异位骨化的预防与治疗

丁 纳，卢海妹，刘亚坤，姜 玉，阚立新,2*

(1.安徽医科大学 基础医学院 病理生理学教研室，安徽 合肥 230032；2.西北大学 神经学系，美国 芝加哥 60611)

异位骨化(heterotopic ossification，HO)是指发生于肌肉或结缔组织中的骨形成现象，分为遗传性和获得性。遗传性HO主要包括进行性肌肉骨化症(fibrodysplasia ossificans progressive, FOP)和进行性骨发育异常(progressive osseous heteroplasia, POH)两种类型。获得性异位骨化(aHO)常由严重创伤、战伤、神经系统损伤、烧伤等引起，其发病机制尚未明了。目前认为大部分HO是通过软骨内成骨途径形成(POH例外)，且必须满足以下3个条件：成骨的前体细胞、多种诱导因子及相关信号通路、适宜的微环境[1]。HO的早期表现包括关节周围疼痛、发热和红肿，逐渐出现关节活动受限，重度HO严重影响患者的生活质量，所以有效的预防与治疗十分必要。近年来HO预防与治疗的手段越来越多，主要包括药物、放疗、手术和基因治疗等。

1 常规药物预防与治疗

非甾体类抗炎药(non-steroidal anti-inflammatory drugs, NSAIDs)主要通过抑制环氧酶(cyclooxyge-nase, COX)阻断前列腺素生物合成过程来实现其抗炎作用，分为非选择性和选择性NSAIDs。此类药物可通过干扰前列腺素旁路，影响成骨前体细胞的迁徙和分化。口服非选择性NSAIDs可有效减少HO的发生率，但同时引起各种胃肠道不良反应，如胃溃疡、胃出血和胃穿孔等发生率增加。髋关节术后使用非选择性NSAIDs萘普生可以显著降低HO的发生率[2]，另外吲哚美辛在体外是最有效的抑制成骨细胞生存的药物，同时在体内可以促进伤口愈合[3]，所以局部应用NSAIDs可能是预防HO的安全有效方法，同时可以避免各种胃肠道不良反应。

选择性NSAIDs也可以抑制HO的发生，同时伴随更少的药物不良反应，尤其是胃肠道反应与血小板功能紊乱。例如，全髋关节置换术后服用塞来昔布6周(200 mg/d)可有效预防HO的发生，且更为安全，但是预防轻至中度HO发生的效果不明显[4]。目前NSAIDs是临床上预防创伤后HO形成最普遍的药物，但是由于各类NSAIDs都有一定的不良反应，不同患者对于它的耐受性不同而影响定时给药，所以对于研究HO的发生机制及相应有效的治疗药物及治疗方法尤为重要。

另外，双膦酸盐类药物对于治疗HO也有一定的疗效，其主要通过阻断非结晶磷酸钙转化成羟磷灰石，从而使骨矿化进程减慢，但不影响骨基质合成，其作用是延迟而不是阻止HO 的矿化作用，故停药后很容易反复[5]，所以不作为预防HO的首选药物。

2 小分子受体兴奋剂/抑制剂

HO的病理过程一般认为是间充质干细胞(MSC)在微环境和调控因子作用下的异常成骨过程，这个过程受一系列保守的信号分子控制，因此通过小分子(兴奋剂/抑制剂)来调控这些信号通路是一个极具发展前景的方向。

2.1 通过BMP信号通路

骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)信号通路在HO过程中起到至关重要的作用，通过人工合成小分子抑制BMP信号一直受到重视。目前BMP受体抑制剂已经经历了3代，分别以dorsomorphin、LDN-212854和K02288为代表。

Dorsomorphin可以通过靶向BMPⅠ型受体ALK1、ALK2、ALK3和ALK6抑制BMP下游SMAD及非SMAD信号通路[6]，且dorsomorphin或LDN-193189可有效抑制FOP患者真皮成纤维细胞诱导的多功能干细胞的增殖[7]。LDN-193189是dorsomorphin类似物，其通过抗炎、抗细胞增殖及抑制骨髓来减少aHO的形成[8]。LDN-212854可以抑制人诱导多功能干细胞来源的周细胞中ALP活性，减少损伤小鼠体内BMP信号通路中SMAD1/5的磷酸化。实验发现，相对于损伤后持续给药6周，在小鼠损伤后2～4周给药LDN-212854仍可减少aHO的形成，并且细胞增殖抑制、正常胫骨厚度降低等不良反应减少[8]。K02288可以抑制经BMP4处理的间充质干细胞内colⅡ的表达以及BMP下游信号p38 MAPK的磷酸化，从而抑制软骨及骨的生成[9]。目前BMP受体抑制剂有很多种类，虽然大部分处于动物实验或者临床试用阶段，由于它们可以不同程度靶向抑制BMP下游信号分子，对于预防HO的发生有很好的发展前景。

2.2 通过抑制低氧诱导因子(HIF-1α)表达

HIF-1α是一种低氧依赖性的转录因子，参与机体细胞在低氧环境中的调控，在刺激血管生成和随后的新骨形成方面起着至关重要的作用。而低氧的微环境在HO的发生发展过程中非常关键，细胞在低氧环境下通过高表达HIF-1α，导致血管内皮细胞生长因子(VEGF)的表达升高，而VEGF可以调节骨及软骨生成；同时VEGF高表达，可导致高度血管化的致密松质骨的生成[10]。

另外，在局部低氧微环境中，HIF-1α高表达能募集HO前体细胞。HIF-1α可通过BMP/SMAD信号通路调控SOX-9的表达，SOX-9与HIF-1α的基因表达存在同步变化关系。PX-478和rapamycin是抑制低氧诱导因子的合成小分子，将小鼠跟腱损伤后用PX-478或rapamycin处理，采用PX-478 抑制HIF-1α发现，HO前体细胞减少，SOX-9的表达量下降，HO骨体积相对于对照组明显减小；而选择性敲除HIF-1α基因后，无HO前体细胞聚集，无异位软骨形成[11]。综上所述，在低氧微环境中，HIF-1α高表达，参与或调控了HO前体细胞的募集、新生血管形成、软骨及骨形成等过程，表明局部低氧微环境及 HIF-1α的高表达在aHO发病机制中起重要作用。

因此，从HO生成必要的微环境着手，抑制HIF-1α的表达，为治疗HO提供了新思路。

3 大分子/中和抗体

Activin A是HO形成的一个关键中介，其中和抗体REGN2477可有效抑制FOP小鼠体内HO的形成[12]。在小鼠体内通过他莫昔芬诱导ACVR1[R206H]FlEx/+鼠体内ACVR1[R206H]的表达，复制人类FOP模型，分别在他莫昔芬诱导后第9天、第21天给药REGN2477(25 mg/kg)以及给药同型对照抗体REGN1945(25 mg/kg)，经CT检查发现，他莫昔芬诱导后第9天给药的实验组小鼠相对于对照组HO的发生明显减少，并且形成的HO较小，未见继续生长蔓延；而他莫昔芬诱导后第21天给药的实验组相对于对照组，其HO的发生处于静止状态或者局部吸收状态，这些证据表明activin A在HO发生的早期起重要作用[13]。针对activin A治疗HO效果明显，activin A中和抗体的治疗目前虽然处于动物实验阶段，但是其对于HO的治疗有一定的意义。

4 基因治疗

FOP患者由ACVR1杂合激活突变(R206H)导致，而ACVR1R206H以及各种FOP基因突变体都对于配体十分敏感，因此可以通过配体与ACVR1结合的抑制剂来抑制失调的BMP信号通路，从而阻止FOP患者异位骨的生成。ACVR1-Fc融合蛋白[14]可以显著下调FOP细胞模型中的ACVR1突变导致的BMP信号通路异常活化，以及有效抑制软骨成骨分化。另外有学者试图通过siRNA沉默成骨细胞相关标志物Runx2抑制HO的生成，并且证实通过siRNA敲低了未分化的多功能细胞C2C12中Runx2的表达，且ALP表达降低；将慢病毒转染的大鼠SMAD7 cDNA局部注入跟腱损伤大鼠的肌腱中，观察发现，内皮细胞标记物(CD31，VE-钙黏素)表达上调，间质细胞标记物(N-钙黏素，波形蛋白)表达下调，局部的SMAD7过表达可以阻止EndMT改变，最终注射慢病毒转染SMAD7的肌腱组织的HO形成不明显[15]。

基因治疗HO有显著的治疗效果，并且为精准治疗HO提供可能，然而目前基因治疗仍处于动物实验阶段，有待进一步研究。

5 手术治疗

手术是aHO治疗的常用选项，为了防止复发，通常晚期的成熟HO采取手术切除，而早中期HO采取保守治疗。为了确保HO的成熟，通常外科手术切除时间在损伤后12～24个月，部分学者认为损伤后患者行HO切除的时间可以从传统观念上的延迟1年适当缩短[16]。

手术切除是治疗HO最直接有效的方法，可以部分甚至完全恢复受累部位的功能活动，恢复令患者较为满意的关节功能[17]，通过髋关节镜手术切除HO可有效缓解患者疼痛，其功能后果评分也相应增加，然而很少有患者取得非常好的治疗效果[18]。HO是全髋关节置换术术后常见并发症，而术后HO的发生率及发生级别与手术方式有很大的关联，目前手术方式主要分为标准术式和微创手术。标准术式中，行直接前路术的患者相对于后入路的患者，其HO(Brooker分级Ⅲ-Ⅳ级)的发生率更低[19]，而微创手术在HO的预防中有一定的优势，微创术后平均住院天数少，HO的发生率较低，创伤小且患者恢复正常运动更快[20]，但是对于FOP患者，手术是其禁忌症，误诊而进行手术治疗会引起医源性损伤而加重病情[21]。

6 放射治疗

放疗通过阻止间充质干细胞向成骨细胞分化从而抑制HO的发生。放射治疗(术后72 h内，单剂量700 cGy)能显著降低髋关节骨折术后患者的HO(Brooker分级Ⅲ-Ⅳ级)发生率，而对于放疗可能会引发恶性肿瘤需予以适当的考虑[22]。研究证实，高风险患神经病的患者进行部分跖骨截肢时应用放射治疗也有明显的预防HO作用，且7～8 Gy照射剂量最为理想[23]。联合放疗与NSAIDs治疗可有效预防HO切除术后骨化组织的再生，但是其并发症发生率高达15.4%，其中包括由于耐药引起的伤口感染、坐骨神经麻痹等[24]。放射治疗周期短，简单有效，患者依从性高，从而作为术后患者预防HO发生的一种常用方法，然而其可能引发恶性肿瘤，并且全髋关节置换术后放疗可能导致睾丸相关并发症[25]，所以伴随一定的风险。

7 总结与讨论

HO的治疗及预防方法很多，但是由于其发病机制不明，目前并未找到完全行之有效的方法。下面的图1给出了目前不同HO预防、治疗方法的可能作用靶点，表1总结了它们的作用机制及各自优缺点。

目前针对HO的治疗存在许多问题急需解决，如：1)NSAIDs等的治疗可能会影响骨的愈合，需要进一步研究预防此类不良反应；2)基因治疗等分子水平的疗法仍然处于动物实验甚至猜想阶段，有待进一步临床试验研究证实其疗效；3)手术切除成熟aHO的时机尚未定论，而对FOP，手术切除是禁忌的等。

针对这些问题未来可以从以下几个方面着手：1)继续探讨HO的发生机制，针对其发病的关键因子，关键靶点对症治疗。2)寻找早期诊断HO的有效方法。3)积极研究高选择性BMP受体抑制剂，减少其脱靶效应，减少药物不良反应，从而达到精准治疗。4)争取将 HO消灭在萌芽状态。随着对HO机制的进一步阐明，预防性治疗的时机和适应证将进一步明确，将有可能使之成为现实。5)结合各种特异性治疗方法，使HO的治疗方法日趋完善。

图1 不同HO的预防、治疗方法的可能作用靶点Fig 1 Possible targets for the different prevention and treatment methods of HO

治疗方法优点缺点NSAIDs通过抑制Cox1与Cox2,降低HO发生率干预骨重构及骨愈合,且选择性NSAIDs有严重的胃肠道不良反应双膦酸盐类药物降低IL-1,急性期C反应蛋白水平,及减缓骨矿化进程不阻止HO的矿化作用,停药后易反复小分子抑制剂分别靶向HO形成的必要信号通路及微环境,从发病机制着手,更为有效易产生脱靶效应,目前处于动物实验阶段基因治疗通过BMP/SMAD/RunX2信号通路抑制HO生成,从发病源头治疗,更为精准处于动物实验阶段手术治疗可直接摘除成熟HO(但不适用于FOP)花费高,痛苦大,易反复放射治疗阻止间充质细胞向成骨细胞分化高成本,有辐照引起软组织肉瘤发生的风险,并且髋关节术后放疗有引起睾丸并发症的风险