好地誘導(dǎo)顱骨發(fā)育過程中的骨缺損區(qū)域成骨，且形成的新生骨符合解剖腦容量，外形與正常顱骨無明顯差異，顱骨的骨形成中心能很好保留，結(jié)果優(yōu)于自體骨移植。Nussenbaum等［13］將BMP-7應(yīng)用于接受射線照射后的小鼠顱骨缺損，實(shí)驗(yàn)表明術(shù)前接受放射治療明顯影響bmp-7修復(fù)顱骨缺損的能力，但BMP-7成骨能力仍強(qiáng)于自體骨移植。說明可以將BMP-7用于修復(fù)癌癥放療術(shù)后造成的節(jié)段性骨缺損。

3BMP-7在牙槽骨缺損、腭裂修復(fù)中的應(yīng)用

牙槽骨是上下頜骨包圍和支持牙根的部分，是一種高度可塑性的組織。許多口腔局部或全身疾病，?？蓪?dǎo)致牙槽骨的缺損或缺失。膜引導(dǎo)組織再生技術(shù)(guide tissue regeneration，GTR)在牙周膜手術(shù)治療中，采用單純的膜覆蓋，主要依靠的是牙周膜細(xì)胞本身的成骨能力。隨著骨組織工程技術(shù)的發(fā)展，聯(lián)合應(yīng)用外源性種子細(xì)胞、各種生長因子，對再生的組織成分進(jìn)行主動的誘導(dǎo)分化，促進(jìn)牙槽骨修復(fù)。Dard 等[14]以PLGA 膜為rhBMP-2、rhBMP-7 因子的緩釋載體，放置于狒狒牙槽骨的缺損處，能明顯促進(jìn)牙槽骨再生。Dunne等［15］將44只Sprague-Dawley大鼠上頜骨第一臼齒摘除，接受一個月復(fù)合BMP-7的鈦移植物治療，大部分齒橋缺損被移植物替代。BMP-7能夠增加齒槽缺損的填充，利于冠狀新骨形成，促進(jìn)骨和移植物的接合。說明在齒槽骨工程材料的應(yīng)用方面，BMP-7基因具有巨大潛能。Giannobile ［16］于犬下頜牙槽骨缺損區(qū)植入不同濃度的BMP-7。實(shí)驗(yàn)表明加入BMP-7有顯著的成骨作用，牙槽骨再生明顯，成骨作用與BMP-7濃度成正比。說明BMP-7可以用來修復(fù)嚴(yán)重的牙槽骨缺損。Catherine等［17］用SD小鼠制作成腭裂模型，術(shù)后間隙內(nèi)加入BMP-7。發(fā)現(xiàn)間隙內(nèi)有明顯骨形成，同時檢測到明顯軟骨形成。說明BMP-7能誘導(dǎo)腭裂區(qū)骨形成，并且能誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞增殖分化。

4BMP-7在種植技術(shù)中的應(yīng)用

Cook等［18］實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)植入BMP-7后種植體周圍形成成熟的骨組織，與種植體附著緊密，形成堅(jiān)實(shí)的骨結(jié)合。表明加入BMP-7能誘導(dǎo)種植體周圍新骨形成。張風(fēng)河等［19］認(rèn)為應(yīng)用BMP-7后成骨時間明顯提前。應(yīng)用組織化學(xué)方法對種植體骨組織界面分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用BMP-7后在第2、6 及12周其ALP 活性均大于對照組，兩組間經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析P<0.05，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說明應(yīng)用重組BMP-7后可以促進(jìn)成骨更加活躍。

5BMP-7在牽引成骨技術(shù)中的應(yīng)用

牽引成骨技術(shù)(distraction osteogenenis，DO)借助外力刺激組織的生長和再生，治療先天性和后天性骨畸形，這是一種典型的骨組織工程體內(nèi)構(gòu)建方式。Terheyden等［20］將Wistar鼠下頜骨體延長后注射BMP-7，發(fā)現(xiàn)BMP-7能加速骨痂成熟，從而加速下頜骨牽引骨形成，并且形成的新骨有很好的強(qiáng)度。Hu等［21］在此基礎(chǔ)上加入轉(zhuǎn)染BMP-7的骨髓基質(zhì)干細(xì)胞。實(shí)驗(yàn)證明，BMP-7轉(zhuǎn)染骨髓基質(zhì)干細(xì)胞能加速骨延長術(shù)后骨形成，可以做為骨延長術(shù)的輔助治療或替代治療。特別適用于骨質(zhì)疏松、嚴(yán)重外傷及腫瘤放療術(shù)后等成骨能力不足的患者。

6BMP-7在下頜骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用

Abu-Serriah等［22-23］描述了BMP-7形成新生骨的組織學(xué)特性，缺損區(qū)可見大細(xì)胞核的編織狀和層狀混合骨組織，沒有密質(zhì)骨， BMP-7誘導(dǎo)形成的骨質(zhì)與正常骨組織相比大多為松質(zhì)骨。與此同時骨膜層也得到恢復(fù)，周圍形成的軟組織未骨化，鄰近的重要結(jié)構(gòu)無異常增生。誘導(dǎo)形成的骨組織相容性好，礦物質(zhì)沉積率為1.98μm/天。此實(shí)驗(yàn)證明BMP-7對骨礦化的作用有限，但能加速礦化前過程，促進(jìn)編織骨形成。Smajilagic 等［24］將BMP-7和骨髓混合修復(fù)下頜骨缺損，檢測堿性磷酸酶活性和平均骨礦物質(zhì)密度顯著高于自體骨移植。實(shí)驗(yàn)表明：BMP-7復(fù)合骨髓對下頜骨缺損重建作用明顯，能夠替代自體骨移植。

7BMP-7在正頜外科治療中的應(yīng)用

2003年，Patrick等［25］第一次將BMP-7應(yīng)用于顱頜面外科臨床，為1名患者行Le fort I型截骨術(shù)和頦部水平截骨頦成形術(shù)，為防止術(shù)后骨不愈合，以牛I型膠原為載體將BMP-7植入骨間隙，術(shù)后29天二期修復(fù)時見骨斷端形成骨基質(zhì)，表面光滑，愈合牢固，沒有異位骨過度生長，組織切片顯示：骨間隙充滿新鮮的纖維組織和大量的血管，術(shù)后5周Ｘ線見骨愈合良好。術(shù)者認(rèn)為這些作用均源于BMP-7的應(yīng)用，此后又將此方法應(yīng)用于13例頜面外科患者，效果良好。

8小結(jié)

BMP-7能夠誘導(dǎo)有成骨潛能的細(xì)胞分化增殖，其強(qiáng)大的骨誘導(dǎo)活性可以彌補(bǔ)自體骨和異體骨移植的缺陷，其成骨誘導(dǎo)能力與BMP-2，BMP-4相當(dāng)，目前已應(yīng)用于顱頜面外科的臨床。隨著BMP-7研究的深入和組織工程技術(shù)、生物復(fù)合材料技術(shù)、納米技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，將使BMP-7 在顱頜面骨缺損修復(fù)及其他領(lǐng)域內(nèi)得到更為廣泛的應(yīng)用。

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[收稿日期]2007-08-10 [修回日期]2007-11-05

編輯/李陽利