"再生"讲堂

1、第104号捐献:对器官捐献与移植的思考?

2、 人类关于再生的最早想法

3、上世纪上半叶颇具盛行的组织疗法

4、组织工程学的建立和发展

5、组织/器官的原位再生

6、什么是再生医学材料?

7、人类新希望:再生医学(央视视频)

8、皮肤创伤与再生修复材料

9、 骨科再生医学材料

10、 神经损伤与再生修复材料

11、 干细胞与再生医疗

12、 生长因子(蛋白或多肽)

待续,请继续关注......

 

骨形态发生蛋白(BMPs)及其释放系统

 

2.1 骨形态发生蛋白(BMPs)

1967年,Urist 等在首先制备出DBM的同时,提出DBM的骨诱导性来源于一种新的诱导因子[125]。几年后,Urist 和Strates将这种因子命名为骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP),并且从大鼠和兔中提纯出BMP[96,126,127]。此后,研究发现BMPs实际上是负责胚胎发育过程一系列事件和出生后骨化的一组蛋白质[93,128]

由于BMPs在许多方面的重要作用,如胚胎的骨骼形成,骨诱导作用和骨修复作用以及可作为自体骨移植物的替代物[129,130],因而在整形外科中具有重要的应用价值。到目前为止,已有15种BMPs被鉴定和克隆[93]。Wang和Sampath分别重组了人骨形态发生蛋白2 和7(rhBMP-2,rhBMP-7),并且发现在大鼠模型中均具有在异位组织诱导骨形成的能力,这一过程类似软骨内骨化[129,131]。Einhorn研究表明,经皮注射rhBMP-2可加速大鼠正常的骨折愈合过程[132,133]

Bostrom等应用BMP-2抗体研究了骨折愈合组织中BMP-2的表达,发现骨折愈合经历了两个深染的阶段,第一阶段为初始阶段,在原始间质细胞和软骨细胞内;第二阶段是在成骨细胞内,发生于成骨细胞进入软骨样基质时[134]。说明BMP-2在骨折愈合过程中的不同阶段均发挥其重要的调控作用。

尽管BMPs的应用对整形外科非常重要,但在实际应用中,尤其是直接应用,往往不能发挥正常作用。因此,需要借助一定的载体,使BMPs在体内缓慢释放,以保持较长时间的活性。

2.2 以材料为载体的释放系统

在不同的实验模型中,BMP已被用于局部释放以修复骨缺损和骨不连[135-149]。释放系统包括DBM、胶原复合物、纤维蛋白、磷酸钙、PLA、PLGA、PLA-PEG、羟基磷灰石、牙科石膏和钛合金[93,150-154]。理想的释放系统应该具备:1)能使BMPs缓慢释放,缓慢发挥生物学作用,可快速吸收,以及支持细胞增殖和血管再生;2)具有足够的刚性直至被完全吸收;3)易于保存,操作和消毒[93,155]

2.2.1 天然衍生高分子释放系统

对于长骨如胫骨的大部骨缺损,目前的治疗方法通常局限于多级重建或截肢[156]。研究者们将BMP 2 和7应用于治疗长达17cm的临床和实验骨缺损,结果表明,可显著有效地提高骨缺损的愈合能力[93, 132, 140, 149, 158-161]。Yasko 等[149]对45例大鼠的股骨造成5-mm缺损,以DBM为载体与重组人骨形态蛋白rhBMP-2结合应用于缺损处,结果证明BMPs可作为骨移植替代物而来源不受限制。

Reddi 和Levine均以不溶的胶原作为BMP载体,并指出胶原基质的局限性[143,162],可能的原因是胶原的压缩强度低。但通过将胶原基质与HA、TCP、玻璃珠和聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate)进行比较后认为,胶原更适合作为药物释放基质[162]

Johnson等[161]收集了25例患有顽固骨不连并有部分或完全骨缺损病例,其中23例经过三次外科手术均未实现骨末端融合。这些患者经过3-7个月的hBMP和DBM作为贴敷或镶嵌移植治疗,结果20例实现了骨连接,剩下的5例经过第二阶段治疗其中4例获得骨连接。

但研究者认为,天然衍生材料作为BMP载体,往往由于亲水的BMP释放过快,在骨诱导发生之前即已完全扩散[163-165]。同时,天然衍生材料还存在抗原性以及携带病毒及其它病原微生物的风险[81,93,.128,141,100,158,159,161]

2.2.2 合成高分子释放系统

尽管合成高分子如PLLA具有炎性反应和吸收时间较长等缺陷,但由于其独特的理化特性,可作为BMPs的一种靶向释放载体[163]。早在1987年,Ferguson等将纯化的牛BMP 混入PLGA修复骨缺损,结果16周时新生骨在未吸收的聚合物周围形成,而直接应用BMP的动物则完全修复。因此,作者认为聚合物造成的屏障可阻碍骨的完全形成;只有降解较快的共聚物适合于BMP的控制释放而不影响骨的形成[137]。Kirker-Head等将rhBMP 2 与PDLGA(poly-D,L-lactide-co-glycolide)粒子(150-500mm)和自体血液混合,用于治疗10只羊2.5cm长的股骨缺损,结果其中5只获得治愈。缺损处共聚物被完全吸收,松质骨和皮质骨桥接于整个缺损[166]。Miyamoto[163]评价了数例以PLAs 和不同分子量的聚交酯(polylactides)作为BMP载体的动物实验,聚合物分别采用缩聚和开环聚合的方式合成。结果表明,不同的聚合方式得到了不同分子量的聚合物,PLA/BMP或PLLA/BMP复合物的形貌也发生明显改变,变化范围从粘性液体直到微球;而且完全降解所需要的时间也随之改变。实验所用的BMP是从大鼠骨肉瘤(osteosarcomas)中提纯出来。所有的聚合物中,只有分子量为650 daltons 的PLA可有效地透导异位骨再生(大鼠腹部肌肉),并且2周时完全降解。随后的研究中,他们将650-dalton PLA/BMP复合物与200-dalton PEG复合,在大鼠腹肌中移植后成功地诱导了骨生成和骨髓生成。将羟基磷灰石混入这种复合物,可使其从粘性液体转变为膏状物;根据性状不同,粘性复合物可用于可注射的骨诱导材料,而膏状复合物可作为基质支架[154]

除了分子量,支架的结构和形状也可影响BMP的释放,根据不同的用途需制备不同结构的释放系统[162]

2.2.3 陶瓷释放系统

Koempel等提出将BMP复合入孔径为200-500的多孔HA可以增强宿主骨内生长[142]。Tsuruga 等[153]系统地研究了BMP在不同孔径HAs内的释放,发现孔径为300-400的HA,骨形成能力最强。Takahashi 等应用合成的多孔HA与高剂量的rhBMP-2复合,对14只山羊行多节段颈椎前路固定术,尽管缺乏术后固定作用和多孔HA存在的自身缺陷(脆性、降解缓慢、无骨诱导性和力学性能下降),但全部动物出现了骨融合[148]。Asahina 等将HA/胶原/牛BMP复合物置入灵长类动物模型的人工腭骨缺损,结果骨诱导作用明显好于对照组[135]。Gao等将山羊BMP/胶原复合物与孔径为200-400mm的HA管状支架复合修复山羊胫骨缺损,显示了较好的骨传导性和骨诱导性,新生骨的硬性组织形成和力学性能提高均高于对照组[138]