骨形態蛋白與天然生物學材料復合的實驗研究

摘要：目前在臨床應用中大塊骨缺損一直以依賴于取患者自體髂骨移植為金標準，理想的骨缺損修復支架材料與天然骨基質的結構、組成成分及生物學反應相似的復合支架材料。筆者對近年來文獻報道的骨形態蛋白與天然生物材料衍生物復合包括：骨形態蛋白與膠原衍生物復合分子材料，骨形態蛋白與殼聚糖衍生物的復合材料，骨形態蛋白-2與透明質酸衍生物的復合材料這三大類，一一進行綜述。

關鍵詞：骨形態蛋白；骨修復；骨缺損；組織工程；支架

目前，在臨床應用中大塊骨缺損一直以依賴于取患者自體髂骨移植為金標準，天然骨基質主要是由無機結構和生物大分子有機結合在一起的復合體[1]。大量研究表明，理想的骨缺損修復支架材料與天然骨基質的結構、組成成分及生物學反應相似的復合支架材料，因而從同種自體骨、人工骨移植到后來的金屬填充材料、鈣磷陶瓷填充材料、聚合物填充材料以及經體外物理化學方法處理的復合骨組織等材料的單一使用后，發現或多或少存在取骨來源有限、免疫排斥反應風險、患者病痛加重、手術時間延長、感染、骨不愈合、移植骨塊大小的影響等問題[2]，而直到1965年Urist發現了一種能夠誘導間充質細胞向成骨細胞分化，并最終分化成骨的蛋白，將其命名為骨形態發生蛋白（bone morphgenetic protein，BMP）。現對近年來文獻報道的骨形態蛋白與天然生物材料衍生物復合的實驗研究總結如下。

1骨形態蛋白與膠原衍生物復合分子材料

膠原蛋白是一種有機的、抗原性較低、可進行生物降解的物質，除了具有生物力學方面作用外，還具有諸如信號轉導、生長因子與細胞因子的運輸等功能的大分子蛋白，在哺乳類動物體內含量較高，其具有良好的生物相容性及較高的抗張強度和彈性。Sawyera[3]等以聚ε己內酯/β磷酸三鈣與鼠型膠原蛋白的復合體作為支架材料，直徑約為5mm，圓柱狀。選擇45只12w左右體重為250～300g雄性大白鼠，腹腔注射麻醉后，均于顱骨背側行一長約20mm左右矢狀位切口，用較慢速度牙鉆人為制造一直徑為5mm的顱骨缺損，隨機分成3組：無材料組、單獨支架材料組及加載5ug重組人骨形態蛋白-2支架材料組，15w內對45只大白鼠逐一進行CT斷層掃描分析、組織學檢測、免疫組化分析、組織形態計量學、機械測試得出數據進行統計學分析結果：加載重組人骨形態蛋白-2的載體第一次釋放重組人骨形態蛋白-2的峰值在植入后6h，并一直呈現持續穩定釋放，通過4w以及15w兩個時間點的采樣檢測觀察載有重組人骨形態蛋白-2的支架材料修復作用均優于各組，其愈后組織機械硬度測試可知完全可以和完整骨組織相媲美。

2骨形態蛋白與殼聚糖衍生物的復合材料

殼聚糖（chitosan，CS，聚葡萄糖胺（1-4）-2-氨基-beta-D葡萄糖）是自然界廣泛存在的幾丁質（chitin）經過脫乙酰作用得到的唯一一種堿性多糖，它具有生物官能性、生物相容性、可降解性、可吸收性等，其降解產物安全無毒，而且還具有選擇性促進表皮細胞生長的獨特的生物活性，然而殼聚糖自身溶解性稍差，要在弱酸性的條件下才能溶解，因而殼聚糖成為目前常用支架材料之一[4]。Bae IH等對硫代殼聚糖復合支架材料進行各方面的對比與評價，將Traut's試劑與殼聚糖溶液混合，由于二硫鍵的形成增加與pH值有關，在pH值為7時，達到峰值，故使溶液濃度的pH值控制為7，形成硫代殼聚糖，硫代殼聚糖（凍干）在電鏡下掃描呈蜂窩狀微孔結構，支架的溶脹性起著至關重要的作用，許多研究人員都試圖測定材料的溶脹率，多半采用重量法，以未改性的殼聚糖作對照，硫代殼聚糖的重量在10min內較初始重量明顯增加3.5倍，但骨形態蛋白-2的硫代殼聚糖聚合物也觀察到類似現象，對比稍低于硫代殼聚糖。

3骨形態蛋白-2與透明質酸衍生物的復合材料

透明質酸是一種酸性粘多糖，又稱糖醛酸、玻尿酸、琉璃糖碳基酸，廣泛分布在動物和人體軟結締組織細胞外基質中的主要蛋白多糖，1934年美國哥倫比亞大學眼科教授Meyer等首先從牛眼玻璃體中分離出該物質，卡爾·邁耶實驗室在1950年代闡明了透明質酸的化學結構。透明質酸是一種高分子的聚合物。是由單位D-葡萄糖醛酸及N-乙酰葡糖胺組成的高級多糖。D-葡萄糖醛酸及N-乙酰葡糖胺之間由β-1，3-配糖鍵相連，雙糖單位之間由β-1，4-配糖鍵相連。雙糖單位可達25000之多。在體內由于組織來源的不同，透明質酸的分子量從5千～2千萬道爾頓。透明質酸是由膜蛋白透明質酸合成酶合成的，脊椎動物有三種透明質酸合成酶（HAS1，HAS2，HAS3）。這些酶通過交替反復加入其底物尿苷二磷酸-a-N-乙酰葡糖胺及尿苷二磷酸-a-D-葡萄糖醛酸而延長透明質酸鏈，新產生的多糖透過細胞膜進入細胞外間質，具有特殊的生物學上的活性，且擁有無毒、低免疫反應、高生物相容性、及生物可分解以及人體可吸收等特性，并且已有研究證明透明質酸具有保護、潤滑關節和促進軟骨細胞增殖的作用。

4問題與展望

骨缺損修復骨形態發生蛋白具有較強的誘導成骨作用，并得到全世界的公認。正是由于其活躍的成骨性已在牙科和整形外科領域廣泛應用，組織工程中支架材料是種子細胞附著的基本框架和代謝場所，是骨組織工程能否發展與運用于臨床的關鍵。研究人員不斷努力研究開發并將使其負載生長因子，逐步由單因子過渡到多因子復合材料，使骨形態發生蛋白可持續性穩定釋放，有利于細胞的增殖分化，從而盡可能對修復作用的完善。天然生物材料的資源豐富，其性能優越，由于骨形態發生蛋白的釋放機制尚不明確，單一的天然生物載體材料或多或少存在缺陷，可以通過成熟的復合材料原理和方法，將兩種或兩種以上具有互補性的天然生物材料，按照一定比例和方法復合，材料之間相互取長補短，性能更優化的三維支架復合載體材料，最終推廣并應用于組織工程修復中。

參考文獻：

[1]Heiple KG，Chase SW，Herndon CH.A Comparative Study of the Healing Process Following Different Types of Bone Transplantation[J].J Bone Joint Surg Am，1963，45：1593-1616.

[2]劉鵬，王東，孫海鈺，等.膠原-納米羥基磷灰石復合支架的細胞相容性[J].中國組織工程研究與臨床康復，2011，15（42）：7831-7834.

[3]洪漢標，陳楷正，陳堅，等.同種異體骨移植的臨床應用研究[J].中國現代藥物應用雜志，2012，6（1）：47-48.

[4]潘杰，王勇.新型人工骨Osteoset的臨床應用[J].中外健康文摘，2012，9（19）：40.

編輯/孫杰