Recombinant human bone morphogenetic protein-2 induces bone repair

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.07.029

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: Recombinant human bone morphogenetic protein-2 has better biological activity, lower cost, better biocompatibility and earlier osteoinductive time than natural bone morphogenetic protein-2, which has become a hot topic on clinical orthopedic trauma disease prevention and treatment in recent years.
OBJECTIVE: To make a consumption of the advantages, disadvantages and the future development of recombinant human bone morphogenetic protein-2 in bone tissue engineering and bone repair.
METHODS: The first author searched CNKI and SPRINGERLINK (2005/2011) to retrieve the articles about the recent development of recombinant human bone morphogenetic protein-2 on bone tissue engineering and bone repair. The key words were “rhBMP-2, bone tissue engineering, bone repair materials” in Chinese and English, respectively. Totally 98 articles were searched, and finally 30 articles were retained to make a further research.
RESULTS AND CONCLUSION: The content of natural human bone morphogenetic protein-2 is very low and the cost of gaining is high. This, to some extent, limits its clinical usage. However, recombinant human bone morphogenetic protein-2 overcomes this disadvantage, and shows its great potential in bone tissue engineering and bone repair. According to the in vitro tests, it has good biocompatibility and no cytotoxicity for clinical application. Recombinant human bone morphogenetic protein-2 and recombinant human bone morphogenetic protein-7 have now been applied to plastic surgery to induce bone regeneration. Because recombinant human bone morphogenetic protein-2 is an exogenous cell growth factor, its clinical application often relays on multi-super-physiological doses, leading to a series of potential risks, such as, soft tissue edema, skin rash, and local inflammatory reaction, heterotopic ossification and immune response. Therefore, the safety studies of recombinant human bone morphogenetic protein-2 for the human body need to be researched in long run. It is the core issue to find an ideal carrier for the effective control of in vivo sustained release of recombinant human bone morphogenetic protein-2.

Key words: tissue construction, academic discussion of tissue construction, recombinant human bone morphogenetic protein-2, bone tissue engineering, bone repair, biocompatibility, carrier, cell growth factors, the National Natural Science Foundation of China

CLC Number:

R318

Xie Xing-wen, Jiang Hui, Li Ning, Li Sheng-hua, Song Min, Zhao Yong-li, Hou Fei-yi, Huang Jin. Recombinant human bone morphogenetic protein-2 induces bone repair[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(7): 1319-1323.

Figures/Tables 1

2.1 rhBMP-2在骨修复领域应用中的优势骨形态发生蛋白作为一类可独立诱导骨髓间充质干细胞向成骨细胞方向分化的细胞因子，是由Urist在1965年最初报道的从骨组织中分离出的一种能诱导异位骨及软骨的蛋白质[4]。目前，骨形态发生蛋白家族中已有20余种蛋白得以分离纯化，其中骨形态发生蛋白2具有很强的成骨作用，是骨组织工程中最常用的生长因子[5]。骨形态发生蛋白2可从骨中分离得到,但是产量极低，每千克皮质骨仅含1.0-2.0 μg活性蛋白，并且存在感染风险、提纯分离程序复杂、原料来源有限等问题,严重阻碍了其临床应用。重组DNA技术及分子生物学的迅猛发展，使得人工重组合成骨形态发生蛋白成为现实，它的成功研制为进一步用于骨组织修复奠定了基础。 rhBMP-2具有明确的成骨诱导作用：rhBMP-2的成骨诱导能力与骨形态发生蛋白2类似，而在诱导骨组织形成的时间上rhBMP-2要明显早于后者，并且其成骨量、血管和骨髓样组织的形成量也明显多于骨形态发生蛋白2。纯化得到的rhBMP-2能诱导小鼠C2C12细胞中Smads和成骨标志蛋白Runx2/Cbfa1和Osterix转录水平的增加，且无细胞毒性[6]。田璐鸣等[7]通过动物实验证明rhBMP-2能促进兔下颌骨牵引成骨，并且具有浓度依赖性。碱性磷酸酶和骨的钙化作用密切相关，通过检测碱性磷酸酶含量,可以鉴定rhBMP-2的诱导成骨作用活性，研究显示rhBMP-2能显著提高C2Cl2细胞的碱性磷酸酶活性[8]。 rhBMP-2具有良好的生物学活性：rhBMP-2的活性程度决定其功能的展现。将rhBMP-2与配对碱性氨基酸切割酶在中国仓鼠卵细胞内进行共表达[9],配对碱性氨基酸切割酶可通过提高成熟rhBMP-2二聚体翻译后修饰活性,提高其真核表达。张宏斌等[10]采用细胞及动物实验对其制备的rhBMP-2的生物活性进行鉴定，结果表明其具有较好的生物学活性。活性rhBMP-2的成功制备为进一步临床及科研应用奠定了基础。 rhBMP-2具有良好的生物相容性、安全性：目前大量动物实验及体外试验研究证实，rhBMP-2不会引起全身毒性反应、无细胞毒性反应及细胞致突变作用。Nordsletten等[11]分别用rhBMP-2和自体ICBG结合异体腓骨移植对33例患者进行颈前路椎间盘切除椎间融合手术，两组患者术后6个月均获得了影像学融合且未发现内植物相关并发症。术后24个月，rhBMP-2组的颈部症状改善和上肢疼痛评分均优于对照组，亦未发现任何并发症或不良反应。此外，目前尚未发现rhBMP-2对肿瘤细胞的生长有促进作用，这些研究为rhBMP-2能安全有效地用于临床治疗提供了理论依据。 rhBMP-2是应用分子生物学技术将人骨形态发生蛋白DNA编码序列置于包含有选择标记物和启动增强序列的载体内，通过该载体将DNA编码序列转染至中国仓鼠卵巢细胞，再将这些细胞扩增培养，从而大量提取的。其分离纯化工艺成熟、原料资源丰富、成本相对较低，可以满足未来大量临床应用及科研需求。 2.2 rhBMP-2在骨修复领域应用中存在的问题rhBMP-2强大的成骨诱导能力、良好的生物活性和生物相容性以及相对丰富的原料来源和相对低廉的生产成本使其在骨组织工程领域展现出了广阔的应用前景，因此，将其应用于骨再生具有重大的临床意义。目前，支持者报道显示rhBMP-2体外试验无细胞毒性具有良好的生物相容性可供临床应用，其中rhBMP-2和rhBMP-7现已被应用于外科整形手术诱导骨再生[12]，但由于rhBMP-2是外源性细胞生长因子，临床应用多为超生理剂量，故潜在有软组织水肿，皮肤红疹、局部炎症反应、异位骨化和免疫反应等不良后果的危险，所以rhBMP-2用于人体后的安全性研究还须长期密切关注。再者，要使rhBMP-2在临床及科研中达到理想的骨再生效果仍面临一些问题。一方面由于体内蛋白酶和抑制物能将单纯的rhBMP-2迅速分解稀释。研究表明仅有5%的蛋白会留在植入部位，且植入体内数小时后即可被蛋白酶分解，这就使得rhBMP-2有效浓度在体内维持时间十分有限，导致其诱导骨形成的能力受到限制[13]。另一方面单纯rhBMP-2自身不具有填充和支架作用，无法单一在骨缺损处发挥充填、支撑、修补、融合等力学性能，从而严重制约了骨修复作用。rhBMP-2在体内的迅速扩散分解已经成为其广泛应用的瓶颈。 2.3 控制rhBMP-2体内缓释的有效途径国内外研究均集中在研制rhBMP-2载体上，目前研究显示，rhBMP-2主要与以下几类材料结合，可达到体内有效缓释的目的。 2.3.1 结合天然高分子材料天然高分子材料生物相容性优良，但体内降解速率较快，生物力学性能欠佳，存在免疫原性问题，来源差异性大，主要包括壳聚糖、透明质酸、胶原。王丁丁等[14]发现与单纯骨填充材料、rhBMP-2生物骨材料相比，缓释型rhBMP-2/壳聚糖生物骨修复材料诱导C2C12细胞向成骨晚期分化能力与异位骨形成能力显著增强(P < 0.05)。透明质酸钠复合rhBMP-2能够显著促进骨质疏松症大鼠胫骨内种植体周围新骨形成[15]，加快成骨速度，促进骨质矿化。同时，rhBMP-2复合Ⅰ型胶原海绵蛋白载体，可以有效地减缓rhBMP-2在体内扩散的速度，使之更能有效发挥诱导骨生成的活性[16]。 2.3.2 结合合成降解聚合物材料合成降解聚合物是当前骨组织工程的热门材料，可通过改变聚合物分子量及其组成来控制它的降解速率，另外降解产物可由机体呼吸、循环系统排出体外，主要包括聚乳酸和聚羟基乙酸。聚消旋PDLLA/PLA-PEG-PLA复合rhBMP-2后有诱导-传导双重功能[17]。此外，研究发现新型涂层材料PDLLA/rhBMP-2具有促进新骨形成和提高骨结合率的双重作用[18]。 2.3.3 结合生物陶瓷生物陶瓷具有良好的生物相容性、生物力学性，活性陶瓷主要有磷酸三钙和羟基磷灰石。多孔n-HA/PA66作为骨组织工程支架复合rhBMP-2后[19]，可增强早期成骨能力，加速其与受体骨的愈合。余雷等[20]研制的rhBMP-2/GMs/CPC微球系统复合材料在体内易降解,具有良好成骨活性。 2.3.4 结合复合材料是当前该领域研究热点，可根据需要不同，搭配不同的材料，发挥各自的优势。壳聚糖/β-磷酸三钙/rhBMP-2复合体[21]，可降解具有良好的生物相容性、骨传导及骨诱导能力。刘越等[22]构建的纳米羟基磷灰石/明胶/纤维蛋白胶/rhBMP-2三维多孔隙仿生型支架，具备与自然骨相似的三维孔隙性结构及组分，同时可促进BMSCs黏附、增殖及成骨分化。 2.4 rhBMP-2在骨修复领域应用中的研究现状 Herford 等[23]通过体外实验发现，rhBMP-2/ACS的使用是安全有效的。Glassman等[24]对91例使用rhBMP-2替代ICBG接受单节段或双节段脊柱后外侧融合手术的患者进行回顾性研究，通过薄层CT扫描对术后融合率进行了评估，发现使用rhBMP-2可获得与ICBG等同的融合效果。Pengde等[25]分别应用钛笼/rhBMP-2/自体骨移植及磷酸钙骨水泥/ rhBMP-2进行实验，结果表明加入rhBMP-2比无rhBMP-2修复速度快。同时，Haidar 等[26]研究发现rhBMP-2的使用过程中，不同动物模型根据动物种类、手术方式、骨缺损部位及缺损长度，所采用的蛋白浓度亦有不同。Axelrad 等[27]在临床应用中发现，rhBMP-2用于腰椎融合病例的剂量往往是毫克级的。Lewandrowski等[28]报道68例TLIF术中采用rhBMP-2的患者中，5例在第5腰椎椎体发生了骨溶解。3个月后这些影像学表现得到缓解，临床症状亦完全消失，说明rhBMP-2在临床应用中还应密切关注其潜在的并发症。赵刚等[29]将不同充填材料应用于经皮椎体成形术观察效果，结果提示rhBMP-2复合自固化磷酸钙人工骨具有可操作性长，发生骨替代时间较短，有利于永久性重建脊柱稳定性。肖荣驰等[30]观察rhBMP-2/20%β-TCP/PDLLA复合物促进兔腰椎横突间植骨融合模型愈合的情况，发现rhBMP-2/20%β- TCP/PDLLA复合物是一种较为理想的自体骨组织替代物，可以替代自体髂骨进行椎体间脊柱融合。"

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