二磷酸鹽和骨形態(tài)發(fā)生蛋白對(duì)內(nèi)植物固定作用的影響

趙　軍　綜述，蔣仁偉審校（重慶市中醫(yī)骨科醫(yī)院骨一科400012）

隨著老年型社會(huì)的到來，原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病率越來越高。臨床中遇到需行螺釘固定或假體置換的骨質(zhì)疏松患者不斷增加，但骨質(zhì)疏松患者骨質(zhì)量低下，植入物周圍骨的生物機(jī)械性能降低，影響內(nèi)植物-骨界面的穩(wěn)定性。并且骨質(zhì)疏松患者骨脆性增加，在螺釘固定鉆孔、假體插入時(shí)，更容易引起細(xì)微骨折和局部熱損傷，誘發(fā)早期內(nèi)植物周圍的炎性反應(yīng)，使破骨細(xì)胞聚集增多，引起骨溶解或骨吸收發(fā)生[1]，而骨質(zhì)疏松患者體內(nèi)自身修復(fù)的因子表達(dá)缺乏，骨修復(fù)作用降低，同時(shí)骨質(zhì)疏松患者所形成的骨組織脆弱，對(duì)內(nèi)植物支持作用比正常骨組織降低，最終導(dǎo)致螺釘松動(dòng)，假體的移位、下沉，手術(shù)失敗。

近年來，內(nèi)植物-骨界面的穩(wěn)定性研究主要集中在對(duì)內(nèi)植物設(shè)計(jì)和對(duì)內(nèi)植物表面的修飾處理上，如通過螺釘接骨板的鎖定機(jī)制提高螺釘骨界面抗拔出性能，減少早期螺釘切割，或通過植入假體表面羥基磷灰石涂層，增加骨長入。雖然可在一定程度上減少內(nèi)固定的失敗，但提高內(nèi)植物周圍骨質(zhì)量，增強(qiáng)內(nèi)植物-骨界面固定強(qiáng)度，改善骨質(zhì)疏松狀態(tài)才是最終的解決辦法。

研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)植物植入骨后，周圍骨組織結(jié)構(gòu)的改建，類似于骨折的愈合，而骨折的修復(fù)涉及骨組織不斷被替換，壞死骨組織被清除，新生骨組織長入。正常骨折愈合分為血腫機(jī)化演進(jìn)期、原始骨痂形成期和骨痂改建塑形期；而骨質(zhì)疏松性骨折愈合過程為纖維性骨痂生成期、軟骨骨痂形成期和骨性骨痂期。通過對(duì)骨質(zhì)疏松性骨折的組織學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)：纖維性骨痂生成期主要是成纖維細(xì)胞合成、分泌Ⅲ型膠原；軟骨骨痂形成期主要是成軟骨細(xì)胞合成、分泌Ⅱ型膠原；骨性骨痂主要隨著軟骨內(nèi)成骨的出現(xiàn)和發(fā)展，抗張力性能較強(qiáng)的Ⅰ型膠原逐漸取代Ⅱ型膠原。在骨質(zhì)疏松性骨折的修復(fù)過程中，軟骨內(nèi)成骨和膜內(nèi)成骨都有參與，但以軟骨內(nèi)成骨為主。軟骨內(nèi)成骨慢，骨轉(zhuǎn)換加速（骨吸收大于骨形成），形成的骨痂內(nèi)膠原纖維松散、排列方向紊亂，導(dǎo)致骨折愈合質(zhì)量低下[2]。因此，骨質(zhì)疏松性骨折臨床愈合時(shí)間較長，具有較高的骨折延遲愈合和不愈合率，且愈合的骨痂質(zhì)量與力學(xué)強(qiáng)度均低于非骨質(zhì)疏松性骨折的骨痂，發(fā)生再骨折的概率較大。一些治療骨質(zhì)疏松藥物和細(xì)胞因子逐漸被用作骨質(zhì)疏松骨折的輔助治療，同時(shí)用于骨缺損治療，現(xiàn)就二磷酸鹽和骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）這方面的發(fā)展情況作一綜述。

1　二磷酸鹽對(duì)內(nèi)植物固定作用的影響

1.1二磷酸鹽抗骨吸收的機(jī)制二磷酸鹽在臨床上成功地用于骨質(zhì)疏松及相關(guān)骨退行性疾病的治療，現(xiàn)在逐漸成為骨科手術(shù)的輔助用藥。二磷酸鹽的構(gòu)效關(guān)系至今尚不完全清楚。但已明確產(chǎn)生活性的必要條件是其基本結(jié)構(gòu)P-C-P基團(tuán)。不同二磷酸鹽的作用效果取決于C原子上取代側(cè)鏈的類型。最新的二磷酸鹽由于含N原子的側(cè)鏈，降低了細(xì)胞毒性[3]，含N原子的側(cè)鏈的二磷酸鹽（帕米磷酸鹽、阿倫磷酸鹽、利塞膦酸鹽、伊拜膦酸鹽、唑來膦酸鹽）抑制法尼基二磷酸（FPP）合成酶，從而避免了細(xì)胞功能紊亂，防止細(xì)胞凋亡。而不含N原子側(cè)鏈（如氯膦酸鹽）會(huì)在線粒體里產(chǎn)生細(xì)胞毒性產(chǎn)物，誘發(fā)細(xì)胞凋亡[4]。

二磷酸鹽在骨礦沉積部位起作用，特別是在處于高骨轉(zhuǎn)換的骨折部位[5]，一般認(rèn)為，其抗骨吸收的機(jī)制可能有：（1）干擾已成熟破骨細(xì)胞功能；（2）在骨表面形成足夠的濃度梯度，直接影響破骨細(xì)胞的活化；（3）直接抑制成骨細(xì)胞相關(guān)的細(xì)胞因子如TNF、IL-6的生成。這3個(gè)方面相互作用，相互影響。實(shí)驗(yàn)研究證明，二磷酸鹽干擾破骨細(xì)胞附著，改變破骨細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)，特別是阿侖膦酸鈉，選擇性地與破骨細(xì)胞骨內(nèi)膜的活性位點(diǎn)結(jié)合，使破骨細(xì)胞失活。這也解釋了二磷酸鹽在機(jī)體內(nèi)半衰期長的原因。但當(dāng)骨吸收時(shí)，通過內(nèi)吞作用被破骨細(xì)胞攝取，在細(xì)胞內(nèi)引起一系列生化反應(yīng)如抑制焦磷酸酶活性、抑制溶酶體酶以及干擾前列腺素和蛋白質(zhì)的合成，導(dǎo)致破骨細(xì)胞“麻痹”。

1.2二磷酸鹽對(duì)內(nèi)植物周圍骨修復(fù)的影響骨的修復(fù)是一個(gè)動(dòng)態(tài)，復(fù)雜的過程，過度的負(fù)重和不穩(wěn)都會(huì)影響骨的修復(fù)，致使骨吸收增加，骨折的延遲愈合或不愈合。二磷酸鹽通過抑制骨的吸收改善骨的修復(fù)。AMANAT等[6]通過大鼠開放截骨，發(fā)現(xiàn)帕米磷酸鹽能顯著增加骨痂體積和骨礦物質(zhì)含量，在第6周時(shí)，骨折端的強(qiáng)度比對(duì)照組增加60%。同時(shí)在閉合性骨折的大鼠模型中[7]，唑來膦酸鹽治療后，骨痂的大小和強(qiáng)度同樣增加。隨后的研究調(diào)查不同的給藥方案[8]，單一全身用藥比小劑量間歇的多次用藥同樣有利于提高骨強(qiáng)度，而且單一全身用藥更有利于骨折愈合后骨痂的重塑。同樣在兔的牽張成骨的實(shí)驗(yàn)也有同樣的發(fā)現(xiàn)，骨折的愈合也依賴于二磷酸鹽對(duì)骨的合成代謝[3]。在對(duì)一組行脛骨截骨矯形治療膝關(guān)節(jié)疾病的患者，截骨后采用鋼板螺釘穩(wěn)定，試驗(yàn)組靜脈注射唑來膦酸鹽，對(duì)照組注射同等計(jì)量的生理鹽水，兩組骨折愈合的時(shí)間無明顯差別[9]。

有學(xué)者關(guān)于系統(tǒng)性二磷酸鹽治療對(duì)內(nèi)植物固定作用的影響研究表明，在內(nèi)植物植入早期，二磷酸鹽有利于提高內(nèi)植物與骨的接觸率，增加植入物周圍的骨量，提高在骨中的拔出強(qiáng)度[10-11]，但二磷酸鹽要達(dá)到治療劑量必須達(dá)到很高的濃度，有時(shí)這種濃度是正常骨質(zhì)疏松治療的50倍[12]，高劑量的二磷酸鹽常與額骨的缺血壞死有關(guān)。為避免高劑量系統(tǒng)性用藥的不良反應(yīng)，PETER等[13]將表面帶有羥基磷灰石的內(nèi)植物浸泡于二磷酸鹽溶液中，發(fā)現(xiàn)羥基磷灰石表面有高濃度的二磷酸鹽聚集，促進(jìn)了骨在內(nèi)植物表面的附著，增加了骨密度，提高了內(nèi)植物的機(jī)械性能。所有這些研究都是在動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行，并且觀察的時(shí)間太短，內(nèi)植物都是放在非負(fù)重部位，缺少應(yīng)力的刺激，浸泡二磷酸鹽的螺釘能在體內(nèi)持續(xù)多長時(shí)間并未說明。高濃度的二磷酸鹽會(huì)阻止破骨細(xì)胞引起的骨吸收，但同時(shí)也有可能影響骨的修復(fù)過程，這對(duì)內(nèi)植物在體內(nèi)最終的穩(wěn)定是不利的。并且有證據(jù)顯示帕米磷酸鹽會(huì)抑制蛋白和膠原的合成，抑制成骨細(xì)胞膠原纖維的分泌，而膠原纖維是骨與內(nèi)植物整合的必要物質(zhì)，內(nèi)植物在骨內(nèi)的穩(wěn)定會(huì)受到不良影響[14]。同時(shí)，如何將帶有二磷酸鹽的羥基磷灰石固定在金屬表面，什么才是最理想的涂層。這些都是有待解決的，因此，如何一方面有效阻止內(nèi)植物周圍的骨吸收，另一方面如何去除二磷酸鹽對(duì)骨重建的影響，是需要進(jìn)一步研究的。

2　BMP對(duì)內(nèi)植物固定作用的影響

2.1BMP促骨形成的機(jī)制BMP是早期誘導(dǎo)骨組織形成與發(fā)生的重要信號(hào)分子，調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞及軟骨細(xì)胞分化，并且在維持骨的礦物質(zhì)含量和骨改建方面起著重要作用[15]。自 1965年 URIST[16]發(fā)現(xiàn) BMP以來，BMP已從動(dòng)物實(shí)驗(yàn)用于臨床骨缺損治療。BMP是一類酸性糖蛋白，是由2個(gè)亞基以1個(gè)二硫化物健結(jié)合而成的二聚體分子。活性的二聚體或異二聚體BMP通過與受體結(jié)合發(fā)揮作用，其主要成骨作用是誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞分化成成骨細(xì)胞或成軟骨細(xì)胞，進(jìn)而促進(jìn)新骨形成。到目前為止，已有超過30種BMP相關(guān)蛋白被確定，其中與成骨關(guān)系最重要的是BMP-2及BMP-7，BMP-2研究得最多，其主要從2個(gè)方面促進(jìn)骨的形成，通過募集骨髓干細(xì)胞并誘導(dǎo)其分化為成骨細(xì)胞或軟骨細(xì)胞，在通過礦鹽沉積形成新骨，在骨的修復(fù)和再生過程中，還抑制成骨細(xì)胞的凋亡；另一方面其還能促進(jìn)其他成骨因子的表達(dá)，增加骨橋蛋白、COL1、脂肪酸偶聯(lián)蛋白4、堿性磷酸酶等的表達(dá)，這些蛋白在成骨細(xì)胞分化中起著關(guān)鍵作用。BMP-2缺乏可導(dǎo)致嚴(yán)重的骨質(zhì)疏松。BMP拮抗劑gremLin通過與BMP-2的直接連接，可阻斷BMP的作用通道，導(dǎo)致自發(fā)性骨折。相反，當(dāng)在鼠的骨骼中去除gremLin時(shí)，會(huì)導(dǎo)致骨密度的增加[17]。在治療骨缺損時(shí)，COOK等[18]將牛Ⅰ型膠原作為BMP-7載體，植入猴尺骨骨缺損中，術(shù)后1周后在缺損邊緣可見到細(xì)胞生長，術(shù)后3周，能在影像學(xué)上看到新生骨痂，組織切片可觀察到成骨分化，12周時(shí)，新骨量及礦化程度明顯上升，在骨植入部位可見到豐富的軟骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞及鈣化后形成的成熟骨組織，并可見到少量載體殘余。AROSARENA等[19]在小鼠下頜骨缺損處分別植入膠原/羥基磷灰石/磷酸三鈣、透明質(zhì)酸與BMP-2的復(fù)合物，6周時(shí)病理學(xué)切片發(fā)現(xiàn)后者比前者有更多的類骨質(zhì)和新骨形成，可見BMP在骨缺損修復(fù)中起著極其重要的作用。

2.2BMP基因治療及對(duì)內(nèi)植物周圍成骨的影響由于BMP在體內(nèi)很快會(huì)被酶類降解而失去作用，使得許多研究者將目光投向BMP基因治療。用基因轉(zhuǎn)移將帶有BMP基因的載體直接注入體內(nèi)或通過基因轉(zhuǎn)染將BMP基因?qū)塍w外細(xì)胞后培養(yǎng)，再將轉(zhuǎn)染有BMP目的基因的細(xì)胞注入體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)基因治療。通過局部靶向持續(xù)釋放，最大程度增加局部治療效果，減小全身不良反應(yīng)[20]。陳安威等[21]將轉(zhuǎn)染有BMP-2的腺病毒用于兔下頜骨骨折的治療，結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)組骨折處新骨形成量及骨小梁密度顯著高于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。LEE等[22]用攜帶有BMP-2的腺病毒和反轉(zhuǎn)錄病毒的骨骼肌細(xì)胞植入SCID鼠的顱骨缺損區(qū)中，術(shù)后4～8周，骨缺損愈合，在缺損部位可見明顯的新骨重塑。

雖然BMP在體內(nèi)主要是誘導(dǎo)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞或軟骨細(xì)胞分化，從而促進(jìn)新骨形成，但研究發(fā)現(xiàn)，BMP促成骨的同時(shí)對(duì)破骨細(xì)胞也具有正向作用，可以促進(jìn)骨髓基質(zhì)細(xì)胞等向破骨前體細(xì)胞分化，增強(qiáng)破骨細(xì)胞活性。KANEKO等[23]在體外將BMP-2直接加入培養(yǎng)的兔破骨細(xì)胞中，發(fā)現(xiàn)骨吸收陷窩的數(shù)量隨著加入BMP-2量和時(shí)間的延長而增加。隨后在培養(yǎng)基中加入BMP-2抑制劑Follistatin，BMP-2的作用卻被抑制。HENTUNEN等[24]研究發(fā)現(xiàn)，rhBMP-7可以誘導(dǎo)大鼠BMSCs向抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）染色陽性的細(xì)胞分化，分化的量與rhBMP-7濃度呈正相關(guān)。TAKAHASHI等[25]通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以吸收性明膠海綿為載體，將rhBMP-2應(yīng)用于治療Ⅲ°根分叉病變，在6周時(shí)在植入部位可見破骨細(xì)胞樣細(xì)胞聚集。而對(duì)照組未發(fā)現(xiàn)這一改變。MCGEE等[26]在用BMP-7聯(lián)合同種異體骨移植治療內(nèi)植物周圍骨缺損時(shí)發(fā)現(xiàn)，BMP-7不僅僅增加了新骨的形成，同時(shí)也刺激了同種異體骨的吸收，在內(nèi)植物周圍新生骨尚未形成有力支撐時(shí)，這種吸收有可能影響內(nèi)植物在骨內(nèi)的早期穩(wěn)定性，使固定效果變?nèi)酢?/p>

3　展　望

二磷酸鹽、BMP在促進(jìn)骨形成，修復(fù)骨缺損上都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，BMP促進(jìn)新骨形成，有利于骨重建，但對(duì)破骨細(xì)胞正向調(diào)節(jié)作用卻不利于內(nèi)植物早期穩(wěn)定，二磷酸鹽能抑制破骨細(xì)胞，卻減弱了骨的修復(fù)重建。因此，以后的研究重點(diǎn)是將二者聯(lián)合使用，發(fā)揮其共同優(yōu)點(diǎn)。