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.
Bone morphogenetic proteins (BMPs) are a group of growth factors also known as cytokines and as metabologens. Originally discovered by their ability to induce the formation of bone and cartilage, BMPs are now considered to constitute a group of pivotal morphogenetic signals, orchestrating tissue architecture throughout the body. The important functioning of BMP signals in physiology is emphasized by the multitude of roles for dysregulated BMP signalling in pathological processes. Cancerous disease often involves misregulation of the BMP signalling system. Absence of BMP signalling is, for instance, an important factor in the progression of colon cancer, and conversely, overactivation of BMP signalling following reflux induced esophagitis provokes Barrett's esophagus and is thus instrumental in the development of esophageal adenocarcinoma. Recombinant human BMPs (rhBMPs) are used in orthopedic applications such as spinal fusions, nonunions, and oral surgery. rhBMP 2 and rhBMP 7 are Food and Drug Administration (FDA) approved for some uses. rhBMP 2 causes more overgrown bone than any other BMPs and is widely used off label.
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.