重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2成骨的研究進(jìn)展*

楊艷蘭 綜述，徐 普 審校

(中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院附屬?？卺t(yī)院/海南省口腔醫(yī)學(xué)中心種植科，海南 ?？?570208)

創(chuàng)傷、骨折、腫瘤等多種骨相關(guān)疾病導(dǎo)致的骨缺損和骨愈合不良是困擾人類健康的重要問題,學(xué)者對如何快速、有效、安全地促進(jìn)骨缺損的新骨形成已進(jìn)行了廣泛研究[1-2]。骨組織工程是結(jié)合生物學(xué)和工程學(xué)理論為缺損骨組織創(chuàng)造功能替代品，包括3個基本要素，即生長因子、干細(xì)胞和支架，其中生長因子在骨組織工程中的作用十分重要[3-4]。

骨形成蛋白(BMP)是生長因子β超家族成員之一，自從1965年URIST[5]首次發(fā)現(xiàn)以來已有相當(dāng)深入的研究，其中又以BMP-2的生物活性最強[6]。BMP主要存于在骨組織中，動物來源的BMP不僅有限，且存在一定的免疫反應(yīng)。因此，BMP主要通過基因工程技術(shù)獲得，其中研究較多的是重組人骨形成蛋白-2(rhBMP-2)，其具有獨特的誘導(dǎo)成骨活性，在修復(fù)骨缺損和促進(jìn)骨愈合方面具有重要作用[7-8]?，F(xiàn)將近年國內(nèi)外rhBMP-2在細(xì)胞學(xué)、動物實驗及臨床研究等方面進(jìn)展綜述如下，旨在為對rhBMP-2進(jìn)行相關(guān)研究的學(xué)者提供參考。

1 rhBMP-2的細(xì)胞學(xué)研究

有許多研究支持rhBMP-2是一種有效的骨誘導(dǎo)劑，體外研究表明，rhBMP-2作用于間充質(zhì)干細(xì)胞、骨祖細(xì)胞、前成骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞，可促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞和骨祖細(xì)胞向軟骨或成骨細(xì)胞系分化；可直接促進(jìn)前成骨細(xì)胞分化，導(dǎo)致細(xì)胞總數(shù)、堿性磷酸酶活性和鈣含量的增加；在整個成骨階段中促進(jìn)新骨的形成，能啟動、刺激和增加正常的骨形成級聯(lián)反應(yīng)[9-11]。

國內(nèi)學(xué)者任前貴等[12]將聚乳酸-聚乙二醇-聚乳酸三嵌段共聚物作為囊材，采用復(fù)乳溶劑揮發(fā)法制備了外黏附rhBMP-2內(nèi)包封血管內(nèi)皮生長因子的微囊支架，隨后于微囊支架中加入骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞共同培養(yǎng)，結(jié)果顯示，控釋rhBMP-2及血管內(nèi)皮生長因子的微囊支架可誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化。遲丹丹等[13]將人牙周干細(xì)胞分別于杜氏改良Eagle培養(yǎng)基、成骨誘導(dǎo)培養(yǎng)基和接種二氧化鈦納米管-羥基二咪唑-rhBMP-2復(fù)合生物層的杜氏改良Eagle培養(yǎng)基中培養(yǎng)，結(jié)果顯示，二氧化鈦納米管-羥基二咪唑-rhBMP-2復(fù)合生物層可誘導(dǎo)人牙周干細(xì)胞成骨分化。趙彥濤等[14]將小鼠胚胎成骨細(xì)胞(MC3T3-E1)接種到培養(yǎng)板24 h后再加入rhBMP-2進(jìn)行干預(yù)，結(jié)果顯示，rhBMP-2影響MC3T3-E1的成骨化，且影響程度呈濃度依賴性。因此可以認(rèn)為，rhBMP-2無論單獨還是聯(lián)合應(yīng)用均能促進(jìn)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞的分化，從而促進(jìn)成骨。

國外學(xué)者NIU等[15]將rhBMP-2負(fù)載于不同大小孔徑的生物陶瓷支架上，再將支架與間充質(zhì)干細(xì)胞進(jìn)行體外實驗培養(yǎng)，結(jié)果顯示，間充質(zhì)干細(xì)胞參與了成骨過程。JEONG等[16]應(yīng)用阿倫膦酸鹽培養(yǎng)人胎兒成骨細(xì)胞，然后隨機分為2組，一組采用低強度的激光治療；一組應(yīng)用rhBMP-2聯(lián)合低強度激光共同處理，結(jié)果顯示，rhBMP-2及低強度激光均對經(jīng)阿侖膦酸鹽處理過的成骨細(xì)胞有效，能促進(jìn)細(xì)胞的成骨活性及骨基質(zhì)的形成，rhBMP-2表現(xiàn)出的作用更大，但二者比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。RAINA等[17]制備了含rhBMP-2的生物活性陶瓷支架，然后通過體外與MC3T3成骨細(xì)胞共同培養(yǎng)，結(jié)果顯示，MC3T3成骨細(xì)胞在含rhBMP-2支架材料中其細(xì)胞堿性磷酸酶活性顯著提高。表明將rhBMP-2負(fù)載于復(fù)合材料內(nèi)也具有良好的促進(jìn)骨源性細(xì)胞及干細(xì)胞的成骨功能；即使與阻礙成骨的材料共培養(yǎng)依然能表現(xiàn)出較好的成骨作用。

2 rhBMP-2的動物實驗研究

在動物模型中rhBMP-2的成骨作用已被證明，在一些動物骨缺損模型中rhBMP-2局部應(yīng)用能促進(jìn)各種骨組織工程支架修復(fù)各種骨缺損，如股骨、脛骨、腓骨、頜面牙槽骨和下頜骨等。這與BMP-2在向該區(qū)域集聚細(xì)胞和促進(jìn)骨細(xì)胞分化方面發(fā)揮的直接作用有關(guān)。rhBMP-2可促進(jìn)骨細(xì)胞的分化，在愈合的早期階段可刺激骨缺損部位的成骨作用，由于rhBMP-2分子的溶解性，分子從融合部位擴散出來，在集聚細(xì)胞和促進(jìn)細(xì)胞增殖、分化，以及礦物質(zhì)沉積方面發(fā)揮直接作用，從而誘導(dǎo)骨融合[18]。

國內(nèi)學(xué)者周思睿等[19]首先采用真空冷凍干燥及化學(xué)交聯(lián)法制備絲素蛋白/殼聚糖/納米羥基磷灰石生物支架，隨后采用復(fù)乳揮發(fā)法制備rhBMP-2/聚乳酸緩釋微球，最后將二者整合后制備成負(fù)載緩釋微球的三維生物支架用于成年犬橈骨的骨缺損處，結(jié)果顯示，這種三維生物支架能有效修復(fù)犬橈骨的骨缺損。郭嬌陽等[20]將rhBMP-2與復(fù)合纖維蛋白凝膠結(jié)合，制備出攜載rhBMP-2的緩釋載體材料，然后用于新西蘭大白兔脛骨的牽張成骨，結(jié)果顯示，rhBMP-2復(fù)合纖維蛋白凝膠可有效促進(jìn)兔脛骨牽張成骨時的骨形成。宋亞平等[21]在比格犬的脛骨干骺端制備骨缺損研究中將珊瑚羥基磷灰石與富血小板纖維蛋白的復(fù)合物、自體骨的復(fù)合物、rhBMP-2的復(fù)合物、單純珊瑚羥基磷灰石4種骨移植材料分別植入骨缺損區(qū)，結(jié)果顯示，珊瑚羥基磷灰石與rhBMP-2復(fù)合物能促進(jìn)骨的形成，且隨著時間的延長，新骨量增多。表明rhBMP-2的緩釋載體材料或相關(guān)復(fù)合物對兔和犬的長骨缺損均具有促進(jìn)骨形成的效果。

國外學(xué)者JANG等[22]在大鼠顱骨處建立骨膜下間隙，并于骨膜間隙處分別植入含鈣牛骨、含鈣牛骨/低劑量rhBMP-2(5 μg)和含鈣牛骨/高劑量rhBMP-2(50 μg)的植骨材料。隨機分為3組，采用Micro-CT評價3組骨體積、骨密度、骨小梁厚度和骨小梁間距等新成骨參數(shù)，以及組織形態(tài)學(xué)分析以評價新成骨面積。結(jié)果顯示，rhBMP-2有助于含鈣牛骨骨膜下骨移植中新骨的形成。HAN等[23]制作了負(fù)載rhBMP-2的生物支架，并在動物的腓骨處制備骨缺損模型，將生物支架材料植入骨缺損處，9周后所有動物給予安樂死，進(jìn)而檢測腓骨標(biāo)本的成骨情況，結(jié)果顯示，負(fù)載rhBMP-2生物復(fù)合材料能促進(jìn)皮質(zhì)骨和骨髓腔的新生骨形成。LIM等[24]將8只犬下頜骨切牙拔除，形成拔牙窩，拔牙窩內(nèi)分別放入小豬骨移植材料和小豬骨移植材料結(jié)合rhBMP-2的復(fù)合材料，4周后進(jìn)行Micro-CT及組織學(xué)和組織形態(tài)學(xué)分析，結(jié)果顯示,加入rhBMP-2與單獨使用小豬骨移植材料比較，能增強拔牙窩骨缺損區(qū)的成骨化?？梢妼hBMP-2負(fù)載于各類復(fù)合支架材料上，植入動物骨缺損模型的骨缺損處均可促進(jìn)骨缺損處的新骨形成，且成骨的質(zhì)與量均具有良好的預(yù)期。

3 rhBMP-2的臨床研究

國內(nèi)學(xué)者黃訓(xùn)等[25]將104例上頜前牙缺失伴唇側(cè)骨板缺損患者隨機分為研究組和對照組，每組52例。對照組種植同期采用Bio-Oss骨粉進(jìn)行骨增量，研究組種植同期采用Bio-Oss骨粉聯(lián)合rhBMP-2進(jìn)行骨增量，結(jié)果顯示，Bio-Oss骨粉聯(lián)合rhBMP-2用于上前牙缺失伴唇側(cè)骨板缺損患者時可促進(jìn)新生骨組織形成，種植效果滿意，美觀度較好。另有學(xué)者將rhBMP-2、Bio-oss骨粉聯(lián)合用于修復(fù)患者前牙區(qū)牙槽骨缺損并同期種植，結(jié)果顯示，rhBMP-2結(jié)合Bio-oss骨粉不僅能較好地修復(fù)前牙美學(xué)區(qū)的骨缺損，且能取得良好的美學(xué)效果[26]。還有學(xué)者以134例退變性頸腰椎疾病患者作為研究對象，所有患者均行脊柱植骨融合術(shù)治療，結(jié)果顯示，退變性頸腰椎疾病手術(shù)融合中rhBMP-2對骨誘導(dǎo)的影響基本與自體骨等同，且較同種異體骨表現(xiàn)出更大的優(yōu)勢[27]。國內(nèi)學(xué)者開始將rhBMP-2用于臨床，并得出了臨床滿意的效果，但觀察時間均不長，其遠(yuǎn)期效果仍有待于進(jìn)一步研究。

國外學(xué)者CHANDRA等[28]為探究牙槽骨骨皮質(zhì)切開術(shù)聯(lián)合骨移植術(shù)用于正畸治療中能否快速矯正錯頜畸形，而在行牙槽骨骨皮質(zhì)切開術(shù)部位的研究組植入rhBMP-2，而對照組則不植入任何材料，3個月后發(fā)現(xiàn)，rhBMP-2能有效縮短治療總時間，在骨皮質(zhì)切開處的骨密度高于對照組，且rhBMP-2的植入既不延遲傷口愈合，也不增加受試者的疼痛。KIM等[29]將rhBMP-2聯(lián)合可吸收膠原海綿用于因下頜骨藥物性壞死而采用微型鋼板固定的下頜骨嚴(yán)重缺損患者，3個月后通過影像學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)，所有病例均顯示有成骨現(xiàn)象，且未發(fā)生任何并發(fā)癥，也證實了rhBMP-2聯(lián)合可吸收膠原海綿可用于頜骨缺損的治療。YANG 等[30]為探討rhBMP-2及羥基磷灰石材料對上頜竇體提升術(shù)后骨形成量的變化，隨機將患者分為2組，一組進(jìn)行上頜竇底提升術(shù)時聯(lián)合rhBMP-2和羥基磷灰石(Ⅰ組)，一組則為單純羥基磷灰石(Ⅱ組)，分別于第3、24個月進(jìn)行影像學(xué)檢查，測量骨體積的差異，結(jié)果顯示，第3、24個月時Ⅰ組患者成骨量均大于Ⅱ組，且第24個月時Ⅰ組患者骨量明顯多于Ⅱ組，表明rhBMP-2不僅具有良好的成骨性能，且對上頜竇底提升術(shù)后的長期骨再生也是有效的。

近年來，國內(nèi)外rhBMP-2用于臨床的研究愈來愈多，無論是頜骨[31-32]還是四肢[18]其余部位[33]骨組織，當(dāng)出現(xiàn)缺損需要進(jìn)行骨增量時rhBMP-2的使用均表現(xiàn)出良好的成骨性能，可加速骨缺損的修復(fù)。

2002年rhBMP-2獲得美國食品和藥物管理局的批準(zhǔn)，僅在單級前路腰椎椎間融合術(shù)中應(yīng)用[33]；而后rhBMP-2的應(yīng)用迅速普及，2002-2006年僅在美國，脊柱融合手術(shù)的使用率就從所有脊柱融合手術(shù)的0.7%增長至25.0%；隨后在2004年rhBMP-2的應(yīng)用擴展至包括治療急性開放性脛骨骨折及股骨骨折中。在骨折愈合早期階段，rhBMP-2可增強骨膜和骨內(nèi)骨架(松質(zhì)骨)的形成，后期可增加骨礦物質(zhì)含量和生物力學(xué)性能[34-35]，且rhBMP-2能縮短骨折愈合時間，降低醫(yī)療成本。

2007年美國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)牙科醫(yī)生使用rhBMP-2進(jìn)行上頜竇提升和拔牙窩相關(guān)的骨移植手術(shù)[31]。rhBMP-2在腫瘤切除和骨壞死治療后下頜骨大面積缺損的重建中也顯示出了良好的效果[32]，用rhBMP-2替代壞死性骨去除的應(yīng)用被認(rèn)為是重建局部頜骨大骨缺損的有效而安全的治療選擇[29]。

綜上所述，鑒于rhBMP-2具有良好的促進(jìn)骨源性細(xì)胞及干細(xì)胞成骨的功能，因此，將rhBMP-2負(fù)載于各類復(fù)合支架材料上進(jìn)行動物實驗發(fā)現(xiàn)，其可促進(jìn)骨缺損處的新骨形成，且成骨的質(zhì)量良好，進(jìn)而將rhBMP-2用于臨床研究，無論是頜骨[31-32]還是四肢[18]或其余部位[33]骨組織，rhBMP-2均表現(xiàn)出良好的成骨性能，可加速骨缺損的修復(fù)。因此，rhBMP-2的成骨研究具有廣泛的臨床意義。但由于rhBMP-2價格較高，所以，對rhBMP-2的成骨研究在其最適合劑量使用及改進(jìn)合成技術(shù)以降低成本等方面均需進(jìn)行深入研究；同時，目前，rhBMP-2臨床應(yīng)用研究最長觀察時間只有24個月，其遠(yuǎn)期效果及臨床安全性仍待于進(jìn)一步觀察。