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骨形态发生蛋白修复关节软骨的研究进展

文章来源:岭南现代临床外科发布日期:2017-06-30浏览次数:361

 【摘要】关节软骨损伤是一种常见疾病,其可导致关节炎的发生而严重影响人们的日常生活。但由于软骨缺乏血运,且不含祖干细胞,关节软骨的修复能力受到限制,至今临床上尚未有一个有效的方法来促进受损关节软骨的修复。目前,生长因子促进关节软骨修复和再生方面的研究日益受到重视,其中骨形态发生蛋白(BMP)是能够诱导骨组织形成的一个独特因子,对关节软骨的修复有促进作用。但是,BMP的作用尚处于研究阶段,仍有较多问题需解决,故有必要对BMP修复关节软骨作一综述。 

【关键词】骨形态发生蛋白;关节软骨;缺损;修复 Research progress of bone morphogenetic protein in the repair of articular carhlage WU Baojie, YU

Shen,ghua, CHEN Huirun., HU Hansheng. Department of Orthopedics, the Third Affiliated Hospital, Czum,gzhou Medical Um:versity, Gruuy;zhou.510150, China.

Corresponding author, YU Shenghua, yshzxh99@163.com,
[Abstract] Articular cartilage injury is a common disease, which can cause the formation of osteotuthritis that makes people's lives terrible.

Articular ctfflilage has a limited capacity for spontaneous repair, due to its avascular nature and absence of progenitor cells and the effective method to

repair damafl;ed articular cautilage has not yet been established. At present, the research of the growth factor to promote the repair and restoration of

articula cartilage are beconung more and more popular and BMP is the special factor that can induce bone formation, thus it has obvious effect
for the repair of articular cartilage. But It is still in the research stage and a lot of problems still remained unsolved be solved. So it is very

necessary to review the repair of articular cartilage defect with bone morphogenetic protein.

[Key words] Bone morphogenetic protein; Articular cartilage; Defect; Repair

在临床上,因外伤、疾病或随着年龄的增长关节软骨的不断磨损消耗,人体关节软骨的损伤十分常见,但关节软骨在自我修复能力上有一定局限性,而且暂时未见有明确有效的方法修复已损伤的关节软骨。目前常用的传统治疗方法包括如磨削成型术、关节置换术、钻孔微骨折、软骨细胞移植及骨软骨移植等尚未满足临床的需要[1,2]。目前,生长因子在关节软骨修复方面的研究越来越受到重视,主要有骨形态发生蛋白( bone morphgenetic protein, BMP),3-转化生长因子(TGF-β),骨骼生长因子或胰岛素样生长因子Ⅱ(SGF或IGF-Ⅱ),血小板生长因子(PDGF)等。其中BMP受注目,它是能够诱导骨组织形成的生长因子,对关节软骨的修复有明显的促进作用。本文就其在修复关节软骨中的作用的相关研究进展综述如下。 

l BMP的理化及生物学特性
自从1965年Urist成功地用脱钙骨基质(DBM)在肌肉内诱发异位成骨后,骨诱导理论得到证实和确立,DBM经进一步分离提纯得到一种蛋白质物质,被命名为骨形态发生蛋白 (BMP)[3]。此后,骨诱导和BMP的研究日趋活跃,其理化和生物特性得到较深入的了解。BMP是一种低分子量的多肽类物质,可从多种哺乳类动物中提纯而来[4,5]。后来,研究者 们通过重组DNA的方法生产出thBMP,这一重大成果促进了对BMP的进一步研究[6j。有学者认为,BMP属于转化生长因子β (TGF-β)超家族成员[7],主要在肢体发育、软骨内骨化、 早期骨折和软骨修复过程中表达。BMP与其它生长因子既有区别,又有联系。其它生长因子能促进骨细胞的有丝分裂,但没有发现能诱导骨间充质细胞的分化。而BMP则能促进细胞分化及参与整个成软骨或骨的过程。因此,Urist等;s]认为BMP促进骨间充质细胞细胞分化而其它生长因子刺激已经分化的细胞有丝分裂,由此而产生软骨和骨:

BMP的诱导成骨或软骨产生机制尚不十分清楚,多数学者认为是BMP诱导损伤组织间充质细胞分化成软骨细胞和成骨细胞。BMP对整个成软骨或成骨过程中所需物质的DNA、胶原合成及蛋白质的聚集都起刺激作用。BMP似乎涉及细胞的增殖、生长、分化、凋亡,因此BMPs能诱导骨、软骨、韧带等形成。现代分子生物学理论表明.BMP是一种分子结构,它能诱导基因组形成发生蛋白的区域。在这个过程中,BMPs是通过浓度梯度逐渐扩散从而改变发展进程,在BMPs的作用下,干细胞或间充质细胞增殖和分化[9]。到目前为止,BMPs起诱导作用的详细的细胞分子机理尚知之甚少2 BMP的种类及其特点迄今为止,约15种BMP家族成员已被证实,主要包括BMP-2、3、4、5、6、7、8、9、12、13、14等。他们都具有诱导间充质细胞分化为软骨细胞形成软骨组织的能力,尤其是多个实验已证实BMP-2、7对软骨的诱导和维持具有明显的作用。而且BMP实际上是一种多肽成分的蛋白质,不同种属的BMP之间具有高度的同源性,令同种异体和低剂量异种的植入一般不引起免疫排斥反应或只具有轻微的免疫刺激作用。这种低免疫属性使BMP的跨种属应用成为可能,因而具有较广泛的应用范围[IO]。但从骨组织提取并纯化BMPs并不容易,提取纯化过程极其精细,而且产量较少。制剂必须是从至少100公斤洗净的不含骨髓的骨皮质来提取[11],每公斤新鲜骨只能提取BMPs约57 mg,此外,同种异体潜在的感染风险也限制了临床应用[12]。因此,科学家们在实验室内从非骨组织的异源系统中以重组形式表达这些蛋白,即重组蛋白。rBMP-2就是重组BMP中的重要一种。Bessho等[13]详细分析了比较人工重组BMP与骨纯化BMP在产生异位骨的多少,结论是,在兔实验中,当在肌肉分别放置重组牛BMP与骨纯化BMP,前者异位骨化成骨组织的量比后者高10倍,显示人工重组BMP功能更加强大。研究者认为,造成这种差异的原因是两种BMP的氨基酸序列不同,这些氨基酸序列在骨修复中发挥协同作用,特别是几种重组BMPs同时作用,可进一步促进修复。 

3 BMP在关节软骨损伤修复中的应用
关节软骨为透明软骨,其内无神经、血管和淋巴等分布,为单一的结缔组织,主要是由软骨细胞和细胞外基质组成。其中,软骨细胞占组织体积的1 0%以下,基质主要由水(

占70%—85%)、Ⅱ型胶原(占10%—20%)、蛋白多糖(占5%^一100/0)组成[“]。软骨细胞是软骨代谢活动的细胞成分,由MSC(间充质干细胞)分化而来,其功能是合成和降解胶原及蛋白多糖。蛋白多糖的聚集使得软骨具有抗压、缓冲作用。胶原是细胞外基质的主要成分,其中90%—95%胶原纤维为Ⅱ型胶原,可抵制或阻止软骨细胞的成熟与钙化。胶原纤维的拱形排列使软骨组织具有抗剪切力的作用,胶原的破坏、合成降低,必然影响软骨组织的结构及功能。故成熟的软骨一旦破坏,因缺乏血供,炎性细胞和未分化细胞则不能从血管迁移到组织损伤部位进行修复。此外,软骨细胞几乎没有迁移能力,不能迅速聚集到创伤部位,导致关节软骨损伤后的自身修复能力有限。有的修复组织常为纤维软骨,而非透明软骨,且存在进一步退化及二期骨化等问题,造成关节软骨不能维持正常的表型而失去行使正常的生理功能的特性[14,15]。 

许多学者致力于BMP方面的研究,从而使BMP在促进软骨修复方面的研究有了进一步的进展,而且由于基因工程学和组织工程学的发展,也为软骨损伤提供了新的治疗方法和手段 。
Bessho等[16]人为的在兔子的颞下颌关节处创造一大小约为2 mmx2 mmx2 mm大小的软骨缺损,然后以普通胶原为载体分别将载人量为15 μg、3μg、0.6 μg、0μg的重组人BMP-2(thBMP-2),引入到家兔的颞下颌关节缺损处。3周后处死,在组织水平上作观察、实验组15 μg和3μg上软骨缺损处有较多透明软骨生长,15 μg组基本能达到完整的修复 ,0.6 μg和0μg实验组以纤维软骨的生长为主,而空白对照则未见任何组织的生长,软骨修复很差。Sellers[17]等研究了rhBMP-2对成熟新西兰兔全厚关节软骨缺损治疗的影响。 

他们将25只兔的右股骨的滑车沟造成一个3 mmx3 mmx3 mm的缺损,用三种方法(缺损处不放任何东西,单纯胶原海绵和用0.5 μg thBMP-2浸泡的胶原海绵)进行实验,52周时用thBMP-2浸泡的胶原海绵充填者,修复软骨的厚度达70%,而且接近正常的软骨。组织学分级标准平均积分均明显高于其它组(p<0.01),而且在所有不同的时间阶段上均是如此。这些都为BMP对人的关节软骨损伤的生物修复提供了依据。

但不是使用BMP的量越多对软骨修复的能力就越强,少量使用在体内会快速稀释和降解,达不到促进骨修复的效果,大量使用不仅浪费而且造成血肿、异位成骨、肿瘤和过度骨化等并发症[18]。研究表明,thBMP-2促进骨愈合的能力不仅与其剂量相关,而且与载体关系密切,因为适当的载体具有缓释、降低药物的、可生物降解和提高药物的溶解度、稳定性、持续性等优点。Takashi Taniyama等[19]则利用多孔质羟基磷灰石胶原蛋白( Hap/Col)作为载体进行类似以上实验,并观察thBMP-2在载体 上释放的动力学,结果显示以 Hap/Col作为载体的 thBMP-2量为5μg组比量为25 μg组对关节软骨损缺的 修复更有效,表明thBMP-2想要达到大化的治疗效果,其应使用在适当的输送给药系统,而这系统应拥有适当的 剂量的缓慢释放且能防止BMP-2被变性的功能。 余升华[20]等将30只新西兰种成年兔随机分为A,B,C3组,每只兔子左膝股骨髁间凹做一大小为4mmx5mmx2.5 mm的全层关

节软骨缺损。A,B组缺损内分别填 充骨纯化骨形态发生蛋白/纤维蛋白胶及纤维蛋白胶.C组为空白。术后28周,骨形态发生蛋白/纤维蛋白胶组缺 损组织以透明软骨修复为主, 几乎接近正常组织,而纤维 蛋白胶组和空白组则以纤维组织修复为主,这不但提示了 骨形态发生蛋白对关节软骨的修复能起重要作用,而且证 实医用生物蛋白胶(FG)对BMP具有良好的缓释的功能,不引起宿主免疫排斥反应,易被组织吸收及新骨替代,可塑性好,在多方面符合BMP载体的理想条件。 

通过实验研究证明,BMP-2是目前是已知的能够发挥良好的骨诱导活性、促进软骨及骨样组织生成作用强 的生长因子,可明显增强软骨细胞外基质的合成与分泌。 重组人骨形态发生蛋白-2是目前获得美国FDA批准可用于临床的成骨因子。所以关于BMP以往的研究大都 趋向于BMP-2.但对于其它BMP家族成员也具有诱导间质细胞分化为软骨细胞形成软骨组织的能力。尤其在美国的FDA近已经批准使用OP-1(BMP-7)治疗脊柱融合,强调其在骨科和牙科诊所的使用后,关于BMP的研究变得多样化[10]。Masonc[21]等利用腺病毒作为载体将骨形态发生蛋白-7的脱氧核糖核酸序列基因重组至家兔的骨膜来源的间充质干细胞( MSC)中,然后将细胞在体外培养,达到一定数量后,混合在载体中,将其植入家兔的关节软骨缺损模型中,16周后评估结果为实验组无论在大体还是 在组织水平几乎达到完整的软骨修复,而对照组并没有这样的结果。由于BMP-7有促进软骨和骨形成的作用,因此,通过对BMP-7的深入研究,并适时地应用于临床,将有利于缩短关节软骨损伤修复的时间。Miljkovie等[22]通过实验证实BMP-4无论在体外和体内都能促进软骨的形成,且能很好的诱导间充质干细胞软骨化和软骨细胞进一步成熟。但并非所有骨形态生成蛋白都对软骨的修复有积极的作用,BMP-3则属于这类,其已被证实会通过抑制BMP-2的活性来抑制成骨,临床上仅见用于治疗石骨症 等相关矿质过剩的骨病。但Zhe等[23]则通过试验着重观察 BMP-3发挥功能时的相关信号通道,推测出完整的软骨修复过程需BMP-3的调控参与,这为BMP在促进软骨形成的过程中从信号通道、生长因子间方面的研究提供了方向。 

4前景展望

大量实验已证实BMP在软骨损伤修复中起到重要的 促进作用,但其目前主要的研究还是以动物实验为主,临 床上应用BMPs治疗关节软骨损伤的资料仍较少,因为要将其应用于临床
上仍存在很多问题,如BMP在软骨形成 过程中的作用机制,复合材料、载体的选择,应用于人体的 安全性和有效性,BMP与其它生长因子之间的相互关系还 不明确等,这方面的研究经验仍需进一步总结,但随着这 些问题的不断解决和分子生物学、组织工程学、基因工程的不断发展及临床的不断探索,骨形态发生蛋白在软骨修 复上的应用将具有更加广阔的前景。

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