脱矿牙本质基质作为rhBMP-2载体的研究进展

Research Progress of Demineralized Dentin Matrix as rhBMP-2 Carrier

摘要: 骨形态发生蛋白-2 (bone morphogentic protein-2, BMP-2)是转化生长因子-β家族的成员，可促进骨髓间充质干细胞分化为成骨细胞和软骨细胞。脱矿牙本质基质(demineralized dentin matrix, DDM)是由牙本质经过粉碎、脱矿、灭菌等处理后制得，具有良好的骨诱导性、骨传导性和生物相容性等特性，是一种颇有前景的骨移植材料。DDM不仅是一种骨移植材料，也可作为重组人骨形态发生蛋白-2 (recombinant human bone morphogentic protein-2, rhBMP-2)的合适载体。DDM与rhBMP-2有着较好的亲和力，并能够缓释rhBMP-2。此外，外源性的rhBMP-2和DDM中内源性BMP具有协同效应，可产生更多的新骨。DDM用作rhBMP-2载体时，rhBMP-2的浓度可降低为0.2 mg/mL。

Abstract: Bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) is a transforming growth factor-β family member. It can promote bone marrow mesenchymal stem cells to differentiate into osteoblasts and chondrocytes. Demineralized dentin matrix (DDM) is prepared from dentin after grinding, demineralization, steri-lization, etc. It has good osteoinductive, osteoconductive, biocompatibility, and is a promising bone graft material. DDM is not only a bone graft material, but also a suitable carrier for recombinant human bone morphogenetic protein-2 (rhBMP-2). DDM has good affinity with rhBMP-2 and can slowly release rhBMP-2. In addition, exogenous rhBMP-2 and endogenous BMP in DDM have syner-gistic effects, which can produce more new bones. When DDM is used as rhBMP-2 carrier, the con-centration of rhBMP-2 can be reduced to 0.2 mg/mL.

1. 引言

当今时代，牙周炎仍是一个重大的世界性的公共卫生问题，可造成牙槽骨的吸收 [1]。牙拔除后，由于失去了生理刺激，剩余牙槽嵴将不可避免地发生萎缩 [2]。缺失的牙齿通常使用口腔修复的方法进行治疗，近年来，口腔种植技术发展迅速，成为了口腔修复的首选方案 [3]。然而，骨量不足时会影响种植效果 [4]。目前对骨缺损修复的常规方法主要是植入骨移植材料。自体骨具有骨生成、骨诱导和骨传导能力，是一种理想的骨移植材料，但常需二次手术，收集的骨量有限，新骨还未来得及形成，自体骨已有较多的吸收。同种异体骨移植具有骨诱导能力，但面临病毒感染的风险。异种骨以及生物活性玻璃、羟基磷灰石等非骨移植材料仅具有骨传导性，缺乏骨诱导性 [5] [6]。

当使用缺乏骨诱导性的骨移植材料时，可以添加具有骨诱导作用的生长因子以增强成骨效果。骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein, BMPs)属于转化生长因子-β家族的成员，可促进骨髓间充质干细胞分化为成骨细胞和软骨细胞 [7]。1991年，成功地从人类牙本质基质中分离出BMP。尽管人类牙本质衍生BMP不同于人类骨衍生BMP，但两种类型的BMP在体内表现出相同的作用 [8]。迄今为止，已经鉴定出15种BMP，其中BMP-2、BMP-3、BMP-4、BMP-6和BMP-7可诱导骨形成 [9]。

由于BMP只能从人类或动物的骨骼或牙齿中提取，而骨骼或牙齿中BMP的含量较少，故难以满足临床需求。随着基因工程的发展，使得通过基因重组技术大规模生产重组人骨形态发生蛋白-2 (recombinant human bone morphogentic protein-2, rhBMP-2)成为可能 [7]。

2. rhBMP-2载体的性能要求

rhBMP-2由于是液体的原因，很难在局部位置保留足够的时间，而且高度可溶，难以充分发挥骨诱导能力，需要一种能够容纳并充分释放它们的载体。rhBMP-2载体应满足若干要求：能够保证缺损区域在足够长的时间里保持一定浓度的rhBMP-2，以允许新骨形成；rhBMP-2与其载体之间具有良好的亲和力，使rhBMP-2缓慢持续释放；易于灭菌、良好的机械稳定性、生物相容性、生物降解性，无免疫原性；具有足够的孔隙率，允许细胞和血管进入；保持rhBMP-2的生物活性 [7] [8]。

已研究了一些可能合适的rhBMP-2的载体。例如，脱蛋白牛骨、磷酸钙，但它们只能部分满足rhBMP-2载体所需的性能要求 [10]。脱钙骨基质是通过对同种异体骨的脱矿处理而获得，其含有胶原蛋白和包括BMP在内的生长因子，但存在免疫原性和疾病传播风险，也并非合适的载体材料。对于颌面部商用rhBMP-2，唯一批准的载体是可吸收胶原海绵(absorbable collagen sponge, ACS)。2007年，美国食品和药物管理局批准了ACS作为浓度为1.5 mg/mL的rhBMP-2的载体。然而，ACS不具有骨传导性，机械性能差，有限的控释能力，在植入后的第二天便释放了大量的rhBMP-2，并且使用了超生理剂量的rhBMP-2，可导致面部水肿、异位骨形成等并发症 [8]。

3. 脱矿牙本质基质作为有效的rhBMP-2载体

脱矿牙本质基质(demineralized dentin matrix, DDM)是一种有效的rhBMP-2载体，其具有良好的机械稳定性、生物相容性、生物降解性、孔隙率，与rhBMP-2的亲和力，可灭菌，有着较高的释放率和较低的释放速度。已有多项研究证明了DDM用作rhBMP-2载体的安全性和有效性 [7] [8] [11] [12]。此外，DDM用作rhBMP-2载体时，rhBMP-2的浓度可降低为0.2 mg/mL，比ACS用作载体时，浓度降低了约7倍 [13]。

DDM是将牙根部的牙本质粉碎成颗粒，将牙本质颗粒进行脱水、脱脂、脱矿、冻干、灭菌等一系列处理后制得 [8]。一项动物研究表明，100~300 μm的牙本质颗粒与rhBMP-2结合的成骨效果优于1000~2000 μm的牙本质颗粒与rhBMP-2结合，小颗粒可提供更多的表面积，从而增强了骨诱导作用 [12]。

牙本质内无细胞、无血管，免疫原性极低。脱矿去除了牙本质的免疫原性。脱矿可使牙本质小管变宽，小管可容纳rhBMP-2溶液，小管内微孔结构的存在增加了表面接触面积，有利于rhBMP-2与DDM的结合及缓慢释放。脱矿去除了牙本质中大部分的无机物，剩余的无机物足以保持DDM的机械性能，大部分I型胶原蛋白和包含BMP在内的多种生长因子保留了下来 [8] [10] [11] [14]。DDM自身就具有骨传导性和骨诱导性，是一种性能良好的骨移植材料 [15] [16]。DDM已成功应用于位点保存术 [17] [18]，即刻种植术 [19]，牙槽嵴增宽术 [20] [21]，上颌窦提升术 [22]，较大囊肿导致的骨缺损的修复 [23]，根分叉病变的植骨治疗 [24]。下颌第三磨牙拔除后下颌第二磨牙远中常会出现骨缺损、牙周袋等问题 [25] [26]，在下颌第二磨牙远中植入DDM可有效预防牙周袋的形成 [27]。

4. rhBMP-2与DDM的协同作用

外源性的rhBMP-2和DDM中内源性BMP具有协同效应。rhBMP-2/DDM植入后的释放情况：第一阶段，释放吸附在DDM表面的rhBMP-2；第二阶段，释放包埋在DDM内部的rhBMP-2；第三阶段，rhBMP-2的释放促进了DDM的骨重塑，使DDM中内源性BMP的释放增强 [13] [28]。有动物实验表明，含有rhBMP-2的DDM是自体骨移植的可行替代方案 [7]。在一项随机对照试验中，评估了rhBMP-2结合DDM在位点保存术的疗效，并与单独使用DDM进行比较，结果显示rhBMP-2结合DDM组有更多的新骨形成 [10]。Um等 [29] 建立兔子颅骨缺损模型，评估比较了rhBMP-2结合DDM与单独使用DDM的成骨效果，分别在术后1周、2周、4周行组织学检测，结果显示DDM组新骨形成率分别为12.52%、16.59%和24.94%，DDM/rhBMP-2组分别为17.17%、21.77%和47.99%，在这三个时间点两组之间新骨形成率的差异均有统计学意义。

5. 展望

综上所述，DDM具有良好的骨诱导性、骨传导性、机械稳定性、生物相容性、生物降解性等特性，可容纳并缓释rhBMP-2，可作为rhBMP-2的合适载体，此外，rhBMP-2的添加也增强了DDM的成骨能力。但现有的研究样本量较少，随访期较短，需要更多高质量的随机对照试验。

参考文献