重组人骨形态发生蛋白-2成骨的研究进展*

杨艳兰 综述，徐 普 审校

(中南大学湘雅医学院附属海口医院/海南省口腔医学中心种植科，海南 海口 570208)

创伤、骨折、肿瘤等多种骨相关疾病导致的骨缺损和骨愈合不良是困扰人类健康的重要问题,学者对如何快速、有效、安全地促进骨缺损的新骨形成已进行了广泛研究[1-2]。骨组织工程是结合生物学和工程学理论为缺损骨组织创造功能替代品，包括3个基本要素，即生长因子、干细胞和支架，其中生长因子在骨组织工程中的作用十分重要[3-4]。

骨形成蛋白(BMP)是生长因子β超家族成员之一，自从1965年URIST[5]首次发现以来已有相当深入的研究，其中又以BMP-2的生物活性最强[6]。BMP主要存于在骨组织中，动物来源的BMP不仅有限，且存在一定的免疫反应。因此，BMP主要通过基因工程技术获得，其中研究较多的是重组人骨形成蛋白-2(rhBMP-2)，其具有独特的诱导成骨活性，在修复骨缺损和促进骨愈合方面具有重要作用[7-8]。现将近年国内外rhBMP-2在细胞学、动物实验及临床研究等方面进展综述如下，旨在为对rhBMP-2进行相关研究的学者提供参考。

1 rhBMP-2的细胞学研究

有许多研究支持rhBMP-2是一种有效的骨诱导剂，体外研究表明，rhBMP-2作用于间充质干细胞、骨祖细胞、前成骨细胞和成骨细胞，可促进间充质干细胞和骨祖细胞向软骨或成骨细胞系分化；可直接促进前成骨细胞分化，导致细胞总数、碱性磷酸酶活性和钙含量的增加；在整个成骨阶段中促进新骨的形成，能启动、刺激和增加正常的骨形成级联反应[9-11]。

国内学者任前贵等[12]将聚乳酸-聚乙二醇-聚乳酸三嵌段共聚物作为囊材，采用复乳溶剂挥发法制备了外黏附rhBMP-2内包封血管内皮生长因子的微囊支架，随后于微囊支架中加入骨髓间充质干细胞共同培养，结果显示，控释rhBMP-2及血管内皮生长因子的微囊支架可诱导骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化。迟丹丹等[13]将人牙周干细胞分别于杜氏改良Eagle培养基、成骨诱导培养基和接种二氧化钛纳米管-羟基二咪唑-rhBMP-2复合生物层的杜氏改良Eagle培养基中培养，结果显示，二氧化钛纳米管-羟基二咪唑-rhBMP-2复合生物层可诱导人牙周干细胞成骨分化。赵彦涛等[14]将小鼠胚胎成骨细胞(MC3T3-E1)接种到培养板24 h后再加入rhBMP-2进行干预，结果显示，rhBMP-2影响MC3T3-E1的成骨化，且影响程度呈浓度依赖性。因此可以认为，rhBMP-2无论单独还是联合应用均能促进干细胞向成骨细胞的分化，从而促进成骨。

国外学者NIU等[15]将rhBMP-2负载于不同大小孔径的生物陶瓷支架上，再将支架与间充质干细胞进行体外实验培养，结果显示，间充质干细胞参与了成骨过程。JEONG等[16]应用阿伦膦酸盐培养人胎儿成骨细胞，然后随机分为2组，一组采用低强度的激光治疗；一组应用rhBMP-2联合低强度激光共同处理，结果显示，rhBMP-2及低强度激光均对经阿仑膦酸盐处理过的成骨细胞有效，能促进细胞的成骨活性及骨基质的形成，rhBMP-2表现出的作用更大，但二者比较，差异无统计学意义(P>0.05)。RAINA等[17]制备了含rhBMP-2的生物活性陶瓷支架，然后通过体外与MC3T3成骨细胞共同培养，结果显示，MC3T3成骨细胞在含rhBMP-2支架材料中其细胞碱性磷酸酶活性显著提高。表明将rhBMP-2负载于复合材料内也具有良好的促进骨源性细胞及干细胞的成骨功能；即使与阻碍成骨的材料共培养依然能表现出较好的成骨作用。

2 rhBMP-2的动物实验研究

在动物模型中rhBMP-2的成骨作用已被证明，在一些动物骨缺损模型中rhBMP-2局部应用能促进各种骨组织工程支架修复各种骨缺损，如股骨、胫骨、腓骨、颌面牙槽骨和下颌骨等。这与BMP-2在向该区域集聚细胞和促进骨细胞分化方面发挥的直接作用有关。rhBMP-2可促进骨细胞的分化，在愈合的早期阶段可刺激骨缺损部位的成骨作用，由于rhBMP-2分子的溶解性，分子从融合部位扩散出来，在集聚细胞和促进细胞增殖、分化，以及矿物质沉积方面发挥直接作用，从而诱导骨融合[18]。

国内学者周思睿等[19]首先采用真空冷冻干燥及化学交联法制备丝素蛋白/壳聚糖/纳米羟基磷灰石生物支架，随后采用复乳挥发法制备rhBMP-2/聚乳酸缓释微球，最后将二者整合后制备成负载缓释微球的三维生物支架用于成年犬桡骨的骨缺损处，结果显示，这种三维生物支架能有效修复犬桡骨的骨缺损。郭娇阳等[20]将rhBMP-2与复合纤维蛋白凝胶结合，制备出携载rhBMP-2的缓释载体材料，然后用于新西兰大白兔胫骨的牵张成骨，结果显示，rhBMP-2复合纤维蛋白凝胶可有效促进兔胫骨牵张成骨时的骨形成。宋亚平等[21]在比格犬的胫骨干骺端制备骨缺损研究中将珊瑚羟基磷灰石与富血小板纤维蛋白的复合物、自体骨的复合物、rhBMP-2的复合物、单纯珊瑚羟基磷灰石4种骨移植材料分别植入骨缺损区，结果显示，珊瑚羟基磷灰石与rhBMP-2复合物能促进骨的形成，且随着时间的延长，新骨量增多。表明rhBMP-2的缓释载体材料或相关复合物对兔和犬的长骨缺损均具有促进骨形成的效果。

国外学者JANG等[22]在大鼠颅骨处建立骨膜下间隙，并于骨膜间隙处分别植入含钙牛骨、含钙牛骨/低剂量rhBMP-2(5 μg)和含钙牛骨/高剂量rhBMP-2(50 μg)的植骨材料。随机分为3组，采用Micro-CT评价3组骨体积、骨密度、骨小梁厚度和骨小梁间距等新成骨参数，以及组织形态学分析以评价新成骨面积。结果显示，rhBMP-2有助于含钙牛骨骨膜下骨移植中新骨的形成。HAN等[23]制作了负载rhBMP-2的生物支架，并在动物的腓骨处制备骨缺损模型，将生物支架材料植入骨缺损处，9周后所有动物给予安乐死，进而检测腓骨标本的成骨情况，结果显示，负载rhBMP-2生物复合材料能促进皮质骨和骨髓腔的新生骨形成。LIM等[24]将8只犬下颌骨切牙拔除，形成拔牙窝，拔牙窝内分别放入小猪骨移植材料和小猪骨移植材料结合rhBMP-2的复合材料，4周后进行Micro-CT及组织学和组织形态学分析，结果显示,加入rhBMP-2与单独使用小猪骨移植材料比较，能增强拔牙窝骨缺损区的成骨化。可见将rhBMP-2负载于各类复合支架材料上，植入动物骨缺损模型的骨缺损处均可促进骨缺损处的新骨形成，且成骨的质与量均具有良好的预期。

3 rhBMP-2的临床研究

国内学者黄训等[25]将104例上颌前牙缺失伴唇侧骨板缺损患者随机分为研究组和对照组，每组52例。对照组种植同期采用Bio-Oss骨粉进行骨增量，研究组种植同期采用Bio-Oss骨粉联合rhBMP-2进行骨增量，结果显示，Bio-Oss骨粉联合rhBMP-2用于上前牙缺失伴唇侧骨板缺损患者时可促进新生骨组织形成，种植效果满意，美观度较好。另有学者将rhBMP-2、Bio-oss骨粉联合用于修复患者前牙区牙槽骨缺损并同期种植，结果显示，rhBMP-2结合Bio-oss骨粉不仅能较好地修复前牙美学区的骨缺损，且能取得良好的美学效果[26]。还有学者以134例退变性颈腰椎疾病患者作为研究对象，所有患者均行脊柱植骨融合术治疗，结果显示，退变性颈腰椎疾病手术融合中rhBMP-2对骨诱导的影响基本与自体骨等同，且较同种异体骨表现出更大的优势[27]。国内学者开始将rhBMP-2用于临床，并得出了临床满意的效果，但观察时间均不长，其远期效果仍有待于进一步研究。

国外学者CHANDRA等[28]为探究牙槽骨骨皮质切开术联合骨移植术用于正畸治疗中能否快速矫正错颌畸形，而在行牙槽骨骨皮质切开术部位的研究组植入rhBMP-2，而对照组则不植入任何材料，3个月后发现，rhBMP-2能有效缩短治疗总时间，在骨皮质切开处的骨密度高于对照组，且rhBMP-2的植入既不延迟伤口愈合，也不增加受试者的疼痛。KIM等[29]将rhBMP-2联合可吸收胶原海绵用于因下颌骨药物性坏死而采用微型钢板固定的下颌骨严重缺损患者，3个月后通过影像学检查发现，所有病例均显示有成骨现象，且未发生任何并发症，也证实了rhBMP-2联合可吸收胶原海绵可用于颌骨缺损的治疗。YANG 等[30]为探讨rhBMP-2及羟基磷灰石材料对上颌窦体提升术后骨形成量的变化，随机将患者分为2组，一组进行上颌窦底提升术时联合rhBMP-2和羟基磷灰石(Ⅰ组)，一组则为单纯羟基磷灰石(Ⅱ组)，分别于第3、24个月进行影像学检查，测量骨体积的差异，结果显示，第3、24个月时Ⅰ组患者成骨量均大于Ⅱ组，且第24个月时Ⅰ组患者骨量明显多于Ⅱ组，表明rhBMP-2不仅具有良好的成骨性能，且对上颌窦底提升术后的长期骨再生也是有效的。

近年来，国内外rhBMP-2用于临床的研究愈来愈多，无论是颌骨[31-32]还是四肢[18]其余部位[33]骨组织，当出现缺损需要进行骨增量时rhBMP-2的使用均表现出良好的成骨性能，可加速骨缺损的修复。

2002年rhBMP-2获得美国食品和药物管理局的批准，仅在单级前路腰椎椎间融合术中应用[33]；而后rhBMP-2的应用迅速普及，2002-2006年仅在美国，脊柱融合手术的使用率就从所有脊柱融合手术的0.7%增长至25.0%；随后在2004年rhBMP-2的应用扩展至包括治疗急性开放性胫骨骨折及股骨骨折中。在骨折愈合早期阶段，rhBMP-2可增强骨膜和骨内骨架(松质骨)的形成，后期可增加骨矿物质含量和生物力学性能[34-35]，且rhBMP-2能缩短骨折愈合时间，降低医疗成本。

2007年美国食品药品监督管理局批准牙科医生使用rhBMP-2进行上颌窦提升和拔牙窝相关的骨移植手术[31]。rhBMP-2在肿瘤切除和骨坏死治疗后下颌骨大面积缺损的重建中也显示出了良好的效果[32]，用rhBMP-2替代坏死性骨去除的应用被认为是重建局部颌骨大骨缺损的有效而安全的治疗选择[29]。

综上所述，鉴于rhBMP-2具有良好的促进骨源性细胞及干细胞成骨的功能，因此，将rhBMP-2负载于各类复合支架材料上进行动物实验发现，其可促进骨缺损处的新骨形成，且成骨的质量良好，进而将rhBMP-2用于临床研究，无论是颌骨[31-32]还是四肢[18]或其余部位[33]骨组织，rhBMP-2均表现出良好的成骨性能，可加速骨缺损的修复。因此，rhBMP-2的成骨研究具有广泛的临床意义。但由于rhBMP-2价格较高，所以，对rhBMP-2的成骨研究在其最适合剂量使用及改进合成技术以降低成本等方面均需进行深入研究；同时，目前，rhBMP-2临床应用研究最长观察时间只有24个月，其远期效果及临床安全性仍待于进一步观察。