骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2在縫牽引成骨術(shù)中的研究進(jìn)展

鄧海俠，宋濤

(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院整形外科醫(yī)院整形一科，北京 100144)

縫牽引成骨術(shù)(sutural distraction osteogenesis，SDO)起源于正畸，近年來(lái)逐漸應(yīng)用于顱頜面外科和整形外科，如治療上頜骨橫向發(fā)育不足的快速上頜擴(kuò)弓(rapid maxillary expansion，RME)[1-2]和治療上頜后縮的經(jīng)縫牽引成骨術(shù)(trans-sutural distraction osteogenesis，TSDO)[3]等。作為顱面部骨骼間一種特有的結(jié)構(gòu)，生長(zhǎng)期骨縫受外力牽張，骨縫內(nèi)骨質(zhì)增加，從而實(shí)現(xiàn)骨骼的生長(zhǎng)發(fā)育和位置改變，SDO正是基于骨縫的這一特性[4]。與傳統(tǒng)的截骨牽引手術(shù)相比，SDO具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如不需要截骨、操作簡(jiǎn)單、手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)低，但臨床治療周期長(zhǎng)、復(fù)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)較高。研究顯示，經(jīng)過(guò)1個(gè)月?tīng)恳谝约?～3個(gè)月固定期治療的上頜后縮患者仍可能發(fā)生上頜骨的回縮復(fù)發(fā)[5]，而外科輔助快速上頜擴(kuò)張的復(fù)發(fā)率甚至可達(dá)49.5%[6]，其主要原因?yàn)闋繌埞强p的分離速度常大于骨縫內(nèi)新骨的生成速度，導(dǎo)致?tīng)恳蟮臄U(kuò)張骨縫缺乏足夠新骨的填充。骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)-2具有強(qiáng)大的誘導(dǎo)成骨能力，大量研究證實(shí)，牽引力作用于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物骨縫可促進(jìn)內(nèi)源性BMP-2表達(dá)，幫助縫區(qū)新骨形成與改建，重組人BMP-2(recombinant human BMP-2，rhBMP-2)的局部應(yīng)用有助于降低SDO動(dòng)物模型的術(shù)后復(fù)發(fā)率[7-9]?，F(xiàn)就BMP-2在SDO中的研究進(jìn)展予以綜述，以期為SDO中BMP-2相關(guān)治療的臨床研究提供新的思路與方向。

1 BMP-2概述

BMP是轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β超家族的最大亞群，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)20多種亞型，BMP-2是第一個(gè)確定具有誘導(dǎo)成骨作用的BMP，被認(rèn)為是最強(qiáng)的成骨因子之一[10]，也是目前SDO動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中最常用的一種。2002年rhBMP-2獲批在臨床使用，已在骨科[11]、口腔頜面外科[12]相繼應(yīng)用。作為一種在人和其他多種動(dòng)物中廣泛分布的酸性多肽，BMP-2能誘導(dǎo)未分化的間充質(zhì)干細(xì)胞不可逆地分化為成軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞，促進(jìn)新骨形成[13]。骨縫中處于正常發(fā)育期的成骨細(xì)胞可產(chǎn)生少量BMP-2，與骨縫內(nèi)未分化的間充質(zhì)干細(xì)胞表面的BMP-2受體結(jié)合，刺激間充質(zhì)干細(xì)胞分化為軟骨與成骨細(xì)胞，這些軟骨與成骨細(xì)胞分泌的BMP-2可刺激間充質(zhì)干細(xì)胞分化，大量BMP-2在發(fā)育期骨縫中生成，促進(jìn)新骨形成與改建[14]。牽引力作用于牽張區(qū)，可上調(diào)成骨細(xì)胞BMP-2基因表達(dá)，進(jìn)而大量BMP-2基因表達(dá)產(chǎn)物通過(guò)旁分泌、自分泌的方式誘導(dǎo)牽張區(qū)新骨形成[15]，同時(shí)牽引力還可促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞增殖，為BMP-2的誘導(dǎo)作用提供充足的靶細(xì)胞來(lái)源[16]。

2 內(nèi)源性BMP-2與SDO

2.1SDO中內(nèi)源性BMP-2的表達(dá)規(guī)律 闡明內(nèi)源性BMP-2在SDO中的表達(dá)規(guī)律、揭示不同治療階段BMP-2的表達(dá)狀況、探究機(jī)械張力與BMP-2表達(dá)的相關(guān)性、全面了解調(diào)控BMP-2生成的信號(hào)通路，可為優(yōu)化治療方案，最大限度地發(fā)揮SDO的治療優(yōu)勢(shì)提供理論基礎(chǔ)。

研究顯示，大鼠腭中縫內(nèi)源性BMP-2的水平可隨牽引時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，且其可誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化，促進(jìn)骨縫內(nèi)新骨形成[7-8]。金增強(qiáng)等[14]發(fā)現(xiàn)，隨著機(jī)械應(yīng)力牽引的進(jìn)行，BMP-2在各骨縫的表達(dá)量逐漸升高，并于牽引15 d時(shí)表達(dá)最強(qiáng)，隨后表達(dá)量逐漸下降，在去固定1個(gè)月時(shí)，BMP-2表達(dá)水平接近正常。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源性BMP-2在固定期仍處于高表達(dá)狀態(tài)，并認(rèn)為固定期是加入外源性BMP-2、增進(jìn)SDO進(jìn)程、促進(jìn)恢復(fù)的最佳時(shí)期[17]。劉芳[18]僅在機(jī)械擴(kuò)張力作用的初始階段檢測(cè)到大鼠腭中縫內(nèi)源性BMP-2的增殖表達(dá)。Takenouchi等[19]的實(shí)驗(yàn)亦驗(yàn)證了機(jī)械擴(kuò)張力與BMP-2表達(dá)的非同步性，持續(xù)牽引大鼠腭中縫12 d，第3天出現(xiàn)BMP-2表達(dá)高峰，第7天BMP-2表達(dá)恢復(fù)正常水平，提示持續(xù)牽引對(duì)縫區(qū)成骨細(xì)胞的誘導(dǎo)作用有限，手術(shù)效果的鞏固并不能單純依靠延長(zhǎng)牽引時(shí)間實(shí)現(xiàn)，還需要尋找有效的治療干預(yù)措施。金增強(qiáng)等[14]的研究發(fā)現(xiàn)，BMP-2表達(dá)存在時(shí)空差異性，牽引期犬TSDO以腭橫縫表達(dá)強(qiáng)度最高，翼上頜縫次之；固定期以顴頜縫表達(dá)強(qiáng)度最高，其次是額頜縫，但未進(jìn)行縫區(qū)骨生成與BMP-2表達(dá)水平之間的量化分析，且未對(duì)兩者在同一骨縫的線性關(guān)系進(jìn)行評(píng)價(jià)。臨床實(shí)踐中，TSDO術(shù)后患者以翼上頜縫成骨最多，其次是顴顳縫和顴額縫[20]，受限于檢測(cè)手段，研究人員未能對(duì)患者骨縫處內(nèi)源性BMP-2的表達(dá)情況進(jìn)行分析。顱面部骨縫存在復(fù)雜的三維空間結(jié)構(gòu)，各骨縫對(duì)牽引力的敏感性并不一致，因此，科學(xué)的牽引治療方案以及精準(zhǔn)調(diào)控與個(gè)體化治療尤為重要，特別是涉及多條骨縫擴(kuò)張與改建的TSDO。

內(nèi)源性BMP-2在SDO縫區(qū)新骨的生成中具有重要作用，不同治療階段BMP-2表達(dá)強(qiáng)度、時(shí)長(zhǎng)與縫區(qū)骨生成間的關(guān)系，以及牽引力大小、方向、作用方式對(duì)BMP-2表達(dá)的影響等尚無(wú)明確結(jié)論，仍待進(jìn)一步研究。

2.2促進(jìn)SDO中內(nèi)源性BMP-2表達(dá)的措施 BMP-2在SDO中具有成骨誘導(dǎo)作用，近年來(lái)，促進(jìn)內(nèi)源性BMP-2的表達(dá)成為研究熱點(diǎn)。異槲皮苷[21]、槲皮素[22]、辛伐他汀[23]可通過(guò)不同機(jī)制促進(jìn)大鼠RME腭中縫內(nèi)BMP-2表達(dá)，促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化，加速新骨形成。劉慧君[24]發(fā)現(xiàn)，與螺旋擴(kuò)弓相比，磁力擴(kuò)弓促進(jìn)BMP-2表達(dá)的作用更顯著，且靜磁場(chǎng)對(duì)骨組織的改建有促進(jìn)作用。作為天然骨的主要無(wú)機(jī)成分，羥基磷灰石是一種性能優(yōu)良的骨修復(fù)材料，納米羥基磷灰石可顯著提高擴(kuò)張矢狀縫內(nèi)BMP-2的水平[25]。核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)信號(hào)通路在成骨細(xì)胞的功能調(diào)節(jié)中起重要作用，腹腔內(nèi)注射吡咯烷二硫代氨基甲酸鹽[26]、硝苯地平[27]以及局部注射β聯(lián)蛋白激動(dòng)劑[28]均可抑制NF-κB信號(hào)通路，促進(jìn)大鼠前腭縫擴(kuò)張過(guò)程中BMP-2的表達(dá)，加速該處新骨形成與鈣化沉積?？鄥A通過(guò)調(diào)節(jié)NF-κB信號(hào)通路抑制破骨細(xì)胞生成[29]。體外實(shí)驗(yàn)中，適宜濃度的苦參堿具有促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化的作用，腹腔注射苦參堿也可顯著提高大鼠RME過(guò)程中BMP-2的表達(dá)水平[30]。王堯等[31]通過(guò)分離培養(yǎng)乳鼠矢狀縫來(lái)源的間充質(zhì)干細(xì)胞及BMP-2轉(zhuǎn)染證實(shí)，體外間充質(zhì)干細(xì)胞有成骨潛能，且BMP-2對(duì)骨縫間充質(zhì)干細(xì)胞有成骨誘導(dǎo)作用。張斌斌[32]發(fā)現(xiàn)，BMP-2轉(zhuǎn)染的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞促進(jìn)骨縫牽引區(qū)新骨形成與改建的作用更顯著，通過(guò)基因治療或細(xì)胞注射治療促進(jìn)內(nèi)源性BMP-2表達(dá)可能是未來(lái)的研究方向之一。

多種促進(jìn)骨愈合治療措施的有效性與安全性已在骨科、頜面外科以及中醫(yī)藥等領(lǐng)域得到大規(guī)模的臨床驗(yàn)證，在現(xiàn)有治療措施中尋找一種適于SDO臨床實(shí)踐應(yīng)用的治療手段，對(duì)于促進(jìn)SDO骨縫處內(nèi)源性BMP-2表達(dá)、提高新生骨的質(zhì)與量、縮短SDO治療周期、降低復(fù)發(fā)率、改善患者治療滿意度、減輕患者醫(yī)療負(fù)擔(dān)有重要意義。

3 rhBMP-2與SDO

3.1SDO中rhBMP-2的成骨作用規(guī)律 闡明rhBMP-2在SDO中的成骨作用規(guī)律、完善有效性及安全性評(píng)價(jià)、明確最佳藥物劑量是實(shí)現(xiàn)rhBMP-2臨床應(yīng)用的必要前提。

Lai等[33]發(fā)現(xiàn)，rhBMP-2/可吸收性明膠海綿復(fù)合物的植入可顯著升高矢狀縫擴(kuò)張?zhí)幑氢}素及鈣離子的水平，促進(jìn)擴(kuò)張力作用下大鼠矢狀縫的新骨形成，明顯降低擴(kuò)張后復(fù)發(fā)率。研究表明，內(nèi)源性BMP-2不足以修復(fù)過(guò)大牽引力造成的不可逆性骨縫損傷，而rhBMP-2可最大限度地降低過(guò)大牽引力對(duì)新骨質(zhì)量的不利影響，增加上頜骨的平均前移距離，提升骨密度[9]。

既往研究認(rèn)為，骨縫分離速率直接影響著新骨生成速率，骨縫中結(jié)締組織的拉伸是成骨的重要環(huán)節(jié)[34]，rhBMP-2雖然誘導(dǎo)了局部的快速成骨，但新生骨也會(huì)增加牽引阻力，加之骨縫周?chē)M織、骨縫中結(jié)締組織的阻力作用[35]，牽引骨縫的分離常呈先快后慢的趨勢(shì)，牽引速度明顯降低，牽引距離大大縮短。除導(dǎo)致?tīng)恳俣冉档?、牽引距離縮短外，rhBMP-2還可導(dǎo)致骨縫融合的發(fā)生[36]，這也是目前已知最常見(jiàn)、最嚴(yán)重的不良反應(yīng)，rhBMP-2涂層支架修復(fù)兔齒槽嵴缺損甚至?xí)?dǎo)致鄰近部位發(fā)育期骨縫的融合[37]。骨縫融合可直接影響牽張骨縫的分離速率，而骨縫分離速率的急劇下降使骨生成量降低，甚至骨生成量低于單純牽引治療。在骨縫融合未發(fā)生時(shí)，更高濃度的rhBMP-2仍可誘導(dǎo)更多的新生骨產(chǎn)生[38]，而一旦發(fā)生骨縫融合，不僅導(dǎo)致發(fā)育期患者的顱骨發(fā)育畸形，還會(huì)影響其神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育，造成不可挽回的嚴(yán)重后果。在骨縫融合未發(fā)生時(shí)，低濃度rhBMP-2與較大牽引力聯(lián)合應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)與單純牽引治療相似的骨縫分離量，且可產(chǎn)生更多的骨組織，以填充分離的骨縫[39]，該研究首次證實(shí)，合適牽引力與適當(dāng)濃度rhBMP-2的聯(lián)合應(yīng)用有益于SDO治療，這為進(jìn)一步探索rhBMP-2臨床應(yīng)用的可行性提供了初步的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

當(dāng)前SDO中rhBMP-2的相關(guān)研究仍處于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，根據(jù)現(xiàn)有研究證據(jù)，如何避免骨縫融合是實(shí)現(xiàn)其臨床應(yīng)用的最大難點(diǎn)，且必須很好地控制rhBMP-2在SDO中的作用，使骨縫分離與新骨形成達(dá)到最佳平衡。需要注意的是，除骨縫融合外，rhBMP-2臨床應(yīng)用中發(fā)生的其他不良事件也應(yīng)引起重視，如傷口腫脹、呼吸困難、異位成骨、骨溶解、致癌性等[40]，目前rhBMP-2在SDO中的安全性評(píng)價(jià)仍有待深入探討。

3.2rhBMP-2聯(lián)合治療與SDO 骨保護(hù)素是腫瘤壞死因子受體超家族的一種糖蛋白，主要由成骨細(xì)胞表達(dá)，通過(guò)核因子受體激活劑配體/核因子受體激活劑通路調(diào)控破骨細(xì)胞的活性，骨保護(hù)素(核因子受體激活劑配體的誘餌受體)是骨代謝的關(guān)鍵因子之一，可與核因子受體激活劑配體結(jié)合，防止骨吸收，起到骨保護(hù)作用[41]。研究顯示，rhBMP-2和骨保護(hù)素的聯(lián)合應(yīng)用有助于促進(jìn)骨質(zhì)疏松患者關(guān)節(jié)置換術(shù)后的骨整合[42]。SDO中rhBMP-2和骨保護(hù)素的聯(lián)合應(yīng)用可協(xié)同促進(jìn)成骨細(xì)胞集聚，誘導(dǎo)新骨生成，促進(jìn)新骨改建[43]。富血小板血漿(platelet-rich plasma，PRP)含有多種促進(jìn)組織修復(fù)的細(xì)胞因子，可用于治療骨折、骨關(guān)節(jié)炎、肌腱損傷等[44]。體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PRP可通過(guò)促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖及提高分化活性，加快骨縫閉合速度[45]。Xu等[46]發(fā)現(xiàn)，在兔矢狀縫牽引過(guò)程中應(yīng)用PRP凝膠，不僅可以促進(jìn)縫區(qū)新骨的形成，還有助于修復(fù)牽引過(guò)程中受損的骨縫微結(jié)構(gòu)，而PRP與rhBMP-2的聯(lián)合應(yīng)用可導(dǎo)致骨縫融合的發(fā)生。

當(dāng)前關(guān)于SDO中rhBMP-2聯(lián)合其他治療措施的相關(guān)報(bào)道較少，且多著眼于誘導(dǎo)成骨的疊加效應(yīng)，尚未關(guān)注如何平衡其強(qiáng)大的誘導(dǎo)成骨效應(yīng)，避免骨縫融合等不良反應(yīng)的發(fā)生。

3.3rhBMP-2載體與SDO rhBMP-2作為蛋白質(zhì)類(lèi)生長(zhǎng)因子，具有擴(kuò)散吸收快、易被蛋白酶分解的特點(diǎn)，異位注射的半衰期僅為0.3 d[47]。因此，構(gòu)建合適的載體也是實(shí)現(xiàn)rhBMP-2臨床應(yīng)用的必要前提。rhBMP-2載體可分為四大類(lèi)，包括天然聚合物(如透明質(zhì)酸、殼聚糖)、無(wú)機(jī)材料(如羥基磷灰石、生物活性玻璃、陶瓷)、可降解生物合成材料(如聚乳酸、聚乙交酯)和復(fù)合材料(如羥基磷灰石、三磷酸鈣和膠原組成的復(fù)合材料)[48]。

可吸收性明膠海綿是目前應(yīng)用最廣泛的rhBMP-2載體材料，既往的SDO動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究多將其作為載體，雖然其具有良好的生物相容性，但在體內(nèi)降解迅速，由此帶來(lái)的rhBMP-2的爆發(fā)性釋放不僅導(dǎo)致治療部位rhBMP-2的有效濃度難以維持，還增加了治療劑量[49]。提高載體與rhBMP-2的結(jié)合能力是避免rhBMP-2爆發(fā)性釋放的有效手段之一，Wang等[50]實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)聚乙烯亞胺處理的硅藻土(改性硅藻土)表面電荷變?yōu)檎姾?，有利于吸附表面為?fù)電荷的rhBMP-2，與傳統(tǒng)rhBMP-2/殼聚糖載體相比，rhBMP-2/改性硅藻土/殼聚糖復(fù)合載體的載藥率更高，藥物緩釋能力更好，更有利于成骨細(xì)胞的增殖。Xia等[51]體外釋放實(shí)驗(yàn)表明，與殼聚糖相比，硫酸葡聚糖與rhBMP-2的結(jié)合力更強(qiáng)，且硫酸葡聚糖/殼聚糖/rhBMP-2復(fù)合載體可有效避免rhBMP-2的爆發(fā)性釋放，當(dāng)硫酸葡聚糖、殼聚糖、rhBMP-2的質(zhì)量比為10∶6∶1.2時(shí)，該復(fù)合載體的穩(wěn)定性最佳。羥基磷灰石rhBMP-2涂層支架的釋放動(dòng)力學(xué)研究顯示，與初始高劑量、隨后低劑量模式相比，緩釋支架持續(xù)釋放中等劑量rhBMP-2在促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞增殖分化和骨組織形成方面更高效[52]。Stuckensen等[53]的rhBMP-2負(fù)載釋放實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與孔隙結(jié)構(gòu)隨機(jī)排列的各向同性支架相比，孔隙結(jié)構(gòu)均勻排列的各向異性支架的成骨效果更優(yōu)，并可優(yōu)化低劑量rhBMP-2的遞送。近年來(lái)，磁性控釋生物支架成為新的研究熱點(diǎn)，一種由Ⅰ型膠原樣肽基質(zhì)、二價(jià)鐵離子/三價(jià)鐵離子、羥基磷灰石制成的復(fù)合磁性微球能夠長(zhǎng)時(shí)間低劑量釋放rhBMP-2，并可通過(guò)脈沖電磁場(chǎng)調(diào)節(jié)其藥物釋放速率，該磁性控釋生物支架有望成為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的新方法，并為實(shí)現(xiàn)個(gè)體化治療提供新思路[54]。

綜上所述，載體不僅可延緩rhBMP-2的局部降解，還可在保證良好誘導(dǎo)成骨能力的前提下降低rhBMP-2的治療劑量，避免骨縫融合等不良反應(yīng)的發(fā)生，提升rhBMP-2在SDO中應(yīng)用的安全性和有效性。

4 小 結(jié)

目前，rhBMP-2是美國(guó)食品藥品管理局批準(zhǔn)的唯一可用作骨移植替代物的成骨因子[10]，其在牽引成骨領(lǐng)域的初步臨床應(yīng)用中取得了令人滿意的治療效果，在治療垂直骨缺損方面，單獨(dú)應(yīng)用rhBMP-2即可獲得與牙槽骨牽引成骨相同的骨增量，并可降低植骨率[55]。rhBMP-2應(yīng)用于即刻牽引成骨可促進(jìn)截骨部位成骨，提高手術(shù)成功率[56]。目前，BMP-2在SDO中的研究尚處于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，其對(duì)SDO縫區(qū)的新骨形成有決定性作用，應(yīng)用rhBMP-2有助于縮短SDO治療時(shí)間、降低復(fù)發(fā)率。闡明內(nèi)源性BMP-2的表達(dá)規(guī)律、避免骨縫融合的發(fā)生、構(gòu)建合適的藥物載體、設(shè)計(jì)科學(xué)可行的臨床試驗(yàn)是BMP-2相關(guān)治療措施用于SDO臨床實(shí)踐的關(guān)鍵，而尋找能夠促進(jìn)SDO中內(nèi)源性BMP-2表達(dá)的安全有效的治療手段是實(shí)現(xiàn)其臨床轉(zhuǎn)化的重要研究方向。