Гетеротопическая оссификация как побочный эффект применения рекомбинантных человеческих костных морфогенетических белков

Автор: Мухаметов Урал Фаритович, Люлин Сергей Владимирович, Борзунов Дмитрий Юрьевич, Гареев Ильгиз Фанилевич, Бейлерли Озал Арзуман Оглы, Суфианов Альберт Акрамович

Журнал: Гений ортопедии @geniy-ortopedii

Рубрика: Обзор литературы

Статья в выпуске: 1 т.28, 2022 года.

Бесплатный доступ

Введение. Гетеротопическая оссификация (ГО), также известная как оссифицирующий миозит, параостеоартопатия и гетеротопическая кальцификация, среди прочего, является часто встречающимся патологическим состоянием, которое относится к эктопическому образованию кости в мягких тканях. Хотя не до конца понятным остаётся молекулярный механизм ГО, cчитается, что передача сигналов костных морфогенетических белков (BMPs) играет ключевую роль в общем процессе ГО. На сегодняшний день уже активно используются в клинической практике рекомбинантный человеческий BMP-2 (rhBMP-2) и рекомбинантный человеческий BMP-7 (rhBMP-7) в восстановлении костных дефектов. Однако, несмотря на положительные стороны использования rhBMPs, имеется ряд побочных эффектов, одним из которых является ГО. Цель. В данной работе мы продемонстрируем случаи ГО после использования rhBMPs как в клинических, так и в доклинических исследованиях; попытаемся объяснить связь между сигнальными путями BMPs и процессом ГО, а также возможности предотвращения и лечения процесса ГО. Материалы и методы. Используя базы данных PubMed, Embase, базу данных Кокрановской библиотеки (Cochrane Database) и Google Scholar, мы провели всесторонний поиск оригинальных работ, обзоров литературы, клинических случаев и мета-анализов, демонстрирующих причинно-следственную связь между применением rhBMPs в терапевтических целях и ГО как осложнением. Результаты. В данной обзорной статье проанализированы возможности терапевтического применения rhBMPs в нейрохирургии и травматологии и ортопедии как в клинических, так и в доклинических исследованиях. В частности, эти исследования подтверждают, что формирование эктопической кости является одним из побочных эффектов после применения rhBMPs. Кроме того, освещены молекулярные механизмы процесса ГО, а также возможности современных методов профилактики и лечения ГО. Заключение. Согласно базе данных FDA по безопасности применения rhBMP-2 и rhBMP-7, частота нежелательных эффектов в виде ГО колеблется от 1 до 10 %. Тем не менее, на сегодняшний день клиническое применение rhBMP-2 и rhBMP-7 оправдано, особенно когда отсутствуют альтернативные заменители костного трансплантата.

Еще

Гетеротопическая оссификация, рекомбинантный, костные морфогенетические белки, механизм, лечение

Короткий адрес: https://sciup.org/142231940

IDR: 142231940 | DOI: 10.18019/1028-4427-2022-28-1-123-132

Список литературы Гетеротопическая оссификация как побочный эффект применения рекомбинантных человеческих костных морфогенетических белков

Гареев И.Ф., Бейлерли О.А., Вахитов А.К. Гетеротопическая оссификация после травм центральной нервной системы: понимание патогенеза // Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. 2018. Т. 25, № 3-4. С. 119-124. URL: https://doi.org/10.17116/vto201803-041119.
The traumatic bone: trauma-induced heterotopic ossification / D. Dey, B.M. Wheatley, D. Cholok, S. Agarwal, P.B. Yu, B. Levi, T.A. Davis // Transl. Res. 2017. Vol. 186. P. 95-111. DOI: 10.1016/j.trsl.2017.06.004.
Lees-Shepard J.B., Goldhamer D.J. Stem cells and heterotopic ossification: lessons from animal models // Bone. 2018. Vol. 109. P. 178-186. DOI: 10.1016/j.bone.2018.01.029.
Bioinformatics Analysis of the Molecular Mechanism of Late-Stage Heterotopic Ossification / O. Zhang, Y. Zhang, M. Yan, K. Zhu, D. Zhou, J. Tan // Biomed. Res. Int. 2020. Vol. 2020. 5097823. DOI: 10.1155/2020/5097823.
Potential genes and pathways associated with heterotopic ossification derived from analyses of gene expression profiles / Z. Yang, D. Liu, R. Guan, X. Li, Y. Wang, B. Sheng // J. Orthop. Surg. Res. 2021. Vol. 16, No 1. Р. 499. DOI: 10.1186/s13018-021-02658-1.
Bone morphogenetic protein receptor signal transduction in human disease / M.C. Gomez-Puerto, P.V. Iyengar, A. Garcia de Vinuesa, P. Ten Dijke, G. Sanchez-Duffhues // J. Pathol. 2019. Vol. 247, No 1. Р. 9-20. DOI: 10.1002/path.5170.
Herford A.S. The use of recombinant human bone morphogenetic protein-2 (rhBMP-2) in maxillofacial trauma // Chin. J. Traumatol. 2017. Vol. 20, No 1. P. 1-3. DOI: 10.1016/j.cjtee.2016.05.004.
The effect of bone morphogenetic protein 2 composite materials combined with cannulated screws in treatment of acute displaced femoral neck fractures / H. Gao, D. Xing, Z. Liu, J. Zheng, Z. Xiong, M. Gong, L. Liu // Medicine (Baltimore). 2020. Vol. 99, No 6. P. e18976. DOI: 10.1097/ MD.0000000000018976.
Conserved signaling pathways underlying heterotopic ossification / C. Kan, L. Chen, Y. Hu, N. Ding, H. Lu, Y. Li, J.A. Kessler, L. Kan // Bone. 2018. Vol. 109. P. 43-48. DOI: 10.1016/j.bone.2017.04.014.
Challenges of heterotopic ossification - Molecular background and current treatment strategies / P. L^gosz, K. Drela, L. Pulik, S. Sarzynska, P. Maldyk // Clin. Exp. Pharmacol. Physiol. 2018. Vol. 45, No 12. P. 1229-1235. DOI: 10.1111/1440-1681.13025.
Rifas L. T-cell cytokine induction of BMP-2 regulates human mesenchymal stromal cell differentiation and mineralization // J. Cell. Biochem. 2006. Vol. 98, No 4. Р. 706-714. DOI: 10.1002/jcb.20933.
Local expression and role of BMP-2/4 in injured spinal cord / Z.S. Cui, P. Zhao, C.X. Jia, H.J. Liu, R. Oi, J.W. Cui, J.H. Cui, O. Peng, B. Lin, Y.J. Rao // Genet. Mol. Res. 2015. Vol. 14, №э 3. P. 9109-9117. DOI: 10.4238/2015.
Neuroprotective effects of bone morphogenetic protein 7 (BMP7) treatment after spinal cord injury / J.P. de Rivero Vaccari, A. Marcillo, D. Nonner, W.D. Dietrich, R.W. Keane // Neurosci. Lett. 2009. Vol. 465, No 3. P. 226-229. DOI: 10.1016/j.neulet.2009.09.013.
Novel mouse model of spinal cord injury-induced heterotopic ossification / H. Kang, A.B. Dang, S.K. Joshi, B. Halloran, R. Nissenson, X. Zhang, J. Li, H.T. Kim, X. Liu // J. Rehabil. Res. Dev. 2014. Vol. 51, No 7. P. 1109-1118. DOI: 10.1682/JRRD.2014.01.0019.
Bone morphogenetic proteins in fracture repair / I. Dumic-Cule, M. Peric, L. Kucko, L Grgurevic, M. Pecina, S. Vukicevic // Int. Orthop. 2018. Vol. 42, No 11. P. 2619-2626. DOI: 10.1007/s00264-018-4153-y.
Posterior lumbar interbody fusion using recombinant human bone morphogenetic protein type 2 with cylindrical interbody cages / R.W. Haid Jr., C.L. Branch Jr., J.T. Alexander, J.K. Burkus // Spine J. 2004. Vol. 4, No 5. P. 527-538; discussion Р. 538-539. DOI: 10.1016/j.spinee.2004.03.025.
Arzeno A., Wang T., Huddleston J.I. 3rd. Abundant heterotopic bone formation following use of rhBMP-2 in the treatment of acetabular bone defects during revision hip arthroplasty // Arthroplast. Today. 2018. Vol. 4, No 2. P. 162-168. DOI: 10.1016/j.artd.2017.12.004.
Heterotopic ossification related to the use of recombinant human BMP-2 in osteonecrosis of femoral head / L. Shi, W. Sun, F. Gao, L. Cheng, Z. Li // Medicine (Baltimore). 2017. Vol. 96, No 27. P. e7413. DOI: 10.1097/MD.0000000000007413.
A novel mouse model of trauma induced heterotopic ossification / X. Liu, H. Kang, M. Shahnazari, H Kim, L. Wang, O. Larm, L. Adolfsson, R. Nissenson, B. Halloran // J. Orthop. Res. 2014. Vol. 32, No 2. P. 183-188. DOI: 10.1002/jor.22500.
Complications of recombinant human BMP-2 for treating complex tibial plateau fractures: a preliminary report / S. Boraiah, O. Paul, D. Hawkes, M. Wickham, D.G. Lorich // Clin. Orthop. Relat. Res. 2009. Vol. 467, No 12. P. 3257-3262. DOI: 10.1007/s11999-009-1039-8.
Synergistic Effect of NELL-1 and an Ultra-Low Dose of BMP-2 on Spinal Fusion / L. Liu, W.M.R. Lam, M. Naidu, Z. Yang, M. Wang, X. Ren, T. Hu, R .Kumarsing, K. Ting, J.C. Goh, H.K. Wong // Tissue Eng. Part. A. 2019. Vol. 25, No 23-24. P. 1677-1689. DOI: 10.1089/ten. TEA.2019.0124.
Joseph V., Rampersaud Y.R. Heterotopic bone formation with the use of rhBMP2 in posterior minimal access interbody fusion: a CT analysis // Spine (Phila Pa 1976). 2007. Vol. 32, No 25. P. 2885-2890. DOI: 10.1097/BRS.0b013e31815b7596.
Posterior lumbar interbody fusion using rhBMP-2 / H.J. Meisel, M. Schnöring, C. Hohaus, Y. Minkus, A. Beier, T. Ganey, U. Mansmann // Eur. Spine J. 2008. Vol. 17, No 12. P. 1735-1744. DOI: 10.1007/s00586-008-0799-2.
Mannion R.J., Nowitzke A.M., Wood M.J. Promoting fusion in minimally invasive lumbar interbody stabilization with low-dose bone morphogenic protein-2 - but what is the cost? // Spine J. 2011. Vol. 11, No 6. P. 527-533. DOI: 10.1016/j.spinee.2010.07.005.
Evaluation of Heterotopic Ossification after using Recombinant Human Bone Morphogenetic Protein-2 in Transforaminal Lumbar Interbody Fusion: A Computed Tomography Review of 996 Disc Levels / S. Niu, A.T. Anastasio, R.R. Faraj, J.M. Rhee // Global Spine J. 2020. Vol. 10, No 3. P. 280-285. DOI: 10.1177/2192568219846074.
Heterotopic ossification after the use of recombinant human bone morphogenetic protein-7 / M. Papanagiotou, Z.H. Dailiana, T Karachalios, S. Varitimidis, M. Hantes, G. Dimakopoulos, M. Vlychou, K.N. Malizos // World J. Orthop. 2017. Vol. 8, No 1. P. 36-41. DOI: 10.5312/wjo.v8.i1.36.
Heterotopic ossification after the use of commercially available recombinant human bone morphogenetic proteins in four patients / T.W. Axelrad, B. Steen, D.W. Lowenberg, W.R. Creevy, T.A. Einhorn // I. Bone Joint Surg. Br. 2008. Vol. 90, No 12. P. 1617-1622. DOI: 10.1302/0301-620X.90 B12.20975.
Wysocki R.W., Cohen M.S. Ectopic ossification of the triceps muscle after application of bone morphogenetic protein-7 to the distal humerus for recalcitrant nonunion: a case report // J. Hand Surg. Am. 2007. Vol. 32, No 5. P. 647-650. DOI: 10.1016/j.jhsa.2007.03.001.
Spagnoli D., Choi C. Extraction socket grafting and buccal wall regeneration with recombinant human bone morphogenetic protein-2 and acellular collagen sponge // Atlas Oral Maxillofac. Surg. Clin. North. Am. 2013. Vol. 21, No 2. P. 175-183. DOI: 10.1016/j.cxom.2013.05.003.
Zhang Y., Sun T., Jiang C. Biomacromolecules as carriers in drug delivery and tissue engineering // Acta Pharm. Sin. B. 2018. Vol. 8, No 1. P. 3450. DOI: 10.1016/j.apsb.2017.11.005.
Minimizing the Severity of rhBMP-2-induced inflammation and heterotopic ossification with a polyelectrolyte carrier incorporating heparin on microbead templates / M. Wang, S.A. Abbah, T. Hu, S.Y. Toh, R.W. Lam, J.C. Goh, H.K. Wong // Spine (Phila Pa 1976). 2013. Vol. 38, No 17. P. 1452-1458. DOI: 10.1097/BRS.0b013e31828a3504.
Design of hydrogels to stabilize and enhance bone morphogenetic protein activity by heparin mimetics / S. Kim, Z.K. Cui, P.J. Kim, L.Y. Jung, M. Lee // Acta Biomater. 2018. Vol. 72. P. 45-54. DOI: 10.1016/j.actbio.2018.03.034.
Heparan sulfate deficiency leads to hypertrophic chondrocytes by increasing bone morphogenetic protein signaling / K. Kawashima, H. Ogawa, S. Komura, T. Ishihara, Y. Yamaguchi, H. Akiyama, K. Matsumoto // Osteoarthritis Cartilage. 2020. Vol. 28, No 11. P. 1459-1470. DOI: 10.1016/j. joca.2020.08.003.
Lykissas M., Gkiatas I. Use of recombinant human bone morphogenetic protein-2 in spine surgery // World J. Orthop. 2017. Vol. 8, No 7. P. 531535. DOI: 10.5312/wjo.v8.i7.531.
Complications associated with the use of the recombinant human bone morphogenetic proteins for posterior interbody fusions of the lumbar spine / J. Chrastil, J.B. Low, P.G. Whang, A.A. Patel // Spine (Phila Pa 1976). 2013. Vol. 38, No 16. P. E1020-E1027. DOI: 10.1097/BRS.0b013e3182982f8e.
The prophylaxis and treatment of heterotopic ossification following lower limb arthroplasty / T.N. Board, A. Karva, R.E. Board, A.K. Gambhir, M.L. Porter // J. Bone Joint Surg. Br. 2007. Vol. 89, No 4. P. 434-440. DOI: 10.1302/0301-620X.89B4.18845.
COX-2 inhibitors for the prevention of heterotopic ossification after THA / G.I. Vasileiadis, I.C. Sioutis, A.F. Mavrogenis, K. Vlasis, G.C. Babis, P.J. Papagelopoulos // Orthopedics. 2011. Vol. 34, No. 6. P. 467. DOI: 10.3928/01477447-20110427-23.
Zhu X.T., Chen L., Lin J.H. Selective COX-2 inhibitor versus non-selective COX-2 inhibitor for the prevention of heterotopic ossification after total hip arthroplasty: A meta-analysis // Medicine (Baltimore). 2018. Vol. 97, No 31. P. e11649. DOI: 10.1097/MD.0000000000011649.
Wentworth K.L., Masharani U., Hsiao E.C. Therapeutic advances for blocking heterotopic ossification in fibrodysplasia ossificans progressiva // Br. J. Clin. Pharmacol. 2019. Vol. 85, No 6. P. 1180-1187. DOI: 10.1111/bcp.13823.
Treatment methods for post-traumatic elbow stiffness caused by heterotopic ossification / C.E. Freibott, H.C. Bäcker, S.C. Shoap, L.J. Tedesco, S.E. Galle, M.P. Rosenwasser // J. Shoulder Elbow Surg. 2020. Vol. 29, No 7. P. 1380-1386. DOI: 10.1016/j.jse.2020.02.026.
History of etidronate / N.B. Watts, C.H. Chesnut 3rd, H.K. Genant, S.T. Harris, R.D. Jackson, A.A. Licata, P.D. Miller, W.J. Mysiw, B. Richmond, D. Valent // Bone. 2020. Vol. 134. P. 115222. DOI: 10.1016/j.bone.2020.115222.
Radiotherapy for the prophylaxis of heterotopic ossification after total hip arthroplasty: A systematic review and meta-analysis of randomized controlled trails / Z.H. Hu, W. Chen, J.N. Sun, Y. Zhang, Y. Zhang, X.Y. Chen, S. Feng // Med. Dosim. 2021. Vol. 46, No 1. P. 65-73. DOI: 10.1016/j. meddos.2020.07.010.
Radiation-induced suppression of the Bmp2 signal transduction pathway in the pluripotent mesenchymal cell line C2C12: an in vitro model for prevention of heterotopic ossification by radiotherapy / F. Pohl, S. Hassel, A. Nohe, M. Flentje, P. Knaus, W. Sebald, O. Koelbl // Radiat. Res. 2003. Vol. 159, No 3. P. 345-350. DOI: 10.1667/0033-7587(2003)159[0345:risotb]2.0.co;2.
Craven P.L., Urist M.R. Osteogenesis by radioisotope labelled cell populations in implants of bone matrix under the influence of ionizing radiation // Clin. Orthop. Relat. Res. 1971. Vol. 76. P. 231-243. DOI: 10.1097/00003086-197105000-00030.
Sautter-Bihl M.L., Liebermeister E., Nanassy A. Radiotherapy as a local treatment option for heterotopic ossifications in patients with spinal cord injury // Spinal Cord. 2000. Vol. 38, No 1. P. 33-36. DOI: 10.1038/sj.sc.3100847.
Morcos M., Smith K., Tanzer M. The effect of late radiotherapy on the progression of heterotopic ossification following total hip arthroplasty // Eur. J. Orthop. Surg. Traumatol. 2018. Vol. 28, No 6. P. 1125-1131. DOI: 10.1007/s00590-018-2185-z.
Romero-Muñoz L.M., Barriga-Martín A., DeJuan-García J. Surgical treatment of hip ankylosis due to heterotopic ossification secondary to spinal cord injury // Rev. Esp. Cir. Ortop. Traumatol. (Engl. Ed). 2018. Vol. 62, No 6. P. 458-466. DOI: 10.1016/j.recot.2018.01.003.
Treatment methods for post-traumatic elbow stiffness caused by heterotopic ossification / C.E. Freibott, H.C. Bäcker, S.C. Shoap, L.J. Tedesco, S.E. Galle, M.P. Rosenwasser // J. Shoulder Elbow Surg. 2020. Vol. 29. No 7. P. 1380-1386. DOI: 10.1016/j.jse.2020.02.026.
A Surgical Protocol for Management of Post Traumatic Heterotopic Ossification of Elbow / D. Jayamaraju, A.S. Sarkar, S.K. Patra, S.K. Palanivelayutham, S. Rajasekaran // Indian J. Orthop. 2021. Vol. 55, No 4. P. 898-906. DOI: 10.1007/s43465-021-00381-x.
Heterotopic ossification on the volar surface of the distal radius in a child with fibrodysplasia ossificans progressiva: challenges in surgical excision of a rare condition / E. Sirin, E. Okay, T. Khalilov, K. Turkoz, B. Erol, C. Tetik // Hand Surg. Rehabil. 2021. Vol. 40, No 2. P. 194-197. DOI: 10.1016/j.hansur.2020.11.011.
Surgical resection of heterotopic bone about the elbow: an institutional experience with traumatic and neurologic etiologies / K. Baldwin, H.S. Hosalkar, DJ. Donegan, N. Rendon, M. Ramsey, M.A. Keenan // J. Hand Surg. Am. 2011. Vol. 36, No 5. P. 798-803. DOI: 10.1016/j.jhsa.2011.01.015.
Galdones E., Hales B.F. Retinoic acid receptor gamma-induced misregulation of chondrogenesis in the murine limb bud in vitro // Toxicol. Sci. 2008. Vol. 106, No 1. P. 223-232. DOI: 10.1093/toxsci/kfn169.
Palovarotene reduces heterotopic ossification in juvenile FOP mice but exhibits pronounced skeletal toxicity / J.B. Lees-Shepard, S.E. Nicholas, S.J. Stoessel, P.M. Devarakonda, M.J. Schneider, M. Yamamoto, D.J. Goldhamer // Elife. 2018. Vol. 7. P. e40814. DOI: 10.7554/eLife.40814.
Chondrocyte phenotype and ectopic ossification in collagenase-induced tendon degeneration / P.P. Lui, S.C. Fu, L.S. Chan, L.K. Hung, K.M. Chan // J. Histochem. Cytochem. 2009. Vol. 57, No 2. P. 91-100. DOI: 10.1369/jhc.2008.952143.
Potent inhibition of heterotopic ossification by nuclear retinoic acid receptor-y agonists / K. Shimono, W.E. Tung, C. Macolino, A.H. Chi, J.H. Didizian, C. Mundy, R.A. Chandraratna, Y. Mishina, M. Enomoto-Iwamoto, M. Pacifici, M. Iwamoto // Nat. Med. 2011. Vol. 17, No 4. P. 454460. DOI: 10.1038/nm.2334.
Liang O.D., Reginato A.M., Medici D. Apyrase as a novel therapeutic inhibitor of heterotopic ossification // Ann. Transl. Med. 2015. Vol. 3, No Suppl. 1. P. S32. DOI: 10.3978/j.issn.2305-5839.2015.03.45.
BMP type I receptor inhibition reduces heterotopic [corrected] ossification / P.B. Yu, D.Y. Deng, C.S. Lai, C.C. Hong, G.D. Cuny, M.L. Bouxsein, D.W. Hong, P.M. McManus, T. Katagiri, C. Sachidanandan, N. Kamiya, T. Fukuda, Y. Mishina, R.T. Peterson, K.D. Bloch // Nat. Med. 2008. Vol. 14, No 12. P. 1363-1369. DOI: 10.1038/nm.1888.
Retroviral delivery of Noggin inhibits the formation of heterotopic ossification induced by BMP-4, demineralized bone matrix, and trauma in an animal model / D. Hannallah, H. Peng, B. Young, A. Usas, B. Gearhart, J. Huard // J. Bone Joint Surg. Am. 2004. Vol. 86, No 1. P. 80-91. DOI: 10.2106/00004623-200401000-00013.
ACVR1R206H FOP mutation alters mechanosensing and tissue stiffness during heterotopic ossification / J. Haupt, A. Stanley, C.M. McLeod, B.D. Cosgrove, A.L. Culbert, L. Wang, F. Mourkioti, R.L. Mauck, E.M. Shore // Mol. Biol. Cell. 2019. Vol. 30, No 1. P. 17-29. DOI: 10.1091/mbc. E18-05-0311.
Huang Y., Wang X., Lin H. The hypoxic microenvironment: a driving force for heterotopic ossification progression // Cell Commun. Signal. 2020. Vol. 18, No 1. P. 20. DOI: 10.1186/s12964-020-0509-1.

Еще

Статья обзорная