高浓度使用BMP-2的副作用及应对措施研究进展*

陈 良 王德飞 白涧飞 刘 红

骨形态发生蛋白(bone morphogenetic proteins,BMPs),1965年被Marshall Urist等[1]发现，属于转化生长因子 β(transforming growth factor β,TGF-β)超家族成员，可以在骨缺损修复、细胞增殖分化和凋亡、宿主免疫和炎症等过程中发挥重要的诱导作用。其中BMP-2被认为是活性最强的，也是FDA唯一批准用于临床的骨诱导生长因子[2]。自2002年被正式批准应用于临床以来，BMP-2常被用于各类骨及软骨损伤后愈合过程中的调控和加速,抑制部分肿瘤的生长等，而在口腔医学中常用于颌骨肿瘤手术中颌骨切除及囊肿摘除后的颌面部重建，正畸治疗中促进牙根形成和牙根吸收后的修复[3-6]。

1.副作用

临床上应用的BMP-2浓度相较于动物实验中更高，许多在以往动物实验中未出现的副作用在临床上日益显现。因此，虽然BMP-2前景广阔，在2008年和2011年，FDA和美国脊柱外科杂志(The Spine Journal)却相继对BMP-2应用的安全性提出了警告，临床上对BMP-2的应用也因此开始呈现减少趋势[7]。以往的动物实验的进行证明不同动物要取得相同的成骨作用效果，所需的BMP-2浓度并不相同，例如：小鼠所需BMP-2的实际浓度是 200～400μg/ml，绵羊是 430μg/ml，而灵长类动物则750～1500μg/ml，但是浓度与副作用的关系却仍未明确[8]。临床常见的副作用包括囊肿样骨形成、脂肪组织形成、术后炎症及术后肿胀、术后感染、异位骨形成、部分肿瘤发生率增加等[9]。

1.1 囊肿样骨形成及脂肪组织增生 Zara J N等[8]为确定BMP-2浓度和副作用的关系，建立了大鼠的股骨节段性缺损模型,利用BMP-2的不同浓度梯度来进行实验。在本实验中，将大鼠随机分为7组，每组有22只雄性Lewis大鼠，给7组大鼠分别注射了不同浓度的BMP-2溶液，其浓度分别为 0μg/ml、5μg/ml、10μg/ml、30μg/ml、150μg/ml、300μg/ml、600μg/ml，在本实验中每组大鼠都被注射了75μl的BMP-2溶液。在术后发现当BMP-2溶液浓度大于150μg/ml时，在损伤部位有囊肿样骨形成。这种修复性骨外部骨质较为致密，而其内部骨质疏松，骨密度较低，甚至其内部形成骨空腔，空腔中由脂肪组织填充，所形成的脂肪组织中可以明显检测到BMP-2的浓度增加[10]。随着BMP-2的浓度增加，囊肿样骨的发生率将会随之增加，而成骨的骨密度也会随之降低。这证实了BMP-2的确存在浓度相关性副作用，但是对于临床应用时浓度与副作用的关系还有待于更多的数据进行论证。

1.2 炎症及炎症相关的并发症 根据骨愈合过程发生发展的规律，我们可以将BMP-2诱导骨形成过程分为四个阶段，分别为初始炎症阶段、软骨组织愈合阶段、骨组织愈合阶段和骨重建阶段。BMP-2在诱导骨愈合发生过程的初期，能够调控巨噬细胞表达，促进损伤部位分泌促炎细胞因子，调节伤口愈合处的免疫环境，在骨愈合初期这种平衡又适当的炎症刺激对骨愈合过程中初始炎症阶段产生积极影响。但是，如果是在BMP-2浓度过高或者总剂量过大的情况下，产生的炎症反应过重或时间过长，则会影响整个骨愈合进程，对骨愈合造成不利影响[3,11]。

BMP-2在口腔医学中，常被应用于肿瘤和颌骨囊肿切除后大面积颌骨缺损的的修复，并进行颌面部重建，利用BMP-2的成骨功能，能起到促进颌面部组织结构重建和功能恢复的作用，但是如果浓度选择不当，在浓度过高的情况下，则有可能发生颌面部肿胀，影响美观和颌面部功能[12]。另外，口腔颌面部的重要神经血管较多，若发生肿胀甚至可能会严重影响人体的健康和机体功能。在进行颈椎前路手术时，相对于传统治疗，若使用BMP-2进行辅助治疗，咽喉处炎症和组织肿胀的发生几率会更高。咽喉组织发生严重炎症时，因为此处有气管、食管、声带等重要器官的通过，并且神经和血管较为密集，所以极有可能会引起剧烈疼痛、呼吸及吞咽困难、声带麻痹、压迫颈部的神经血管，导致脑部供血不足，影响神经功能，出血时发生血肿等严重并发症[8,13]。

1.3 感染 2013年，Hoffmann M F等[14]通过对一个大型医院的1158名患者病历进行了回顾性分析，这些患者在后外侧腰椎融合手术中应用BMP-2进行了辅助治疗。术后发现这些患者中有32名患者被发现了血清瘤和软组织肿胀，16名患者发现骨过度生长和异位骨形成，26名患者发生了术后感染，在对这些患者的感染病灶处聚集的液体进行细菌培养之后，其培养液中检测出两种葡萄球菌，一种耐甲氧西林金黄色葡萄球菌，一种丙酸杆菌。Hoffmann M F提出这些并发症与BMP-2浓度有关，在浓度越高的情况下，并发症的发生率越大，也会因个体差异而发生变化。

Tim N.Hissnauer等[15]对5名平均年龄为11岁的股骨骨折青少年患者进行了长期随访观察，这5名患者进行了钢板固定和BMP-2联合治疗。发现这5名患者中有4名患者的骨折处愈合良好，证明了BMP-2的确具有促进骨折愈合的能力。但是另外一名患者骨折处没有愈合，并且出现了术后肿胀和严重的金黄色葡萄球菌感染，导致了骨折部位骨断端不发生愈合。

1.4 异位骨形成 高浓度BMP-2应用时，形成异位骨是最常见的副作用之一，当有异位骨形成时，能检测到异位骨形成处BMP-2浓度的明显提高[16]。Boraiah S等[17]对于胫骨骨折的40位病人进行了BMP-2应用后的随访观察，发现17位应用BMP-2进行辅助治疗的患者中异位骨发生率占总人数的59%，多达10人，其中4人还因为症状较为严重需进行手术切除，而对照组23位患者中仅有一位患者出现异位骨形成且无需切除，这个临床数据表明BMP-2和异位骨的发生有着直接的联系。Arzeno A等[9]通过对于1名在髋关节置换术中应用BMP-2与同种异体骨移植进行治疗时，在术后发现了有大量的异位骨形成。

Lijun Shi等[18]分析了94例股骨头坏死患者的治疗情况，其中46例患者应用BMP-2进行治疗，另外48名患者作为对照组。发现高浓度的BMP-2虽然可以促进骨形成，但是异位骨形成的发病率也随之提高，BMP-2处理组的46名患者中有9名患者在术后发现有异位骨形成，且异位骨形成部位都在BMP-2浓度较高处，而在对照组中出现异位骨的只有1名患者。因此，他提出异位骨形成的复杂性与BMPs的生理活性以及局部浓度有关，它能在异位和正位位点诱导新骨形成。

1.5 肿瘤发生 近些年来，由于人们对肿瘤的关注逐渐增多，BMP-2被发现具有抑制某些肿瘤生长的作用，所以近些年来关于肿瘤抑癌作用的研究逐渐增多[19]。随着研究的进展，发现在部分肿瘤患者的肿瘤微环境中，BMP-2浓度会有明显增高，相对正常人群BMP-2有高水平表达，所以一些研究认为BMP-2可能与肿瘤的发生有关[20，21]。提出这个观点不仅是因为肿瘤微环境中BMP-2浓度的升高，也因为之前的研究已经发现BMP-2可以调节癌症干细胞的分化，当BMP-2高浓度应用时，会增加某些肿瘤的发生几率[22]。有的研究提出BMP-2能够对于结肠癌细胞系、骨细胞瘤、乳腺癌等类型的肿瘤具有抑制作用，可以诱导肿瘤细胞的凋亡，抑制肿瘤生长，可以作为抑制肿瘤治疗过程的辅助用药[23]。但是BMP-2也可增强某些癌症的侵袭性，例如当利用BMP-2对含有成纤维细胞与口腔鳞癌细胞进行共培养时，可以显著提高鳞癌细胞的侵袭性，促进鳞癌细胞的表达[24]。所以关于BMP-2在不同类型肿瘤中有不同作用，还需要更多的实验及临床数据加以论证。

2.解决方式

为了BMP-2在临床更好的应用，使BMP-2效用最大化，并且减少相关副作用的发生，临床医生应该在保证疗效的情况下，尽量减少BMP-2的使用浓度。并且在临床上应用BMP-2进行疾病治疗时，应该根据不同疾病、不同的位置及个体差异选择适宜的BMP-2浓度和剂量，并选择适宜的载体，在促进术后恢复，尽量完成治疗计划的情况下，减少相关副作用的发生，并降低手术成本。

2.1 与其他生长因子联合应用 首先可以考虑到的就是与其他生长因子进行联合应用[25]。例如费志强等[26]通过大鼠脊柱融合实验证明BMP-2结合态(BBP)本身单独应用时并不具备诱导骨形成的作用，但是在与BMP-2联合应用的情况下，可以增强BMP-2的成骨功能，能够使BMP-2在浓度较低时达到与高浓度BMP-2相同的成骨功效，其脊柱融合率及速度皆高于单独应用BMP-2的低浓度组。Egashira K[27]的实验指出，当骨髓浓缩物(Bone marrow concentrate，BMC)与 BMP-2 进行联合应用时，可以通过早期骨诱导的协同作用，在获得相同成骨作用效果的情况下，使BMP-2的浓度减少一半。这个发现对临床上降低BMP-2的使用浓度，减少浓度依赖性副作用的发生，提高所形成新骨的质量起着重要的参考意义。更多的有关BMP-2与其他生长因子联合应用时的浓度选择，还需要更多的实验研究及临床数据加以论证。

2.2 更换载体 除了与其他生长因子联合应用之外，也可以考虑更换适当的载体。Hairong Huang等[28]发现当BMP-2与可吸收胶原海绵(Absorbed collagen sponge，ACS)载体联合应用时，会引起急性炎症，但是进一步的研究发现这种炎症与BMP-2的应用无关，是由ACS本身的理化性质引起的，并且严重程度与血管密度相关，在血管密度高的地方炎症反应更严重。海藻酸盐凝胶可以更好地引导BMP-2的释放，从而控制BMP-2的局部浓度，引导骨再生，并且限制异位骨的生成。对于植骨修复过程中，与磷酸钙骨水泥(Calcium phosphate cement，CPC)联合应用，可以形成类似于自身松质骨相似的疏松多孔结构，促进骨愈合，并防止骨塌陷、断端移位、术后感染等并发症的发生[29-31]。另外,当BMP-2以肝素缀合聚乳酸纳米微球(heparin-conjugated PLGA Nanospheres，HCPN)作为载体时，可形成BMP-2的缓释系统，延缓BMP-2的释放，在使用同等浓度的BMP-2时，与短期释放组相比，虽然所应用的BMP-2总剂量并未发生变化，但是可以减少同一时间段内局部BMP-2的浓度，其治疗效果优于短期释放组[32]。

2.3 更换生长因子 另有一些学者则认为BMP-2的副作用难以避免，长期致力于寻找出BMPs之外的可替代的生长因子，以提供更有针对性和控制的骨生长速率。至今已经发现一些作用相似的替代生长因子，例如James A W等[33]的实验证明人类Nell 1型蛋白(Nel-like molecule-1,Nell-1)可以改善绵羊骨质疏松模型中骨形成效果，这个结果说明Nell-1同样具有骨诱导作用，并且在本实验中并未发现副作用，这可以满足目前对骨诱导作用的需要。但是新的生长因子在临床的进一步推广仍需更多的研究来确定其作用机理以及应用浓度，并且判断是否会有副作用的发生。

3.展望

总之，尽管目前BMP-2有明显的骨诱导形成作用，但是BMP-2具体浓度和相关副作用的关系并未明确，所以医生在临床上选择BMP-2进行治疗时应当权衡其功能与副作用的关系，权衡利弊。在应用时，应选择最佳的手术方式、最适宜的BMP-2浓度以及最恰当的载体，在将BMP-2疗效最大化的同时，有效减少其副作用的发生。而随着科学技术的发展，在对其他生长因子进行充分研究实践之后，也可以选择其他具有相似功能的替代生长因子作为替代物以促进成骨。