Введение

Группа белков факторов роста. Морфогенетические белки костей (BMP) — это группа факторов роста, также известных как цитокины и метабологины. Первоначально обнаруженные благодаря их способности индуцировать формирование костей и хрящей, BMP теперь рассматриваются как группа важнейших морфогенетических сигналов, определяющих архитектуру тканей во всем организме. Важность функционирования сигналов BMP в физиологии подчеркивается множеством ролей, которые играет нарушение регуляции BMP-сигнализации в патологических процессах. Раковые заболевания часто связаны с нарушением регуляции системы BMP-сигнализации. Отсутствие BMP-сигнализации, например, является важным фактором прогрессирования рака толстой кишки, и, наоборот, чрезмерная активация BMP-сигнализации после рефлюкс-эзофагита провоцирует пищевод Барретта и, таким образом, играет важную роль в развитии аденокарциномы пищевода. Рекомбинантные человеческие BMP (rhBMP) используются в ортопедической практике, например, при спондилодезах, несращениях костей и хирургии челюстно-лицевой области. rhBMP 2 и rhBMP 7 одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) для некоторых применений. rhBMP 2 вызывает более выраженный избыточный рост костной ткани, чем любой другой BMP, и широко используется не по прямому назначению.

Медицинское применение

BMP для клинического применения производятся с использованием технологии рекомбинантной ДНК (рекомбинантные человеческие BMP; rhBMP). В настоящее время рекомбинантные BMP 2 и BMP 7 одобрены для применения у человека. BMP 7 также недавно стал применяться в лечении хронической болезни почек (ХБП). Показано, что в моделях на мышах BMP 7 способен восстанавливать утраченные гломерулы, вызванные склерозом. Исследование 2022 года, проведенное исследователями из клиники Майо, Маастрихтского университета и биотехнологической компании Ethris GmBH, специализирующейся на РНК-терапии, показало, что химически модифицированная мРНК, кодирующая BMP 2, стимулировала дозозависимое заживление остеотомий бедренной кости у самцов крыс. Молекулы мРНК были инкапсулированы в невирусные липидные частицы, помещены на губки и хирургически имплантированы в костные дефекты. Они оставались локализованными в области применения. По сравнению с прямым введением rhBMP 2, костные ткани, регенерировавшие после лечения мРНК, продемонстрировали превосходную прочность и меньшее образование массивных костных мозолей.

Не указанное в этикетке

Хотя rhBMP 2 и rhBMP 7 используются в лечении различных состояний, связанных с костной тканью, включая спондилодезы и несращения костей, риски данного применения не по показаниям недостаточно изучены. Несмотря на то, что rhBMP одобрены для конкретных областей применения (спондилодез поясничного отдела позвоночника с передним доступом и несращения большеберцовых костей), до 85% всего использования BMP происходит не по инструкции.

Противопоказания

Морфогенетический белок кости (rhBMP) не следует routinely использовать при любом типе переднего шейного спондилодеза, например, при передней шейной дискектомии и спондилодезе. Имеются сообщения о том, что данная терапия вызывает отек мягких тканей, что, в свою очередь, может привести к жизнеугрожающим осложнениям из-за затруднения глотания и компрессии дыхательных путей. Являясь членом семейства трансформирующих факторов роста бета, BMP регулирует различные процессы эмбрионального паттернинга во время фетального и эмбрионального развития. Например, сигналинг BMP контролирует раннее формирование мюллерова протока (МП), который представляет собой трубчатую структуру на ранней стадии эмбрионального развития и впоследствии становится женскими репродуктивными путями. Химическое ингибирование сигналов BMP в эмбрионе курицы вызвало нарушение инвагинации МП и блокировало утолщение эпителия в области формирования МП, что указывает на роль сигналов BMP в раннем развитии МП. Кроме того, сигналинг BMP участвует в формировании передней и задней кишки, паттернинге кишечных ворсинок и дифференцировке эндокарда. Ворсинки способствуют увеличению эффективного всасывания питательных веществ за счет увеличения площади поверхности в тонком кишечнике. Изменение функции сигналинга BMP (усиление или ослабление) повлияло на паттернинг скоплений и формирование ворсинок в модели кишечника мыши. Сигнал BMP, происходящий из миокарда, также участвует в дифференцировке эндокарда во время развития сердца. Ингибирование сигнала BMP в эмбриональной модели рыбы-зебры привело к значительному снижению дифференцировки эндокарда, но оказало незначительное влияние на развитие миокарда. Кроме того, перекрестные взаимодействия Notch, Wnt и Bmp необходимы для радиального паттернинга во время развития улитки у мыши посредством антагонистического механизма. Мутации в генах BMP и их ингибиторах связаны с рядом заболеваний человека, поражающих скелет. Некоторые BMP также называют «морфогенетическими белками, полученными из хряща» (CDMP), в то время как другие обозначаются как «факторы дифференцировки роста» (GDF). BMP также участвуют в адипогенезе и функциональной регуляции жировой ткани. BMP4 способствует образованию белой жировой ткани, в то время как BMP7 активирует функциональность бурой жировой ткани; ингибиторы BMP также участвуют в этой регуляции. Современная номенклатура признает только 13, поскольку многие другие отнесены к категории факторов дифференцировки роста. BMP Известные функции Ген ЛокусBMP1*BMP1 не принадлежит к семейству белков TGF β. Это металлопротеаза, действующая на проколлаген I, II и III. Участвует в развитии хряща. Хромосома: 8; Локализация: 8p21BMP2 Действует как гомодимер, связанный дисульфидной связью, и индуцирует образование костей и хрящей. Является кандидатом на роль медиатора ретиноидов. Играет ключевую роль в дифференцировке остеобластов. Хромосома: 20; Локализация: 20p12BMP3 Индуцирует образование костей. Хромосома: 14; Локализация: 14p22BMP4 Регулирует образование зубов, конечностей и костей из мезодермы. Также играет роль в восстановлении после переломов, формировании эпидермиса, формировании дорсально-вентральной оси и развитии фолликулов яичников. Хромосома: 14; Локализация: 14q22 q23BMP5 Выполняет функции в развитии хряща. Хромосома: 6; Локализация: 6p12.1BMP6 Играет роль в целостности суставов у взрослых. Контролирует гомеостаз железа посредством регуляции гепцидина. Хромосома: 6; Локализация: 6p12.1BMP7 Играет ключевую роль в дифференцировке остеобластов. Также индуцирует продукцию SMAD1. Также играет ключевую роль в развитии и восстановлении почек. Хромосома: 20; Локализация: 20q13BMP8a Участвует в развитии костей и хрящей. Хромосома: 1; Локализация: 1p35–p32BMP8b Экспрессируется в гиппокампе. Хромосома: 1; Локализация: 1p35–p32BMP10 Может играть роль в трабекулярной структуре эмбрионального сердца. Хромосома: 2; Локализация: 2p14BMP11 Контролирует передне-задний паттернинг. Хромосома: 12; Локализация: 12pBMP15 Может играть роль в развитии ооцитов и фолликулов. Хромосома: X; Локализация: Xp11.2

История

Со времен Гиппократа было известно, что костная ткань обладает значительным потенциалом к регенерации и восстановлению. Николас Сенн, хирург из Медицинского колледжа Раша в Чикаго, описал эффективность применения антисептических обезкальцинированных костных имплантатов при лечении остеомиелита и определенных деформаций костей. Пьер Лакруа предположил, что может существовать гипотетическое вещество – остеогенин, способное инициировать рост костей. Биологические основы морфогенеза костей были установлены Маршаллом Р. Уристом. Урист сделал ключевое открытие: деминерализованные, лиофилизированные фрагменты кости индуцируют образование новой костной ткани при имплантации в мышечные карманы у кроликов. Это открытие было опубликовано Уристом в журнале Science в 1965 году. В 1971 году Урист предложил название "морфогенетические белки кости" в научной литературе, в журнале Journal of Dental Research. Индукция костной ткани – это последовательный многоступенчатый каскад. Ключевыми этапами этого каскада являются хемотаксис, митоз и дифференцировка. Ранние исследования Хари Редди позволили выяснить последовательность событий, связанных с индукцией костного морфогенеза костным матриксом. На основании этих работ стало вероятным, что морфогены присутствуют в костном матриксе. С использованием ряда биоанализов для оценки формирования кости было проведено систематическое исследование с целью выделения и очистки предполагаемых морфогенетических белков кости. Основным препятствием для очистки оказалась нерастворимость деминерализованного костного матрикса. Для преодоления этой трудности Хари Редди и Кубер Сампат использовали диссоциирующие экстрагенты, такие как 4М гуанидин HCl, 8М мочевина или 1% SDS. Ни растворимый экстракт, ни нерастворимые остатки по отдельности не способны индуцировать образование новой костной ткани. Эта работа показала, что оптимальная остеогенная активность требует синергии между растворимым экстрактом и нерастворимым коллагеновым субстратом. Это не только стало значительным шагом вперед в направлении окончательной очистки морфогенетических белков кости лабораторией Редди, но и в конечном итоге позволило Джону Вознею и его коллегам из Института генетики клонировать BMP.

Расходы

Стоимость типичного лечения варьируется от 6 000 до 10 000 долларов США, и BMP может быть дорогостоящим по сравнению с другими техниками, такими как костная пластика. Однако эта стоимость зачастую значительно ниже, чем затраты, связанные с повторными ортопедическими операциями. Хотя клиническая эффективность rhBMPs практически не вызывает сомнений, некоторые хирурги, ответственные за первоначальные исследования эффективности rhBMP 2, спонсируемые компанией Medtronic, были обвинены в предвзятости и конфликте интересов. Например, один хирург, ведущий автор четырех из этих исследовательских работ, не раскрывал информацию о своих финансовых связях с компанией в трех из них; он получил от Medtronic более 4 миллионов долларов. Позднее стало известно, что использование BMP может приводить к потенциальным осложнениям, таким как смещение имплантата, его западение, инфекция, урогенитальные осложнения и ретроградная эякуляция.