成骨细胞调控对骨折愈合的影响.docx

成骨细胞调控对骨折愈合的影响

　　【关键词】 骨形成
骨形成是一个复杂现象，是指间充质成骨细胞祖细胞通过募集和复制，进一步分化为前成骨细胞及成熟成骨细胞，最终导致细胞外基质的积聚和矿化的过程。目前，促进骨折愈合的研究已经深入到分子基因领域，发现体循环中有多种激素、局部因子和一些致病候选基因可能影响骨的代谢和重建过程。为了进一步了解成骨细胞调控对骨折愈合的影响，现将资料综述如下。
1 调控成骨细胞来源的活性因子
　骨形态发生蛋白 成骨细胞由多能的骨髓基质的间质干细胞在体内各种调控因素的作用下分化而来，其中主要调控因素有BMP-2。BMPs与骨形态发生蛋白受体结合，通过Smads蛋白传递分化信号，促进MSCs向OB分化［1］。BMPs相关受体有Ⅰ型和Ⅱ型两种，在信号转导过程中，BMPs首先与Ⅱ型受体结合，此后Ⅱ型受体磷酸化Ⅰ型受体的GS区，后者进一步磷酸化Smads蛋白，Smads蛋白进入核内与相关转录因子相互作用从而影响成骨相关基因的转录［1，2］。Haaijman等［3］和Mcpherson等［4］的研究表明，在胚胎早期软骨雏形形成过程中，BMPR-IB的表达增加，随后在软骨膜内成骨时表达迅速下降，而此时BMPR-IA表达增加，提示BMPR-IB在软骨雏形形成过程中发挥重要作用，BMPR-IA则主要参与骨的进一步生长发育；Suzawad的研究认为BMPR-IA是BMP2和BMP4的主要受体，它们结合后可刺激OB特异性转录因子Runx2的表达，使多种前体细胞向OB分化。体内外试验均表明，向肌肉内植入BMP可诱导异位骨形成。Tadic等［5］发现BMP-2在去势大鼠骨折部位成骨过程中还可刺激Ⅰ型胶原、碱性磷酸酶、Osx、骨钙素等mRNA的表达，从而间接刺激骨形成。BMPs是促进OB分化极其有效的细胞因子，它们通过Smads信号途径诱导Runx2的表达，并可通过调节Runx2/Osx和其他转录因子来影响OB的分化。虽然目前关于BMPs信号系统调控OB分化的分子机制研究已经取得较大进展，但至今仍有许多问题值得进一步探讨，目前尚不清楚BMPs在体内诱导Runx2表达的分子机制、Ⅰ型受体与不同Smads间发生特异性结合的基础以及因子如何相互作用等。
　转化生长因子-β TGF-β对成骨细胞呈激活和抑制双向效应，这种差异取决于TGF-β局部浓度、作用时间和靶细胞所处的分化阶段。TGF-β潜在的促进胚胎成骨细胞的复制，同时抑制已分化成熟的骨细胞增殖。TGF-β能诱导成骨细胞合成细胞外基质，促使成骨细胞表达Ⅰ、Ⅱ型胶原、骨桥蛋白、骨连蛋白和纤连蛋白等ECM组分；并且，TGF-β还涉及类成骨细胞向ECM的趋化及后者对靶细胞的识别。在对脊椎动物、蠕虫和蝇类等物种的平行研究中，学者们指出TGF-β家族中存在着一个相对保守的信号转导途径［6］。这条途径可由胞外信号分子通过诱导细胞膜上两种具有丝氨酸/苏氨酸激酶活性的受体相互作用而产生，并引起细胞内特异基因表达和蛋白合成，从而导致成骨细胞增殖、分化等。Ser/Thr受体属于跨膜受体，是由Ⅰ型和Ⅱ型两种组成。当配体与细胞表面结合时，可诱导Ⅰ型受体与Ⅱ型受体结合并发生磷酸化作用，即Ⅱ型受体磷酸化Ⅰ型受体，从而激活Ⅰ型受体激酶区，激活的Ⅰ型受体便将信号转导到胞内介质Smads蛋白，并引起一连串的信号反应［7］。曾敬等将SD雄性乳鼠颅骨体外培养的成骨细胞移植到骨质疏松模型的骨折部位，用原位杂交及免疫组化检测骨折不同时相的标本，发现TGF-β的动态表达对促进骨折愈合具有重要意义。目前TGF-β调控成骨细胞的研究已有了一定基础，但体内研究的文献报道较少。此外，胰岛素生长因子-1是长骨生长的一种必需因子，可刺激OB的增殖和分化，增加Ⅰ型胶原合成、ALP活性以及骨钙素的产生。成纤维生长因子家族似乎作用于骨骼生成的早期，但对其晚期也可能起关键作用。
2 调控成骨细胞转录的转录因子
　核心结合因子-1 Cbfal最初表达于发育早期的间质细胞集缩处的细胞中，这些细胞是成骨细胞和软骨细胞的前体，随后只在成骨细胞系和肥大化软骨细胞中表达。Cbfal的表达受到参与成骨细胞分化的多种生长因子和激素的调控。骨蛋白形态发生是成骨细胞分化和骨形成最有效的诱导因子，可以通过Smads途径上调Cbfal的表达。过氧化物酶体增殖因子激活受体γ2和转化生长因子β抑制Cbfal表达和成骨细胞分化［9］。肿瘤坏死因子、1，25-2D3、糖皮质激素可能抑制或降低Cbfal的表达。另外，Cbfal可通过自身启动子的负调控机制自动调控Cbfal的表达及功能［10］。Cbfal是间充质干细胞向成骨细胞系分化过程中的一种骨特异性转录因子，也是成骨细胞分化和功能的中心调控因子。Cbfal可以和骨钙蛋白启动子区的成骨细胞特异性顺式作用元件2相结合，刺激骨钙蛋白的表达，随后发现在Ⅰ型胶原、骨涎蛋白及骨桥蛋白等成骨细胞相关基因的启动子区都有OSE2样元件，Cbfal可以和这些OSE2样元件结合激活这些基因的表达，促进成骨分化。一旦Cbfal不正常表达，体外培养成骨细胞的成熟和骨样结构的产生会发生障碍。Cbfal敲除小鼠成骨细胞分化完全受阻，不能成骨，Cbfal的杂合突变导致人的锁骨颅骨发育异常。最近研究发现，Smads蛋白作为共调节子和Cbfal相互作用共同参与成骨细胞表型基因表达和分化。用外源性BMPs启动信号通路，激活Smads复合物调节下游基因的表达，但是Smads复合物对基因调节的特异性较低，下游基因的特异表达需要其他的组织特异性转录因子的参与，而Cbfal能与Smads蛋白共同调节成骨细胞胶原的表达［11］。Cbfal可以直接结合到OSE2上转录激活骨钙蛋白基因的启动子，而Smad1和Smad5自身不能结合到OSE2上，必须依靠Cbfal的帮助［12］。Cbfal提高Smads蛋白调节基因表达的特异性可能与其本身具有核基质定位信号有关，Cbfal通过其C末端的核基质定位信号将Smads定位在核内活跃转录位点，两者形成复合物和核基质结合共同调控基因表达和细胞分化。该核基质定位信号对Cbfal在核内的精确定位及Cbfal依赖性分化基因的表达调控是必要的。Choi等［12］发现，CbfalC末端删除纯合小鼠会因为成骨细胞成熟受阻而不能成骨。Smads和Runx2相互作用并增强Runx2对靶基因的转录激活［13］。Komori［14］报道，Cbfal基因敲除小鼠不仅导致OB发育阻断，而且还影响软骨细胞成熟，破骨细胞的发育、分化及血管入侵软骨组织过程。王溪原等［15］利用Percoll密度梯度离心法获得人、大鼠和小鼠的MSCs，并进行鉴定、传代培养后，分别用重组真核表达载体/Cbfal-Ⅱ通过脂质体系统转载，然后用Northern Biot检测3种OB特异性细胞外基质蛋白mRNA的表达情况，发现Cbfal在转录水平定向调控MSCs分化为OB。Cbfal除了在OB分化中起关键作用外，也控制已分化的OB，如调控骨钙素基因的表达。大部分参与ECM形成的基因调控序列中也都有Cbfal的结合位点，如骨桥蛋白、骨涎蛋白、Ⅰ型胶原的基因5’端均已发现与Cbfal结合的OSE2序列。因此，Cbfal基因的表达在OB发育、分化和骨钙化形成过程中起着极其重要的分子开关作用。
　转录因子Osterix Osx是Nakashkma等［16］筛选到成骨细胞分化所必需的另一个转录因子。Osx是一种锌指蛋白。属于Sp/XKLF家族。Osx剔除小鼠的骨形成障碍，但是Runx2的表达是存在的，说明Osx也是成骨细胞分化所必需的转录因子。同时，Runx2剔除的小鼠，Osx的表达却是缺失的。说明Osx在Runx2的下游并受其调控的［17］。但Osx的体内表达对成骨细胞具有必需性［17］和特异性［18］。SP7仅在胚胎及正在发育中的骨组织中表达。SP7/Osx纯合突变型小鼠在胚胎天时无矿化反应，在胚胎天时Ⅰ型胶原mRNA水平在间充质细胞密集的成骨部位、软骨膜及软骨中的表达均明显低于野生型小鼠，由于间充质细胞不能沉积骨基质，因此不能成骨。在SP7/Osx纯合突变型小鼠膜性骨骼的致密间充质和软骨内骨骼的骨膜及间充质中，成骨分化的各种标志物如Ⅰ型胶原、骨桥素、骨涎蛋白及骨钙素等的表达水平严重降低或缺如，其中骨钙素作为一种高度特异性的晚期成骨细胞标志物，在SP7/Osx纯合突变型小鼠胚胎软骨和膜性骨骼成分中却未见表达，可见成骨细胞的分化已被完全阻断。这些证据证明SP7/Osx是必需的，间充质祖细胞首先分化为成骨祖细胞，在这一过程中Runx2和Cbfβ发挥决定作用。在这个阶段，成骨祖细胞没有表达典型的成骨标志基因，这些成骨祖细胞是双潜能细胞，可以分化为成骨细胞或者成软骨细胞。它们分化为成熟的、可以表达典型的成骨性标志基因的成骨细胞需要Osx的作用。在DNA转染实验中发现几个成骨标志基因都保留着Runx2的结合区域，Runx2-Cbfl3异源二聚体需要和Osx相互作用才能激活成骨标志基因的表达，产生骨特异性基质［19］。对成骨细胞转录因子的研究有助于在基因水平对成骨细胞进行调控，为组织细胞工程来促进骨折愈合提供了依据。
　　3 调控成骨细胞活性的激素
　雌激素 雌激素缺乏是绝经后骨质疏松的首要原因，导致老年妇女骨折多发且愈合慢，而雌激素替代治疗是PMOP的首选方案。雌激素对骨代谢有重要作用，能调节成骨细胞增殖、分化、功能表达、凋亡等过程［20］。雌激素是骨吸收的抑制因子，它可间接通过一些钙调节激素如降钙素、甲状旁腺激素、1，25-2D3等起作用。另外，雌激素还通过受体调节机制、细胞因子或生长因子介导机制、细胞凋亡机制和骨髓介导机制在分子水平上对成骨细胞和破骨细胞进行调节。成骨细胞、破骨细胞和钙调节器官上已证实有雌激素受体的表达。雌激素通过ER对成骨细胞的增殖、分化、对机械应变的适应性应答及其基质蛋白的合成有直接促进作用，而且成骨细胞上ER的表达依赖于细胞周期。因此，一般认为雌激素通过ER直接诱导破骨细胞凋亡、直接抑制破骨细胞的骨吸收和对其他组织细胞特别是产生细胞因子的细胞的作用而提高成骨细胞的活性。
　甲状腺激素 甲状腺激素对成骨细胞的影响主要通过直接与骨细胞核受体和膜受体结合而发挥细胞效应。甲状腺原激素主要通过三碘甲状腺原氨酸与甲状腺素核受体家族相结合而发挥其细胞效应。人类已发现三种甲状腺素受体的同分异构体，目前在鼠类和人类的成骨细胞株中发现了TR的mRNA，且在人类细胞株中，三个受体同分异构形式都有表达，T3与核受体上甲状腺应答基因部分结合后，使基因转录增加或降低。体外实验证明，T3与核受体结合后可影响细胞复制和蛋白生成，大剂量T3可抑制细胞复制。在人成骨细胞培养基中相同剂量的T3能刺激其增生，略高于正常剂量的T3能刺激蛋白的生成和基质形成，因此T3可刺激骨钙素和胶原的产生，还可以通过成骨细胞增加生长因子和结合蛋白的合成和分泌而提高成骨细胞活性。
　糖皮质激素 糖皮质激素已广泛用于临床，而长期大剂量使用糖皮质激素的主要副作用之一为骨质疏松。成骨细胞是糖皮质激素作用于骨的主要位点。一般认为，成骨细胞合成蛋白减少很可能是由糖皮质激素介导的，该受体对成骨细胞一些很重要的基因有直接调节作用，包括编码Ⅰ型胶原蛋白、骨钙素、骨桥蛋白、碱性磷酸酶纤维粘连蛋白等。糖皮质激素一方面抑制Ⅰ型胶原蛋白的合成，另一方面又以组织特异性的方式提高大鼠成骨细胞间质胶原酶mRNA的表达和蛋白酶的水平，促进Ⅰ型胶原蛋白的分解，使骨丢失加快。糖皮质激素对成骨细胞功能的影响是多方面的，它还可抑制培养的胎鼠颅骨成骨细胞的胰岛素样生长因子-ⅠmRNA及IGF-Ⅱ受体mRNA的表达，也影响胰岛素样生长因子结合蛋白，升高IGFBP1和IGFBP6，降低IGFBP5、IGFBP3的mRNA表达而降低成骨细胞的活性。综上所述，在成骨细胞产生和发展的各个阶段均可以人为的进行调控，而如何处理好各因素的调控方向以及相互间的影响是有效的促进骨折愈合的关键，因此协调好各影响因素使成骨细胞向有利于治疗的方向发展是今后研究的方向。
【参考文献】
1 Takashi S，Masafumi O，Yoshiaki H，et　effect of human recombinant bone morphogentic protein-2 on differentiation of human pulp cells into ，2004，30：205-208.
2 Ishida W，Hamamoto T，Kusanagi K，et　is a smad1/5-induced smad　of bone morphogentic protein-responsive element in the mouse Smad6　Biol Chem，2000，275：6075-6079.
3 Haaijman A，Burger EH，Goei SW，et　between ALK-6distribution and responsiveness to osteogenic protein-7 in embryomic mousebone　Factors，2000，17:177-192.
4 Mcpherson CE,Varlet JE，Maxwell　arid regulation of type I BMP receptors during avian sympathetic ganglion　Biol，2000，221 :220-232.
5 Tadic TM，Erceg I，et　of Dlx5 in chicken calvarial cells accelerates osteoblastic　Bone Miner Res，2002，17:1008-1014.
6 Attisano L，Wrana　transduction by the TGF-beta ，2002，31，296:1646-1647.
7 Attisano L，Marchuk　of transforming growth factor β1 and β3 and a third new ligand to the type I receptor　Biol Genom Biol，2001，2:3010.
8 Aliston T，Choy L，Ducy P，et　repression of CBFA1 by Smad3 decreases cbfal and osteocalcin expression and inhibits osteoblast　J，2001，20:2254-2272.
9 DrissiH，Luc Q，Shakori R，et　autoregulation of the bone related CBFA1/RUNX2　Cell Physiol，2000，184:341-350.
10 Grasso-Knight G，D‘Angelo M，Volk SW，et　interactions during Chondrocyte　Bone Jomt Surg Am，2001，83A:S15-S22.
11 Nishimura R，Hata K，Harris SE，et　factoralinducesosteoblastic diferentiation of C2C12 cells without interactions with Smadl and ，2002，31:303-312.
12 Choi JY，Pratap J，Javed A，et　targeting of Runx/Cbfa tactorsisessential for tissue-specific differentiation during embryonic　Natl Acad Sci USA，2001，98:8650-8655.
13 Zhang YW，Yasui N，Ito K，et　RUNX2/PEBP2 aA/CBFA1 mutation displaying impaired transactivation and Smad interaction in cleidoeranial　Natl Acad Sci USA，2000，97:10549-10554.
14 Komori　fundam ental transcription factor for bone and　Biophys Res Commun，2000，276:813-816.
15 王溪原，王越辉，张大光，等.Cbfal对骨髓间充质干细胞分化的定向调控.中国临床康复，2003，7:3164-3165.
16 Nakashkma K，Zhou X，Kunkel G，et　novel zinc finger-containing transcriptionfactor osterix is required for osteoblast differentiation and bone ，2002，108:17-29.
17 Thirunavukkarasu K，Mahajan M，McLarren KW，et　domains unique to osteoblast-specific transcription factor Osf2/Cbfa1 contribute to its transactivation function and its inability to heterodimerize with　Cell Biol，1998，18:4197-4208.
18 Thinmavukkarasu K，Halladay Dk，Miles RR，et　osteoblast-specific transcription factor Cbfa1 contributes to the expression of osteoprotegerin,a potent inhibitor of osteoclast differentiation and　Biol Chem，2000，275:25163-25172.
19 Taranta A，Brama M，Teti A，et　selective estrogen receptormodulator raloxifeneregulates osteoclast and osteoblast activity in ，2002，30:368-376.
20 肖新华.雌激素对成骨细胞的作用及作用机制.国外医学·生理病理科学与临床分册，2002，22:608-611