По данным Министерства здравоохранения РФ, число пациентов с заболеваниями костно-мышечной системы неуклонно растет, и в 2017 г. было выявлено 19 261 615 пациентов, страдающих данными болезнями [60].

В челюстно-лицевой области воспалительные и онкологические заболевания, травмы, врожденные аномалии развития и деформации костей нередко приводят к формированию дефектов челюстей. Востребованными являются реконструктивно-восстановительные операции с применением остеопластических материалов. Среди них до сих пор «золотым стандартом» является аутокость, однако ее забор приводит к дополнительной операционной травме донорской зоны и увеличивает риск послеоперационных осложнений. Все это вместе с ограниченным объемом донорской зоны способствует частому применению в клинической практике заменителей аутокости различного происхождения. Одними из наиболее перспективных являются активированные остеопластические материалы, содержащие остеоиндуктивные костные морфогенетические белки (КМБ). Интерес к изучению и использованию белков семейства BMP неуклонно растет в течение последних 30 лет, а информационно-поисковый ресурс PubMed содержит более 3000 публикаций по запросу «BMP», вышедших с 2015 по 2018 г. (см. рисунок).

Значимость КМБ в репаративной регенерации костной ткани была наглядно показана в момент их открытия в 50-е гг. XX века Л.В. Полежаевым. В эксперименте для восстановления костей свода черепа у собак им были использованы костные опилки, одни из которых укладывались в область дефекта сразу после получения, а другие подвергались предварительной лиофилизации или автоклавированию. Новообразование костной ткани отмечалось в группах с использованием свежих и лиофилизированных, но не автоклавированных, костных опилок. По результатам эксперимента Л.В. Полежаевым был сделан вывод о том, что в костных опилках содержатся «костеобразующие вещества», которые стимулируют образование кости «путем индукции» [62]. Несколько позже, в 1965 г., M. Urist опубликовал исследование, посвященное открытию КМБ. Им была проведена серия экспериментов по внутримышечной имплантации лабораторным животным бесклеточных декальцинированных костных фрагментов большеберцовой кости. В местах введения имплантов возникали очаги эктопического остеогенеза [48]. В ходе дальнейших исследований Urist предположил, что образование костной ткани происходило под влиянием особых веществ, которые получили название «Bone Morphogenetic Proteins» (BMPs) [49].

Исследования Л.В. Полежаева и M. Urist послужили отправной точкой для создания целой группы материалов, способных эффективно индуцировать регенерацию. На сегодняшний день открыто около 20 членов семейства BMP, однако наибольшим остеогенным потенциалом среди них обладают BMP-2 и BMP-7, которые также принимают участие в эмбриональном развитии и наиболее изучены [9]. Значимость BMP-2 и BMP-7 отчетливо видна в экспериментах с нокаутом генов, кодирующих эти белки. Так, нокаут BMP-2 приводит к летальному исходу у эмбрионов, а BMP-7 — к ранней смерти плода после рождения [2, 51].

После открытия КМБ несколько компаний запустили программы, целью которых было одобрение FDA выпуска продуктов, содержащих BMP. Общая сумма затраченных средств составила около 650 млн долларов. В 80-х гг. Genetics Institute и Creative BioMolecules успешно клонировали человеческий BMP для получения очищенного рекомбинантного белка. Однако только в 2001 г. FDA разрешило производителю «Stryker Biotech» (Natick, MA, USA) выпуск материала на основе BMP-7 (OP-1) для восстановления переломов длинных костей. В 2002 г. компания «Medtronic Sofamor Danek USA» (Memphis, TN, USA) получила разрешение FDA на производство препарата InFUSE на основе BMP-2 для восстановительных операций на позвоночнике. В 2007 г. FDA одобрило использование InFUSE в челюстно-лицевой области [37, 52].

С тех пор на рынке появились остеопластические материалы в различных лекарственных формах, отличающиеся разнообразием носителей BMP-2 или BMP-7. В таблице

Материалы с BMP-2 и BMP-7 показали свою эффективность в травматологии и постепенно внедряются в практику челюстно-лицевых хирургов и хирургов-стоматологов. cуществуют данные об успешном применении InFUSE для поднятия дна верхнечелюстной пазухи [18, 32, 46]. В группе с применением аутокостной стружки удавалось поднять дно альвеолярной бухты на 11,3 мм, а при использовании InFUSE — на 10,2 мм, а через 36 мес после установки постоянных ортопедических конструкций функционально состоятельными считались импланты у 62 и 76% человек из групп с применением костной стружки и материала InFUSE соответственно [5].

Остеогенная активность КМБ напрямую связана с его носителем. Применение в качестве носителя коллагеновой мембраны через 4 нед не давало выраженного прироста образования кости в области импланта по сравнению с контролем. Объем новообразованной костной ткани составил 12,84% для группы с BMP-2 и 8,06% для группы без BMP-2 [44]. При использовании коллагеновой губки с BMP-2 на модели костного дефекта у собак в области дентальных имплантов через 16 нед отмечалось образование 6,1 мм² кости в области дефекта, а при применении губки без остеоиндуктора — только 0,2 мм² [42].

Клинические и экспериментальные исследования показали, что препараты на основе BMP-2 являются более эффективными по сравнению с традиционными неактивированными костно-пластическими материалами. По данным гистоморфометрического анализа, прирост костной ткани в области дефектов альвеолярного гребня, восстановленных материалом NOVOSIS-Dent («CGBio Inc.», Корея), составлял 35,2±19,7% против 28,9±10,3% в группе пациентов с применением BioOss [25].

Использование комбинации BioOss и BMP-2 в различных исследованиях имеет противоречивые результаты [19, 24]. C одной стороны, некоторые исследования указывают на меньший объем новообразованной ткани при использовании BioOss с BMP-2 по сравнению с чистым BioOss [19], однако использование материалов с BMP-2 ускоряет созревание новообразованной костной ткани и увеличивает площадь контакта остеопластического материала с костью, что положительно сказывается на регенерации [22].

Несмотря на наличие противопоказаний производителей, существуют клинические исследования по применению материалов с BMP-2 и BMP-7 у молодых пациентов с расщелинами губы и неба и пациентов с протяженными дефектами после удаления опухолей.

В статье Canan и соавт. (2012) проведена сравнительная оценка эффективности устранения расщелин альвеолярного отростка с использованием аутологичной костной ткани с гребня подвздошной кости, материала InFUSE и периостеопластики у детей 8—15 лет. Объем образовавшейся кости через 6 мес составил 105,7 мм³, 346,2 мм³ и 502,9 мм³ в группах после периостеопластики, операций с использованием InFUSE и костной ткани с гребня подвздошной кости соответственно. Через год показатели объема, плотности и скорости образования кости в последних двух группах не различались [7]. В другом исследовании через 4 мес после операции произошло заполнение расщелин костью на 78,1 и 71,7% в группах с использованием материала с гребня подвздошной кости и коллагеновой губки с BMP-2 соответственно [17].

В ряде исследований были показаны положительные результаты восстановления дефектов челюстей с помощью материалов с BMP-2 и BMP-7 после резекций амелобластом, гигантоклеточных гранулем, ювенильных оссифицирующих фибром и одонтогенных кератокист [11, 12, 14, 16]. В большинстве клинических случаев (89,3%) происходило восстановление дефектов за счет новообразования кости. Лишь в 10,7% случаев было отмечено нарушение остеогенеза и неполное заживление тканей, связанное с использованием препаратов в инфицированных областях или с недостаточной прочностью носителей, которые подвергались сдавливанию за счет отека окружающих мягких тканей [10, 15].

Несмотря на высокую эффективность материалов с BMP-2 и BMP-7, не следует упускать из внимания определенные противопоказания к их применению.

По заявлению производителей, InFUSE и OP-1 противопоказаны при:

— индивидуальной непереносимости веществ, входящих в состав материалов;

— наличии очагов воспаления вблизи области вмешательства;

— операции имплантации в области удаленного новообразования;

— наличии новообразований в месте операции;

— у пациентов молодого возраста с незавершенным формированием костей.

Однако высокая эффективность данных препаратов приводит к их применению off-label (не по показаниям, указанным в инструкции). Так, в США было зарегистрировано более 85% случаев такого использования препаратов с BMP [38]. Несмотря на то что в большинстве клинических ситуаций были получены положительные результаты, у некоторых пациентов возникали побочные эффекты, связанные с риском для жизни. В связи с этим следует уделить внимание нежелательным последствиям использования КМБ.

Анализ статей, посвященных применению препаратов с КМБ в челюстно-лицевой области, показал, что основным побочным эффектом являлся выраженный, длительно сохраняющийся отек мягких тканей [11]. Механизм возникновения отека заключается в стимуляции BMP-2 высвобождения воспалительных цитокинов, таких как ИЛ-6, ИЛ-10 и ФНО-α, с формированием воспалительного экссудата [30]. Эффект зависит от дозы: при использовании BMP-2 в концентрации 1,5 мг/мл в течение 4 мес отек сохранялся у 82% пациентов, а при использовании 0,75 мг/мл — всего у 39% пациентов [5]. Отек может быть минимизирован за счет послеоперационного введения дексаметазона или других противовоспалительных средств [45, 54].

Еще одним эффектом является появление антител к BMP-2 и BMP-7 в крови пациентов после операций с применением материалов с данными белками. Иммунный ответ на введение BMP-2 был отмечен у 2—4% больных, однако, повышение титра антител было временным и не имело клинических проявлений [5, 47]. Данные о других осложнениях при применении материалов с BMP-2 и BMP-7 в челюстно-лицевой области отсутствуют, однако при их использовании в других областях были отмечены дополнительные побочные эффекты: формирование эктопических костных очагов, остеолизис и увеличение риска возникновения опухолей.

Исследователи связывают формирование эктопических костных очагов с просачиванием BMP из места имплантации. Данное явление встречалось у 70,1% пациентов, у которых применялся BMP-2 [8], но отмечены также случаи эктопического костеобразования и при использовании материалов с BMP-7 [1, 53]. В клиническом исследовании среди 23 пациентов, подвергшихся передней шейной дискэктомии со спондилодезом, гетеротопическое образование кости было обнаружено в 3 случаях, но не сопровождалось клиническими симптомами [4]. Авторы отмечают, что данное явление может быть связано как с недостатками техники хирургического вмешательства, так и с использованием большого объема материала — при уменьшении объема InFUSE в дальнейших исследованиях эктопического остеогенеза не отмечено [4]. Кроме того, сами производители материала InFUSE рекомендуют не оказывать чрезмерного давления на смоченную им коллагеновую губку и отказаться от ирригации и аспирации жидкостей во время внесения материала в область костного дефекта для снижения вероятности миграции белка и предотвращения осложнений.

Высокая концентрация BMP-2 при быстром его высвобождении из носителя усиливает дифференцировку остеокластов, что вызывает остеокластическую костную резорбцию. При применении InFUSE для спондилодеза резорбция костной ткани была отмечена в 69—100% случаев [34, 35], однако у большинства пациентов имела временный характер и не сопровождалась болью и другими осложнениями, а через 6 мес отмечалось полное сращение костей [35]. Применение высоких концентраций BMP-7 при восстановлении переломов позвоночника также может вызвать костную резорбцию, требующую дополнительного хирургического вмешательства [29]. В связи с этим исследователи предлагают использовать меньшие концентрации BMP, обеспечить оптимальное положение импланта во время операции и ограничить использование данных препаратов у пациентов с псевдоартрозами [3].

До сих пор нет однозначного мнения по поводу возможного проонкогенного действия КМБ. Прямых доказательств возникновения опухолевых образований de novo под воздействием BMP-2 нет, однако в 43% исследований показано, что BMP-2 может усугублять течение уже существующих опухолей [43]. Весьма распространенные среди онкологических заболеваний рак молочных желез, легких и предстательной железы [41, 61] экспрессируют BMP-2 и BMP-7. Однако BMP-2 напрямую влияет на туморогенез только в тканях легких за счет регулирования пути PI3K/mTOR. Высокая экспрессия BMP-2 отмечается в 98% карцином легких и может быть использована в качестве биомаркера, так как у здоровых пациентов и при доброкачественных образованиях легких белок не экспрессируется [26, 27].

Вместе с тем BMP-2 и BMP-7 способны и ингибировать пролиферацию опухолевых клеток. При раке желудка, почечно-клеточной карциноме, раке легкого, колоректальном раке и остеосаркоме они подавляют рост опухоли путем снижения экспрессии генов опухолевых факторов и индуцируют дифференцировку стволовых клеток [33, 50, 55—57]. В клетках гепатоцеллюлярной карциномы BMP-2 индуцирует апоптоз и играет роль ингибитора за счет увеличения экспрессии проапоптотических белков [58]. BMP-7 обладает антинеопластическим эффектом в клетках плоскоклеточного рака головы и шеи [28].

Следует отметить, что большинство исследований, посвященных изучению туморогенного влияния КМБ, являются экспериментальными, поэтому их результаты не могут быть широко экстраполированы.

BMP-2 и BMP-7 обладают выраженным остеоиндуктивным потенциалом, однако существуют методы, позволяющие усилить их остеогенную активность. К ним относится использование синтезированных молекул гетеродимера BMP-2/7, микроРНК, регулирующих остеогенную дифференцировку клеток, а также ген-активированных конструкций, влияющих на экспрессию генов BMP-2 и BMP-7.

Гетеродимер BMP-2/7 представляет собой белок, состоящий из двух связанных полипептидных цепей с последовательностью аминокислот, кодируемых генами BMP-2 и BMP-7. Данный гетеродимер обладает остеоиндуктивным потенциалом, в 15—20 раз превосходящим потенциал входящих в него гомодимеров BMP-2 и BMP-7, так как входящие в его состав гомодимеры связываются с разными типами рецепторов, а также гетеродимеры могут усиливать экспрессию определенных генов по сравнению с гомодимерами [21, 36]. Следует отметить, что рекомендуемая производителями доза BMP-2 для эффективного остеогенеза в области костных дефектов составляет около 400 нг/мм³, а при использовании гетеродимера требуется меньшая доза — 30 нг/мм³ [59]. Также в экспериментах in vivo в группе с BMP-2/7 не наблюдалось усиления воспалительного ответа окружающих мягких тканей по сравнению с группами, в которых использовались материалы с BMP-2 или BMP-7 [23]. Еще одним важным свойством гетеродимера является способность ингибировать рост клеток рака груди и образование костных метастазов [6].

Потенцировать эффекты КМБ могут микроРНК — эндогенные некодирующие РНК длиной от 18 до 24 нуклеотидов. Они синтезируются из более длинных предшественников и, связываясь с 3’-нетранслируемым участком мРНК, играют роль репрессоров трансляции [31]. МкРНК-378 при сверхэкспрессии и в присутствии белка BMP-2 способствует остеогенной дифференцировке клеток линии C2C12 (мышиных миобластов) [20].

Еще одним методом является трансфекция с помощью аденовирусных конструкций. Этот метод достаточно безопасен, так как аденовирусный вектор не встраивается в геном клетки хозяина и существует в виде эписомы в клеточном ядре [13]. При подкожной имплантации матрицы из сополимера полилактида и поликапронолактона со стромальными клетками костного мозга, подвергнутых аденовирусной трансфекции, через 2 нед после имплантации отмечалось образование кости, а через 8 нед — увеличение ее объема [40]. Еще более эффективной является котрансфекция клеток BMP-2 и BMP-7. Так, в эксперименте на модели бедренной кости крыс была оценена эффективность использования материала на основе бета-трикальций фосфата и клеток, трансфицированных BMP-2 или BMP-7 или ко-трансфицированных BMP-2 и BMP-7. Через 6 нед в группе с клетками с BMP-2+BMP-7 отмечалось образование большего количества кости и костного мозга по сравнению с другими группами [39].

Экспериментальные и клинические исследования КМБ показали их высокую эффективность для регенерации костной ткани в челюстно-лицевой области. Безопасность материалов с BMP-2 и BMP-7 достаточно высока при соблюдении показаний к применению. При применении препаратов не по показаниям распространены такие побочные эффекты, как массивные отеки, эктопический остеогенез, остеолизис. Что касается самого грозного осложнения в виде туморогенного действия, то здесь данные неоднозначны. BMP-2 или BMP-7 стимулируют рост опухолей, локализованных в предстательной и молочных железах, легких, поджелудочной железе, в то время как выступают в качестве опухолевых супрессоров при раке желудка, почек, колоректальном раке и остеосаркоме. Это, теоретически, препятствует его применению, например при таких одонтогенных опухолях, как цементома, дентинома, остеогенная фиброма или одонтома. Неполнота экспериментальных и клинических данных относительно онкогенных свойств BMP является основным фактором, сдерживающим их широкое распространение в клинической практике. Тем не менее продолжающийся стремительный рост исследований с участием BMP дает надежду на скорейшее решение этой проблемы.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 16−15−00298).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Сведения об авторах

Кузнецова Валерия Сергеевна — аспирант ФГБНУ «Центральный научно-исследовательский институт стоматологии и челюстно-лицевой хирургии» Минздрава России; e-mail: tilia7@yandex.ru