BMP在骨科领域中的临床应用研究进展

BMP在骨科领域中的临床应用研究进展

作者：彭吾训龚跃昆李世和王鑫吴仕峰

【关键词】骨科

1965年Urist等［1］发现骨基质中含有能够诱导异位成骨的骨形态发生蛋白以后，研究者们经过大量动物实验和临床应用研究证实，BMP能够诱导间充质细胞不可逆地分化为骨、软骨、韧带、肌腱和神经组织。基于BMP的安全性和高效诱导成骨活性被越来越多的实验所证实，在一些国家BMP已进入大规模的临床实验阶段。在骨科领域中，BMP的临床应用研究进展主要有以下几个方面。

1治疗新鲜骨折

鉴于临床上某些部位和某些严重骨折发生骨不连的比例较大，研究者们试图应用BMP的高效成骨活性，辅助治疗这种类型的新鲜骨折，以降低其骨不连的发生率。关于BMP治疗新鲜胫骨骨折、股骨骨折、尺骨骨折和桡骨骨折的大量动物模型实验研究已经证实，BMP在治疗新鲜长骨骨折方面是安全有效的。近年来，已有学者进行BMP治疗人新鲜长骨骨折的临床研究，1997年，Michael等［2］应用BMP复合Ⅰ型胶原和自体红骨髓治疗132例新鲜骨折，对照组117例以自体髂骨移植。随访2年，试验组与对照组愈合率差异无显着性，但对照组术后感染率高于试验组，其余并发症差异无显着性。

试验组12例术后出现一过性血浆牛胶原抗体，但对伤口愈合和骨修复无明显影响。他们认为:与自体髂骨移植相比，BMP复合Ⅰ型胶原和自体红骨髓治疗新鲜长骨骨折是安全有效的，并且缩短了手术时间和减少了术后感染。美国创伤中心对12例开放性胫骨骨折患者采用rhBMP-2和可吸收胶原通过伤口导入，12例患者中的9例在6个月内骨折修复［3］。最近，TuvekTJ等报道了用rhBMP-2和可吸收胶原结合外固定器或髓内钉治疗12例开放性胫骨骨折患者，术后16周9例患者骨折愈合，3例患者需再次行骨移植术［4］。目前，美国FDA已经批准将开放性胫骨骨折作为评价BMP的临床实验模型。

2治疗骨缺损、骨不连

骨缺损、骨不连是矫形外科棘手的难题之一。应用BMP治疗骨缺损、骨不连的动物实验开展得较早较多，并且大多数实验结果显示，复合BMP的骨移植效果优于骨移植治疗的金标准―自体骨移植，或二者比较差异无显着性。近年来，国内外一些研究者已着手BMP在骨缺损、骨不连患者上的临床研究。Johnson等［5］评估了hBMP复合非胶原蛋白和脱抗原自溶异体骨治疗顽固性骨不连、干骺端部分缺损、骨干片段性缺损的疗效。平均75mghBMP和75gAAA与非胶原蛋白复合，然后移植入33例骨缺损患者。治疗效果3例优、25例良好、2例中等。28例骨愈合而没有进行二次手术。Johnson等［6］还应用BMP扩增，在25例患者中的24例胫骨骨不连和节段性骨缺损获得优良愈合。另外有研究报道，在15例股骨创伤后骨不连并缩短畸形的患者中，运用hBMP和非胶原蛋白复合物异体骨移植，桥接骨断端之间的缺损，并用螺钉接骨板固定，进行一期骨延长。结果9例股骨恢复等长，3例增长在以内。hBMP和非成胶蛋白复合物异体骨移植表现为渐进性重塑和融入受者股骨骨皮质中［7］。1991年，胡蕴玉等［8］用BMP复合异种骨治疗38例骨缺损、骨不连患者，术后免疫学检查无明显异常，伤口无排异反应，全部一期愈合，随访6个月以上者30例，除1例外均获得满意骨愈合。同年，Khouri等报道，纯化BMP-3能够将位于硅管中的带血管肌瓣转化为股骨形状，为治疗骨缺损提供了新思路。1997年，侯希敏等［9］报道用煅烧骨与BMP复合治疗53例创伤性骨缺损、骨不连、骨延迟愈合等患者，42例获随访，以影像学检查和功能恢复为评定指标，结果全部有效。其中14例骨不愈合在术后～4个月愈合。除术后体温稍有升高外，未见异常反应。FriedlaenderG等［10］于1992～1996年应用交锁钉及BMP-7复合Ⅰ型胶原治疗63例胫骨骨不连，采用随机、单盲原则，对照组61例采用自体骨移植，疗效优于对照组。他们还报道了一个多中心应用rhBMP-7治疗骨不连的临床实验结果。结果显示，rhBMP-7与自体骨治疗骨不连一样成功。2002年，JingushiS应用三磷酸钙做rhBMP-2的载体，在肌肉内诱导成骨并维持形状，然后将诱导骨移植到骨缺损处，并维持血供，从而获得大量带血管的自体骨。同年，TsuruM等将rhBMP-2与聚合物凝胶共同放入钛网圆柱中，再放入缺损部位。结果5例骨折完全修复，而对照组无一例完全恢复。虽然应用BMP在骨缺损、骨不连患者上的临床研究颇多，但是，并非所有的临床研究都取得普遍满意的效果，与自体骨移植直接比较时更是如此［5］。为此，目前FDA已批准BMP-7在美国多中心、大规模治疗胫骨骨不连的临床实验，为BMP早日上市提供实验依据。

3脊柱融合

脊柱外科常用到脊柱融合术，为了提高脊柱融合的效果，学者们应用BMPs进行了许多动物实验，并且证实BMPs可促进脊柱融合。鉴于其在动物实验方面的肯定作用，目前已有学者将rhBMP应用于临床研究。2001年，ScottDB等［11］首先报道rhBMP复合胶原、自体骨前路移植进行椎体间融合，11例全部融合，对照组3例中有2例融合。而且与对照组相比，住院时间和手术时间短、失血量少、疗效安全可靠。2002年，KonishiS等报道rhBMP-2复合羟基磷灰石颗粒用于腰椎融合术;同年，KandzioraF等报道rhBMP-2复合聚乙烯D、L丙交脂用于椎体融合，均取得了很好的效果。此外，MedtronicSofamorDanek也正在进行着rhBMP-2在前路或后路椎间融合的临床实验［3］。关于BMPs在脊柱融合方面的临床疗效评估，还需要在未来的大量随机化对比研究中证实和推广。

4修复病理性骨缺损

良性和交界性骨肿瘤的临床治疗多为病灶清除、植骨术。随着BMP复合物修复大段骨缺损的实验研究不断取得成功，使其在病理性骨缺损中的临床应用成为可能。加之BMPs安全性的肯定，没有证据表明BMPs存在增加恶性肿瘤的危险，使得BMPs应用于肿瘤性骨缺损更加现实［3］。1986年Urist首次将50mg人BMP冻干品填充指骨内生软骨瘤残腔，9个月后残腔完全骨性愈合，随访2年局部和全身无不良反应。在国内，胡蕴玉等［8］于1991年首次报道了将含BMP的重组合异种骨植入1例手术切除肿瘤后的残腔，术后2周即有新生骨长入髓腔，8周骨腔基本由新生骨充填。随后她们又在多例肿瘤性骨缺损中应用并取得成功。事实上，只要能够排除致瘤性的危险，BMP在修复病理性骨缺损与普通骨缺损方面的效能应该是相同的。

5治疗股骨头缺血性坏死

股骨头缺血性坏死是骨科临床的难点和热点之一，传统的治疗方法无论是非手术还是手术，大多以关节废用为结局，而不得不行人工关节置换术。然而对中青年患者而言，人工关节的使用年限不能满足患者的要求。由于BMPs治疗骨折和骨缺损的疗效已被公认，因此研究者们推测，BMPs对股骨头坏死清除死骨后形成的缺损应该是有效的。1998年，Mont［6］指出细胞因子是治疗股骨头坏死最有效的生物制剂。在髓芯减压的孔道中应用骨移植和BMP扩增是临床治疗股骨头坏死的一个潜在方法。基于上述观点，国内外学者开始了这方面的动物实验和临床试验。Sully等［12］通过软组织剥离和冷冻制作狗股骨头坏死模型，采用rhBMP-2和带血管的纤维移植物进行治疗。治疗组与对照组间未发现放射学差异。但组织学检查发现，8周和12周时，治疗组的新生骨量比对照组多%和%，他们认为是rhBMP-2加快了纤维移植物的新生血管形成。Fergu-son和Mutschler［13］通过前脱位和股骨颈前方软组织剥离制作羊股骨头坏死模型，经实验证明，小剂量的BMP对骨愈合没有太大作用。Mont等［14］对狗缺损模型进行自体骨移植、自体骨复合BMP-7移植治疗。4个月后，通过放射线和生物力学检测，自体骨移植组和自体骨复合BMP-7移植组表现为中等到优良的愈合效果，未做治疗的缺损组则未愈合。目前欧洲正在进行的临床研究是使用BMP-2来加强髓芯减压的效果。通过对40例患者的初步研究分析显示，16周后MRI上BMP-2治疗组坏死骨体积缩小，而仅仅行髓芯减压组的坏死骨体积增加［6］。Valentin-OpranA等报道，为了评价rhBMP-2在治疗早期股骨头坏死治疗中的安全性、有效性和可行性，他们进行了临床患者的随机分组研究。24例患者髓芯减压后移植rhBMP-2和自体血凝块，对照组19例仅仅行髓芯减压，对照组的病情加重和关节置换率分别为58%和47%，而实验组分别为46%和25%。但他们没有进行单纯髓芯减压与髓芯减压加rhBMP-2移植的对比研究。随后，他们还开始了早期股骨头坏死治疗中rhBMP-2复合可吸收胶原海绵的剂量依赖性研究。在国内，应用BMP治疗股骨头坏死的动物实验研究也已经开始。徐晓良等［15］应用BMP/胶原/珊瑚复合物治疗股骨头缺损动物模型，并证实该复合人工骨为一种理想的修复移植材料。虽然BMP在治疗股骨头坏死方面的有效性和安全性还需进一步研究，但它作为一种发现最早、研究最多、成骨能力也最强的细胞因子，在治疗股骨头坏死方面仍然显示出了光明的前景［6］。

6修复软骨缺损

软骨缺损是许多关节疾病终末期的共同表现。BMP不仅可以成骨，在某些环境下还可以成软骨。目前，BMP的成软骨研究只在体外细胞培养和动物实验上开展。一般情况下，体外培养的软骨细胞往往丧失再生能力，BMP-2可以增加关节软骨细胞在体外培养时的再生能力。SellersR等用Ⅰ型胶原海绵与rhBMP-2修复兔股骨滑车槽处全层软骨缺损，并与单纯胶原海绵和空白组进行比较，结果发现实验组有迅速的软骨下骨形成和软骨面改善。免疫组化显示，实验组的修复软骨内Ⅱ型胶原广泛形成。Louwerse等用BMP-7修复羊膝关节软骨缺损，术后4个月全部软骨充填，而对照组仅有1只有修复迹象。在兔实验中，用BMP-7复合Ⅰ型胶原修复半月板缺损与单独用Ⅰ型胶原做对照，12周后实验组有连续软骨修复而对照组为不连续组织。虽然这些关于软骨修复的实验只是早期研究，还需进一步深入，但这些发现对于伴随着关节软骨损伤的骨坏死具有重要意义［16］。

7BMP与基因治疗

由于BMP在体内的生物半衰期较短，这就促使许多研究者将目光投向了BMP的基因治疗研究。Wozney［17］于1988年首次报道了BMP-1、BMP-2A、BMP-2B和BMP-3的cDNA的克隆及表达，以后相继有16种不同的BMPcD-NA得到克隆。目前国内也已克隆了多种BMP亚型的cD-NA，在BMP家族中，具有较强活性者为BMP-2、BMP-4和BMP-7。最近，应用基因治疗来促进骨再生取得了令人振奋的进展。BMP的基因治疗同样能够诱导骨、软骨、韧带和肌腱形成。基因治疗方法包括基因转移和基因转染。基因转移是将带有目的基因的载体直接注入体内，基因转染是体外细胞培养，转染BMP目的基因后再注入体内。基因转移和基因转染技术的发展，将为骨骼疾病的治疗提供一个崭新的治疗途径［4］。目前，由于技术原因，一般多采用基因转染法进行。骨科领域的基因治疗中，可作为体外基因转染种子细胞的有骨髓基质干细胞、成纤维细胞、肌细胞和骨膜成骨细胞。成纤维细胞和肌细胞本身无成骨能力，不如骨膜细胞好，且骨膜细胞位于骨膜生发层，来源广、易取材、培养扩增简单、分化能力强。朱胜修等［18］利用脂质体转染BMP-2基因后转入骨膜细胞，做了BMP-2基因转录水平的分析并证实，经传代培养后，骨膜细胞有较高水平的BMP-2mRNA表达，他们的研究为基因治疗提供了一个理想的受体细胞。Breibart用整合有BMP-7基因的逆转录病毒载体体外转染家兔骨膜细胞治疗家兔颅骨缺损，结果发现蛋白表达，骨缺损修复，而对照组未愈合。Lieberman等［19］将整合有BMP-2基因的腺病毒载体体外转染大鼠骨髓基质细胞后混合脱钙骨基质植入兔标准大小股骨骨缺损间隙内，术后2个月做放射学、组织学及组织形态计量学检查。结果显示，基因转染组的骨缺损被粗骨小梁填充，而BMP治疗组新生骨薄且少。组织形态计量学检查显示，基因转染组的新生骨总面积，明显多于BMP治疗组和普通骨髓细胞治疗组。Baltzer等做了相同的实验，也得到同样的结果。而Riew也用同样的方法，观察到兔横突间的骨融合。Bo-den将BMP-1基因转入同种骨髓基质干细胞后植入体内，同样可在鼠椎旁区诱导骨形成［4］。在国内，栗向东、胡蕴玉等［20］将转染有hBMP-2基因的成纤维细胞植入裸鼠肌袋内诱导成骨。体外基因治疗是先在体外用携带目的基因的载体转染种子细胞，然后再将种子细胞植入体内，可为治疗区提供相对缺乏的骨前体细胞，因为体内是否到处都有多能干细胞目前并不清楚，而且，随着年龄增长，干细胞的数量会逐渐减少。除了体外基因转染外，体内基因转移实验也在开展。有报道应用重组有BMP-2或BMP-9基因的腺病毒载体可在免疫缺陷的大鼠内诱导成骨，也可诱导椎旁区的骨组织形成;注射重组有BMP-13基因的腺病毒载体也可诱导异位成骨。Baltzer等［21］将整合有BMP-2基因的腺病毒载体植入兔股骨骨缺损间隙内，5周即发现骨断端之间有骨性连接，而对照组动物骨缺损始终未愈合。金丹、裴国献等［22］将含有hBMP-7基因的逆转录病毒液与左旋聚丙交脂生物材料复合，直接体内转移，修复兔桡骨缺损，效果良好。Fang等［23］将Ⅰ型胶原与整合有BMP-4基因的质粒DNA植入大鼠骨缺损间隙内，局部成纤维细胞摄取目的基因，4周后BMP-4有功能性表达，同时有新骨形成。另外，他们又将分别携带有甲状旁腺素氨基酸片段基因和BMP-4基因的质粒混合后植入大鼠股骨缺损模型内，结果骨缺损愈合明显加快，说明BMP-4与甲状旁腺素之间有促进对方合成的作用，联合转染多种生长因子的基因比单一转入一种基因的效果更加显着。这些研究都表明基因治疗同样具有成骨能力，而且具有直接应用BMP不具备的一些特点，因而具有较好的应用前景，有望成为一种新的治疗手段。但是，由于未做长期的实验观察，对于其后期的组织衍变过程尚缺乏实验资料。同时，对于基因治疗中存在的不可控性和基因突变等问题都需要长时间的观察。所以，要将BMP基因用于临床骨组织修复还需要更深入的研究。

8其他

还有报道BMP-2可以加强骨与肌腱之间的愈合，以及诱导形成肌腱和韧带样组织。RoderSA等［24］用含有rhBMP-2的胶原海绵移植于肌腱与骨骼的附着处，发现rhBMP-2可以促进肌腱与骨之间的愈合。他们还在胫骨移植肌腱孔中植入BMP-2/胶原，实验证明植入BMP-2组的肌腱抗拉强度显着高于对照组。CookSD等［25］将BMP-7与载体复合包裹于金属移植物表面植入动物体内，结果显示移植物与骨之间有大量新骨形成，促进了移植物与金属之间的整合。这为BMP应用于促进人工假体在体内的长期稳定性的研究奠定了基础。Ignacio等［26］还发现BMP-9能够促进胆碱能神经元分化，修复神经损伤。虽然BMP的动物实验及临床试验都取得了显着成效，但仍存在许多问题需要解决，例如:临床应用效果不如动物实验;缺乏理想载体;BMP诱导成骨的同时也刺激破骨细胞增生，而且破骨细胞增生早于成骨细胞;不同来源的BMP活性不一，同一来源的BMP在不同动物间使用活性差异也较大。此外，诱导成骨量与植入量呈正相关，但缺乏诱导活性统一的定量方法。虽然有许多问题影响BMP在临床的广泛应用，但随着分子生物学的不断发展及临床的不断探索，BMP在矫形外科的应用仍具有广阔前景。

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