BMP-2聯合BMP-7在截骨延長時促進成骨的實驗研究

馬珂，湯麗國，劉增運，楊躍，霍繼貞，黃現峰，王輝，任志勇

（1.陽光融和醫院 骨科中心，山東 濰坊 261000；2.中國人民解放軍陸軍第80集團軍醫院 骨科，山東 濰坊 261000）

如何提高Ilizarov骨延長技術加快肢體延長的速度并縮短外固定時間，成為其進一步發展的一個方向[1]。該技術每延長1.0 cm骨組織，就需要大概一個月的時間[2]，在肢體延長這個緩慢持續的過程中，常發生關節僵硬、釘道感染等并發癥導致延長不理想。誘導因子在促進成骨方面作用顯著，骨形態發生蛋白(Bone Morphogenetic Protein,BMPs)在這些因子中誘導成骨最強[3]，2006年美國哈弗醫學院遺傳學專家Amitabha Bandyopadhyay從基因分析角度[4]，描述了BMP-2和BMP-7在肢體延長和骨骼發育中所起到的作用。BMP-2把骨牽拉延長時產生的機械應力轉換成生物招募炎性成骨因子信號[4]，隨之不斷地機械力刺激，招募更多的成骨因子，接著BMP-7的出現使軟骨內成骨啟動加速[5]，協同促進骨組織再生，使骨牽拉延長形成新骨的時間縮短。本文通過動物實驗模型，探究聯合應用BMP-2和BMP-7對牽張成骨過程中延長區新骨形成的質量，并為臨床上縮短牽張成骨過程、加速骨愈合提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

本實驗選用雄性日本大耳白兔共30只，體重1.5～2.5 kg，年齡3～5個月（濰坊醫學院動物實驗中心購買）。主要儀器及試劑：小型環狀Ilizarov外固定架（由北京骨外固定架研究所提供），螺距為0.1 cm；4個環狀外固定架內徑為4.0 cm，外徑為5.0 cm；6根5.0 cm短螺紋桿；2根10.0 cm長螺紋桿；自攻絲的小克氏針（直徑1.3 mm）若干；韓國科曼X線機（TITAN2000-1型）；光學顯微鏡（卡爾·蔡司Axioplan 2 imaging）；雙能X線骨密度儀（Dual Energy X-ray Absorptiometry，DEXA），深圳艾克瑞AKDX-09W-I型；骨優導瓶裝（1.0 mg，4片裝）的rhBMP-2藥片，購自杭州九源基因工程有限公司；重組人骨形態發生蛋白7（10μg），購自上海博升生物科技有限公司；Harris蘇木精、伊紅染液、3%戊二醛、脫鈣液等。

1.2 實驗方法

1.2.1 建立模型及分組

常規消毒鋪單手術，取兔右側脛前內側入路，自右脛骨粗隆向遠端作縱行切口長約6.0 cm，鈍性分離腓骨肌牽拉至一側，充分暴露脛腓骨。在脛骨粗隆下約2.0 cm水平處骨膜下截骨[6]，截斷2/3的脛骨，去除遠端腓骨。將外固定架套入兔右下肢，在截骨面遠近兩端2.0 cm處各打入兩根克氏針，兩根克氏針成（90°～120°）角度，在截骨面遠端4.0 cm處再穿入一組克氏針，固定克氏針與外固定架，隨后截斷保留的1/3脛骨，沿下緣切斷髕韌帶，減少患肢活動，縫合包扎。術后延遲分離[7]，7 d后開始延長，0.25 mm/ 次，2 次 /d[8]，共延長 20 d，共延長 1.0 cm；隨后進入10 d的固定期。實驗共進行38 d。

1.2.2 實驗分組

實驗動物30只，完全隨機分為三組，每組10只。術后4只兔子死亡，用新兔補充繼續實驗。其中A組單純進行牽拉不做其他處理，作為空白對照組；B組在截骨術中，于截骨處加入rhBMP-2藥片（100μg）；C組在截骨術中，于截骨處加入BMP-2藥片（100μg），術后7 d經皮于延長區注射rhBMP-7（1 mL，10μg/mL）溶解液。

1.2.3 取材及觀察指標

術后第7天、第38天分別拍攝三組實驗動物右側脛骨全長X線片，仔細觀察牽張延長區的新生骨外形、骨密度影及骨痂生長狀況，在X線上測量延長區的長度；術后第38天，分別于A、B、C三組動物中隨機抽取6只動物空氣栓塞處死，取右側脛骨標本。經雙能X線骨密度儀測骨密度，分別測延長中心區及遠近截骨兩端的骨密度。以公式（延長區/遠端+延長區/近端）×0.5×100%計算出百分比[9]，骨密度的結果以此百分比表示；隨即將三組標本的延長區切成0.4 cm×0.4 cm×0.4 cm的組織塊。包埋、切片4μm厚，進行HE染色。選取合適的組織視野拍照，先低倍（×100）后高倍（×400）觀察拍照。

2 結果

2.1 影像學檢查結果

實驗動物截骨延長術后X線示各組平均延長（1.0±0.05）cm，基本達到實驗預期牽拉長度。術后第7天，A、B、C組實驗動物X線正位片示：三組對位對線良好，兩截骨面對位緊湊無間隙，截骨端對位達到2/3以上，基本符合功能復位標準，三組X線透視無明顯差異（圖 1-3）。術后第 38天，A、B、C組實驗動物X線正位片示：A組見延長區內骨痂由截骨端向延長中心生長，遠近截骨端有模糊的低密度骨痂，新生骨痂未愈合；B組延長區骨痂再生明顯，骨痂影密度較高，但腓骨側可見骨折線；C組骨新生硬骨痂充滿延長區，未見骨折線，可見髓腔再通（圖4-6）。

圖1 A組動物7 d X線片

圖2 B組動物7 d X線片

圖3 C組動物7 d X線片

圖4 A組動物38 d X線片

圖5 B組動物38 d X線片

圖6 C組動物38 d X線片

2.2 組織學HE染色結果

A組標本光鏡下見：少量的骨小梁和大量的間充質細胞，骨小梁密度低，排列致密有序，骨基質少，骨細胞被大量骨間充質組織填充，成骨細胞可見（圖7）；B組標本見骨小梁體積增大明顯，相鄰兩骨小梁細胞核間距遠，骨基質明顯增多，骨細胞密度增高，成骨細胞增多（圖8）；C組標本見骨小梁勻稱增多、體積增大，骨基質較為均勻，兩個相鄰的骨小梁胞核之間間距相對均一，排布有序，間充質細胞減少，成骨細胞明顯增多，部分髓腔再通（圖9）。

圖7 A組術后第38天

圖8 B組術后第38天

圖9 C組術后第38天

2.3 骨密度測量結果

采用SPSS 17.0軟件進行統計學分析，A、B、C三組數據進行多重比較（Tamhane，T2）兩兩比較：A組與B組對比，P1=0.001＜0.05，差異有統計學意義；A組與C組對比，P2=0.001＜0.05，差異有統計學意義；B組與C組對比，P3=0.017＜0.05，差異有統計學意義（表 1）。

表1 三組骨密度測量結果比較（±s）

表1 三組骨密度測量結果比較（±s）

注：BMD以計算后百分比表示；各組BMD數值以均數±標準差表示

組別 只 B M D A組 6 8.7 2 8 3±2.8 0 3 2 9 B組 6 3 3.8 4 8 3±6.4 4 0 5 5 C組 6 4 7.9 1 1 7±7.3 5 4 0 2

3 討論

本實驗通過A、B兩組的X線對比：A組截骨兩端新生的低密度骨痂影，該組通過常規的骨牽拉，無法在三周的牽拉中形成愈合的骨痂，有2例出現了骨不連，截骨兩端被大量纖維脂肪組織填充；B組延長區骨組織增長明顯多于A組，延長區接近愈合，但腓骨側可見細小骨折線。對比A組觀察到B組延長區的骨痂再生明顯，說明了BMP-2的成骨作用強。對比A、B兩組的HE染色切片，光鏡下見：A組骨小梁內的骨細胞稀少；B組骨小梁內細胞密度增加，細胞形態粗大，骨基質增多，可見在截骨延長中起到誘導招募炎性因子、促進成骨的作用。B、C兩組的X線對比，C組骨密度影明顯高于B組，C組動物基本形成了致密連續的硬骨痂，截骨兩端已經完全愈合，髓腔再通可見，說明在BMP-2的基礎上聯合BMP-7，成骨效果優于單獨使用BMP-2。對比B、C兩組的HE染色切片，光鏡下見：B組骨小梁細胞密度較高，細胞形態粗大，骨基質增多；C組骨小梁密度高于B組，兩骨小梁細胞核間距小于B組，細胞體積小于B組，但仍有別于正常骨組織。從細胞水平上說明聯合應用BMP-2和BMP-7，成骨能力優于單獨使用BMP-2，BMP-2和BMP-7在骨再生中具有協同作用。通過測量延長區中央與兩端的骨密度百分比的定量分析，也證實了骨密度C組＞B組＞A組。

3.1 BMPs成粗大骨小梁的現象

光鏡下A組的病理切片與B、C組差異較大，B、C組經過BMPs的 ，生成了體積粗大的骨小梁，骨小梁的密度增加不如骨小梁體積的增大顯著，可能會造成一種說法，BMPs對延長區骨組織的填充以增加骨小梁的體積為主，而不是通過增加生成更多的骨組織細胞來實現的。再者這樣體積異常的骨小梁結構，是否會影響破骨細胞的改建，能否與正常愈合后的骨組織應力程度相等，是否會增加骨折幾率，在應用BMPs成骨后存在一些導致骨結構異常的因素，這些因素會帶來怎樣的后果，還需進一步實驗驗證。

3.2 BMPs應用的討論

查閱到正常骨折愈合過程BMP-2立即產生聚集并1天內達到峰值，而BMP-7大量釋放聚集是在骨折后第7天[10]，二者釋放有順序性。還有一個很關鍵的問題：BMP-2和BMP-7具體的應用劑量。研究者們的應用范圍rhBMP-2在50～250μg，rhBMP-7在10～20μg[5]，沒有定論。本實驗應用較小劑量rhBMP-2，100μg；rhBMP-7，10μg。BMPs 劑量的應用在一定程度上影響著新生骨組織的密度和結構。

本實驗通過動物模型，驗證了在截骨延長中BMP-2能顯著促進延長區的成骨；在截骨延長中BMP-7促進啟動軟骨成骨的作用，配合BMP-2的招募成骨因子作用，加速軟骨內成骨。通過實驗可知，BMP-2和BMP-7在骨再生方面具有協同作用，聯合應用BMP-2和BMP-7成骨比單純使用BMP-2更快且骨密度高。