骨形成蛋白在骨缺损修复中的矛盾与克服
作者：赵廷宝 范清宇 郭照江
单位：赵廷宝(第四军医大学唐都医院 全军骨肿瘤研究所、全军骨科中心，陕西 西安 710038)；范清宇(第四军医大学唐都医院 全军骨肿瘤研究所、全军骨科中心，陕西 西安 710038)；郭照江(第四军医大学 政教室，陕西 西安 710032)
关键词：
医学与哲学000813中图分类号：R683 文献标识码：A
文章编号：1002-0772(2000)08-0038-02
正确理解骨形成蛋白(Bone Morphogenetic Protein,BMP)在骨缺损修复中的矛盾与克服，将有助于BMP的研究、应用和骨缺损修复这一临床难题的解决。
1 BMP的发现和确立
, 百拇医药
BMP是20世纪中叶发现和确立的。1952年，Urist将未分化的结缔组织细胞植入动物眼前房诱导新骨形成[1]。1965年他将动物的长骨皮质骨基质脱钙冻干后植入同种动物的肌肉组织内也诱导形成新生骨组织[2]。随后，他在这方面进行了广泛和深入的研究，并总结回顾了以往的研究结果，于1967年提出了骨诱导物质(Bone Induction Principle,BIP)的概念[3]。BIP被初步证实后，他首次提出了骨形成蛋白(BMP)的新概念，并认为BIP就是BMP，这一概念的提出使研究范围大大缩小，从而更加明确了这一领域的研究方向，在随后的10余年里，Urist等人在这方面做了大量的研究，并对BMP进行了分离和提纯。
2 BMP产量与其诱导形成新骨量的矛盾
BMP具有高效的骨诱导能力已被许多研究证实[4-6]，除了对其骨诱导活性进行多方面分析研究外，已有越来越多的应用研究报道。1982年，Takagi和Urist首先用牛BMP修复了大鼠颅盖骨的、不能自行修复的人工缺损，此后，又修复了成年狗的颅盖骨缺损。
, 百拇医药
Urist于1986年首次用50mg BMP修复1例患者的指骨内生软骨瘤刮除术后的骨缺损获得成功，这一方面证明BMP修复骨缺损是可行的，但另一方面也说明其用量大。而BMP在骨组织中含量极少，每千克湿的长骨皮质骨约含1 mg,若是高度纯化含量更低。
为克服BMP产量与其诱导形成新骨量之间的矛盾，国内外学者做了大量的研究。Kawamura[7]等将BMP与疏松的羟基磷灰石(Hydroxylapatite,HA)复合，结果表明，BMP呈网状分布于HA空隙壁上，复合后的材料骨生成明显增多。同时，为了提高BMP的产量，已开展基因重组BMP和改进提取工艺[8]并获得成功。
3 BMP在体内的吸收与作用于靶细胞时间的矛盾
BMP植入体内后很快就被机体吸收，加上没有载体起分布作用，只能作用于十分有限的时间和空间，不可能在长时间和大范围内起诱导成骨的作用。为克服这个矛盾，人们最初选用有微孔结构的明胶胶囊，将BMP装入其中，通过微孔缓慢释放BMP以达到目的。但这个方法不能满足用于修复较大的以及负重和行使功能部位的骨缺损。
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1984年，Urist[9]首先将BMP与β-磷酸三钙(β-TCP)复合植入小鼠肌肉中，发现新骨形成的量较同剂量的单纯BMP增加12倍。他认为，多孔的β-TCP作为BMP的载体，二者复合后植入体内，BMP得到缓慢释放，减慢了机体对BMP的吸收，延长了BMP作用于靶细胞的时间，同时，多孔的β-TCP也扩大了BMP的作用空间。
4 BMP诱导成骨与骨缺损区条件的矛盾
已研究证明，BMP诱导成骨过程的顺利完成，需要三个基本条件：(1)骨诱导因子，即BMP的存在；(2)靶细胞，即具有潜在骨生成能力的未分化间充质细胞；(3)良好的局部骨生成环境，即微环境因素。对于BMP所诱导的靶细胞，即未分化的间充质细胞，几乎遍布全身，但已证实肌肉组织中的未分化间充质细胞和可以称之为未分化间充质细胞家族成员之一的骨髓基质细胞最易受到BMP的诱导而分化成为具有骨生成能力的细胞。在实际应用BMP修复骨缺损时应充分评价骨缺损区是否符合上述三个条件，如果不具备，应进行补充，否则会影响BMP的骨诱导过程，并直接影响到BMP诱导形成的新骨组织的量，从而导致骨缺损修复的失败。
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5 BMP诱导成骨与填充骨缺损的矛盾
经过长期和大量的实验研究及临床观察发现，对于相对较小的骨缺损，单纯植入BMP可以达到很好的修复效果，而对于较大的骨缺损，则很难提供大量的BMP，即使能提供也达不到“骨支架”的作用。虽然已有很多研究结果提供了多种BMP的载体，如HA[7]、TCP[9]、纤维蛋白[10]及骨诱导性载体[11]等，从而从不同的角度和不同的程度解决了骨缺损区的填充问题，但是骨缺损的情况十分复杂，临床上各种类型和形状的骨缺损都能遇到，特别是肿瘤造成的骨缺损，有些在特殊部位，而有些则是巨大的，使骨缺损区的填充十分困难。为此，范清宇[12，13]等应用异体脱钙骨基质颗粒(DBM)复合骨水泥填充微波灭活骨肿瘤后遗留的骨缺损，得到了令人鼓舞的临床结果。为了进一步提高该材料的成骨诱导活性，他们又在此基础上复合了牛的BMP，经研究证明[14，15]，DBM—骨水泥—BMP复合材料既具有良好的骨缺损填充作用，又具有良好的成骨诱导活性，而且因含骨水泥，使材料的可塑形性大大提高，能根据不同部位、不同形状的骨缺损进行塑形填充，又有非常好的内固定效果。然而临床上目前常用的骨水泥不能在体内进行生物降解，这在一定程度上影响了骨缺损的骨性愈合。
, 百拇医药
6 BMP载体之间的矛盾
已知的BMP载体很多，目前研究较多的主要有三大类，即(1)非生物性BMP载体，包括生物陶瓷，主要是前述的HA、TCP以及石膏、多聚体类、钛、钛合金等。(2)生物性BMP载体，包括纤维蛋白、胶原和不溶性非胶原蛋白等。(3)复合类BMP载体，包括生物材料与非生物材料复合、非生物材料与非生物材料复合以及生物材料与生物材料复合等。上述材料之间相比较各有其特点：非生物材料具有支撑作用，能满足修复较大的或负重部位的骨缺损的要求，但不易降解；生物类载体能进行生物降解，但机械性能差；复合类载体具有以上两种载体的优点，但是仍然难以解决所有的骨缺损修复的矛盾。
综上所述，BMP的发现及确立为骨缺损修复开拓了广阔的前景，虽然到目前为止尚未找到其解决所有骨缺员修复问题的理想载体，但是矛盾的观点认为，世界上不存在解决不了的矛盾。因此，我们有充分的理由相信，随着研究的不断深入，能最终解决骨缺损修复矛盾的BMP的理想载体一定会在不久的将来产生。
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作者简介：赵廷宝(1963-)，男，山东诸城人，第四军医大学唐都医院全军骨肿瘤研究所、全军骨科中心99级博士生，研究方向：骨缺损修复、脊柱外科。
参考文献：
[1] URIST M R,MCLEAN F C.Osteogenic potency and new bone formation by induction in transplants to the anterior chamber of the eye[J].J Bone Joint Surg,1952,34-A:443-470.
[2] URIST M R.Bone:formation by autoinduction[J].Science,1965,150:893-899.
[3] URIST M R,SILVERMAN B F,BURING K,et al.The bone induction principle[J].Clin Orthop,1967,53:243-283.
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[4] SAMPATH T K,REDDI A H.Homology of bone-induction proteins from human,monkey,bovine and rats extracellular matrix[J].Proc Natl Acad Sci USA,1983,80:6 591-6 596.
[5] NILSSON O,URIST M R.Response of rabbit metappysis to implants of bovine bone morphogenetic protein(bBMP)[J].Clin Orthop,1985,195:275-280.
[6] WANG E A,ROSEN V,CORDES P,et al.Purification and characterization of other district bone-inducing factors[J].Proc Natl Acad Sci USA,1988,85:9 484-9 490.
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[7] KAWAMURA M,IWATA H,SATO K,et al.Chondrosteogene-tic respone to crude bone matrix proteins bound to hydroxylapatite[J].Clin Orthop,1987,217:281-292.
[8] 李亚非，胡蕴玉，李雪冰，等.骨粒粒度与强化搅拌对骨形态发生蛋白提取量和活性的影响[J].中华骨科杂志，1996，16：118-120.
[9] URIST M R,LIETZE L,DAWSON E.β-tricalcium phosphate delivery system for bone morphogenetic protein[J].Clin Orthop,1984,187:277-280.
[10] KAWAMURA M,URIST M R.Human fibrin is a physiological delivery system for bone morphogenetic protein[J].Clin Orthop,1988,235:302-310.
, 百拇医药
[11] 胡晓波，夏 筠，李 群，等.骨诱导性载体复合骨形态发生蛋白的双重成骨作用[J].Chin J Orthop,1988,18:80-83.
[12] 范清宇，马宝安，周 勇，等.骨盆环区域骨肿瘤的外科治疗[J].第四军医大学学报，1999，20：1 017-1 023.
[13] 范清宇，马宝安，周 勇，等.插入式微波天线阵列诱导高温原位灭活治疗肢体恶性或侵袭性骨肿瘤[J].第四军医大学学报，1999，20：1 024-1 028.
[14] 胡运生，范清宇，杨连甲，等.异体骨基质明胶颗粒骨水泥复合牛骨形成蛋白修复兔桡骨缺损[J].第四军医大学学报，1999，20：1 071-1 074.
[15] 周 勇，范清宇，蒋维中，等.异体脱钙骨基质颗粒骨水泥骨形态发生蛋白复合材料的成骨诱导活性[J].第四军医大学学报，1999，20：1 085-1 087.
收稿日期：2000-05-12, http://www.100md.com
单位：赵廷宝(第四军医大学唐都医院 全军骨肿瘤研究所、全军骨科中心，陕西 西安 710038)；范清宇(第四军医大学唐都医院 全军骨肿瘤研究所、全军骨科中心，陕西 西安 710038)；郭照江(第四军医大学 政教室，陕西 西安 710032)
关键词：
医学与哲学000813中图分类号：R683 文献标识码：A
文章编号：1002-0772(2000)08-0038-02
正确理解骨形成蛋白(Bone Morphogenetic Protein,BMP)在骨缺损修复中的矛盾与克服，将有助于BMP的研究、应用和骨缺损修复这一临床难题的解决。
1 BMP的发现和确立
, 百拇医药
BMP是20世纪中叶发现和确立的。1952年，Urist将未分化的结缔组织细胞植入动物眼前房诱导新骨形成[1]。1965年他将动物的长骨皮质骨基质脱钙冻干后植入同种动物的肌肉组织内也诱导形成新生骨组织[2]。随后，他在这方面进行了广泛和深入的研究，并总结回顾了以往的研究结果，于1967年提出了骨诱导物质(Bone Induction Principle,BIP)的概念[3]。BIP被初步证实后，他首次提出了骨形成蛋白(BMP)的新概念，并认为BIP就是BMP，这一概念的提出使研究范围大大缩小，从而更加明确了这一领域的研究方向，在随后的10余年里，Urist等人在这方面做了大量的研究，并对BMP进行了分离和提纯。
2 BMP产量与其诱导形成新骨量的矛盾
BMP具有高效的骨诱导能力已被许多研究证实[4-6]，除了对其骨诱导活性进行多方面分析研究外，已有越来越多的应用研究报道。1982年，Takagi和Urist首先用牛BMP修复了大鼠颅盖骨的、不能自行修复的人工缺损，此后，又修复了成年狗的颅盖骨缺损。
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Urist于1986年首次用50mg BMP修复1例患者的指骨内生软骨瘤刮除术后的骨缺损获得成功，这一方面证明BMP修复骨缺损是可行的，但另一方面也说明其用量大。而BMP在骨组织中含量极少，每千克湿的长骨皮质骨约含1 mg,若是高度纯化含量更低。
为克服BMP产量与其诱导形成新骨量之间的矛盾，国内外学者做了大量的研究。Kawamura[7]等将BMP与疏松的羟基磷灰石(Hydroxylapatite,HA)复合，结果表明，BMP呈网状分布于HA空隙壁上，复合后的材料骨生成明显增多。同时，为了提高BMP的产量，已开展基因重组BMP和改进提取工艺[8]并获得成功。
3 BMP在体内的吸收与作用于靶细胞时间的矛盾
BMP植入体内后很快就被机体吸收，加上没有载体起分布作用，只能作用于十分有限的时间和空间，不可能在长时间和大范围内起诱导成骨的作用。为克服这个矛盾，人们最初选用有微孔结构的明胶胶囊，将BMP装入其中，通过微孔缓慢释放BMP以达到目的。但这个方法不能满足用于修复较大的以及负重和行使功能部位的骨缺损。
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1984年，Urist[9]首先将BMP与β-磷酸三钙(β-TCP)复合植入小鼠肌肉中，发现新骨形成的量较同剂量的单纯BMP增加12倍。他认为，多孔的β-TCP作为BMP的载体，二者复合后植入体内，BMP得到缓慢释放，减慢了机体对BMP的吸收，延长了BMP作用于靶细胞的时间，同时，多孔的β-TCP也扩大了BMP的作用空间。
4 BMP诱导成骨与骨缺损区条件的矛盾
已研究证明，BMP诱导成骨过程的顺利完成，需要三个基本条件：(1)骨诱导因子，即BMP的存在；(2)靶细胞，即具有潜在骨生成能力的未分化间充质细胞；(3)良好的局部骨生成环境，即微环境因素。对于BMP所诱导的靶细胞，即未分化的间充质细胞，几乎遍布全身，但已证实肌肉组织中的未分化间充质细胞和可以称之为未分化间充质细胞家族成员之一的骨髓基质细胞最易受到BMP的诱导而分化成为具有骨生成能力的细胞。在实际应用BMP修复骨缺损时应充分评价骨缺损区是否符合上述三个条件，如果不具备，应进行补充，否则会影响BMP的骨诱导过程，并直接影响到BMP诱导形成的新骨组织的量，从而导致骨缺损修复的失败。
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5 BMP诱导成骨与填充骨缺损的矛盾
经过长期和大量的实验研究及临床观察发现，对于相对较小的骨缺损，单纯植入BMP可以达到很好的修复效果，而对于较大的骨缺损，则很难提供大量的BMP，即使能提供也达不到“骨支架”的作用。虽然已有很多研究结果提供了多种BMP的载体，如HA[7]、TCP[9]、纤维蛋白[10]及骨诱导性载体[11]等，从而从不同的角度和不同的程度解决了骨缺损区的填充问题，但是骨缺损的情况十分复杂，临床上各种类型和形状的骨缺损都能遇到，特别是肿瘤造成的骨缺损，有些在特殊部位，而有些则是巨大的，使骨缺损区的填充十分困难。为此，范清宇[12，13]等应用异体脱钙骨基质颗粒(DBM)复合骨水泥填充微波灭活骨肿瘤后遗留的骨缺损，得到了令人鼓舞的临床结果。为了进一步提高该材料的成骨诱导活性，他们又在此基础上复合了牛的BMP，经研究证明[14，15]，DBM—骨水泥—BMP复合材料既具有良好的骨缺损填充作用，又具有良好的成骨诱导活性，而且因含骨水泥，使材料的可塑形性大大提高，能根据不同部位、不同形状的骨缺损进行塑形填充，又有非常好的内固定效果。然而临床上目前常用的骨水泥不能在体内进行生物降解，这在一定程度上影响了骨缺损的骨性愈合。
, 百拇医药
6 BMP载体之间的矛盾
已知的BMP载体很多，目前研究较多的主要有三大类，即(1)非生物性BMP载体，包括生物陶瓷，主要是前述的HA、TCP以及石膏、多聚体类、钛、钛合金等。(2)生物性BMP载体，包括纤维蛋白、胶原和不溶性非胶原蛋白等。(3)复合类BMP载体，包括生物材料与非生物材料复合、非生物材料与非生物材料复合以及生物材料与生物材料复合等。上述材料之间相比较各有其特点：非生物材料具有支撑作用，能满足修复较大的或负重部位的骨缺损的要求，但不易降解；生物类载体能进行生物降解，但机械性能差；复合类载体具有以上两种载体的优点，但是仍然难以解决所有的骨缺损修复的矛盾。
综上所述，BMP的发现及确立为骨缺损修复开拓了广阔的前景，虽然到目前为止尚未找到其解决所有骨缺员修复问题的理想载体，但是矛盾的观点认为，世界上不存在解决不了的矛盾。因此，我们有充分的理由相信，随着研究的不断深入，能最终解决骨缺损修复矛盾的BMP的理想载体一定会在不久的将来产生。
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作者简介：赵廷宝(1963-)，男，山东诸城人，第四军医大学唐都医院全军骨肿瘤研究所、全军骨科中心99级博士生，研究方向：骨缺损修复、脊柱外科。
参考文献：
[1] URIST M R,MCLEAN F C.Osteogenic potency and new bone formation by induction in transplants to the anterior chamber of the eye[J].J Bone Joint Surg,1952,34-A:443-470.
[2] URIST M R.Bone:formation by autoinduction[J].Science,1965,150:893-899.
[3] URIST M R,SILVERMAN B F,BURING K,et al.The bone induction principle[J].Clin Orthop,1967,53:243-283.
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[5] NILSSON O,URIST M R.Response of rabbit metappysis to implants of bovine bone morphogenetic protein(bBMP)[J].Clin Orthop,1985,195:275-280.
[6] WANG E A,ROSEN V,CORDES P,et al.Purification and characterization of other district bone-inducing factors[J].Proc Natl Acad Sci USA,1988,85:9 484-9 490.
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[7] KAWAMURA M,IWATA H,SATO K,et al.Chondrosteogene-tic respone to crude bone matrix proteins bound to hydroxylapatite[J].Clin Orthop,1987,217:281-292.
[8] 李亚非，胡蕴玉，李雪冰，等.骨粒粒度与强化搅拌对骨形态发生蛋白提取量和活性的影响[J].中华骨科杂志，1996，16：118-120.
[9] URIST M R,LIETZE L,DAWSON E.β-tricalcium phosphate delivery system for bone morphogenetic protein[J].Clin Orthop,1984,187:277-280.
[10] KAWAMURA M,URIST M R.Human fibrin is a physiological delivery system for bone morphogenetic protein[J].Clin Orthop,1988,235:302-310.
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[11] 胡晓波，夏 筠，李 群，等.骨诱导性载体复合骨形态发生蛋白的双重成骨作用[J].Chin J Orthop,1988,18:80-83.
[12] 范清宇，马宝安，周 勇，等.骨盆环区域骨肿瘤的外科治疗[J].第四军医大学学报，1999，20：1 017-1 023.
[13] 范清宇，马宝安，周 勇，等.插入式微波天线阵列诱导高温原位灭活治疗肢体恶性或侵袭性骨肿瘤[J].第四军医大学学报，1999，20：1 024-1 028.
[14] 胡运生，范清宇，杨连甲，等.异体骨基质明胶颗粒骨水泥复合牛骨形成蛋白修复兔桡骨缺损[J].第四军医大学学报，1999，20：1 071-1 074.
[15] 周 勇，范清宇，蒋维中，等.异体脱钙骨基质颗粒骨水泥骨形态发生蛋白复合材料的成骨诱导活性[J].第四军医大学学报，1999，20：1 085-1 087.
收稿日期：2000-05-12, http://www.100md.com