Botinductie met botgroeifactoren: 'bone morphogenetic proteins'

Zie ook het artikel op bl. 2394.

In Nederland worden jaarlijks ongeveer 4000 autologe bottransplantaties verricht (gegevens van SIG Zorginformatie, Landelijke Medische Registratie, Utrecht, over 1991-1994). Een bottransplantatie kan nodig zijn bij botdefecten na trauma of resectie van tumoren, spondylodese en gestoord verlopende fractuurgenezing leidend tot vertraagde consolidatie of pseudartrose. Een groot nadeel is dat een donoroperatie, veelal ter plaatse van de crista iliaca, noodzakelijk is. Bij maar liefst 30-50 van de patiënten leidt de autologe donoroperatie tot morbiditeit zoals pijn, sensibiliteitsstoornissen, infecties en hematoomvorming.12 Daarbij komt dat niet altijd voldoende bot bij de patiënt beschikbaar is. Om aan deze bezwaren van autologe bottransplantatie te ontkomen, maakt men gebruik van botinductie, botvervangende materialen en biofysische technieken, zoals behandeling met elektrische velden en ultrageluid.3 Het doel van al deze methoden is om nieuwe botvorming te stimuleren. In dit artikel geven wij een overzicht van botinductie.

Botinductie kan worden gedefinieerd als een proces dat de proliferatie van ongedifferentieerde mesenchymale cellen stimuleert en leidt tot de vorming van osteoprogenitoire cellen, die het vermogen bezitten om nieuw bot te vormen.3

Ontdekking van ‘bone morphogenetic proteins’

In 1965 werd door Urist beschreven dat er lokaal nieuwe botvorming optreedt na intramusculaire implantatie van allogene met zoutzuur gedemineraliseerde botcilinders bij knaagdieren en konijnen.4 Daarna is door Reddi en Huggins een soortgelijk experiment bij ratten verricht:5 3 weken na subcutane implantatie van poeder van gedemineraliseerde botmatrix was er op de implantatieplaats een stukje bot ontstaan. Deze ectopische botvorming onder invloed van botmatrix is een zogenaamd osteo-inductief proces en verloopt via enchondrale verbening, dat wil zeggen via een tussenstadium met kraakbeen.6

De osteo-inductieve eigenschap van gedemineraliseerde botmatrix werd door Urist toegeschreven aan de aanwezigheid van een eiwit, dat hij ‘bone morphogenetic protein’ (BMP) noemde.7 In de jaren tachtig slaagde men erin met toenemend succes BMP uit runderbot te isoleren. Uiteindelijk gelukte het BMP meer dan 350.000-voudig te zuiveren met een opbrengst van 4 µg BMP per 4 kg bot (10-7).8 Vermengd met botmatrix, waaruit het endogene BMP was verwijderd en dat fungeerde als dragersubstantie, induceerden de geïsoleerde BMP-extracten ectopische botvorming bij muizen en ratten.

Met recombinant-DNA-technieken is de structuur van 9 verschillende humane BMP's opgehelderd.9-13 Deze worden aangeduid met BMP-1 tot en met BMP-9. BMP-7 en BMP-8 worden respectievelijk ook wel aangeduid als osteogeen proteïne 1 (OP-1) en OP-2. De BMP's zijn glycoproteïnen met een molecuulgewicht van 30-38 kDa.1415 Met uitzondering van BMP-1 behoren de BMP's tot de eiwitsuperfamilie van ‘transforming growth factor’-? (TGF-?), een groep groei- en differentiatiefactoren die een belangrijke rol speelt bij ontwikkelingsprocessen, zoals embryogenese en weefselherstel.9-1416 Bijna alle BMP's kunnen elk afzonderlijk ectopische enchondrale botvorming induceren.13-16

Oorsprong, doelwitcellen en werkingsmechanisme

Het skelet is de grootste verzamelplaats van groeifactoren in het lichaam. De BMP's zijn in zowel het volwassen als het embryonale skelet aangetoond.816 Dit wijst op een lokale productie van BMP's in botweefsel. De BMP's zijn echter niet botspecifiek, want ze worden ook in niet-ossale weefsels gevonden. OP-1 (ofwel BMP-7) komt vooral tot expressie in de nieren en BMP-3 tot en met BMP-6 vooral in de longen.1217 Indien de excretie van BMP's extraskeletaal plaatsvindt met vervolgens sekwestratie in de botmatrix, moeten deze eiwitten als hormonen worden beschouwd. Het is niet bekend waar het grootste deel van de BMP's wordt geproduceerd en waar ze naartoe gaan.

Het beenmerg en het periost bevatten mesenchymale cellen, die het vermogen bezitten uit te groeien tot kraakbeen of bot.1819 Er wordt verondersteld dat BMP's op deze cellen inwerken. In vitro stimuleren BMP's de osteogene differentiatie van allerlei mesenchymale celtypen, waaronder beenmergstromacellen en periostale cellen.152021 Verder is uit in-vitro-onderzoek gebleken dat BMP-3 en BMP-4 chemotactisch zijn voor monocyten en deze aanzetten tot de synthese van TGF-?.22 Deze bevinding heeft geleid tot een model van botinductie onder invloed van BMP's, zoals weergegeven in figuur 1.22 Het gevormde TGF-? stimuleert de productie van cytokinen en groeifactoren door monocyten. De gevormde cytokinen en groeifactoren hebben een regulerende functie bij de angiogenese. Vaatingroei van het kraakbeen gaat altijd vooraf aan ossificatie tijdens enchondrale botontwikkeling.6 De rol van de angiogenese bij nieuwe botvorming hangt samen met de affiniteit van BMP voor collageen type IV, een bestanddeel van de vasculaire basale membraan.23 Dit maakt binding van BMP's aan de basale membraan rondom de nieuw gevormde capillairen mogelijk, waardoor de BMP's in een geïmmobiliseerde vorm aan mesenchymale cellen worden gepresenteerd. Onder invloed van de BMP's groeien de mesenchymale cellen vervolgens uit tot chondrocyten en osteoblasten.

Bmp's en botgenezing

Rol bij fractuurgenezing

Ectopische enchondrale botvorming onder invloed van lokaal geïmplanteerde BMP's verloopt op identieke wijze als de enchondrale botontwikkeling tijdens fractuurgenezing.1416 In de callus van experimentele fracturen bij ratten kon met immuunhistochemische technieken BMP-2 en BMP-4 worden aangetoond.24 Deze gegevens wijzen erop dat BMP's een belangrijke fysiologische functie hebben bij botregeneratie.

Dierexperimenteel onderzoek

De ontdekking van BMP's met botinductieve eigenschappen heeft geleid tot een groot aantal dierexperimentele onderzoeken naar het effect van lokale toediening van deze groeifactoren op de genezing van botdefecten. In de tabel staat een samenvatting van de onderzoeken waarbij gebruikgemaakt is van een segmentaal botdefect.25-33 Dit houdt in dat de schacht van het bot halverwege over een bepaalde afstand volledig werd uitgezaagd. De controledefecten, dat wil zeggen defecten die men leeg liet of vulde met alleen de gebruikte drager van BMP, kwamen binnen de tijdsduur van de experimenten niet tot genezing. Met gezuiverd of recombinant humaan BMP werd na 2 tot 3 maanden volledige genezing van de experimentele botdefecten bereikt (figuur 2). Wanneer als controlegroep ook een groep dieren werd behandeld met autologe bottransplantatie, waren de resultaten van BMP gelijkwaardig of beter.252933

Dragers

Voor een succesvolle toepassing van BMP's als lokale botgroeistimulatoren is binding aan een drager noodzakelijk. De drager moet voorkomen dat het BMP te snel wegdiffundeert en zorgen voor een gecontroleerde afgifte.14283233 De tot nu toe meest gebruikte dragermaterialen in dierexperimenten zijn allogene of xenogene geïnactiveerde botmatrix (de BMP's zijn daaruit geëxtraheerd, de botmatrix bestaat voornamelijk uit collageen type I), resorbeerbare polymeren en keramische calciumfosfaatverbindingen, zoals tricalciumfosfaat en hydroxyapatiet. De belangrijkste voorwaarden waaraan een drager moet voldoen, is dat het materiaal biocompatibel en biodegradeerbaar is, dat het zorgt voor een gecontroleerde afgifte van BMP, aspecifieke proteolyse van BMP voorkómt en een goed substraat is voor de aanhechting van mesenchymale cellen, die vervolgens tot botweefsel uitgroeien.

Klinische ervaringen

Tot nu toe zijn de klinische ervaringen met botinductie nog beperkt. In 1981 werd door Glowacki et al. melding gemaakt van 34 patiënten met craniofaciale botdefecten die waren behandeld met allogene gedemineraliseerde botmatrix.34 Na 2 tot 3 maanden hadden de defecten een solide genezing bereikt. Van recenter datum is de beschrijving van 24 patiënten met vertraagde consolidatie en pseudartrosen na fracturen en botdefecten ontstaan door verwijdering van tumoren.35 Met lokale implantatie van gedemineraliseerde botmatrixgel trad na 2 tot 6 maanden genezing op. Het nadeel van beide onderzoeken is dat er geen controlegroep werd onderzocht. In een ander onderzoek, dat wel een controlegroep had, werd de effectiviteit van autologe bottransplantatie en gedemineraliseerde botmatrix bij enkelartrodesen nagegaan.36 Met beide behandelingen was de enkel na 3 tot 4 maanden geconsolideerd. De morbiditeit en de extra kosten van autologe bottransplantatie konden door het gebruik van gedemineraliseerde botmatrix worden vermeden.

Ook uit humaan bot gezuiverd BMP is klinisch toegepast. Johnson et al. beschreven in 4 verschillende publicaties de behandeling van pseudartrosen van de humerus, het femur en de tibia met interne dan wel externe fixatie en BMP.37-40 Alle patiënten waren ernstig geïnvalideerd en hadden tevoren multipele chirurgische ingrepen ondergaan, zoals osteosynthese, autologe bottransplantatie en débridement in verband met infecties. Volledige genezing met een aanzienlijke verbetering van de functie van de aangedane extremiteit werd na gemiddeld 4 tot 6 maanden bereikt. Er waren geen belangrijke complicaties verbonden aan de implantatie van BMP. Bij deze onderzoeken moeten enkele kanttekeningen worden geplaatst. Ten eerste werden de resultaten niet vergeleken met die van een groep patiënten, die een controlebehandeling zonder BMP kregen. Ten tweede werd in veel gevallen naast implantatie van BMP ook nog een allogene of autologe bottransplantatie verricht. Hierdoor zijn de resultaten niet bewijzend voor de effectiviteit van BMP. Daarvoor is een prospectief, gerandomiseerd, dubbelblind en gecontroleerd onderzoek noodzakelijk.

Ten opzichte van gezuiverde BMP's hebben recombinante humane BMP's (rhBMP's) het voordeel dat ze in grote, klinisch bruikbare, hoeveelheden te produceren zijn. Tot op heden worden alleen rhBMP-2 en rhOP-1 op beperkte schaal voor klinisch gebruik geproduceerd. Uit dierexperimenteel onderzoek is gebleken dat met slechts één rhBMP kan worden volstaan om botgenezing te stimuleren (zie de tabel). Momenteel worden rhBMP-2 en rhOP-1 incidenteel in de kliniek gebruikt voor artrodesen en pseudartrosen. In de Verenigde Staten is een prospectief multicentrisch onderzoek gaande naar de effectiviteit van rhOP-1 bij pseudartrosen van de tibia, waarbij de resultaten worden vergeleken met die van autologe bottransplantatie, de standaardbehandeling tot nu toe. Zolang de resultaten van dit onderzoek nog niet bekend zijn, kunnen er geen definitieve conclusies getrokken worden over de werkzaamheid van rhBMP's in klinische situaties.

Beschouwing

Botinductie onder invloed van BMP's is één van de grootste ontdekkingen van de afgelopen decennia op het terrein van de botfysiologie en de botchirurgie. BMP's zijn groeifactoren met het vermogen primitieve mesenchymale cellen te transformeren tot kraakbeen en bot. Tijdens botgenezing spelen BMP's een belangrijke fysiologische rol en in tal van dierexperimenten is aangetoond dat lokale toediening van BMP's tot genezing van botdefecten leidt. In een aantal van deze onderzoeken waren de resultaten van BMP's vergelijkbaar met of beter dan die van autologe bottransplantatie, de gouden standaard tot nu toe.252933 Men mag dan ook veronderstellen dat implantatie van BMP's, wat betreft effectiviteit, een volwaardig alternatief zou kunnen zijn voor autologe bottransplantatie, waardoor de problemen die daaraan verbonden zijn, kunnen worden vermeden.

Met het beschikbaar komen van recombinante humane BMP's, die in grote hoeveelheden kunnen worden geproduceerd, ontstaan er vele klinische toepassingsmogelijkheden. Voorbeelden hiervan zijn spondylodese, de behandeling van botdefecten en pseudartrosen, het versnellen van fractuurgenezing en de behandeling van fracturen met een hoog risico van vertraagde consolidatie. Op dit moment zijn er nog onvoldoende klinische gegevens om de BMP's een vaste plaats in het therapeutisch arsenaal binnen de traumatologie en de orthopedie te verschaffen, maar de verwachting is dat dit in de nabije toekomst wel het geval zal zijn en dat het accent in de botchirurgie zal verschuiven van weefseltransplantatie naar weefseltransformatie.