骨形态发生蛋白-2(BMP-2)在骨折愈合中的研究进展

叶小龙 马遇伯(通讯作者)

( 牡丹江医学院附属红旗医院骨科 ， 黑龙江 牡丹江 157000 )

骨折的愈合的生物学原理在AO中主要分为2种类型4个阶段，2种类型分别是：(1)通过内塑形的1期或直接愈合；(2)通过骨痂形成的2期或间接愈合。4个阶段分别由炎性期、软骨痂形成期、硬骨痂形成期和重塑形期构成。BMP-2(骨形态发生蛋白-2)基因已经被证实是骨形成的关键调节因子，它属于转化生长因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)超家族，是非种属特异性的、具有骨诱导活性、结构类似且高度保守的一组功能蛋白。它可以诱导成纤维细胞在体内与体外的分化，同时软骨细胞中内源性BMP2的表达可能在骨折愈合早期的软骨愈伤组织成熟中起重要作用。并且在临床上可以被成功运用于骨再生的疗法。人类骨质疏松与骨关节炎与BMP-2基因的多态性有关，总之BMP2基因在生命过程与生物活动的骨的形成，体内平衡和再生中，起着至关重要的作用。现就此研究综述如下。

1 糖尿病影响骨折愈合中的有关影响BMP-2峰值的表达研究：糖尿病患者骨折风险升高表明高血糖作为其病原性影响因素参与其中，M.T. Xu等于动物实验中，在10周龄的95只糖尿病和95只对照成年雄性大鼠中产生胫骨骨折。在骨折诱导后1,2,3,4和5周，免疫组化和定量逆转录聚合酶链反应检测骨折胫骨中BMP-2的表达，骨折后前5周每周1次。同时在骨折后3,4和5周评估愈合骨的机械参数(弯曲刚度，扭转刚度，破坏扭矩)。在愈合过程中，2组的弯曲刚度，扭转刚度和破坏力矩不断增加。与对照组相比，糖尿病组的弯曲刚度，扭转刚度和破坏扭矩的平均值较低(P <0.05)。糖尿病组每周与对照组相比，BMP-2表达的峰值水平延迟。研究结果表明，糖尿病大鼠骨折的生物力学功能有延迟恢复，该延迟可能与BMP-2的延迟表达有关。

2 多因子基因修饰增强BMP-2在颅面骨缺损中的作用效果研究：由于颅面骨骼的复杂解剖结构，颅面骨缺损的修复在外科手术上具有挑战性。目前使用预先形成的支架的骨组织工程策略由于难以将细胞接种到支架的深内部空间，并且不能在微创外科手术中直接注射，从而未导致预期的临床再生。在这项研究中，Xiaoning He等使用纳米级硫酸钙(nCS)的骨传导和机械性质和藻酸盐的生物相容性来开发可注射的nCS /海藻酸盐(nCS / A)糊剂，并表征了这种nCS / A糊剂的效果骨形态发生蛋白2(BMP2)基因修饰的大鼠骨髓间充质干细胞(MSCs)对骨和血管生长的影响。结果表明，nCS / A糊剂可在小注射力下注射。随着藻酸盐比例的增加，nCS / A糊剂的机械性能增加。 MSCs在注射后保持其活力，并且可注射的糊剂中的MSC和BMP2基因修饰的MSC保持活力，骨分化，并产生高碱性磷酸酶活性。通过测试这种可注射糊剂和BMP2基因修饰的MSCs在大鼠模型中修复关键大小的颅骨缺损的能力，发现nCS / A中的BMP2基因修饰的MSC(nCS / A + M / B2)显示出强大的成骨活性，这导致骨缺损的一致的骨桥接。 nCS / A + M / B2中的血管密度显着高于空白对照组，单独nCS / A组和与MSC混合的nCS / A组(nCS / A + M)。这些结果表明BMP2在nCS / A糊剂中促进MSCs介导的骨形成和血管形成。这一项研究解决了颅面骨缺损修复这一难题，在佐证BMP-2基因在骨折愈合中起到的重要作用的同时，研究中发现的问题也接踵而至，本实验中用BMP-2基因修饰的大鼠骨髓间充质干细胞中，最后取得的实验结果是令人欣喜的，但是我们知道骨髓间充质干细胞具有多向分化潜能，在体内外不同诱导条件下可分化成成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞和神经细胞。BMP-2基因在实验中对骨和血管生长的影响究竟是BMP-2基因作用在分化后的全部细胞上的表达，还是某一种或某几种细胞上的表达，或者说哪一种分化后的细胞对BMP-2基因所起的作用更为敏感和重要？

3 软骨细胞中内源性BMP2的表达在骨折愈合早期软骨愈伤组织成熟中的研究：已知BMP-2通过骨膜激活在骨折愈合的起始中起重要作用。具体而言，骨膜祖细胞的激活和随后的分化需要BMP-2信号传导以激活骨 - 软骨形成途径。Meng Mi等通过软骨细胞和成骨细胞特异性条件性敲除(cKO)小鼠BMP2的生成，来分析来研究内源性BMP-2基因在骨折愈合中的软骨细胞和成骨细胞中的特定作用。在这些BMP-2 cKO小鼠中产生单侧开放性横向胫骨骨折中。收集骨折愈伤组织样品并通过X射线，微CT，组织学分析，生物力学测试和基因表达测定进行分析。结果表明，软骨细胞中BMP-2表达的缺乏导致软骨愈伤组织形成延长，延迟成骨起始和进入矿化阶段，生物力学性能较低。相反，当BMP-2基因在成骨细胞中缺失时，与对照小鼠相比，小鼠在骨折愈合过程中没有显示出显著差异。这些发现表明软骨细胞中内源性BMP2的表达可能在骨折愈合早期的软骨愈伤组织成熟中起重要作用。

4 LSD1抑制作为治疗骨质疏松症的潜在治疗靶点与BMP-2的关联研究：多种调节机制控制成骨细胞分化和功能，以确保不受干扰的骨骼形成和重塑。在本研究中，Jun Sun等将组蛋白赖氨酸特异性脱甲基酶1(LSD1 / KDM1 A)鉴定为成骨细胞分化的关键表观遗传调节因子。 LSD1的敲低在体外促进人间充质干细胞(hMSC)的成骨细胞分化，并且在间充质细胞中缺乏LSD1的小鼠显示继续加速成骨细胞分化的骨量增加。机制体外研究表明，LSD1表观遗传地调节WNT7 B和BMP2的表达。 LSD1缺乏导致成骨细胞中BMP2和WNT7B表达增加并且骨形成增强，而使用遗传小鼠模型或小分子抑制剂下调WNT7 B-和BMP2相关信号传导减弱体内骨表型。此外，LSD1抑制剂反苯环丙胺(TCP)可以增加小鼠的骨量。这些数据将LSD1鉴定为成骨细胞活性的新型调节因子，并提示LSD1抑制作为治疗骨质疏松症的潜在治疗靶点。

5 机械负荷进一步增强BMP2应用的功效研究：已知在骨折部位局部应用骨形态发生蛋白(BMP)可刺激骨再生。然而，最近的研究表明，通过额外的机械刺激可以增强BMP引发的矿化。因此，在体内监测骨愈合以研究机械负荷对细胞因子处理后矿化的起始和成熟的影响。Carolin Schwarz等假设机械刺激将进一步增强BMP2治疗的功效。雌性大鼠经历5mm的骨缺损，用外固定器稳定。将仅在溶剂或溶剂中稀释的含有50μgBMP2的I型胶原支架置于缺陷中。然后将BMP2处理的样本和对照样本分成2组：一组进行机械加载，一组进行非加载组。手术后立即开始体内负荷，并在整个6周的实验期间每周持续1次。对于所有组，首先通过体内微计算机断层扫描在第2,4和6周定量评估新形成的愈伤组织，并且在术后6周通过组织学或组织形态学分析进一步评估。BMP2处理的机械刺激在2周时显着增强矿化组织体积和矿物质含量。组织学分析显示受刺激组中的纤维结缔组织区域(包括骨髓)显著更大，表明骨膜管的重建和机械负荷组中存在的更先进的骨重建。接受BMP2的2组均经历大量骨形成，仅在2周后实现骨桥接，而两个仅接受溶剂的对照组在第6周时显示出持续的不愈合，充满纤维结缔组织，脱垂的肌肉组织和密封的髓管。以上表明病原性干扰BMP-2基因的表达或影响其表达峰值，在动物实验中均有影响骨折的生物力学的恢复，在成骨细胞缺失BMP-2基因时，骨折愈合却没有明显的影响，如果给BMP-2基因的影响开个倒车，发现软骨细胞中BMP-2表达的缺乏导致骨愈伤组织形成的延长，延迟成骨进入矿化阶段。通过承重或运动已经是最小量的机械刺激可能是有希望的辅助刺激，以增强BMP-2治疗在节段性缺陷中的功效。但是仍需要进一步的研究来阐明机械刺激和生物刺激之间的机械相互作用。所以BMP-2基因的表达特别是在骨折愈合早期的软骨愈伤组织的成熟中起着重要的衔接和调控作用。尽管如此，近些年来有反映在开放性胫骨干骨折的重组人骨形态发生蛋白2(rhBMP-2)，在非脊髓整形外科手术中使用rhBMP-2后并发症的性质和频率尚未得到很好的印证效果。

6 给FDA制造商和用户设施设备体验数据库的不良事件进行了审查和总结：截至2011年12月31日，美国食品和药物管理局已收到62份涉及rhBMP-2在非脊柱矫形手术中的不良事件报告。手术部位感染和其他伤口并发症，异位骨，假关节和局部炎症是最常报告的不良事件。几乎一半的报告(30份报告; 48%)表明患者需要进行2次干预以解决报告的不良事件。大多数(49份报告; 79%)描述了未经批准的用途后发生的不良事件，如胫骨平台骨折的治疗，先天性胫骨假关节的治疗和肱骨重建。在非脊柱矫形手术中使用rhBMP-2后可能发生严重不良事件，并可能需要进行额外的手术。此分析中的大多数事件发生在标签外使用之后。对不良事件报告进行上市后审查仍然是识别潜在安全问题的重要方法。在非脊柱矫形手术中使用rhBMP-2后可能发生严重不良事件，并可能需要进行额外的手术。此分析中的大多数事件发生在标签外使用之后。对不良事件报告进行上市后审查仍然是识别潜在安全问题的重要方法。

7 结语：骨形态发生蛋白-2(BMP-2)在大量的动物实验中得以证实是骨折愈合中最重要的调节因子之一，并且在临床上已经很好的运用到骨缺损修复的治疗中，在诸多的动物实验中，探究该因子在骨折愈合中作用的靶点和时期，从而更加准确和有效的在临床上进一步运用，但是骨折愈合是一个多生理、多复杂的过程，同时BMP-2在临床上运用的安全性还需要进一步大量临床试验的检验，BMP-2基因的临床运用技术也需要不断的改进和完善，从而开辟一条安全有效的途径去获得理想的效果，随着进一步研究的不断深入与科学技术的进一步发展，坚信BMP-2的在骨折愈合中的临床运用必然有一个光明的前景。