Костные морфогенетические белки ( BMP ) представляют собой группу факторов роста , также известных как цитокины и метабологены . [1] Профессор Маршалл Урист и профессор Хари Редди открыли их способность вызывать образование костей и хрящей . В настоящее время BMP считаются группой основных морфогенетических сигналов, регулирующих архитектуру тканей по всему телу. [2] [3] Важное функционирование сигналов BMP в физиологии подчеркивается множеством ролей для нерегулируемой сигнализации BMP в патологических процессах. Раковые заболевания часто включают в себя неправильную регуляцию системы сигнализации BMP. Отсутствие сигнализации BMP является, например, важным фактором прогрессирования рака толстой кишки, [4] и наоборот, чрезмерная активация сигнализации BMP после эзофагита, вызванного рефлюксом, провоцирует пищевод Барретта и, таким образом, играет важную роль в развитии аденокарциномы пищевода . [5]
Рекомбинантные человеческие BMP (rhBMP) используются в ортопедических целях, таких как сращение позвонков , несращение переломов и хирургия полости рта. rhBMP-2 и rhBMP-7 одобрены Управлением по контролю за продуктами и лекарствами (FDA) для некоторых видов применения. rhBMP-2 вызывает более выраженный разрастание костной ткани, чем любые другие BMP, и широко используется не по назначению .
BMP для клинического использования производятся с использованием технологии рекомбинантной ДНК (рекомбинантные человеческие BMP; rhBMP). Рекомбинантные BMP-2 и BMP-7 в настоящее время одобрены для использования человеком. [6]
rhBMP используются в хирургии полости рта. [7] [8] [9] BMP-7 также недавно нашел применение в лечении хронической болезни почек (ХБП). Было показано, что BMP-7 на моделях мышей обращает вспять потерю клубочков из-за склероза .
Исследование 2022 года, проведенное исследователями из клиники Майо , Маастрихтского университета и биотехнологической компании Ethris GmBH, которая специализируется на РНК-терапии, показало, что химически модифицированная мРНК, кодирующая BMP-2, способствовала дозозависимому заживлению остеотомий бедренной кости у самцов крыс. Молекулы мРНК были объединены в невирусные липидные частицы , загружены в губки и хирургически имплантированы в дефекты костей. Они оставались локализованными вокруг места нанесения. По сравнению с получением rhBMP-2 напрямую, костные ткани, регенерированные после лечения мРНК, показали превосходную прочность и меньшее образование массивной мозоли. [10]
Хотя rhBMP-2 и rhBMP-7 используются при лечении различных заболеваний костей, включая спондилодез и несращения , риски этого лечения не по назначению не изучены. [11] Хотя rhBMP одобрены для определенных применений (спондилодез поясничного отдела позвоночника с передним доступом и несращение большеберцовой кости), до 85% всего использования BMP не по назначению . [11] rhBMP-2 широко используется в других методах спондилодеза поясничного отдела позвоночника (например, с использованием заднего доступа, переднего или заднего шейного спондилодеза [11] ).
В 2001 году Управление по контролю за продуктами и лекарствами (FDA) одобрило rhBMP-7 (он же OP-1 ; Stryker Biotech ) для гуманитарного освобождения от использования устройства в качестве альтернативы аутотрансплантату при несращениях длинных костей. [11] В 2004 году освобождение от использования гуманитарного устройства было расширено в качестве альтернативы аутотрансплантату для заднебокового спондилодеза. [11] В 2002 году rhBMP-2 (Infuse; Medtronic ) был одобрен для переднего поясничного межтелового спондилодеза (ALIF) с помощью поясничного спондилодеза. [11] В 2008 году он был одобрен для восстановления заднебокового поясничного псевдоартроза , открытых переломов диафиза большеберцовой кости с фиксацией интрамедуллярным гвоздем . [11] В этих продуктах BMP доставляются к месту перелома путем включения в костный имплантат и высвобождаются постепенно, чтобы обеспечить формирование кости, поскольку стимуляция роста BMP должна быть локализована и поддерживаться в течение нескольких недель. BMP вымываются через очищенную коллагеновую матрицу, которая имплантируется в место перелома. [6] rhBMP-2 помогает наращивать кость лучше, чем любой другой rhBMP, поэтому он гораздо более широко используется в клинической практике. [6] Существует «мало споров или разногласий» относительно эффективности rhBMP-2 для наращивания кости для достижения сращения позвоночника, [6] и Medtronic получает 700 миллионов долларов годовых продаж от своего продукта. [12]
Костный морфогенетический белок (rhBMP) не следует использовать в плановом порядке при любом типе переднего спондилодеза шейного отдела позвоночника, например, при передней шейной дискэктомии и спондилодезе . [13] Имеются сообщения о том, что эта терапия вызывает отек мягких тканей , что, в свою очередь, может вызвать опасные для жизни осложнения из-за затрудненного глотания и давления на дыхательные пути . [13]
BMP взаимодействуют со специфическими рецепторами на поверхности клеток, называемыми рецепторами костных морфогенетических белков (BMPR).
Передача сигнала через BMPR приводит к мобилизации членов семейства белков SMAD . Сигнальные пути, включающие BMP, BMPR и SMAD, важны для развития сердца, центральной нервной системы и хрящей, а также для постнатального развития костей.
Они играют важную роль в эмбриональном развитии, в формировании эмбрионального рисунка и формировании раннего скелета. Таким образом, нарушение сигнализации BMP может повлиять на план тела развивающегося эмбриона. Например, BMP4 и его ингибиторы ноггин и хордин помогают регулировать полярность эмбриона (т. е. формирование рисунка от спины к фронту). В частности, BMP-4 и его ингибиторы играют важную роль в нейруляции и развитии нервной пластинки . BMP-4 подает сигнал клеткам эктодермы развиваться в клетки кожи, но секреция ингибиторов нижележащей мезодермой блокирует действие BMP-4, позволяя эктодерме продолжать свой нормальный ход развития нервных клеток. Кроме того, секреция BMP пластинкой крыши в развивающемся спинном мозге помогает специфицировать дорсальные сенсорные интернейроны. [14]
Как член суперсемейства трансформирующего фактора роста бета, сигнализация BMP регулирует различные эмбриональные паттерны во время фетального и эмбрионального развития. Например, сигнализация BMP контролирует раннее формирование мюллеровых протоков (MD), которые представляют собой трубчатую структуру на ранней стадии эмбрионального развития и в конечном итоге становятся женскими половыми путями. Химическое ингибирование сигналов BMP в курином эмбрионе вызвало нарушение инвагинации MD и заблокировало эпителиальное утолщение области формирования MD, что указывает на то, что сигналы BMP играют роль в раннем развитии MD. [15] Более того, сигнализация BMP участвует в формировании передней и задней кишки, [16] паттернировании кишечных ворсинок и эндокардиальной дифференцировке. Ворсинки способствуют повышению эффективной абсорбции питательных веществ за счет расширения площади поверхности в тонком кишечнике. Приобретение или потеря функции сигнализации BMP изменили паттернирование кластеров и появление ворсинок в мышиной кишечной модели. [17] Сигнал BMP, полученный из миокарда, также участвует в эндокардиальной дифференцировке во время развития сердца. Ингибированный сигнал BMP в эмбриональной модели данио рерио вызвал сильное снижение эндокардиальной дифференцировки, но оказал лишь незначительное влияние на развитие миокарда . [18] Кроме того, перекрестные помехи Notch-Wnt-Bmp необходимы для радиального паттернирования во время развития улитки у мышей посредством антагонистической манеры. [19]
Мутации в BMP и их ингибиторах связаны с рядом заболеваний человека, которые поражают скелет.
Некоторые BMP также называются «морфогенетическими белками хрящевого происхождения» (CDMP), в то время как другие называются « факторами дифференциации роста » (GDF). [20]
BMP также участвуют в адипогенезе и функциональной регуляции жировой ткани. [21] BMP4 способствует белому адипогенезу, тогда как BMP7 активирует функциональность бурого жира; ингибиторы BMP также участвуют в этой регуляции [21]
Первоначально было обнаружено семь таких белков. Из них шесть (от BMP2 до BMP7) относятся к суперсемейству белков трансформирующего фактора роста бета . BMP1 — это металлопротеаза . С тех пор было обнаружено еще тринадцать BMP, все из которых относятся к семейству TGF-бета, в результате чего общее число достигло двадцати. [6] Текущая номенклатура признает только 13, поскольку многие другие вместо этого включаются в наименование фактора дифференциации роста.
Со времен Гиппократа было известно, что кость имеет значительный потенциал для регенерации и восстановления. Николас Сенн, хирург из Медицинского колледжа Раша в Чикаго, описал полезность антисептических декальцинированных костных имплантатов при лечении остеомиелита и некоторых деформаций костей. [25] Пьер Лакруа предположил, что может существовать гипотетическое вещество, остеогенин, которое может инициировать рост костей. [26]
Биологическая основа морфогенеза костей была показана Маршаллом Р. Уристом . Урист сделал ключевое открытие, что деминерализованные, лиофилизированные сегменты кости индуцируют образование новой кости при имплантации в мышечные мешочки у кроликов. Это открытие было опубликовано в 1965 году Уристом в журнале Science . [27] Урист предложил название «Костный морфогенетический белок» в научной литературе в журнале Journal of Dental Research в 1971 году. [28]
Индукция кости представляет собой последовательный многоступенчатый каскад. Ключевыми этапами этого каскада являются хемотаксис , митоз и дифференциация . Ранние исследования Хари Редди раскрыли последовательность событий, вовлеченных в морфогенез кости, индуцированный костным матриксом. [29] На основании вышеизложенной работы казалось вероятным, что морфогены присутствуют в костном матриксе. Используя батарею биопроб для формирования кости, было проведено систематическое исследование для выделения и очистки предполагаемых костных морфогенетических белков.
Главным препятствием для очистки была нерастворимость деминерализованного костного матрикса. Чтобы преодолеть это препятствие, Хари Редди и Кубер Сампат использовали диссоциативные экстрагенты, такие как 4M гуанидин HCL , 8M мочевина или 1% SDS . [30] Растворимый экстракт сам по себе или нерастворимые остатки сами по себе неспособны к индукции новой кости. Эта работа предполагает, что оптимальная остеогенная активность требует синергии между растворимым экстрактом и нерастворимым коллагеновым субстратом. Это не только представляет собой значительный прогресс в направлении окончательной очистки костных морфогенетических белков лабораторией Редди, [31] [32], но в конечном итоге также позволило клонировать BMP Джону Возни и его коллегам из Института генетики. [33]
При стоимости от 6000 до 10 000 долларов США за типичное лечение КМБ может оказаться дорогостоящим по сравнению с другими методами, такими как костная пластика . [ необходима ссылка ] Однако эта стоимость часто намного меньше затрат, необходимых при ортопедической ревизии в ходе нескольких операций.
Хотя мало кто обсуждает, что rhBMPs клинически успешны, [6] существуют разногласия по поводу их использования. Обычно ортопедическим хирургам платят за их вклад в разработку нового продукта, [34] [35] но некоторые хирурги, ответственные за оригинальные исследования эффективности rhBMP-2, поддерживаемые Medtronic, обвинялись в предвзятости и конфликте интересов. [36] Например, один хирург, ведущий автор четырех из этих исследовательских работ, не раскрыл никаких финансовых связей, работая с компанией в трех работах; [37] Medtronic заплатила ему более 4 миллионов долларов. [37] В другом исследовании ведущий автор не раскрыл никаких финансовых связей с Medtronic; компания заплатила ему не менее 11 миллионов долларов. [37] В серии из 12 публикаций медианные финансовые связи авторов с Medtronic составляли 12–16 миллионов долларов. [38] В тех исследованиях, в которых участвовало более 20 и 100 пациентов, один или несколько авторов имели финансовые связи в размере 1 миллиона долларов и 10 миллионов долларов соответственно. [38] Ранние клинические испытания с использованием rhBMP-2 занижали количество побочных эффектов, связанных с лечением. В 13 оригинальных спонсируемых промышленностью публикациях, связанных с безопасностью, было нулевое количество побочных эффектов у 780 пациентов. [38] С тех пор было выявлено, что потенциальные осложнения могут возникнуть в результате использования, включая смещение имплантата, оседание, инфекцию , урогенитальные события и ретроградную эякуляцию . [37] [38]
Согласно исследованию, проведенному кафедрой семейной медицины в Университете здравоохранения и науки штата Орегон, использование BMP быстро возросло с 5,5% случаев сращения в 2003 году до 28,1% случаев сращения в 2008 году. Использование BMP было выше среди пациентов с предыдущими операциями и среди тех, у кого были сложные процедуры сращения (комбинированный передний и задний подход или более 2 уровней дисков). Основные медицинские осложнения, осложнения ран и 30-дневные показатели повторной госпитализации были почти идентичны с BMP или без него. Показатели повторных операций также были очень похожи, даже после стратификации по предыдущей операции или хирургической сложности, а также после корректировки на демографические и клинические характеристики. В среднем скорректированные больничные расходы на операции с использованием BMP были примерно на 15 000 долларов больше, чем больничные расходы на сращения без BMP, хотя возмещение в рамках системы Medicare Diagnosis-Related Group в среднем составляло всего около 850 долларов больше. Значительно меньше пациентов, получавших BMP, были выписаны в квалифицированное учреждение сестринского ухода. [39]