二磷酸盐和骨形态发生蛋白对内植物固定作用的影响

赵　军　综述，蒋仁伟审校（重庆市中医骨科医院骨一科400012）

随着老年型社会的到来，原发性骨质疏松症的发病率越来越高。临床中遇到需行螺钉固定或假体置换的骨质疏松患者不断增加，但骨质疏松患者骨质量低下，植入物周围骨的生物机械性能降低，影响内植物-骨界面的稳定性。并且骨质疏松患者骨脆性增加，在螺钉固定钻孔、假体插入时，更容易引起细微骨折和局部热损伤，诱发早期内植物周围的炎性反应，使破骨细胞聚集增多，引起骨溶解或骨吸收发生[1]，而骨质疏松患者体内自身修复的因子表达缺乏，骨修复作用降低，同时骨质疏松患者所形成的骨组织脆弱，对内植物支持作用比正常骨组织降低，最终导致螺钉松动，假体的移位、下沉，手术失败。

近年来，内植物-骨界面的稳定性研究主要集中在对内植物设计和对内植物表面的修饰处理上，如通过螺钉接骨板的锁定机制提高螺钉骨界面抗拔出性能，减少早期螺钉切割，或通过植入假体表面羟基磷灰石涂层，增加骨长入。虽然可在一定程度上减少内固定的失败，但提高内植物周围骨质量，增强内植物-骨界面固定强度，改善骨质疏松状态才是最终的解决办法。

研究发现，内植物植入骨后，周围骨组织结构的改建，类似于骨折的愈合，而骨折的修复涉及骨组织不断被替换，坏死骨组织被清除，新生骨组织长入。正常骨折愈合分为血肿机化演进期、原始骨痂形成期和骨痂改建塑形期；而骨质疏松性骨折愈合过程为纤维性骨痂生成期、软骨骨痂形成期和骨性骨痂期。通过对骨质疏松性骨折的组织学观察发现：纤维性骨痂生成期主要是成纤维细胞合成、分泌Ⅲ型胶原；软骨骨痂形成期主要是成软骨细胞合成、分泌Ⅱ型胶原；骨性骨痂主要随着软骨内成骨的出现和发展，抗张力性能较强的Ⅰ型胶原逐渐取代Ⅱ型胶原。在骨质疏松性骨折的修复过程中，软骨内成骨和膜内成骨都有参与，但以软骨内成骨为主。软骨内成骨慢，骨转换加速（骨吸收大于骨形成），形成的骨痂内胶原纤维松散、排列方向紊乱，导致骨折愈合质量低下[2]。因此，骨质疏松性骨折临床愈合时间较长，具有较高的骨折延迟愈合和不愈合率，且愈合的骨痂质量与力学强度均低于非骨质疏松性骨折的骨痂，发生再骨折的概率较大。一些治疗骨质疏松药物和细胞因子逐渐被用作骨质疏松骨折的辅助治疗，同时用于骨缺损治疗，现就二磷酸盐和骨形态发生蛋白（BMP）这方面的发展情况作一综述。

1　二磷酸盐对内植物固定作用的影响

1.1二磷酸盐抗骨吸收的机制二磷酸盐在临床上成功地用于骨质疏松及相关骨退行性疾病的治疗，现在逐渐成为骨科手术的辅助用药。二磷酸盐的构效关系至今尚不完全清楚。但已明确产生活性的必要条件是其基本结构P-C-P基团。不同二磷酸盐的作用效果取决于C原子上取代侧链的类型。最新的二磷酸盐由于含N原子的侧链，降低了细胞毒性[3]，含N原子的侧链的二磷酸盐（帕米磷酸盐、阿伦磷酸盐、利塞膦酸盐、伊拜膦酸盐、唑来膦酸盐）抑制法尼基二磷酸（FPP）合成酶，从而避免了细胞功能紊乱，防止细胞凋亡。而不含N原子侧链（如氯膦酸盐）会在线粒体里产生细胞毒性产物，诱发细胞凋亡[4]。

二磷酸盐在骨矿沉积部位起作用，特别是在处于高骨转换的骨折部位[5]，一般认为，其抗骨吸收的机制可能有：（1）干扰已成熟破骨细胞功能；（2）在骨表面形成足够的浓度梯度，直接影响破骨细胞的活化；（3）直接抑制成骨细胞相关的细胞因子如TNF、IL-6的生成。这3个方面相互作用，相互影响。实验研究证明，二磷酸盐干扰破骨细胞附着，改变破骨细胞超微结构，特别是阿仑膦酸钠，选择性地与破骨细胞骨内膜的活性位点结合，使破骨细胞失活。这也解释了二磷酸盐在机体内半衰期长的原因。但当骨吸收时，通过内吞作用被破骨细胞摄取，在细胞内引起一系列生化反应如抑制焦磷酸酶活性、抑制溶酶体酶以及干扰前列腺素和蛋白质的合成，导致破骨细胞“麻痹”。

1.2二磷酸盐对内植物周围骨修复的影响骨的修复是一个动态，复杂的过程，过度的负重和不稳都会影响骨的修复，致使骨吸收增加，骨折的延迟愈合或不愈合。二磷酸盐通过抑制骨的吸收改善骨的修复。AMANAT等[6]通过大鼠开放截骨，发现帕米磷酸盐能显著增加骨痂体积和骨矿物质含量，在第6周时，骨折端的强度比对照组增加60%。同时在闭合性骨折的大鼠模型中[7]，唑来膦酸盐治疗后，骨痂的大小和强度同样增加。随后的研究调查不同的给药方案[8]，单一全身用药比小剂量间歇的多次用药同样有利于提高骨强度，而且单一全身用药更有利于骨折愈合后骨痂的重塑。同样在兔的牵张成骨的实验也有同样的发现，骨折的愈合也依赖于二磷酸盐对骨的合成代谢[3]。在对一组行胫骨截骨矫形治疗膝关节疾病的患者，截骨后采用钢板螺钉稳定，试验组静脉注射唑来膦酸盐，对照组注射同等计量的生理盐水，两组骨折愈合的时间无明显差别[9]。

有学者关于系统性二磷酸盐治疗对内植物固定作用的影响研究表明，在内植物植入早期，二磷酸盐有利于提高内植物与骨的接触率，增加植入物周围的骨量，提高在骨中的拔出强度[10-11]，但二磷酸盐要达到治疗剂量必须达到很高的浓度，有时这种浓度是正常骨质疏松治疗的50倍[12]，高剂量的二磷酸盐常与额骨的缺血坏死有关。为避免高剂量系统性用药的不良反应，PETER等[13]将表面带有羟基磷灰石的内植物浸泡于二磷酸盐溶液中，发现羟基磷灰石表面有高浓度的二磷酸盐聚集，促进了骨在内植物表面的附着，增加了骨密度，提高了内植物的机械性能。所有这些研究都是在动物体内进行，并且观察的时间太短，内植物都是放在非负重部位，缺少应力的刺激，浸泡二磷酸盐的螺钉能在体内持续多长时间并未说明。高浓度的二磷酸盐会阻止破骨细胞引起的骨吸收，但同时也有可能影响骨的修复过程，这对内植物在体内最终的稳定是不利的。并且有证据显示帕米磷酸盐会抑制蛋白和胶原的合成，抑制成骨细胞胶原纤维的分泌，而胶原纤维是骨与内植物整合的必要物质，内植物在骨内的稳定会受到不良影响[14]。同时，如何将带有二磷酸盐的羟基磷灰石固定在金属表面，什么才是最理想的涂层。这些都是有待解决的，因此，如何一方面有效阻止内植物周围的骨吸收，另一方面如何去除二磷酸盐对骨重建的影响，是需要进一步研究的。

2　BMP对内植物固定作用的影响

2.1BMP促骨形成的机制BMP是早期诱导骨组织形成与发生的重要信号分子，调节成骨细胞及软骨细胞分化，并且在维持骨的矿物质含量和骨改建方面起着重要作用[15]。自 1965年 URIST[16]发现 BMP以来，BMP已从动物实验用于临床骨缺损治疗。BMP是一类酸性糖蛋白，是由2个亚基以1个二硫化物健结合而成的二聚体分子。活性的二聚体或异二聚体BMP通过与受体结合发挥作用，其主要成骨作用是诱导间充质干细胞分化成成骨细胞或成软骨细胞，进而促进新骨形成。到目前为止，已有超过30种BMP相关蛋白被确定，其中与成骨关系最重要的是BMP-2及BMP-7，BMP-2研究得最多，其主要从2个方面促进骨的形成，通过募集骨髓干细胞并诱导其分化为成骨细胞或软骨细胞，在通过矿盐沉积形成新骨，在骨的修复和再生过程中，还抑制成骨细胞的凋亡；另一方面其还能促进其他成骨因子的表达，增加骨桥蛋白、COL1、脂肪酸偶联蛋白4、碱性磷酸酶等的表达，这些蛋白在成骨细胞分化中起着关键作用。BMP-2缺乏可导致严重的骨质疏松。BMP拮抗剂gremLin通过与BMP-2的直接连接，可阻断BMP的作用通道，导致自发性骨折。相反，当在鼠的骨骼中去除gremLin时，会导致骨密度的增加[17]。在治疗骨缺损时，COOK等[18]将牛Ⅰ型胶原作为BMP-7载体，植入猴尺骨骨缺损中，术后1周后在缺损边缘可见到细胞生长，术后3周，能在影像学上看到新生骨痂，组织切片可观察到成骨分化，12周时，新骨量及矿化程度明显上升，在骨植入部位可见到丰富的软骨细胞、成骨细胞及钙化后形成的成熟骨组织，并可见到少量载体残余。AROSARENA等[19]在小鼠下颌骨缺损处分别植入胶原/羟基磷灰石/磷酸三钙、透明质酸与BMP-2的复合物，6周时病理学切片发现后者比前者有更多的类骨质和新骨形成，可见BMP在骨缺损修复中起着极其重要的作用。

2.2BMP基因治疗及对内植物周围成骨的影响由于BMP在体内很快会被酶类降解而失去作用，使得许多研究者将目光投向BMP基因治疗。用基因转移将带有BMP基因的载体直接注入体内或通过基因转染将BMP基因导入体外细胞后培养，再将转染有BMP目的基因的细胞注入体内，实现基因治疗。通过局部靶向持续释放，最大程度增加局部治疗效果，减小全身不良反应[20]。陈安威等[21]将转染有BMP-2的腺病毒用于兔下颌骨骨折的治疗，结果显示实验组骨折处新骨形成量及骨小梁密度显著高于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05）。LEE等[22]用携带有BMP-2的腺病毒和反转录病毒的骨骼肌细胞植入SCID鼠的颅骨缺损区中，术后4～8周，骨缺损愈合，在缺损部位可见明显的新骨重塑。

虽然BMP在体内主要是诱导干细胞向成骨细胞或软骨细胞分化，从而促进新骨形成，但研究发现，BMP促成骨的同时对破骨细胞也具有正向作用，可以促进骨髓基质细胞等向破骨前体细胞分化，增强破骨细胞活性。KANEKO等[23]在体外将BMP-2直接加入培养的兔破骨细胞中，发现骨吸收陷窝的数量随着加入BMP-2量和时间的延长而增加。随后在培养基中加入BMP-2抑制剂Follistatin，BMP-2的作用却被抑制。HENTUNEN等[24]研究发现，rhBMP-7可以诱导大鼠BMSCs向抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）染色阳性的细胞分化，分化的量与rhBMP-7浓度呈正相关。TAKAHASHI等[25]通过动物实验发现，以吸收性明胶海绵为载体，将rhBMP-2应用于治疗Ⅲ°根分叉病变，在6周时在植入部位可见破骨细胞样细胞聚集。而对照组未发现这一改变。MCGEE等[26]在用BMP-7联合同种异体骨移植治疗内植物周围骨缺损时发现，BMP-7不仅仅增加了新骨的形成，同时也刺激了同种异体骨的吸收，在内植物周围新生骨尚未形成有力支撑时，这种吸收有可能影响内植物在骨内的早期稳定性，使固定效果变弱。

3　展　望

二磷酸盐、BMP在促进骨形成，修复骨缺损上都有各自的优缺点，BMP促进新骨形成，有利于骨重建，但对破骨细胞正向调节作用却不利于内植物早期稳定，二磷酸盐能抑制破骨细胞，却减弱了骨的修复重建。因此，以后的研究重点是将二者联合使用，发挥其共同优点。