二磷酸鹽和骨形態發生蛋白對內植物固定作用的影響

趙　軍　綜述，蔣仁偉審校（重慶市中醫骨科醫院骨一科400012）

隨著老年型社會的到來，原發性骨質疏松癥的發病率越來越高。臨床中遇到需行螺釘固定或假體置換的骨質疏松患者不斷增加，但骨質疏松患者骨質量低下，植入物周圍骨的生物機械性能降低，影響內植物-骨界面的穩定性。并且骨質疏松患者骨脆性增加，在螺釘固定鉆孔、假體插入時，更容易引起細微骨折和局部熱損傷，誘發早期內植物周圍的炎性反應，使破骨細胞聚集增多，引起骨溶解或骨吸收發生[1]，而骨質疏松患者體內自身修復的因子表達缺乏，骨修復作用降低，同時骨質疏松患者所形成的骨組織脆弱，對內植物支持作用比正常骨組織降低，最終導致螺釘松動，假體的移位、下沉，手術失敗。

近年來，內植物-骨界面的穩定性研究主要集中在對內植物設計和對內植物表面的修飾處理上，如通過螺釘接骨板的鎖定機制提高螺釘骨界面抗拔出性能，減少早期螺釘切割，或通過植入假體表面羥基磷灰石涂層，增加骨長入。雖然可在一定程度上減少內固定的失敗，但提高內植物周圍骨質量，增強內植物-骨界面固定強度，改善骨質疏松狀態才是最終的解決辦法。

研究發現，內植物植入骨后，周圍骨組織結構的改建，類似于骨折的愈合，而骨折的修復涉及骨組織不斷被替換，壞死骨組織被清除，新生骨組織長入。正常骨折愈合分為血腫機化演進期、原始骨痂形成期和骨痂改建塑形期；而骨質疏松性骨折愈合過程為纖維性骨痂生成期、軟骨骨痂形成期和骨性骨痂期。通過對骨質疏松性骨折的組織學觀察發現：纖維性骨痂生成期主要是成纖維細胞合成、分泌Ⅲ型膠原；軟骨骨痂形成期主要是成軟骨細胞合成、分泌Ⅱ型膠原；骨性骨痂主要隨著軟骨內成骨的出現和發展，抗張力性能較強的Ⅰ型膠原逐漸取代Ⅱ型膠原。在骨質疏松性骨折的修復過程中，軟骨內成骨和膜內成骨都有參與，但以軟骨內成骨為主。軟骨內成骨慢，骨轉換加速（骨吸收大于骨形成），形成的骨痂內膠原纖維松散、排列方向紊亂，導致骨折愈合質量低下[2]。因此，骨質疏松性骨折臨床愈合時間較長，具有較高的骨折延遲愈合和不愈合率，且愈合的骨痂質量與力學強度均低于非骨質疏松性骨折的骨痂，發生再骨折的概率較大。一些治療骨質疏松藥物和細胞因子逐漸被用作骨質疏松骨折的輔助治療，同時用于骨缺損治療，現就二磷酸鹽和骨形態發生蛋白（BMP）這方面的發展情況作一綜述。

1　二磷酸鹽對內植物固定作用的影響

1.1二磷酸鹽抗骨吸收的機制二磷酸鹽在臨床上成功地用于骨質疏松及相關骨退行性疾病的治療，現在逐漸成為骨科手術的輔助用藥。二磷酸鹽的構效關系至今尚不完全清楚。但已明確產生活性的必要條件是其基本結構P-C-P基團。不同二磷酸鹽的作用效果取決于C原子上取代側鏈的類型。最新的二磷酸鹽由于含N原子的側鏈，降低了細胞毒性[3]，含N原子的側鏈的二磷酸鹽（帕米磷酸鹽、阿倫磷酸鹽、利塞膦酸鹽、伊拜膦酸鹽、唑來膦酸鹽）抑制法尼基二磷酸（FPP）合成酶，從而避免了細胞功能紊亂，防止細胞凋亡。而不含N原子側鏈（如氯膦酸鹽）會在線粒體里產生細胞毒性產物，誘發細胞凋亡[4]。

二磷酸鹽在骨礦沉積部位起作用，特別是在處于高骨轉換的骨折部位[5]，一般認為，其抗骨吸收的機制可能有：（1）干擾已成熟破骨細胞功能；（2）在骨表面形成足夠的濃度梯度，直接影響破骨細胞的活化；（3）直接抑制成骨細胞相關的細胞因子如TNF、IL-6的生成。這3個方面相互作用，相互影響。實驗研究證明，二磷酸鹽干擾破骨細胞附著，改變破骨細胞超微結構，特別是阿侖膦酸鈉，選擇性地與破骨細胞骨內膜的活性位點結合，使破骨細胞失活。這也解釋了二磷酸鹽在機體內半衰期長的原因。但當骨吸收時，通過內吞作用被破骨細胞攝取，在細胞內引起一系列生化反應如抑制焦磷酸酶活性、抑制溶酶體酶以及干擾前列腺素和蛋白質的合成，導致破骨細胞“麻痹”。

1.2二磷酸鹽對內植物周圍骨修復的影響骨的修復是一個動態，復雜的過程，過度的負重和不穩都會影響骨的修復，致使骨吸收增加，骨折的延遲愈合或不愈合。二磷酸鹽通過抑制骨的吸收改善骨的修復。AMANAT等[6]通過大鼠開放截骨，發現帕米磷酸鹽能顯著增加骨痂體積和骨礦物質含量，在第6周時，骨折端的強度比對照組增加60%。同時在閉合性骨折的大鼠模型中[7]，唑來膦酸鹽治療后，骨痂的大小和強度同樣增加。隨后的研究調查不同的給藥方案[8]，單一全身用藥比小劑量間歇的多次用藥同樣有利于提高骨強度，而且單一全身用藥更有利于骨折愈合后骨痂的重塑。同樣在兔的牽張成骨的實驗也有同樣的發現，骨折的愈合也依賴于二磷酸鹽對骨的合成代謝[3]。在對一組行脛骨截骨矯形治療膝關節疾病的患者，截骨后采用鋼板螺釘穩定，試驗組靜脈注射唑來膦酸鹽，對照組注射同等計量的生理鹽水，兩組骨折愈合的時間無明顯差別[9]。

有學者關于系統性二磷酸鹽治療對內植物固定作用的影響研究表明，在內植物植入早期，二磷酸鹽有利于提高內植物與骨的接觸率，增加植入物周圍的骨量，提高在骨中的拔出強度[10-11]，但二磷酸鹽要達到治療劑量必須達到很高的濃度，有時這種濃度是正常骨質疏松治療的50倍[12]，高劑量的二磷酸鹽常與額骨的缺血壞死有關。為避免高劑量系統性用藥的不良反應，PETER等[13]將表面帶有羥基磷灰石的內植物浸泡于二磷酸鹽溶液中，發現羥基磷灰石表面有高濃度的二磷酸鹽聚集，促進了骨在內植物表面的附著，增加了骨密度，提高了內植物的機械性能。所有這些研究都是在動物體內進行，并且觀察的時間太短，內植物都是放在非負重部位，缺少應力的刺激，浸泡二磷酸鹽的螺釘能在體內持續多長時間并未說明。高濃度的二磷酸鹽會阻止破骨細胞引起的骨吸收，但同時也有可能影響骨的修復過程，這對內植物在體內最終的穩定是不利的。并且有證據顯示帕米磷酸鹽會抑制蛋白和膠原的合成，抑制成骨細胞膠原纖維的分泌，而膠原纖維是骨與內植物整合的必要物質，內植物在骨內的穩定會受到不良影響[14]。同時，如何將帶有二磷酸鹽的羥基磷灰石固定在金屬表面，什么才是最理想的涂層。這些都是有待解決的，因此，如何一方面有效阻止內植物周圍的骨吸收，另一方面如何去除二磷酸鹽對骨重建的影響，是需要進一步研究的。

2　BMP對內植物固定作用的影響

2.1BMP促骨形成的機制BMP是早期誘導骨組織形成與發生的重要信號分子，調節成骨細胞及軟骨細胞分化，并且在維持骨的礦物質含量和骨改建方面起著重要作用[15]。自 1965年 URIST[16]發現 BMP以來，BMP已從動物實驗用于臨床骨缺損治療。BMP是一類酸性糖蛋白，是由2個亞基以1個二硫化物健結合而成的二聚體分子。活性的二聚體或異二聚體BMP通過與受體結合發揮作用，其主要成骨作用是誘導間充質干細胞分化成成骨細胞或成軟骨細胞，進而促進新骨形成。到目前為止，已有超過30種BMP相關蛋白被確定，其中與成骨關系最重要的是BMP-2及BMP-7，BMP-2研究得最多，其主要從2個方面促進骨的形成，通過募集骨髓干細胞并誘導其分化為成骨細胞或軟骨細胞，在通過礦鹽沉積形成新骨，在骨的修復和再生過程中，還抑制成骨細胞的凋亡；另一方面其還能促進其他成骨因子的表達，增加骨橋蛋白、COL1、脂肪酸偶聯蛋白4、堿性磷酸酶等的表達，這些蛋白在成骨細胞分化中起著關鍵作用。BMP-2缺乏可導致嚴重的骨質疏松。BMP拮抗劑gremLin通過與BMP-2的直接連接，可阻斷BMP的作用通道，導致自發性骨折。相反，當在鼠的骨骼中去除gremLin時，會導致骨密度的增加[17]。在治療骨缺損時，COOK等[18]將牛Ⅰ型膠原作為BMP-7載體，植入猴尺骨骨缺損中，術后1周后在缺損邊緣可見到細胞生長，術后3周，能在影像學上看到新生骨痂，組織切片可觀察到成骨分化，12周時，新骨量及礦化程度明顯上升，在骨植入部位可見到豐富的軟骨細胞、成骨細胞及鈣化后形成的成熟骨組織，并可見到少量載體殘余。AROSARENA等[19]在小鼠下頜骨缺損處分別植入膠原/羥基磷灰石/磷酸三鈣、透明質酸與BMP-2的復合物，6周時病理學切片發現后者比前者有更多的類骨質和新骨形成，可見BMP在骨缺損修復中起著極其重要的作用。

2.2BMP基因治療及對內植物周圍成骨的影響由于BMP在體內很快會被酶類降解而失去作用，使得許多研究者將目光投向BMP基因治療。用基因轉移將帶有BMP基因的載體直接注入體內或通過基因轉染將BMP基因導入體外細胞后培養，再將轉染有BMP目的基因的細胞注入體內，實現基因治療。通過局部靶向持續釋放，最大程度增加局部治療效果，減小全身不良反應[20]。陳安威等[21]將轉染有BMP-2的腺病毒用于兔下頜骨骨折的治療，結果顯示實驗組骨折處新骨形成量及骨小梁密度顯著高于對照組，差異有統計學意義（P＜0.05）。LEE等[22]用攜帶有BMP-2的腺病毒和反轉錄病毒的骨骼肌細胞植入SCID鼠的顱骨缺損區中，術后4～8周，骨缺損愈合，在缺損部位可見明顯的新骨重塑。

雖然BMP在體內主要是誘導干細胞向成骨細胞或軟骨細胞分化，從而促進新骨形成，但研究發現，BMP促成骨的同時對破骨細胞也具有正向作用，可以促進骨髓基質細胞等向破骨前體細胞分化，增強破骨細胞活性。KANEKO等[23]在體外將BMP-2直接加入培養的兔破骨細胞中，發現骨吸收陷窩的數量隨著加入BMP-2量和時間的延長而增加。隨后在培養基中加入BMP-2抑制劑Follistatin，BMP-2的作用卻被抑制。HENTUNEN等[24]研究發現，rhBMP-7可以誘導大鼠BMSCs向抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）染色陽性的細胞分化，分化的量與rhBMP-7濃度呈正相關。TAKAHASHI等[25]通過動物實驗發現，以吸收性明膠海綿為載體，將rhBMP-2應用于治療Ⅲ°根分叉病變，在6周時在植入部位可見破骨細胞樣細胞聚集。而對照組未發現這一改變。MCGEE等[26]在用BMP-7聯合同種異體骨移植治療內植物周圍骨缺損時發現，BMP-7不僅僅增加了新骨的形成，同時也刺激了同種異體骨的吸收，在內植物周圍新生骨尚未形成有力支撐時，這種吸收有可能影響內植物在骨內的早期穩定性，使固定效果變弱。

3　展　望

二磷酸鹽、BMP在促進骨形成，修復骨缺損上都有各自的優缺點，BMP促進新骨形成，有利于骨重建，但對破骨細胞正向調節作用卻不利于內植物早期穩定，二磷酸鹽能抑制破骨細胞，卻減弱了骨的修復重建。因此，以后的研究重點是將二者聯合使用，發揮其共同優點。