## Tinjauan Pustaka

## CLINICAL APPLICATION OF BONE MORPHOGENETIC PROTEIN ON FRACTURE HEALING PROCESS
Riko Febrian Kunta Adjie 1*
1 Dokter Umum Internship RSUD Ben Mboi, Ruteng, Nusa Tenggara Timur * Korespondensi : Riko Febrian Kunta Adjie, Dokter Umum Internship RSUD  Ben Mboi, Jln. DR. Soetomo No. 1, Ruteng. Kelurahan Watu, Kecamatan Langke Rembong, Kab. Manggarai 86511 E-mail: rikokuntaadjie@gmail.com

## ABSTRAK
Pada  proses  penyembuhan  fraktur,  sering  terjadi delayed  union maupun non-union . Penggunaan Bone Morphogenetic Proteins (BMP) menjadi salah satu solusi untuk masalah ini. Beberapa  penelitian  membuktikan  bahwa  BMP  membantu  meningkatkan  regenerasi penyembuhan fraktur dengan kasus sulit pada sejumlah pasien. Tinjauan pustaka ini membahas pengenalan BMP dan efisiensi daripada penggunaan klinis BMP. Saat ini, rhBMP-2 dan rhBMP- 7 menunjukkan hasil klinis yang signifikan namun subfamili BMP lainnya masih dalam penelitian. Kata Kunci: bone morphogenetic protein, fraktur, growth factor , penyembuhan tulang

## ABSTRACT
Delayed  union  or  non-union  often  occurs  in  bone  healing  fracture  process.  The  clinical application of Bone Morphogenetic Proteins (BMPs) has helped an increasing number of patients achieve  bone  regeneration  in  clinical  area  lacking  simple  solutions  for  difficult  bone  healing situations. Many researchs has proved that BMPs improved fracture healing regeneration. In this review article, introduction and current clinical issues are summarized on efficacy and function of BMPs. Currently, rhBMP-2 and rhBMP-7 have shown clinical significance but other subfamily members of BMPs still lacked of evidence.
Keyword: bone morphogenetic protein, fracture, growth factor bone, healing

## PENDAHULUAN
Secara  umum,  proses  penyembuhan fraktur  terjadi  melalui  penyembuhan  tidak langsung  ataupun  langsung.  Penyembuhan tidak  langsung  yaitu  melalui  serangkaian proses  yang  terjadinya  formasi  kalus. Sedangkan  penyembuhan  langsung  terjadi tanpa  terbentuknya  formasi  kalus.  Kalus yang terkalsifikasi membungkus dua fragmen patahan yang pada tahap ini disebut union . Namun pada tahap union ,
penyembuhan  belum  sempurna  karena pergerakan  fragmen  masih  dapat  terjadi sehingga  tidak  aman  untuk  mendapatkan stres. Konsolidasi merupakan tahap penyembuhan  yang  sempurna,  kalus  sudah terosifikasi  sehingga  kekuatan  tulang  untuk menerima beban sudah kembali. 1
Terkadang proses penyembuhan fraktur  ini  terganggu  dan  tulang  terlambat menyatu ( delayed union ) atau mungkin gagal

## Tinjauan Pustaka
menyatu atau disebut non-union. Komplikasi ini dapat masa hospitalisasi lebih panjang dan membutuhkan  intervensi  lebih  disertai ketidaknyamanan dan biaya yang meningkat. Dalam  hal  ini  faktor-faktor  seperti  suasana lingkungan sekitar sel yang memadai, growth faktor  yang  cukup,  stabilitas  mekanik  dan pembentukan matriks mempengaruhi kecepatan  penyembuhan  fraktur.  Sekitar  5- 30% pasien kekurangan faktor ini, sehingga menyebabkan timbulnya komplikasi delayed union atau mungkin non-union. 2
Tatalaksana non-union sendiri sebenarnya  tergantung  pada  etiologi  yang mendasarinya. Non-union hipertrofik  dapat ditatalaksana  dengan  revisi  pembedahan dengan mengkonstruksi ulang untuk mencegah  pergerakan  pada  lokasi  fraktur. Pasien  dengan  masalah  metabolik  atau endokrin  dapat  dilakukan  pemeriksaan laboratorium untuk menentukan kadar serum kalsium, fosfat, alkaline fosfatase, vit. D, dan level  hormon  thyroid.  Infeksi  harus  dapat disingkirkan melalui pemeriksaan laju endap darah dan CRP. Tatalaksana pada non-union terinfeksi  terdiri  dari  debridemen  dan antibiotik.  Pada  kasus Non-union atrofik dapat  diberikan  suplemental bone  graft ,
termasuk autograft, allograft, demineralized
bone matrix , BMP, synthetic bone graft , dan stem cells. 1
Penyembuhan  fraktur  dan  waktu untuk  mencapai  union  dapat  ditingkatkan dengan  stimulasi  biofisika  atau  pemberian substansi biologik seperti autolog bone grafts atau platelet rich plasma (PRP). Studi terkini mengenai  mekanisme  penyembuhan  fraktur menghasilkan  penemuan-penemuan  spesifik mengenai komponen penting dalam penyembuhan fraktur, sebagai contoh hormon parathyroid, hypoxia-inducible factor 1α (HIF-1α) dan bone morphogenetic proteins (BMPs). 3 BMP  yang  merupakan growth  factor berhasil  menarik  perhatian peneliti-peneliti.  Ditemukan  oleh  Marshall Urist 4 pada  tahun  1964,  sekarang  dapat dimurnikan  dari  matriks  tulang.  Secara molekular,  BMP  menunjukkan  kemampuan menginduksi  diferensiasi  sel  progenitor menjadi  tulang  rawan  yang  kemudian menjadi tulang matur. 1 Pemberian BMP yang merupakan  komponen  aktif  pada  tulang secara in vivo dapat menginduksi pembentukan  tulang de  novo pada  tempat ektopik. Artikel ini akan membahas penggunaan  klinik  BMP  dalam  proses penyembuhan fraktur.

## Tinjauan Pustaka

## BMPs
BMPs  merupakan  subfamili  dari transforming growth  factor-β  (TGF-β) superfamily .  Selama  ini  telah  ditemukan  20 protein yang berbeda dinamakan BMP dalam tubuh  manusia,  namun  tidak  semuanya bersifat  osteogenik.  BMP  yang  osteogenik dapat  dibagi  menjadi  beberapa  subgrup, menurut kesamaan rantai asam aminonya 5,6 : BMP-2  dan  BMP-4  menjadi  satu  subgrup; BMP-5,  BMP-6,  BMP-7,  BMP-8  pada subgrup  yang  kedua;  BMP-9  dan  BMP-10 membentuk  subgrup  yang  ketiga.  BMP family yang lain tidak memiliki kemampuan osteogenik. 5,7
Pada  tulang,  BMPs  diproduksi  oleh sel osteoprogenitor, osteoblast,
chondrocytes, dan platelet. 8,9 Setelah dilepas, matriks ekstraseluler menjadi tempat penyimpanan sementara BMP. Efek regulasi dari  BMP  bergantung  pada  tipe  sel  target, tahap diferensiasi, konsentrasi lokal BMP itu sendiri,  dan  interaksi  dengan  protein  yang disekresi lainnya. BMP menginduksi sekuensial  pembentukan  chondrogenesis, osteogenesis,  angiogenesis,  dan  kontrol sintesis matriks ekstraseluler. 6

## Penggunaan Klinis BMP
Berdasarkan  studi  hewan  dan  trial preklinik,  beberapa  studi  menunjukkan
efektivitas BMP dalam mempercepat regenerasi  tulang  dan  penyembuhan  tulang. Namun  kerja  BMP  membutuhkan  faktor lokal dan cara pemberian yang tepat. Selain itu waktu paruh BMP yang singkat juga perlu dipertimbangkan.  Beberapa  cara  pemberian BMP  telah  dikembangkan  untuk  mengatasi keterbatasan ini. 10-4
Gambar  1.  Terapi  sukses  pada  kasus  non- union dengan rhBMP-2 (A) radiografi setelah fraktur; (B) Tatalaksana  fraktur  tanpa rhBMP-2; (C) Terjadi  non-union  (C.1) dengan CT-scan pada C.2; (D) Penyembuhan setelah  revisi  dengan  re-osteosintesis  dan rhBMP-2; (E) Implant removal . 10

## Tinjauan Pustaka
Penggunaan klinis rhBMP-2 (dibotermin  alfa)  dengan  merk  produk InductOs dan InFUSE ,  produk  ini  dapat dilepas  secara  lambat.  Govender  et  al mengevaluasi efek rhBMP-2 pada 450 pasien dengan fraktur terbuka tibia secara prospektif. Implantasi rhBMP-2 pada sponge kolagen  menunjukkan  angka  union  yang lebih tinggi, mempercepat union, penyembuhan  luka  lebih  baik,  menurunkan angka infeksi dan angka intervensi sekunder yang  lebih  rendah  pada  kelompok  yang diterapi dengan rhBMP-2. Studi ini menyimpulkan pengunaan rhBMP-2 menghasilkan hasil yang menjanjikan. 10
Penggunaan  klinis  lain  BMP,  yaitu rhBMP-7  dengan  merk Osigraft dan OP-1 Putty ,  yang  dikemas  dalam  1  g  kolagen bovine . Pada uji coba acak menunjukkan efek positif  rhBMP-7  pada  kasus  non-union scaphoid  dan  defek  fibular.  Pemberian rhBMP-7 menunjukkan formasi tulang yang lebih baik dan terbentuk bridging pada defek segmental  dibandingkan  dengan  kontrol. Giannoudis  dan  Tzioupis  mengevaluasi indikasi  dan  efektivitas  terapi  rhBMP-7. 12
Penggunaan rhBMP-7 dapat digunakan pada kasus  non-union,  augmentasi  pada  kasus fraktur periprostesis dan osteotomi, mempercepat  penyembuhan  fraktur  pada
kasus  rekonstruksi  acetabular,  distraksi osteogenesis, free fibular graft , dan arthrodesis  sendi.  Persentase  keberhasilan mencapai  82%  (535  dari  653  kasus). 12
Ristiniemi  et  al  mengintervensi  20  pasien dengan  fraktur  distal  tibia  yang  distabilisasi dengan  fiksasi  eksternal  dan  rh-BMP-7 dalam kolagen bovine. Penyembuhan fraktur terjadi lebih cepat. 17
Potensi  rhBMP-2  dan  rhBMP-7 dibandingkan secara in vitro dan in vivo . 18 In vitro , kedua agen ini meningkatkan produksi alkaline phosphatase yang mana mengindikasikan  diferensiasi  osteogenik. Produksi  alkaline  phospates  terlihat  lebih tinggi  pada  kelompok  rhBMP-2  daripada kelompok  rhBMP-7.  Namun,  secara in  vivo rhBMP7  memproduksi ossicles yang  lebih besar,  yang  merupakan  komponen  mineral dan tulang. Studi in vivo lainnya menunjukkan rhBMP-2 lebih poten daripada rhBMP-7. 20 Hasil  kontradiksi  fakta  ini mungkin dikarenakan mekanisme cara kerja BMPs yang berbeda dan cara pemberiannya.
Platelet  juga  memiliki  komponen BMP  dan  pemberian  PRP  merupakan  salah satu  aplikasi  BMPs.  Namun  Calori et  al mengatakan  bahwa  pemberian  rhBMP-7 masih lebih superior ketimbang penggunaan PRP. 11

## Tinjauan Pustaka
BMP-6 dan BMP-9 yang merupakan anggota famili BMP lainnya dikatakan lebih memiliki kemampuan osteogenik yang lebih baik  bila  dibandingkan  dengan  BMP-2  dan
BMP-7.61  namun  hal  ini  masih  terbatas dalam  penelitian  pada mencit,  belum  secara adekuat terbukti pada manusia.

## Efek Samping BMPs
Beberapa efek samping telah dikemukakan  dalam  penggunaan  rhBMP. Terutama bila digunakan dalam dosis supra- fisiologis,  pembentukan  tulang  ektopik  dan stimulasi  sel  kanker  masih  dalam  studi. Recombinant BMP-2 saat ini tidak menunjukkan  adanya  hubungan  dengan kanker pankreas pada studi lebih dari 90.000 pasien. Terbentuknya tulang ektopik dikatakan  dapat  terjadi  apabila  digunakan dalam  dosis  sangat  tinggi  pada  percobaan binatang.  Namun  BMP  tetap  menjadi modalitas terapi yang poten dalam menunjang kesembuhan fraktur dengan efek samping  yang  ringan  apabila  digunakan dengan benar. 19
Selain  itu  beberapa  efek  samping negatif  yang  dilaporkan  setelah  penggunaan rhBMP-2 termasuk infeksi, osteolisis, ejakulasi retrograde, dan respon imun. Hal ini juga  dilaporkan  terkait  dengan  dosis  supra- fisiologis.  Beberapa  uji  coba  menggunakan dosis  rhBMP-2  dalam  rentang  dosis  10-12 mg  pada  terapi  defek  tulang  panjang. 21
Literatur saat ini menyarankan 1-2 mikrogram BMP/kg berat badan. 22

## Blok Antagonis BMPs
Namun adanya BMP tidak menjamin efisiensi  penyembuhan  fraktur.  Walaupun adanya  BMP  sangat  penting  dalam  proses penyembuhan fraktur, BMP sangat bergantung dengan adanya faktor lokal baik inhibitor maupun stimulator yang mempengaruhi aktivitas BMP itu sendiri. 20
Karena  rhBMP  masih  memiliki kekurangan,  pencarian  terhadap  alternatif lain  masih  dilakukan.  Memblok  antagonis BMP  merupakan  salah  satu  alternatifnya. Dengan  menginhibisi  antagonis  BMP  pada fase kalus penyembuhan fraktur. Hanya saja sangat  sedikit  literatur  yang  membahas mengenai  manipulasi  antagonis  BMP  untuk membantu penyembuhan fraktur pada manusia. 20

## Tinjauan Pustaka

## Kesimpulan
Efektivitas penggunaan BMPs dalam membantu  penyembuhan  fraktur  terbukti menunjukkan efek positif. Beberapa penelitian uji coba acak telah menyimpulkan bahwa BMP membantu penyembuhan kasus delayed dan non-union .
BMP  yang  saat  ini  digunakan  dalam proses  penyembuhan  fraktur  adalah  BMP-2 dan  BMP-7.  BMP  lain  seperti  BMP-6  dan BMP-9  menunjukan  lebih  poten  dan mungkin  lebih  efektif  dalam  tatalaksana delayed dan non-union , namun hal ini masih terbatas  dalam  penelitian in  vivo .  Tidak
menutup  kemungkinan  bahwa  di  masa mendatang  bila  subfamili  BMP  osteogenik lain  seperti  yang  telah  dibahas,  dapat digunakan dalam praktek klinis sehari-hari.
BMP  juga  memiliki  beberapa  efek samping,  namun  hal  ini  tidak  terlalu mengkhawatirkan  selama  tidak  digunakan dalam  dosis  berlebihan  dan  jangka  panjang. Perlu diingat juga bahwa terdapat faktor lain yang  mempengaruhi  kerja  BMP  karena disebabkan adanya antagonis BMP itu sendiri dalam jaringan.

## Referensi
1. Salomon  L,  Warwick  D,  Nayagam  S. Apley’s  System  of  Orthopaedics  and Fractures.  9 th ed.  London:  Hodder Arnold; 2010.
2. Dimitriou R, Tsiridis E, Giannoudis PV (2005)  Current  concepts  of  molecular aspects of bone healing. Injury 36:1392– 1404.
3. Komatsu  DE,  Warden  SJ  (2010)  The control  of  fracture  healing  and  its therapeutic  targeting:  improving  upon nature. J Cell Biochem 109:302–311.
4. Urist  MR  (1965)  Bone:  formation  by autoinduction. Science 150:893–899.
5. Li JZ, Li H, Sasaki T, Holman D, Beres B,  Dumont  RJ,  Pittman  DD,  Hankins GR,  Helm  GA  (2003)  Osteogenic potential  of  five  different  recombinant human  bone  morphogenetic  protein adenoviral vectors in the rat. Gene Ther 10:1735–1743.
6. Tsiridis  E,  Upadhyay  N,  Giannoudis  P (2007)  Molecular  aspects  of  fracture healing:  which  are  the  important molecules? Injury 38 (Suppl 1):S11–S25
7. Miyazono  K,  Kamiya  Y,  Morikawa  M (2010)  Bone  morphogenetic  protein receptors  and  signal  transduction.  J Biochem 147:35–51.
8. Sipe  JB,  Zhang  J,  Waits  C,  Skikne  B, Garimella  R,  Anderson  HC(2004) Localization  of  bone  morphogenetic proteins  (BMPs)-2,  -4,and  -6  within megakaryocytes  and  platelets.  Bone 35:1316–1322.
9. Pecina M, Vukicevic S (2007) Biological aspects of bone, cartilage and tendon regeneration. Int Orthop 31:719– 720.
10. Govender  S,  Csimma  C,  Genant  HK, Valentin-Opran A,  Amit Y,  Arbel R, et al .  2002.  Recombinant  human  bone

## Tinjauan Pustaka
morphogenetic protein-2 for treatment of open  tibial  fractures:  a  prospective, controlled,  randomized  study  of  four hundred and fifty patients. J Bone Joint Surg Am 84-A:2123– 2134.
11. Calori  GM,  Tagliabue  L,  Gala  L, d’Imporzano  M,  Peretti  g,  Albisetti  W (2008)  Application  of  rhBMP-7  and platelet-rich  plasma  in  the  treatment  of long  bone  non-unions:  a  prospective randomised  clinical  study  on  120 patients. Injury 39:1391–1402.
12. Giannoudis  PV,  Tzioupis  C.  (2005) Clinical applications of BMP-7: the UK perspective. Injury 36(Suppl 3):S47–S50
13. Katayama  Y,  Matsuyama  Y,  Yoshihara H, et al. (2009). Clinical and radiographic  outcomes  of  posterolateral lumbar  spine  fusion  in  humans  using recombinant human bone morphogenetic protein-2:  an  average  five-year  follow- up study. Int Orthop 33:1061–1067.
14. Varady P, Li JZ, Cunningham M, Beres EJ, et  al. (2001).  Morphologic  analysis of BMP-9 gene therapy-induced osteogenesis.  Hum  Gene  Ther  12:697– 710.
15. Yilgor  P,  Hasirci  N,  Hasirci  V.  (2010). Sequential BMP-2/BMP-7 delivery from polyester nanocapsules. J Biomed Mater Res A 93:528–536.
16. Boerckel  JD,  Kolambkar  YM,  Dupont
KM, Uhrig BA, et al. (2011). Effects of protein  dose  and  delivery  system  on BMP-mediated bone regeneration.
Biomaterials 32:5241–5251.
17. Ristiniemi  J,  Flinkkilä  T,  Hyvönen  P, Lakovaara M, Pakarinen H, Jalovaara P. (2007) RhBMP-7 accelerates the healing in  distal  tibial  fractures  treated  by external  fixation.  J  Bone  Joint  Surg  Br
89:265–272.
18. Barr  T,  McNamara  AJ,  Sándor  GK, Clokie CM, Peel SA. (2010) Comparison of  the  osteoinductivity  of  bioimplants
containing  recombinant  human  bone morphogenetic proteins 2 (Infuse) and 7 (OP-1). Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod 109:531–540.
19. Tazaki  J,  Murata  M,  Akazawa  T, Yamamoto M, Ito K, Arisue M, Shibata T, Tabata Y. (2009) BMP-2 release and dose-response studies in hydroxyapatite and  beta-tricalcium  phosphate.  Biomed Mater Eng 19:141–146.
20. Dean DB, Watson JT, Moed BR, Zhang Z  (2009)  Role  of  bone  morphogenetic proteins and their antagonists in healing of bone fracture. Front Biosci 14:2878– 2888.
21. A.L.  Jones,  R.W.  Bucholz,  M.J.  Bosse, S.K. Mirza, T.R. Lyon, L.X. Webb, A.N. Pollak, J.D. Golden, A. Valentin-Opran, Group  BMPEiSfTT-AS,  Recombinant human  BMP-2  and  allograft  compared with autogenous bone graft for reconstruction  of  diaphyseal  tibial fractures  with  cortical  defects.  A randomized,  controlled  trial,  J.  Bone Joint Surg. Am. 88 (2006) 1431–1441.
22. J.M.  Wozney,  V.  Rosen,  A.J.  Celeste, L.M. Mitsock, M.J. Whitters, R.W. Kriz, R.M.  Hewick,  E.A.  Wang,  Novel regulators of bone formation: molecular clones and activities, Science 242 (1988) 1528–1534.