骨形态发生蛋白-2在缝牵引成骨术中的研究进展

邓海侠，宋涛

(中国医学科学院北京协和医学院整形外科医院整形一科，北京 100144)

缝牵引成骨术(sutural distraction osteogenesis，SDO)起源于正畸，近年来逐渐应用于颅颌面外科和整形外科，如治疗上颌骨横向发育不足的快速上颌扩弓(rapid maxillary expansion，RME)[1-2]和治疗上颌后缩的经缝牵引成骨术(trans-sutural distraction osteogenesis，TSDO)[3]等。作为颅面部骨骼间一种特有的结构，生长期骨缝受外力牵张，骨缝内骨质增加，从而实现骨骼的生长发育和位置改变，SDO正是基于骨缝的这一特性[4]。与传统的截骨牵引手术相比，SDO具有独特的优势，如不需要截骨、操作简单、手术风险低，但临床治疗周期长、复发风险较高。研究显示，经过1个月牵引期以及1～3个月固定期治疗的上颌后缩患者仍可能发生上颌骨的回缩复发[5]，而外科辅助快速上颌扩张的复发率甚至可达49.5%[6]，其主要原因为牵张骨缝的分离速度常大于骨缝内新骨的生成速度，导致牵引后的扩张骨缝缺乏足够新骨的填充。骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)-2具有强大的诱导成骨能力，大量研究证实，牵引力作用于实验动物骨缝可促进内源性BMP-2表达，帮助缝区新骨形成与改建，重组人BMP-2(recombinant human BMP-2，rhBMP-2)的局部应用有助于降低SDO动物模型的术后复发率[7-9]。现就BMP-2在SDO中的研究进展予以综述，以期为SDO中BMP-2相关治疗的临床研究提供新的思路与方向。

1 BMP-2概述

BMP是转化生长因子-β超家族的最大亚群，目前已经发现20多种亚型，BMP-2是第一个确定具有诱导成骨作用的BMP，被认为是最强的成骨因子之一[10]，也是目前SDO动物实验中最常用的一种。2002年rhBMP-2获批在临床使用，已在骨科[11]、口腔颌面外科[12]相继应用。作为一种在人和其他多种动物中广泛分布的酸性多肽，BMP-2能诱导未分化的间充质干细胞不可逆地分化为成软骨细胞和成骨细胞，促进新骨形成[13]。骨缝中处于正常发育期的成骨细胞可产生少量BMP-2，与骨缝内未分化的间充质干细胞表面的BMP-2受体结合，刺激间充质干细胞分化为软骨与成骨细胞，这些软骨与成骨细胞分泌的BMP-2可刺激间充质干细胞分化，大量BMP-2在发育期骨缝中生成，促进新骨形成与改建[14]。牵引力作用于牵张区，可上调成骨细胞BMP-2基因表达，进而大量BMP-2基因表达产物通过旁分泌、自分泌的方式诱导牵张区新骨形成[15]，同时牵引力还可促进间充质干细胞增殖，为BMP-2的诱导作用提供充足的靶细胞来源[16]。

2 内源性BMP-2与SDO

2.1SDO中内源性BMP-2的表达规律 阐明内源性BMP-2在SDO中的表达规律、揭示不同治疗阶段BMP-2的表达状况、探究机械张力与BMP-2表达的相关性、全面了解调控BMP-2生成的信号通路，可为优化治疗方案，最大限度地发挥SDO的治疗优势提供理论基础。

研究显示，大鼠腭中缝内源性BMP-2的水平可随牵引时间的延长而升高，且其可诱导间充质干细胞向成骨细胞转化，促进骨缝内新骨形成[7-8]。金增强等[14]发现，随着机械应力牵引的进行，BMP-2在各骨缝的表达量逐渐升高，并于牵引15 d时表达最强，随后表达量逐渐下降，在去固定1个月时，BMP-2表达水平接近正常。另一项研究发现，内源性BMP-2在固定期仍处于高表达状态，并认为固定期是加入外源性BMP-2、增进SDO进程、促进恢复的最佳时期[17]。刘芳[18]仅在机械扩张力作用的初始阶段检测到大鼠腭中缝内源性BMP-2的增殖表达。Takenouchi等[19]的实验亦验证了机械扩张力与BMP-2表达的非同步性，持续牵引大鼠腭中缝12 d，第3天出现BMP-2表达高峰，第7天BMP-2表达恢复正常水平，提示持续牵引对缝区成骨细胞的诱导作用有限，手术效果的巩固并不能单纯依靠延长牵引时间实现，还需要寻找有效的治疗干预措施。金增强等[14]的研究发现，BMP-2表达存在时空差异性，牵引期犬TSDO以腭横缝表达强度最高，翼上颌缝次之；固定期以颧颌缝表达强度最高，其次是额颌缝，但未进行缝区骨生成与BMP-2表达水平之间的量化分析，且未对两者在同一骨缝的线性关系进行评价。临床实践中，TSDO术后患者以翼上颌缝成骨最多，其次是颧颞缝和颧额缝[20]，受限于检测手段，研究人员未能对患者骨缝处内源性BMP-2的表达情况进行分析。颅面部骨缝存在复杂的三维空间结构，各骨缝对牵引力的敏感性并不一致，因此，科学的牵引治疗方案以及精准调控与个体化治疗尤为重要，特别是涉及多条骨缝扩张与改建的TSDO。

内源性BMP-2在SDO缝区新骨的生成中具有重要作用，不同治疗阶段BMP-2表达强度、时长与缝区骨生成间的关系，以及牵引力大小、方向、作用方式对BMP-2表达的影响等尚无明确结论，仍待进一步研究。

2.2促进SDO中内源性BMP-2表达的措施 BMP-2在SDO中具有成骨诱导作用，近年来，促进内源性BMP-2的表达成为研究热点。异槲皮苷[21]、槲皮素[22]、辛伐他汀[23]可通过不同机制促进大鼠RME腭中缝内BMP-2表达，促进间充质干细胞的成骨分化，加速新骨形成。刘慧君[24]发现，与螺旋扩弓相比，磁力扩弓促进BMP-2表达的作用更显著，且静磁场对骨组织的改建有促进作用。作为天然骨的主要无机成分，羟基磷灰石是一种性能优良的骨修复材料，纳米羟基磷灰石可显著提高扩张矢状缝内BMP-2的水平[25]。核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)信号通路在成骨细胞的功能调节中起重要作用，腹腔内注射吡咯烷二硫代氨基甲酸盐[26]、硝苯地平[27]以及局部注射β联蛋白激动剂[28]均可抑制NF-κB信号通路，促进大鼠前腭缝扩张过程中BMP-2的表达，加速该处新骨形成与钙化沉积。苦参碱通过调节NF-κB信号通路抑制破骨细胞生成[29]。体外实验中，适宜浓度的苦参碱具有促进骨髓间充质干细胞成骨分化的作用，腹腔注射苦参碱也可显著提高大鼠RME过程中BMP-2的表达水平[30]。王尧等[31]通过分离培养乳鼠矢状缝来源的间充质干细胞及BMP-2转染证实，体外间充质干细胞有成骨潜能，且BMP-2对骨缝间充质干细胞有成骨诱导作用。张斌斌[32]发现，BMP-2转染的骨髓间充质干细胞促进骨缝牵引区新骨形成与改建的作用更显著，通过基因治疗或细胞注射治疗促进内源性BMP-2表达可能是未来的研究方向之一。

多种促进骨愈合治疗措施的有效性与安全性已在骨科、颌面外科以及中医药等领域得到大规模的临床验证，在现有治疗措施中寻找一种适于SDO临床实践应用的治疗手段，对于促进SDO骨缝处内源性BMP-2表达、提高新生骨的质与量、缩短SDO治疗周期、降低复发率、改善患者治疗满意度、减轻患者医疗负担有重要意义。

3 rhBMP-2与SDO

3.1SDO中rhBMP-2的成骨作用规律 阐明rhBMP-2在SDO中的成骨作用规律、完善有效性及安全性评价、明确最佳药物剂量是实现rhBMP-2临床应用的必要前提。

Lai等[33]发现，rhBMP-2/可吸收性明胶海绵复合物的植入可显著升高矢状缝扩张处骨钙素及钙离子的水平，促进扩张力作用下大鼠矢状缝的新骨形成，明显降低扩张后复发率。研究表明，内源性BMP-2不足以修复过大牵引力造成的不可逆性骨缝损伤，而rhBMP-2可最大限度地降低过大牵引力对新骨质量的不利影响，增加上颌骨的平均前移距离，提升骨密度[9]。

既往研究认为，骨缝分离速率直接影响着新骨生成速率，骨缝中结缔组织的拉伸是成骨的重要环节[34]，rhBMP-2虽然诱导了局部的快速成骨，但新生骨也会增加牵引阻力，加之骨缝周围组织、骨缝中结缔组织的阻力作用[35]，牵引骨缝的分离常呈先快后慢的趋势，牵引速度明显降低，牵引距离大大缩短。除导致牵引速度降低、牵引距离缩短外，rhBMP-2还可导致骨缝融合的发生[36]，这也是目前已知最常见、最严重的不良反应，rhBMP-2涂层支架修复兔齿槽嵴缺损甚至会导致邻近部位发育期骨缝的融合[37]。骨缝融合可直接影响牵张骨缝的分离速率，而骨缝分离速率的急剧下降使骨生成量降低，甚至骨生成量低于单纯牵引治疗。在骨缝融合未发生时，更高浓度的rhBMP-2仍可诱导更多的新生骨产生[38]，而一旦发生骨缝融合，不仅导致发育期患者的颅骨发育畸形，还会影响其神经系统发育，造成不可挽回的严重后果。在骨缝融合未发生时，低浓度rhBMP-2与较大牵引力联合应用可实现与单纯牵引治疗相似的骨缝分离量，且可产生更多的骨组织，以填充分离的骨缝[39]，该研究首次证实，合适牵引力与适当浓度rhBMP-2的联合应用有益于SDO治疗，这为进一步探索rhBMP-2临床应用的可行性提供了初步的实验证据。

当前SDO中rhBMP-2的相关研究仍处于动物实验阶段，根据现有研究证据，如何避免骨缝融合是实现其临床应用的最大难点，且必须很好地控制rhBMP-2在SDO中的作用，使骨缝分离与新骨形成达到最佳平衡。需要注意的是，除骨缝融合外，rhBMP-2临床应用中发生的其他不良事件也应引起重视，如伤口肿胀、呼吸困难、异位成骨、骨溶解、致癌性等[40]，目前rhBMP-2在SDO中的安全性评价仍有待深入探讨。

3.2rhBMP-2联合治疗与SDO 骨保护素是肿瘤坏死因子受体超家族的一种糖蛋白，主要由成骨细胞表达，通过核因子受体激活剂配体/核因子受体激活剂通路调控破骨细胞的活性，骨保护素(核因子受体激活剂配体的诱饵受体)是骨代谢的关键因子之一，可与核因子受体激活剂配体结合，防止骨吸收，起到骨保护作用[41]。研究显示，rhBMP-2和骨保护素的联合应用有助于促进骨质疏松患者关节置换术后的骨整合[42]。SDO中rhBMP-2和骨保护素的联合应用可协同促进成骨细胞集聚，诱导新骨生成，促进新骨改建[43]。富血小板血浆(platelet-rich plasma，PRP)含有多种促进组织修复的细胞因子，可用于治疗骨折、骨关节炎、肌腱损伤等[44]。体外实验发现，PRP可通过促进间充质干细胞的增殖及提高分化活性，加快骨缝闭合速度[45]。Xu等[46]发现，在兔矢状缝牵引过程中应用PRP凝胶，不仅可以促进缝区新骨的形成，还有助于修复牵引过程中受损的骨缝微结构，而PRP与rhBMP-2的联合应用可导致骨缝融合的发生。

当前关于SDO中rhBMP-2联合其他治疗措施的相关报道较少，且多着眼于诱导成骨的叠加效应，尚未关注如何平衡其强大的诱导成骨效应，避免骨缝融合等不良反应的发生。

3.3rhBMP-2载体与SDO rhBMP-2作为蛋白质类生长因子，具有扩散吸收快、易被蛋白酶分解的特点，异位注射的半衰期仅为0.3 d[47]。因此，构建合适的载体也是实现rhBMP-2临床应用的必要前提。rhBMP-2载体可分为四大类，包括天然聚合物(如透明质酸、壳聚糖)、无机材料(如羟基磷灰石、生物活性玻璃、陶瓷)、可降解生物合成材料(如聚乳酸、聚乙交酯)和复合材料(如羟基磷灰石、三磷酸钙和胶原组成的复合材料)[48]。

可吸收性明胶海绵是目前应用最广泛的rhBMP-2载体材料，既往的SDO动物实验研究多将其作为载体，虽然其具有良好的生物相容性，但在体内降解迅速，由此带来的rhBMP-2的爆发性释放不仅导致治疗部位rhBMP-2的有效浓度难以维持，还增加了治疗剂量[49]。提高载体与rhBMP-2的结合能力是避免rhBMP-2爆发性释放的有效手段之一，Wang等[50]实验表明，经聚乙烯亚胺处理的硅藻土(改性硅藻土)表面电荷变为正电荷，有利于吸附表面为负电荷的rhBMP-2，与传统rhBMP-2/壳聚糖载体相比，rhBMP-2/改性硅藻土/壳聚糖复合载体的载药率更高，药物缓释能力更好，更有利于成骨细胞的增殖。Xia等[51]体外释放实验表明，与壳聚糖相比，硫酸葡聚糖与rhBMP-2的结合力更强，且硫酸葡聚糖/壳聚糖/rhBMP-2复合载体可有效避免rhBMP-2的爆发性释放，当硫酸葡聚糖、壳聚糖、rhBMP-2的质量比为10∶6∶1.2时，该复合载体的稳定性最佳。羟基磷灰石rhBMP-2涂层支架的释放动力学研究显示，与初始高剂量、随后低剂量模式相比，缓释支架持续释放中等剂量rhBMP-2在促进间充质干细胞增殖分化和骨组织形成方面更高效[52]。Stuckensen等[53]的rhBMP-2负载释放实验发现，与孔隙结构随机排列的各向同性支架相比，孔隙结构均匀排列的各向异性支架的成骨效果更优，并可优化低剂量rhBMP-2的递送。近年来，磁性控释生物支架成为新的研究热点，一种由Ⅰ型胶原样肽基质、二价铁离子/三价铁离子、羟基磷灰石制成的复合磁性微球能够长时间低剂量释放rhBMP-2，并可通过脉冲电磁场调节其药物释放速率，该磁性控释生物支架有望成为精准医学的新方法，并为实现个体化治疗提供新思路[54]。

综上所述，载体不仅可延缓rhBMP-2的局部降解，还可在保证良好诱导成骨能力的前提下降低rhBMP-2的治疗剂量，避免骨缝融合等不良反应的发生，提升rhBMP-2在SDO中应用的安全性和有效性。

4 小 结

目前，rhBMP-2是美国食品药品管理局批准的唯一可用作骨移植替代物的成骨因子[10]，其在牵引成骨领域的初步临床应用中取得了令人满意的治疗效果，在治疗垂直骨缺损方面，单独应用rhBMP-2即可获得与牙槽骨牵引成骨相同的骨增量，并可降低植骨率[55]。rhBMP-2应用于即刻牵引成骨可促进截骨部位成骨，提高手术成功率[56]。目前，BMP-2在SDO中的研究尚处于动物实验阶段，其对SDO缝区的新骨形成有决定性作用，应用rhBMP-2有助于缩短SDO治疗时间、降低复发率。阐明内源性BMP-2的表达规律、避免骨缝融合的发生、构建合适的药物载体、设计科学可行的临床试验是BMP-2相关治疗措施用于SDO临床实践的关键，而寻找能够促进SDO中内源性BMP-2表达的安全有效的治疗手段是实现其临床转化的重要研究方向。