高濃度使用BMP-2的副作用及應對措施研究進展*

陳 良 王德飛 白澗飛 劉 紅

骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic proteins,BMPs),1965年被Marshall Urist等[1]發(fā)現(xiàn)，屬于轉化生長因子 β(transforming growth factor β,TGF-β)超家族成員，可以在骨缺損修復、細胞增殖分化和凋亡、宿主免疫和炎癥等過程中發(fā)揮重要的誘導作用。其中BMP-2被認為是活性最強的，也是FDA唯一批準用于臨床的骨誘導生長因子[2]。自2002年被正式批準應用于臨床以來，BMP-2常被用于各類骨及軟骨損傷后愈合過程中的調(diào)控和加速,抑制部分腫瘤的生長等，而在口腔醫(yī)學中常用于頜骨腫瘤手術中頜骨切除及囊腫摘除后的頜面部重建，正畸治療中促進牙根形成和牙根吸收后的修復[3-6]。

1.副作用

臨床上應用的BMP-2濃度相較于動物實驗中更高，許多在以往動物實驗中未出現(xiàn)的副作用在臨床上日益顯現(xiàn)。因此，雖然BMP-2前景廣闊，在2008年和2011年，F(xiàn)DA和美國脊柱外科雜志(The Spine Journal)卻相繼對BMP-2應用的安全性提出了警告，臨床上對BMP-2的應用也因此開始呈現(xiàn)減少趨勢[7]。以往的動物實驗的進行證明不同動物要取得相同的成骨作用效果，所需的BMP-2濃度并不相同，例如：小鼠所需BMP-2的實際濃度是 200～400μg/ml，綿羊是 430μg/ml，而靈長類動物則750～1500μg/ml，但是濃度與副作用的關系卻仍未明確[8]。臨床常見的副作用包括囊腫樣骨形成、脂肪組織形成、術后炎癥及術后腫脹、術后感染、異位骨形成、部分腫瘤發(fā)生率增加等[9]。

1.1 囊腫樣骨形成及脂肪組織增生 Zara J N等[8]為確定BMP-2濃度和副作用的關系，建立了大鼠的股骨節(jié)段性缺損模型,利用BMP-2的不同濃度梯度來進行實驗。在本實驗中，將大鼠隨機分為7組，每組有22只雄性Lewis大鼠，給7組大鼠分別注射了不同濃度的BMP-2溶液，其濃度分別為 0μg/ml、5μg/ml、10μg/ml、30μg/ml、150μg/ml、300μg/ml、600μg/ml，在本實驗中每組大鼠都被注射了75μl的BMP-2溶液。在術后發(fā)現(xiàn)當BMP-2溶液濃度大于150μg/ml時，在損傷部位有囊腫樣骨形成。這種修復性骨外部骨質(zhì)較為致密，而其內(nèi)部骨質(zhì)疏松，骨密度較低，甚至其內(nèi)部形成骨空腔，空腔中由脂肪組織填充，所形成的脂肪組織中可以明顯檢測到BMP-2的濃度增加[10]。隨著BMP-2的濃度增加，囊腫樣骨的發(fā)生率將會隨之增加，而成骨的骨密度也會隨之降低。這證實了BMP-2的確存在濃度相關性副作用，但是對于臨床應用時濃度與副作用的關系還有待于更多的數(shù)據(jù)進行論證。

1.2 炎癥及炎癥相關的并發(fā)癥 根據(jù)骨愈合過程發(fā)生發(fā)展的規(guī)律，我們可以將BMP-2誘導骨形成過程分為四個階段，分別為初始炎癥階段、軟骨組織愈合階段、骨組織愈合階段和骨重建階段。BMP-2在誘導骨愈合發(fā)生過程的初期，能夠調(diào)控巨噬細胞表達，促進損傷部位分泌促炎細胞因子，調(diào)節(jié)傷口愈合處的免疫環(huán)境，在骨愈合初期這種平衡又適當?shù)难装Y刺激對骨愈合過程中初始炎癥階段產(chǎn)生積極影響。但是，如果是在BMP-2濃度過高或者總劑量過大的情況下，產(chǎn)生的炎癥反應過重或時間過長，則會影響整個骨愈合進程，對骨愈合造成不利影響[3,11]。

BMP-2在口腔醫(yī)學中，常被應用于腫瘤和頜骨囊腫切除后大面積頜骨缺損的的修復，并進行頜面部重建，利用BMP-2的成骨功能，能起到促進頜面部組織結構重建和功能恢復的作用，但是如果濃度選擇不當，在濃度過高的情況下，則有可能發(fā)生頜面部腫脹，影響美觀和頜面部功能[12]。另外，口腔頜面部的重要神經(jīng)血管較多，若發(fā)生腫脹甚至可能會嚴重影響人體的健康和機體功能。在進行頸椎前路手術時，相對于傳統(tǒng)治療，若使用BMP-2進行輔助治療，咽喉處炎癥和組織腫脹的發(fā)生幾率會更高。咽喉組織發(fā)生嚴重炎癥時，因為此處有氣管、食管、聲帶等重要器官的通過，并且神經(jīng)和血管較為密集，所以極有可能會引起劇烈疼痛、呼吸及吞咽困難、聲帶麻痹、壓迫頸部的神經(jīng)血管，導致腦部供血不足，影響神經(jīng)功能，出血時發(fā)生血腫等嚴重并發(fā)癥[8,13]。

1.3 感染 2013年，Hoffmann M F等[14]通過對一個大型醫(yī)院的1158名患者病歷進行了回顧性分析，這些患者在后外側腰椎融合手術中應用BMP-2進行了輔助治療。術后發(fā)現(xiàn)這些患者中有32名患者被發(fā)現(xiàn)了血清瘤和軟組織腫脹，16名患者發(fā)現(xiàn)骨過度生長和異位骨形成，26名患者發(fā)生了術后感染，在對這些患者的感染病灶處聚集的液體進行細菌培養(yǎng)之后，其培養(yǎng)液中檢測出兩種葡萄球菌，一種耐甲氧西林金黃色葡萄球菌，一種丙酸桿菌。Hoffmann M F提出這些并發(fā)癥與BMP-2濃度有關，在濃度越高的情況下，并發(fā)癥的發(fā)生率越大，也會因個體差異而發(fā)生變化。

Tim N.Hissnauer等[15]對5名平均年齡為11歲的股骨骨折青少年患者進行了長期隨訪觀察，這5名患者進行了鋼板固定和BMP-2聯(lián)合治療。發(fā)現(xiàn)這5名患者中有4名患者的骨折處愈合良好，證明了BMP-2的確具有促進骨折愈合的能力。但是另外一名患者骨折處沒有愈合，并且出現(xiàn)了術后腫脹和嚴重的金黃色葡萄球菌感染，導致了骨折部位骨斷端不發(fā)生愈合。

1.4 異位骨形成 高濃度BMP-2應用時，形成異位骨是最常見的副作用之一，當有異位骨形成時，能檢測到異位骨形成處BMP-2濃度的明顯提高[16]。Boraiah S等[17]對于脛骨骨折的40位病人進行了BMP-2應用后的隨訪觀察，發(fā)現(xiàn)17位應用BMP-2進行輔助治療的患者中異位骨發(fā)生率占總人數(shù)的59%，多達10人，其中4人還因為癥狀較為嚴重需進行手術切除，而對照組23位患者中僅有一位患者出現(xiàn)異位骨形成且無需切除，這個臨床數(shù)據(jù)表明BMP-2和異位骨的發(fā)生有著直接的聯(lián)系。Arzeno A等[9]通過對于1名在髖關節(jié)置換術中應用BMP-2與同種異體骨移植進行治療時，在術后發(fā)現(xiàn)了有大量的異位骨形成。

Lijun Shi等[18]分析了94例股骨頭壞死患者的治療情況，其中46例患者應用BMP-2進行治療，另外48名患者作為對照組。發(fā)現(xiàn)高濃度的BMP-2雖然可以促進骨形成，但是異位骨形成的發(fā)病率也隨之提高，BMP-2處理組的46名患者中有9名患者在術后發(fā)現(xiàn)有異位骨形成，且異位骨形成部位都在BMP-2濃度較高處，而在對照組中出現(xiàn)異位骨的只有1名患者。因此，他提出異位骨形成的復雜性與BMPs的生理活性以及局部濃度有關，它能在異位和正位位點誘導新骨形成。

1.5 腫瘤發(fā)生 近些年來，由于人們對腫瘤的關注逐漸增多，BMP-2被發(fā)現(xiàn)具有抑制某些腫瘤生長的作用，所以近些年來關于腫瘤抑癌作用的研究逐漸增多[19]。隨著研究的進展，發(fā)現(xiàn)在部分腫瘤患者的腫瘤微環(huán)境中，BMP-2濃度會有明顯增高，相對正常人群BMP-2有高水平表達，所以一些研究認為BMP-2可能與腫瘤的發(fā)生有關[20，21]。提出這個觀點不僅是因為腫瘤微環(huán)境中BMP-2濃度的升高，也因為之前的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)BMP-2可以調(diào)節(jié)癌癥干細胞的分化，當BMP-2高濃度應用時，會增加某些腫瘤的發(fā)生幾率[22]。有的研究提出BMP-2能夠?qū)τ诮Y腸癌細胞系、骨細胞瘤、乳腺癌等類型的腫瘤具有抑制作用，可以誘導腫瘤細胞的凋亡，抑制腫瘤生長，可以作為抑制腫瘤治療過程的輔助用藥[23]。但是BMP-2也可增強某些癌癥的侵襲性，例如當利用BMP-2對含有成纖維細胞與口腔鱗癌細胞進行共培養(yǎng)時，可以顯著提高鱗癌細胞的侵襲性，促進鱗癌細胞的表達[24]。所以關于BMP-2在不同類型腫瘤中有不同作用，還需要更多的實驗及臨床數(shù)據(jù)加以論證。

2.解決方式

為了BMP-2在臨床更好的應用，使BMP-2效用最大化，并且減少相關副作用的發(fā)生，臨床醫(yī)生應該在保證療效的情況下，盡量減少BMP-2的使用濃度。并且在臨床上應用BMP-2進行疾病治療時，應該根據(jù)不同疾病、不同的位置及個體差異選擇適宜的BMP-2濃度和劑量，并選擇適宜的載體，在促進術后恢復，盡量完成治療計劃的情況下，減少相關副作用的發(fā)生，并降低手術成本。

2.1 與其他生長因子聯(lián)合應用 首先可以考慮到的就是與其他生長因子進行聯(lián)合應用[25]。例如費志強等[26]通過大鼠脊柱融合實驗證明BMP-2結合態(tài)(BBP)本身單獨應用時并不具備誘導骨形成的作用，但是在與BMP-2聯(lián)合應用的情況下，可以增強BMP-2的成骨功能，能夠使BMP-2在濃度較低時達到與高濃度BMP-2相同的成骨功效，其脊柱融合率及速度皆高于單獨應用BMP-2的低濃度組。Egashira K[27]的實驗指出，當骨髓濃縮物(Bone marrow concentrate，BMC)與 BMP-2 進行聯(lián)合應用時，可以通過早期骨誘導的協(xié)同作用，在獲得相同成骨作用效果的情況下，使BMP-2的濃度減少一半。這個發(fā)現(xiàn)對臨床上降低BMP-2的使用濃度，減少濃度依賴性副作用的發(fā)生，提高所形成新骨的質(zhì)量起著重要的參考意義。更多的有關BMP-2與其他生長因子聯(lián)合應用時的濃度選擇，還需要更多的實驗研究及臨床數(shù)據(jù)加以論證。

2.2 更換載體 除了與其他生長因子聯(lián)合應用之外，也可以考慮更換適當?shù)妮d體。Hairong Huang等[28]發(fā)現(xiàn)當BMP-2與可吸收膠原海綿(Absorbed collagen sponge，ACS)載體聯(lián)合應用時，會引起急性炎癥，但是進一步的研究發(fā)現(xiàn)這種炎癥與BMP-2的應用無關，是由ACS本身的理化性質(zhì)引起的，并且嚴重程度與血管密度相關，在血管密度高的地方炎癥反應更嚴重。海藻酸鹽凝膠可以更好地引導BMP-2的釋放，從而控制BMP-2的局部濃度，引導骨再生，并且限制異位骨的生成。對于植骨修復過程中，與磷酸鈣骨水泥(Calcium phosphate cement，CPC)聯(lián)合應用，可以形成類似于自身松質(zhì)骨相似的疏松多孔結構，促進骨愈合，并防止骨塌陷、斷端移位、術后感染等并發(fā)癥的發(fā)生[29-31]。另外,當BMP-2以肝素綴合聚乳酸納米微球(heparin-conjugated PLGA Nanospheres，HCPN)作為載體時，可形成BMP-2的緩釋系統(tǒng)，延緩BMP-2的釋放，在使用同等濃度的BMP-2時，與短期釋放組相比，雖然所應用的BMP-2總劑量并未發(fā)生變化，但是可以減少同一時間段內(nèi)局部BMP-2的濃度，其治療效果優(yōu)于短期釋放組[32]。

2.3 更換生長因子 另有一些學者則認為BMP-2的副作用難以避免，長期致力于尋找出BMPs之外的可替代的生長因子，以提供更有針對性和控制的骨生長速率。至今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些作用相似的替代生長因子，例如James A W等[33]的實驗證明人類Nell 1型蛋白(Nel-like molecule-1,Nell-1)可以改善綿羊骨質(zhì)疏松模型中骨形成效果，這個結果說明Nell-1同樣具有骨誘導作用，并且在本實驗中并未發(fā)現(xiàn)副作用，這可以滿足目前對骨誘導作用的需要。但是新的生長因子在臨床的進一步推廣仍需更多的研究來確定其作用機理以及應用濃度，并且判斷是否會有副作用的發(fā)生。

3.展望

總之，盡管目前BMP-2有明顯的骨誘導形成作用，但是BMP-2具體濃度和相關副作用的關系并未明確，所以醫(yī)生在臨床上選擇BMP-2進行治療時應當權衡其功能與副作用的關系，權衡利弊。在應用時，應選擇最佳的手術方式、最適宜的BMP-2濃度以及最恰當?shù)妮d體，在將BMP-2療效最大化的同時，有效減少其副作用的發(fā)生。而隨著科學技術的發(fā)展，在對其他生長因子進行充分研究實踐之后，也可以選擇其他具有相似功能的替代生長因子作為替代物以促進成骨。