鄧海俠，宋濤

(中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)學院整形外科醫(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，近年來逐漸應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)，生長期骨縫受外力牽張，骨縫內(nèi)骨質(zhì)增加，從而實現(xiàn)骨骼的生長發(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具有獨特的優(yōu)勢，如不需要截骨、操作簡單、手術(shù)風險低，但臨床治療周期長、復發(fā)風險較高。研究顯示，經(jīng)過1個月牽引期以及1～3個月固定期治療的上頜后縮患者仍可能發(fā)生上頜骨的回縮復發(fā)[5]，而外科輔助快速上頜擴張的復發(fā)率甚至可達49.5%[6]，其主要原因為牽張骨縫的分離速度常大于骨縫內(nèi)新骨的生成速度，導致牽引后的擴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具有強大的誘導成骨能力，大量研究證實，牽引力作用于實驗動物骨縫可促進內(nèi)源性BMP-2表達，幫助縫區(qū)新骨形成與改建，重組人BMP-2(recombinant human BMP-2，rhBMP-2)的局部應用有助于降低SDO動物模型的術(shù)后復發(fā)率[7-9]?，F(xiàn)就BMP-2在SDO中的研究進展予以綜述，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是第一個確定具有誘導成骨作用的BMP，被認為是最強的成骨因子之一[10]，也是目前SDO動物實驗中最常用的一種。2002年rhBMP-2獲批在臨床使用，已在骨科[11]、口腔頜面外科[12]相繼應用。作為一種在人和其他多種動物中廣泛分布的酸性多肽，BMP-2能誘導未分化的間充質(zhì)干細胞不可逆地分化為成軟骨細胞和成骨細胞，促進新骨形成[13]。骨縫中處于正常發(fā)育期的成骨細胞可產(chǎn)生少量BMP-2，與骨縫內(nèi)未分化的間充質(zhì)干細胞表面的BMP-2受體結(jié)合，刺激間充質(zhì)干細胞分化為軟骨與成骨細胞，這些軟骨與成骨細胞分泌的BMP-2可刺激間充質(zhì)干細胞分化，大量BMP-2在發(fā)育期骨縫中生成，促進新骨形成與改建[14]。牽引力作用于牽張區(qū)，可上調(diào)成骨細胞BMP-2基因表達，進而大量BMP-2基因表達產(chǎn)物通過旁分泌、自分泌的方式誘導牽張區(qū)新骨形成[15]，同時牽引力還可促進間充質(zhì)干細胞增殖，為BMP-2的誘導作用提供充足的靶細胞來源[16]。

2 內(nèi)源性BMP-2與SDO

2.1SDO中內(nèi)源性BMP-2的表達規(guī)律 闡明內(nèi)源性BMP-2在SDO中的表達規(guī)律、揭示不同治療階段BMP-2的表達狀況、探究機械張力與BMP-2表達的相關(guān)性、全面了解調(diào)控BMP-2生成的信號通路，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的水平可隨牽引時間的延長而升高，且其可誘導間充質(zhì)干細胞向成骨細胞轉(zhuǎn)化，促進骨縫內(nèi)新骨形成[7-8]。金增強等[14]發(fā)現(xiàn)，隨著機械應力牽引的進行，BMP-2在各骨縫的表達量逐漸升高，并于牽引15 d時表達最強，隨后表達量逐漸下降，在去固定1個月時，BMP-2表達水平接近正常。另一項研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源性BMP-2在固定期仍處于高表達狀態(tài)，并認為固定期是加入外源性BMP-2、增進SDO進程、促進恢復的最佳時期[17]。劉芳[18]僅在機械擴張力作用的初始階段檢測到大鼠腭中縫內(nèi)源性BMP-2的增殖表達。Takenouchi等[19]的實驗亦驗證了機械擴張力與BMP-2表達的非同步性，持續(xù)牽引大鼠腭中縫12 d，第3天出現(xiàn)BMP-2表達高峰，第7天BMP-2表達恢復正常水平，提示持續(xù)牽引對縫區(qū)成骨細胞的誘導作用有限，手術(shù)效果的鞏固并不能單純依靠延長牽引時間實現(xiàn)，還需要尋找有效的治療干預措施。金增強等[14]的研究發(fā)現(xiàn)，BMP-2表達存在時空差異性，牽引期犬TSDO以腭橫縫表達強度最高，翼上頜縫次之；固定期以顴頜縫表達強度最高，其次是額頜縫，但未進行縫區(qū)骨生成與BMP-2表達水平之間的量化分析，且未對兩者在同一骨縫的線性關(guān)系進行評價。臨床實踐中，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]，受限于檢測手段，研究人員未能對患者骨縫處內(nèi)源性BMP-2的表達情況進行分析。顱面部骨縫存在復雜的三維空間結(jié)構(gòu)，各骨縫對牽引力的敏感性并不一致，因此，科學的牽引治療方案以及精準調(diào)控與個體化治療尤為重要，特別是涉及多條骨縫擴張與改建的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表達強度、時長與縫區(qū)骨生成間的關(guān)系，以及牽引力大小、方向、作用方式對BMP-2表達的影響等尚無明確結(jié)論，仍待進一步研究。

2.2促進SDO中內(nèi)源性BMP-2表達的措施 BMP-2在SDO中具有成骨誘導作用，近年來，促進內(nèi)源性BMP-2的表達成為研究熱點。異槲皮苷[21]、槲皮素[22]、辛伐他汀[23]可通過不同機制促進大鼠RME腭中縫內(nèi)BMP-2表達，促進間充質(zhì)干細胞的成骨分化，加速新骨形成。劉慧君[24]發(fā)現(xiàn)，與螺旋擴弓相比，磁力擴弓促進BMP-2表達的作用更顯著，且靜磁場對骨組織的改建有促進作用。作為天然骨的主要無機成分，羥基磷灰石是一種性能優(yōu)良的骨修復材料，納米羥基磷灰石可顯著提高擴張矢狀縫內(nèi)BMP-2的水平[25]。核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)信號通路在成骨細胞的功能調(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)蛋白激動劑[28]均可抑制NF-κB信號通路，促進大鼠前腭縫擴張過程中BMP-2的表達，加速該處新骨形成與鈣化沉積?？鄥A通過調(diào)節(jié)NF-κB信號通路抑制破骨細胞生成[29]。體外實驗中，適宜濃度的苦參堿具有促進骨髓間充質(zhì)干細胞成骨分化的作用，腹腔注射苦參堿也可顯著提高大鼠RME過程中BMP-2的表達水平[30]。王堯等[31]通過分離培養(yǎng)乳鼠矢狀縫來源的間充質(zhì)干細胞及BMP-2轉(zhuǎn)染證實，體外間充質(zhì)干細胞有成骨潛能，且BMP-2對骨縫間充質(zhì)干細胞有成骨誘導作用。張斌斌[32]發(fā)現(xiàn)，BMP-2轉(zhuǎn)染的骨髓間充質(zhì)干細胞促進骨縫牽引區(qū)新骨形成與改建的作用更顯著，通過基因治療或細胞注射治療促進內(nèi)源性BMP-2表達可能是未來的研究方向之一。

多種促進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)模的臨床驗證，在現(xiàn)有治療措施中尋找一種適于SDO臨床實踐應用的治療手段，對于促進SDO骨縫處內(nèi)源性BMP-2表達、提高新生骨的質(zhì)與量、縮短SDO治療周期、降低復發(fā)率、改善患者治療滿意度、減輕患者醫(yī)療負擔有重要意義。

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價、明確最佳藥物劑量是實現(xiàn)rhBMP-2臨床應用的必要前提。

Lai等[33]發(fā)現(xiàn)，rhBMP-2/可吸收性明膠海綿復合物的植入可顯著升高矢狀縫擴張?zhí)幑氢}素及鈣離子的水平，促進擴張力作用下大鼠矢狀縫的新骨形成，明顯降低擴張后復發(fā)率。研究表明，內(nèi)源性BMP-2不足以修復過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大牽引力對新骨質(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雖然誘導了局部的快速成骨，但新生骨也會增加牽引阻力，加之骨縫周圍組織、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，牽引速度明顯降低，牽引距離大大縮短。除導致牽引速度降低、牽引距離縮短外，rhBMP-2還可導致骨縫融合的發(fā)生[36]，這也是目前已知最常見、最嚴重的不良反應，rhBMP-2涂層支架修復兔齒槽嵴缺損甚至會導致鄰近部位發(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，更高濃度的rhBMP-2仍可誘導更多的新生骨產(chǎn)生[38]，而一旦發(fā)生骨縫融合，不僅導致發(fā)育期患者的顱骨發(fā)育畸形，還會影響其神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育，造成不可挽回的嚴重后果。在骨縫融合未發(fā)生時，低濃度rhBMP-2與較大牽引力聯(lián)合應用可實現(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，合適牽引力與適當濃度rhBMP-2的聯(lián)合應用有益于SDO治療，這為進一步探索rhBMP-2臨床應用的可行性提供了初步的實驗證據(jù)。

當前SDO中rhBMP-2的相關(guān)研究仍處于動物實驗階段，根據(jù)現(xiàn)有研究證據(jù)，如何避免骨縫融合是實現(xiàn)其臨床應用的最大難點，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到最佳平衡。需要注意的是，除骨縫融合外，rhBMP-2臨床應用中發(fā)生的其他不良事件也應引起重視，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中的安全性評價仍有待深入探討。

3.2rhBMP-2聯(lián)合治療與SDO 骨保護素是腫瘤壞死因子受體超家族的一種糖蛋白，主要由成骨細胞表達，通過核因子受體激活劑配體/核因子受體激活劑通路調(diào)控破骨細胞的活性，骨保護素(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，起到骨保護作用[41]。研究顯示，rhBMP-2和骨保護素的聯(lián)合應用有助于促進骨質(zhì)疏松患者關(guān)節(jié)置換術(shù)后的骨整合[42]。SDO中rhBMP-2和骨保護素的聯(lián)合應用可協(xié)同促進成骨細胞集聚，誘導新骨生成，促進新骨改建[43]。富血小板血漿(platelet-rich plasma，PRP)含有多種促進組織修復的細胞因子，可用于治療骨折、骨關(guān)節(jié)炎、肌腱損傷等[44]。體外實驗發(fā)現(xiàn)，PRP可通過促進間充質(zhì)干細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)，在兔矢狀縫牽引過程中應用PRP凝膠，不僅可以促進縫區(qū)新骨的形成，還有助于修復牽引過程中受損的骨縫微結(jié)構(gòu)，而PRP與rhBMP-2的聯(lián)合應用可導致骨縫融合的發(fā)生。

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

3.3rhBMP-2載體與SDO rhBMP-2作為蛋白質(zhì)類生長因子，具有擴散吸收快、易被蛋白酶分解的特點，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現(xiàn)rhBMP-2臨床應用的必要前提。rhBMP-2載體可分為四大類，包括天然聚合物(如透明質(zhì)酸、殼聚糖)、無機材料(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)和復合材料(如羥基磷灰石、三磷酸鈣和膠原組成的復合材料)[48]。

可吸收性明膠海綿是目前應用最廣泛的rhBMP-2載體材料，既往的SDO動物實驗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，由此帶來的rhBMP-2的爆發(fā)性釋放不僅導致治療部位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]實驗表明，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姾桑欣谖奖砻鏋樨撾姾傻膔hBMP-2，與傳統(tǒng)rhBMP-2/殼聚糖載體相比，rhBMP-2/改性硅藻土/殼聚糖復合載體的載藥率更高，藥物緩釋能力更好，更有利于成骨細胞的增殖。Xia等[51]體外釋放實驗表明，與殼聚糖相比，硫酸葡聚糖與rhBMP-2的結(jié)合力更強，且硫酸葡聚糖/殼聚糖/rhBMP-2復合載體可有效避免rhBMP-2的爆發(fā)性釋放，當硫酸葡聚糖、殼聚糖、rhBMP-2的質(zhì)量比為10∶6∶1.2時，該復合載體的穩(wěn)定性最佳。羥基磷灰石rhBMP-2涂層支架的釋放動力學研究顯示，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在促進間充質(zhì)干細胞增殖分化和骨組織形成方面更高效[52]。Stuckensen等[53]的rhBMP-2負載釋放實驗發(fā)現(xiàn)，與孔隙結(jié)構(gòu)隨機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，磁性控釋生物支架成為新的研究熱點，一種由Ⅰ型膠原樣肽基質(zhì)、二價鐵離子/三價鐵離子、羥基磷灰石制成的復合磁性微球能夠長時間低劑量釋放rhBMP-2，并可通過脈沖電磁場調(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醫(yī)學的新方法，并為實現(xiàn)個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的發(fā)生，提升rhBMP-2在SDO中應用的安全性和有效性。

4 小 結(jié)

目前，rhBMP-2是美國食品藥品管理局批準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，單獨應用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應用于即刻牽引成骨可促進截骨部位成骨，提高手術(shù)成功率[56]。目前，BMP-2在SDO中的研究尚處于動物實驗階段，其對SDO縫區(qū)的新骨形成有決定性作用，應用rhBMP-2有助于縮短SDO治療時間、降低復發(fā)率。闡明內(nèi)源性BMP-2的表達規(guī)律、避免骨縫融合的發(fā)生、構(gòu)建合適的藥物載體、設(shè)計科學可行的臨床試驗是BMP-2相關(guān)治療措施用于SDO臨床實踐的關(guān)鍵，而尋找能夠促進SDO中內(nèi)源性BMP-2表達的安全有效的治療手段是實現(xiàn)其臨床轉(zhuǎn)化的重要研究方向。