BMP在骨科領域中的臨床應用研究進展

作者：彭吾訓龔躍昆李世和王鑫吳仕峰

【關鍵詞】骨科

1965年Urist等［1］發現骨基質中含有能夠誘導異位成骨的骨形態發生蛋白以后，研究者們經過大量動物實驗和臨床應用研究證實，BMP能夠誘導間充質細胞不可逆地分化為骨、軟骨、韌帶、肌腱和神經組織。基于BMP的安全性和高效誘導成骨活性被越來越多的實驗所證實，在一些國家BMP已進入大規模的臨床實驗階段。在骨科領域中，BMP的臨床應用研究進展主要有以下幾個方面。

1治療新鮮骨折

鑒于臨床上某些部位和某些嚴重骨折發生骨不連的比例較大，研究者們試圖應用BMP的高效成骨活性，輔助治療這種類型的新鮮骨折，以降低其骨不連的發生率。關于BMP治療新鮮脛骨骨折、股骨骨折、尺骨骨折和橈骨骨折的大量動物模型實驗研究已經證實，BMP在治療新鮮長骨骨折方面是安全有效的。近年來，已有學者進行BMP治療人新鮮長骨骨折的臨床研究，1997年，Michael等［2］應用BMP復合Ⅰ型膠原和自體紅骨髓治療132例新鮮骨折，對照組117例以自體髂骨移植。隨訪2年，試驗組與對照組愈合率差異無顯著性，但對照組術后感染率高于試驗組，其余并發癥差異無顯著性。

試驗組12例術后出現一過性血漿牛膠原抗體，但對傷口愈合和骨修復無明顯影響。他們認為:與自體髂骨移植相比，BMP復合Ⅰ型膠原和自體紅骨髓治療新鮮長骨骨折是安全有效的，并且縮短了手術時間和減少了術后感染。美國創傷中心對12例開放性脛骨骨折患者采用rhBMP-2和可吸收膠原通過傷口導入，12例患者中的9例在6個月內骨折修復［3］。最近，TuvekTJ等報道了用rhBMP-2和可吸收膠原結合外固定器或髓內釘治療12例開放性脛骨骨折患者，術后16周9例患者骨折愈合，3例患者需再次行骨移植術［4］。目前，美國FDA已經批準將開放性脛骨骨折作為評價BMP的臨床實驗模型。

2治療骨缺損、骨不連

骨缺損、骨不連是矯形外科棘手的難題之一。應用BMP治療骨缺損、骨不連的動物實驗開展得較早較多，并且大多數實驗結果顯示，復合BMP的骨移植效果優于骨移植治療的金標準―自體骨移植，或二者比較差異無顯著性。近年來，國內外一些研究者已著手BMP在骨缺損、骨不連患者上的臨床研究。Johnson等［5］評估了hBMP復合非膠原蛋白和脫抗原自溶異體骨治療頑固性骨不連、干骺端部分缺損、骨干片段性缺損的療效。平均75mghBMP和75gAAA與非膠原蛋白復合，然后移植入33例骨缺損患者。治療效果3例優、25例良好、2例中等。28例骨愈合而沒有進行二次手術。Johnson等［6］還應用BMP擴增，在25例患者中的24例脛骨骨不連和節段性骨缺損獲得優良愈合。另外有研究報道，在15例股骨創傷后骨不連并縮短畸形的患者中，運用hBMP和非膠原蛋白復合物異體骨移植，橋接骨斷端之間的缺損，并用螺釘接骨板固定，進行一期骨延長。結果9例股骨恢復等長，3例增長在以內。hBMP和非成膠蛋白復合物異體骨移植表現為漸進性重塑和融入受者股骨骨皮質中［7］。1991年，胡蘊玉等［8］用BMP復合異種骨治療38例骨缺損、骨不連患者，術后免疫學檢查無明顯異常，傷口無排異反應，全部一期愈合，隨訪6個月以上者30例，除1例外均獲得滿意骨愈合。同年，Khouri等報道，純化BMP-3能夠將位于硅管中的帶血管肌瓣轉化為股骨形狀，為治療骨缺損提供了新思路。1997年，侯希敏等［9］報道用煅燒骨與BMP復合治療53例創傷性骨缺損、骨不連、骨延遲愈合等患者，42例獲隨訪，以影像學檢查和功能恢復為評定指標，結果全部有效。其中14例骨不愈合在術后～4個月愈合。除術后體溫稍有升高外，未見異常反應。FriedlaenderG等［10］于1992～1996年應用交鎖釘及BMP-7復合Ⅰ型膠原治療63例脛骨骨不連，采用隨機、單盲原則，對照組61例采用自體骨移植，療效優于對照組。他們還報道了一個多中心應用rhBMP-7治療骨不連的臨床實驗結果。結果顯示，rhBMP-7與自體骨治療骨不連一樣成功。2002年，JingushiS應用三磷酸鈣做rhBMP-2的載體，在肌肉內誘導成骨并維持形狀，然后將誘導骨移植到骨缺損處，并維持血供，從而獲得大量帶血管的自體骨。同年，TsuruM等將rhBMP-2與聚合物凝膠共同放入鈦網圓柱中，再放入缺損部位。結果5例骨折完全修復，而對照組無一例完全恢復。雖然應用BMP在骨缺損、骨不連患者上的臨床研究頗多，但是，并非所有的臨床研究都取得普遍滿意的效果，與自體骨移植直接比較時更是如此［5］。為此，目前FDA已批準BMP-7在美國多中心、大規模治療脛骨骨不連的臨床實驗，為BMP早日上市提供實驗依據。

3脊柱融合

脊柱外科常用到脊柱融合術，為了提高脊柱融合的效果，學者們應用BMPs進行了許多動物實驗，并且證實BMPs可促進脊柱融合。鑒于其在動物實驗方面的肯定作用，目前已有學者將rhBMP應用于臨床研究。2001年，ScottDB等［11］首先報道rhBMP復合膠原、自體骨前路移植進行椎體間融合，11例全部融合，對照組3例中有2例融合。而且與對照組相比，住院時間和手術時間短、失血量少、療效安全可靠。2002年，KonishiS等報道rhBMP-2復合羥基磷灰石顆粒用于腰椎融合術;同年，KandzioraF等報道rhBMP-2復合聚乙烯D、L丙交脂用于椎體融合，均取得了很好的效果。此外，MedtronicSofamorDanek也正在進行著rhBMP-2在前路或后路椎間融合的臨床實驗［3］。關于BMPs在脊柱融合方面的臨床療效評估，還需要在未來的大量隨機化對比研究中證實和推廣。

4修復病理性骨缺損

良性和交界性骨腫瘤的臨床治療多為病灶清除、植骨術。隨著BMP復合物修復大段骨缺損的實驗研究不斷取得成功，使其在病理性骨缺損中的臨床應用成為可能。加之BMPs安全性的肯定，沒有證據表明BMPs存在增加惡性腫瘤的危險，使得BMPs應用于腫瘤性骨缺損更加現實［3］。1986年Urist首次將50mg人BMP凍干品填充指骨內生軟骨瘤殘腔，9個月后殘腔完全骨性愈合，隨訪2年局部和全身無不良反應。在國內，胡蘊玉等［8］于1991年首次報道了將含BMP的重組合異種骨植入1例手術切除腫瘤后的殘腔，術后2周即有新生骨長入髓腔，8周骨腔基本由新生骨充填。隨后她們又在多例腫瘤性骨缺損中應用并取得成功。事實上，只要能夠排除致瘤性的危險，BMP在修復病理性骨缺損與普通骨缺損方面的效能應該是相同的。

5治療股骨頭缺血性壞死

股骨頭缺血性壞死是骨科臨床的難點和熱點之一，傳統的治療方法無論是非手術還是手術，大多以關節廢用為結局，而不得不行人工關節置換術。然而對中青年患者而言，人工關節的使用年限不能滿足患者的要求。由于BMPs治療骨折和骨缺損的療效已被公認，因此研究者們推測，BMPs對股骨頭壞死清除死骨后形成的缺損應該是有效的。1998年，Mont［6］指出細胞因子是治療股骨頭壞死最有效的生物制劑。在髓芯減壓的孔道中應用骨移植和BMP擴增是臨床治療股骨頭壞死的一個潛在方法。基于上述觀點，國內外學者開始了這方面的動物實驗和臨床試驗。Sully等［12］通過軟組織剝離和冷凍制作狗股骨頭壞死模型，采用rhBMP-2和帶血管的纖維移植物進行治療。治療組與對照組間未發現放射學差異。但組織學檢查發現，8周和12周時，治療組的新生骨量比對照組多%和%，他們認為是rhBMP-2加快了纖維移植物的新生血管形成。Fergu-son和Mutschler［13］通過前脫位和股骨頸前方軟組織剝離制作羊股骨頭壞死模型，經實驗證明，小劑量的BMP對骨愈合沒有太大作用。Mont等［14］對狗缺損模型進行自體骨移植、自體骨復合BMP-7移植治療。4個月后，通過放射線和生物力學檢測，自體骨移植組和自體骨復合BMP-7移植組表現為中等到優良的愈合效果，未做治療的缺損組則未愈合。目前歐洲正在進行的臨床研究是使用BMP-2來加強髓芯減壓的效果。通過對40例患者的初步研究分析顯示，16周后MRI上BMP-2治療組壞死骨體積縮小，而僅僅行髓芯減壓組的壞死骨體積增加［6］。Valentin-OpranA等報道，為了評價rhBMP-2在治療早期股骨頭壞死治療中的安全性、有效性和可行性，他們進行了臨床患者的隨機分組研究。24例患者髓芯減壓后移植rhBMP-2和自體血凝塊，對照組19例僅僅行髓芯減壓，對照組的病情加重和關節置換率分別為58%和47%，而實驗組分別為46%和25%。但他們沒有進行單純髓芯減壓與髓芯減壓加rhBMP-2移植的對比研究。隨后，他們還開始了早期股骨頭壞死治療中rhBMP-2復合可吸收膠原海綿的劑量依賴性研究。在國內，應用BMP治療股骨頭壞死的動物實驗研究也已經開始。徐曉良等［15］應用BMP/膠原/珊瑚復合物治療股骨頭缺損動物模型，并證實該復合人工骨為一種理想的修復移植材料。雖然BMP在治療股骨頭壞死方面的有效性和安全性還需進一步研究，但它作為一種發現最早、研究最多、成骨能力也最強的細胞因子，在治療股骨頭壞死方面仍然顯示出了光明的前景［6］。

6修復軟骨缺損

軟骨缺損是許多關節疾病終末期的共同表現。BMP不僅可以成骨，在某些環境下還可以成軟骨。目前，BMP的成軟骨研究只在體外細胞培養和動物實驗上開展。一般情況下，體外培養的軟骨細胞往往喪失再生能力，BMP-2可以增加關節軟骨細胞在體外培養時的再生能力。SellersR等用Ⅰ型膠原海綿與rhBMP-2修復兔股骨滑車槽處全層軟骨缺損，并與單純膠原海綿和空白組進行比較，結果發現實驗組有迅速的軟骨下骨形成和軟骨面改善。免疫組化顯示，實驗組的修復軟骨內Ⅱ型膠原廣泛形成。Louwerse等用BMP-7修復羊膝關節軟骨缺損，術后4個月全部軟骨充填，而對照組僅有1只有修復跡象。在兔實驗中，用BMP-7復合Ⅰ型膠原修復半月板缺損與單獨用Ⅰ型膠原做對照，12周后實驗組有連續軟骨修復而對照組為不連續組織。雖然這些關于軟骨修復的實驗只是早期研究，還需進一步深入，但這些發現對于伴隨著關節軟骨損傷的骨壞死具有重要意義［16］。

7BMP與基因治療

由于BMP在體內的生物半衰期較短，這就促使許多研究者將目光投向了BMP的基因治療研究。Wozney［17］于1988年首次報道了BMP-1、BMP-2A、BMP-2B和BMP-3的cDNA的克隆及表達，以后相繼有16種不同的BMPcD-NA得到克隆。目前國內也已克隆了多種BMP亞型的cD-NA，在BMP家族中，具有較強活性者為BMP-2、BMP-4和BMP-7。最近，應用基因治療來促進骨再生取得了令人振奮的進展。BMP的基因治療同樣能夠誘導骨、軟骨、韌帶和肌腱形成。基因治療方法包括基因轉移和基因轉染。基因轉移是將帶有目的基因的載體直接注入體內，基因轉染是體外細胞培養，轉染BMP目的基因后再注入體內。基因轉移和基因轉染技術的發展，將為骨骼疾病的治療提供一個嶄新的治療途徑［4］。目前，由于技術原因，一般多采用基因轉染法進行。骨科領域的基因治療中，可作為體外基因轉染種子細胞的有骨髓基質干細胞、成纖維細胞、肌細胞和骨膜成骨細胞。成纖維細胞和肌細胞本身無成骨能力，不如骨膜細胞好，且骨膜細胞位于骨膜生發層，來源廣、易取材、培養擴增簡單、分化能力強。朱勝修等［18］利用脂質體轉染BMP-2基因后轉入骨膜細胞，做了BMP-2基因轉錄水平的分析并證實，經傳代培養后，骨膜細胞有較高水平的BMP-2mRNA表達，他們的研究為基因治療提供了一個理想的受體細胞。Breibart用整合有BMP-7基因的逆轉錄病毒載體體外轉染家兔骨膜細胞治療家兔顱骨缺損，結果發現蛋白表達，骨缺損修復，而對照組未愈合。Lieberman等［19］將整合有BMP-2基因的腺病毒載體體外轉染大鼠骨髓基質細胞后混合脫鈣骨基質植入兔標準大小股骨骨缺損間隙內，術后2個月做放射學、組織學及組織形態計量學檢查。結果顯示，基因轉染組的骨缺損被粗骨小梁填充，而BMP治療組新生骨薄且少。組織形態計量學檢查顯示，基因轉染組的新生骨總面積，明顯多于BMP治療組和普通骨髓細胞治療組。Baltzer等做了相同的實驗，也得到同樣的結果。而Riew也用同樣的方法，觀察到兔橫突間的骨融合。Bo-den將BMP-1基因轉入同種骨髓基質干細胞后植入體內，同樣可在鼠椎旁區誘導骨形成［4］。在國內，栗向東、胡蘊玉等［20］將轉染有hBMP-2基因的成纖維細胞植入裸鼠肌袋內誘導成骨。體外基因治療是先在體外用攜帶目的基因的載體轉染種子細胞，然后再將種子細胞植入體內，可為治療區提供相對缺乏的骨前體細胞，因為體內是否到處都有多能干細胞目前并不清楚，而且，隨著年齡增長，干細胞的數量會逐漸減少。除了體外基因轉染外，體內基因轉移實驗也在開展。有報道應用重組有BMP-2或BMP-9基因的腺病毒載體可在免疫缺陷的大鼠內誘導成骨，也可誘導椎旁區的骨組織形成;注射重組有BMP-13基因的腺病毒載體也可誘導異位成骨。Baltzer等［21］將整合有BMP-2基因的腺病毒載體植入兔股骨骨缺損間隙內，5周即發現骨斷端之間有骨性連接，而對照組動物骨缺損始終未愈合。金丹、裴國獻等［22］將含有hBMP-7基因的逆轉錄病毒液與左旋聚丙交脂生物材料復合，直接體內轉移，修復兔橈骨缺損，效果良好。Fang等［23］將Ⅰ型膠原與整合有BMP-4基因的質粒DNA植入大鼠骨缺損間隙內，局部成纖維細胞攝取目的基因，4周后BMP-4有功能性表達，同時有新骨形成。另外，他們又將分別攜帶有甲狀旁腺素氨基酸片段基因和BMP-4基因的質粒混合后植入大鼠股骨缺損模型內，結果骨缺損愈合明顯加快，說明BMP-4與甲狀旁腺素之間有促進對方合成的作用，聯合轉染多種生長因子的基因比單一轉入一種基因的效果更加顯著。這些研究都表明基因治療同樣具有成骨能力，而且具有直接應用BMP不具備的一些特點，因而具有較好的應用前景，有望成為一種新的治療手段。但是，由于未做長期的實驗觀察，對于其后期的組織衍變過程尚缺乏實驗資料。同時，對于基因治療中存在的不可控性和基因突變等問題都需要長時間的觀察。所以，要將BMP基因用于臨床骨組織修復還需要更深入的研究。

8其他

還有報道BMP-2可以加強骨與肌腱之間的愈合，以及誘導形成肌腱和韌帶樣組織。RoderSA等［24］用含有rhBMP-2的膠原海綿移植于肌腱與骨骼的附著處，發現rhBMP-2可以促進肌腱與骨之間的愈合。他們還在脛骨移植肌腱孔中植入BMP-2/膠原，實驗證明植入BMP-2組的肌腱抗拉強度顯著高于對照組。CookSD等［25］將BMP-7與載體復合包裹于金屬移植物表面植入動物體內，結果顯示移植物與骨之間有大量新骨形成，促進了移植物與金屬之間的整合。這為BMP應用于促進人工假體在體內的長期穩定性的研究奠定了基礎。Ignacio等［26］還發現BMP-9能夠促進膽堿能神經元分化，修復神經損傷。雖然BMP的動物實驗及臨床試驗都取得了顯著成效，但仍存在許多問題需要解決，例如:臨床應用效果不如動物實驗;缺乏理想載體;BMP誘導成骨的同時也刺激破骨細胞增生，而且破骨細胞增生早于成骨細胞;不同來源的BMP活性不一，同一來源的BMP在不同動物間使用活性差異也較大。此外，誘導成骨量與植入量呈正相關，但缺乏誘導活性統一的定量方法。雖然有許多問題影響BMP在臨床的廣泛應用，但隨著分子生物學的不斷發展及臨床的不斷探索，BMP在矯形外科的應用仍具有廣闊前景。

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