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(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子 β(transforming growth factor β,TGF-β)超家族成員，可以在骨缺損修復(fù)、細(xì)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(dǎo)作用。其中BMP-2被認(rèn)為是活性最強(qiáng)的，也是FDA唯一批準(zhǔn)用于臨床的骨誘導(dǎo)生長(zhǎng)因子[2]。自2002年被正式批準(zhǔn)應(yīng)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(zhǎng)等，而在口腔醫(yī)學(xué)中常用于頜骨腫瘤手術(shù)中頜骨切除及囊腫摘除后的頜面部重建，正畸治療中促進(jìn)牙根形成和牙根吸收后的修復(fù)[3-6]。

1.副作用

臨床上應(yīng)用的BMP-2濃度相較于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中更高，許多在以往動(dòng)物實(shí)驗(yàn)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(duì)BMP-2應(yīng)用的安全性提出了警告，臨床上對(duì)BMP-2的應(yīng)用也因此開始呈現(xiàn)減少趨勢(shì)[7]。以往的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行證明不同動(dòng)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(shí)際濃度是 200～400μg/ml，綿羊是 430μg/ml，而靈長(zhǎng)類動(dòng)物則750～1500μg/ml，但是濃度與副作用的關(guān)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(shù)后炎癥及術(shù)后腫脹、術(shù)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(guān)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在本實(shí)驗(yàn)中，將大鼠隨機(jī)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(shí)驗(yàn)中每組大鼠都被注射了75μl的BMP-2溶液。在術(shù)后發(fā)現(xiàn)當(dāng)BMP-2溶液濃度大于150μg/ml時(shí)，在損傷部位有囊腫樣骨形成。這種修復(fù)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(cè)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(huì)隨之增加，而成骨的骨密度也會(huì)隨之降低。這證實(shí)了BMP-2的確存在濃度相關(guān)性副作用，但是對(duì)于臨床應(yīng)用時(shí)濃度與副作用的關(guān)系還有待于更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行論證。

1.2 炎癥及炎癥相關(guān)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(dǎo)骨形成過程分為四個(gè)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(dǎo)骨愈合發(fā)生過程的初期，能夠調(diào)控巨噬細(xì)胞表達(dá)，促進(jìn)損傷部位分泌促炎細(xì)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(dāng)?shù)难装Y刺激對(duì)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(yīng)過重或時(shí)間過長(zhǎng)，則會(huì)影響整個(gè)骨愈合進(jìn)程，對(duì)骨愈合造成不利影響[3,11]。

BMP-2在口腔醫(yī)學(xué)中，常被應(yīng)用于腫瘤和頜骨囊腫切除后大面積頜骨缺損的的修復(fù)，并進(jìn)行頜面部重建，利用BMP-2的成骨功能，能起到促進(jìn)頜面部組織結(jié)構(gòu)重建和功能恢復(fù)的作用，但是如果濃度選擇不當(dāng)，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(huì)嚴(yán)重影響人體的健康和機(jī)體功能。在進(jìn)行頸椎前路手術(shù)時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)治療，若使用BMP-2進(jìn)行輔助治療，咽喉處炎癥和組織腫脹的發(fā)生幾率會(huì)更高。咽喉組織發(fā)生嚴(yán)重炎癥時(shí)，因?yàn)榇颂幱袣夤?、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(huì)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(dǎo)致腦部供血不足，影響神經(jīng)功能，出血時(shí)發(fā)生血腫等嚴(yán)重并發(fā)癥[8,13]。

1.3 感染 2013年，Hoffmann M F等[14]通過對(duì)一個(gè)大型醫(yī)院的1158名患者病歷進(jìn)行了回顧性分析，這些患者在后外側(cè)腰椎融合手術(shù)中應(yīng)用BMP-2進(jìn)行了輔助治療。術(shù)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(zhǎng)和異位骨形成，26名患者發(fā)生了術(shù)后感染，在對(duì)這些患者的感染病灶處聚集的液體進(jìn)行細(xì)菌培養(yǎng)之后，其培養(yǎng)液中檢測(cè)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(guān)，在濃度越高的情況下，并發(fā)癥的發(fā)生率越大，也會(huì)因個(gè)體差異而發(fā)生變化。

Tim N.Hissnauer等[15]對(duì)5名平均年齡為11歲的股骨骨折青少年患者進(jìn)行了長(zhǎng)期隨訪觀察，這5名患者進(jìn)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(jìn)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(shù)后腫脹和嚴(yán)重的金黃色葡萄球菌感染，導(dǎo)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(yīng)用時(shí)，形成異位骨是最常見的副作用之一，當(dāng)有異位骨形成時(shí)，能檢測(cè)到異位骨形成處BMP-2濃度的明顯提高[16]。Boraiah S等[17]對(duì)于脛骨骨折的40位病人進(jìn)行了BMP-2應(yīng)用后的隨訪觀察，發(fā)現(xiàn)17位應(yīng)用BMP-2進(jìn)行輔助治療的患者中異位骨發(fā)生率占總?cè)藬?shù)的59%，多達(dá)10人，其中4人還因?yàn)榘Y狀較為嚴(yán)重需進(jìn)行手術(shù)切除，而對(duì)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(gè)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(duì)于1名在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中應(yīng)用BMP-2與同種異體骨移植進(jìn)行治療時(shí)，在術(shù)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(yīng)用BMP-2進(jìn)行治療，另外48名患者作為對(duì)照組。發(fā)現(xiàn)高濃度的BMP-2雖然可以促進(jìn)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(shù)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(duì)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(fù)雜性與BMPs的生理活性以及局部濃度有關(guān)，它能在異位和正位位點(diǎn)誘導(dǎo)新骨形成。

1.5 腫瘤發(fā)生 近些年來，由于人們對(duì)腫瘤的關(guān)注逐漸增多，BMP-2被發(fā)現(xiàn)具有抑制某些腫瘤生長(zhǎng)的作用，所以近些年來關(guān)于腫瘤抑癌作用的研究逐漸增多[19]。隨著研究的進(jìn)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(huì)有明顯增高，相對(duì)正常人群BMP-2有高水平表達(dá)，所以一些研究認(rèn)為BMP-2可能與腫瘤的發(fā)生有關(guān)[20，21]。提出這個(gè)觀點(diǎn)不僅是因?yàn)槟[瘤微環(huán)境中BMP-2濃度的升高，也因?yàn)橹暗难芯恳呀?jīng)發(fā)現(xiàn)BMP-2可以調(diào)節(jié)癌癥干細(xì)胞的分化，當(dāng)BMP-2高濃度應(yīng)用時(shí)，會(huì)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(jié)腸癌細(xì)胞系、骨細(xì)胞瘤、乳腺癌等類型的腫瘤具有抑制作用，可以誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的凋亡，抑制腫瘤生長(zhǎng)，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(qiáng)某些癌癥的侵襲性，例如當(dāng)利用BMP-2對(duì)含有成纖維細(xì)胞與口腔鱗癌細(xì)胞進(jìn)行共培養(yǎng)時(shí)，可以顯著提高鱗癌細(xì)胞的侵襲性，促進(jìn)鱗癌細(xì)胞的表達(dá)[24]。所以關(guān)于BMP-2在不同類型腫瘤中有不同作用，還需要更多的實(shí)驗(yàn)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(yīng)用，使BMP-2效用最大化，并且減少相關(guān)副作用的發(fā)生，臨床醫(yī)生應(yīng)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(yīng)用BMP-2進(jìn)行疾病治療時(shí)，應(yīng)該根據(jù)不同疾病、不同的位置及個(gè)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(jìn)術(shù)后恢復(fù)，盡量完成治療計(jì)劃的情況下，減少相關(guān)副作用的發(fā)生，并降低手術(shù)成本。

2.1 與其他生長(zhǎng)因子聯(lián)合應(yīng)用 首先可以考慮到的就是與其他生長(zhǎng)因子進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用[25]。例如費(fèi)志強(qiáng)等[26]通過大鼠脊柱融合實(shí)驗(yàn)證明BMP-2結(jié)合態(tài)(BBP)本身單獨(dú)應(yīng)用時(shí)并不具備誘導(dǎo)骨形成的作用，但是在與BMP-2聯(lián)合應(yīng)用的情況下，可以增強(qiáng)BMP-2的成骨功能，能夠使BMP-2在濃度較低時(shí)達(dá)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(dú)應(yīng)用BMP-2的低濃度組。Egashira K[27]的實(shí)驗(yàn)指出，當(dāng)骨髓濃縮物(Bone marrow concentrate，BMC)與 BMP-2 進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用時(shí)，可以通過早期骨誘導(dǎo)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(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)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(guān)BMP-2與其他生長(zhǎng)因子聯(lián)合應(yīng)用時(shí)的濃度選擇，還需要更多的實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)因子聯(lián)合應(yīng)用之外，也可以考慮更換適當(dāng)?shù)妮d體。Hairong Huang等[28]發(fā)現(xiàn)當(dāng)BMP-2與可吸收膠原海綿(Absorbed collagen sponge，ACS)載體聯(lián)合應(yīng)用時(shí)，會(huì)引起急性炎癥，但是進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)這種炎癥與BMP-2的應(yīng)用無關(guān)，是由ACS本身的理化性質(zhì)引起的，并且嚴(yán)重程度與血管密度相關(guān)，在血管密度高的地方炎癥反應(yīng)更嚴(yán)重。海藻酸鹽凝膠可以更好地引導(dǎo)BMP-2的釋放，從而控制BMP-2的局部濃度，引導(dǎo)骨再生，并且限制異位骨的生成。對(duì)于植骨修復(fù)過程中，與磷酸鈣骨水泥(Calcium phosphate cement，CPC)聯(lián)合應(yīng)用，可以形成類似于自身松質(zhì)骨相似的疏松多孔結(jié)構(gòu)，促進(jìn)骨愈合，并防止骨塌陷、斷端移位、術(shù)后感染等并發(fā)癥的發(fā)生[29-31]。另外,當(dāng)BMP-2以肝素綴合聚乳酸納米微球(heparin-conjugated PLGA Nanospheres，HCPN)作為載體時(shí)，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(shí)，與短期釋放組相比，雖然所應(yīng)用的BMP-2總劑量并未發(fā)生變化，但是可以減少同一時(shí)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(zhǎng)因子 另有一些學(xué)者則認(rèn)為BMP-2的副作用難以避免，長(zhǎng)期致力于尋找出BMPs之外的可替代的生長(zhǎng)因子，以提供更有針對(duì)性和控制的骨生長(zhǎng)速率。至今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些作用相似的替代生長(zhǎng)因子，例如James A W等[33]的實(shí)驗(yàn)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(gè)結(jié)果說明Nell-1同樣具有骨誘導(dǎo)作用，并且在本實(shí)驗(yàn)中并未發(fā)現(xiàn)副作用，這可以滿足目前對(duì)骨誘導(dǎo)作用的需要。但是新的生長(zhǎng)因子在臨床的進(jìn)一步推廣仍需更多的研究來確定其作用機(jī)理以及應(yīng)用濃度，并且判斷是否會(huì)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(dǎo)形成作用，但是BMP-2具體濃度和相關(guān)副作用的關(guān)系并未明確，所以醫(yī)生在臨床上選擇BMP-2進(jìn)行治療時(shí)應(yīng)當(dāng)權(quán)衡其功能與副作用的關(guān)系，權(quán)衡利弊。在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)選擇最佳的手術(shù)方式、最適宜的BMP-2濃度以及最恰當(dāng)?shù)妮d體，在將BMP-2療效最大化的同時(shí)，有效減少其副作用的發(fā)生。而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在對(duì)其他生長(zhǎng)因子進(jìn)行充分研究實(shí)踐之后，也可以選擇其他具有相似功能的替代生長(zhǎng)因子作為替代物以促進(jìn)成骨。