骨形態發生蛋白2在牙槽骨改建中作用的研究進展

齊鵬鵬，孟 粼，吳梓萁，楊濤源，于士洋，王景云

（1.吉林大學口腔醫院VIP科，吉林 長春 130021；2.溫州醫科大學口腔醫學院牙體牙髓病科，浙江 溫州 325000）

牙槽骨是一具有高度可塑性的組織，也是人體最活躍的部分。正常生理情況下其處于骨形成與骨吸收的動態平衡中。因此牙槽骨可維持一合適的高度和寬度。牙槽骨改建涉及多種因子，其中骨形態發生蛋白2（bone morphogenetic protein 2，BMP－2）的作用尤為重要。BMP－2不僅可誘導骨形成，而且在骨吸收過程中也發揮著重要作用。因此，合理地利用BMP－2來調控骨的改建過程，對于改善牙槽骨狀況有重要的臨床意義。本文主要針對BMP－2在牙槽骨改建的兩個過程，即骨形成和骨吸收中的作用及機制進行闡述。

1 BMP－2的發現和化學結構

骨形態發生蛋白（bone morphogenetic proteins，BMPs）是1965年美國 Urist［1］教授發現的。Urist將脫鈣皮質骨移植到動物肌肉中，1～2周后發現有新骨形成。Urist指出雖然植入的骨無活性，但是其中可能含有某種物質，其可能誘導新骨的形成。Urist從皮質骨中提取了對成骨非常重要的蛋白，命名為BMPs。研究［2－3］發現：BMPs屬于轉化生長因子β超家族 （transforming growth factorbeta superfamily，TGF－βs）成員，其是一種多功能生長因子，是一組具有類似結構的高度保守的功能蛋白，其相對分子質量為18000～50000。目前已分離的BMPs有47種［4］，包括BMP－1、BMP－2、BMP－4、BMP－6和BMP－9等，其中BMP－2在骨形成和骨吸收過程中均有重要作用。1988年人們首次純化分離出天然的BMP－2主要以30分子的二聚體形式存在［5］。BMP－2是堿性降解糖蛋白質，其降解產物相對分子質量分別為30000、18000和16000。

2 BMP－2在骨形成中的作用及作用機制

2.1 BMP－2在骨形成中的作用

在參與骨改建的諸多因子中，BMPs誘導骨形成的作用最為突出，成為近年來研究的熱點。BMP－2的誘導成骨性在多個領域得到應用，如促進骨折的愈合、修復骨缺損、修復牙槽嵴的缺損、促進種植體周圍形成骨組織愈合以提高種植的成功率以及治療骨質疏松等。張雨洋等［6］通過檢測下頜骨骨折愈合過程中BMP－2表達的變化發現：在骨折愈合過程中有新骨形成的第2和3周BMP－2的表達水平明顯升高，表明BMP－2在骨折愈合的過程中與新骨的形成有關，其可能通過促進新骨形成進而促進骨折的愈合。然而由于游離的BMPs能很快地被機體吸收，因此極大地限制了其發揮作用的時間，為使BMPs能在體內緩慢、平穩地釋放，持續地發揮效能，通常將BMPs結合于生物相容性好的載體上，如羥基磷灰石、聚乳酸等構成緩釋系統置于需要成骨的部位誘導成骨。Urist等［7］研究發現：BMPs和磷酸三鈣構成的緩釋系統植入肌肉內其誘導的新骨量比單用BMPs大12倍，表明該緩釋系統緩慢持續地釋放BMPs，保證BMPs能夠長時間發揮誘導骨形成的作用，增加生成量。杜兵等［8］觀察重組人型骨形態發生蛋白2／聚乳酸（rhBMP－2／PLA）生物活性涂層的骨誘導活性及對種植體周骨組織愈合的影響，發現種植體植入4、8和12周后rhBMP－2／PLA組種植體周圍編織骨數量、骨鈣化程度、骨密度、成骨細胞活性均高于純鈦對照組，由此可知：rhBMP－2／PLA復合涂層具有良好的骨誘導活性，能促進種植體周骨組織的早期愈合。羅菲等［9］將PLA進行接枝聚合反應改性后，用其包裹BMP－2后應用超聲乳化法制備成BMP－2－PLA納米微球 （BMP－2－PLA－Ns）凝膠緩釋系統，并研究其在兔下頜骨缺損修復中的作用，研究發現：BMP2－PLA－Ns凝膠緩釋系統可以明顯加速兔下頜骨缺損區的新骨形成，促進愈合。為了使細胞持續地表達BMPs，還可將BMPs基因與病毒，如腺病毒、慢病毒和噬菌體等質粒重組，形成攜帶BMPs基因的重組病毒，再利用該重組病毒轉染相關細胞以誘導成骨。韓祥禎等［10］利用rhBMP－2重組慢病毒載體轉染羊骨髓間充質干細胞 （BMSCs）發現：轉染組細胞檢測到BMP－2表達，而且轉染組骨鈣素、骨橋蛋白基因mRNA水平和蛋白水平表達量均高于未經轉染的對照組；在細胞形態上，轉染組細胞呈長梭型旋渦狀排列，且有呈巢狀排列的細胞團塊形成，細胞密集生長，有類似鈣化結節結構形成，與對照組細胞形態有明顯差異，這些結果均表明BMP－2轉染組細胞有較強的促成骨能力。BMP－2還可與其他細胞因子，如血管內皮生長因子165（VEGF165）、成纖維細胞生長因子 （BFG）協同增加成骨［11－14］。

2.2 BMP－2在骨形成中的作用機制

BMP－2主要在骨形成的早期階段發揮作用，其可使未分化間質細胞向骨形成中心募集，并分化為骨系細胞，此外還可通過增加或抑制成纖維細胞、成肌細胞及骨髓基質細胞內的某些特異性蛋白的分泌，使其逆轉分化為骨系細胞，如成纖維細胞分化為成骨細胞，成肌細胞快速分化為肥大的軟骨細胞，并促進基質鈣化等。司曉輝等［15］將含有rhBMP－2基因的噬菌體轉染人牙周膜成纖維細胞（HPDLFs），發現 HPDLFs轉染 BMP－2 基因后，BMP－2能夠在細胞中得到表達，體外實驗還發現轉染BMP－2基因的HPDLFs具備了成骨細胞的表型，堿性磷酸酶 （ALP）活性提高、骨鈣素 （OCN）合成增加及礦化能力提高。無菌條件下將轉染細胞注射于裸鼠股部肌肉內，21d后取材，蘇木精－伊紅染色觀察到肌肉組織內有明顯的骨形成。孫健等［16］研究發現：BMP－2能刺激未分化的BMSCs黏附、增殖及骨向分化，并能增加促進BMSCs的鈣結節形成，從而誘導新骨形成和鈣化。

BMP－2可使成骨細胞維持其特有細胞表型并通過BMP－2信號通路上調ALP、細胞外基質磷酸化糖蛋白（MEPE）、Ⅰ型膠原 （ColⅠ）、OCN、骨橋蛋白 （OPN）和骨涎蛋白 （BSP）等成骨特異性標志物的表達［17］，促進細胞外基質鈣化誘導骨形成。研究［18］表明：BMP－2信號通路 主 要 有 BMP2／smads／runx2／osterix 和 BMP2／smads／msx2／osterix 2個信號通路。成骨細胞表面有BMP－2受體，BMP－2通過其跨膜絲氨酸／蘇氨酸受體和下游信號分子Smads發揮作用。BMPs有2種受體，即BMPRⅠ型和Ⅱ型受體，其中BMPRⅠ又包括BMPRⅠA、BMPRⅠB和ACVRI；BMPRⅡ包括BMPRⅡ、ActRⅡA和 ActRⅡB。BMPs與受體結合后形成異聚多亞基蛋白，其中Ⅱ型受體磷酸化Ⅰ型受體的一小段氨基酸片段激活其激酶活性。激活的I型受體通過磷酸化其下游分Smad1／5／8將信號傳遞至細胞質，這些磷酸化的Smad1／5／8與Smad4相互作用將信號傳遞至細胞核內［19］。在細胞核內該二聚物上調包括Runx2、Sox9、Msx和Osterix在內的多種因子，或者直接與DNA相結合，激發成骨細胞的活性與功能，促進骨形成［20］。BMP－2通過增強成骨細胞內的下游信號分子Smad1／5和Runx2的表達增加骨形成 。劉玉玲等［21］在對兔下頜骨垂直牽張成骨的過程中發現：BMP－2與Smad1和5的變化一致，均在牽張1周時達到高峰，之后逐漸減弱，說明BMP－2在骨形成的早期發揮骨形成作用并增加其下游信號分子Smad1和Smad5的表達。Yan等［22］在骨折模型中檢測BMPs及Smads家族各成員在骨折愈合中也發現BMP－2與Smad1和Smad5的變化一致。Li等［23］研究發現：Runx2是成骨分化和骨骼形態塑型的重要基因，而且在BMP－2參與的情況下，C2C12細胞中Runx2表達增高了6倍。還有研究［24］顯示：BMP－2可與經典 Wnt信號通路協同，促進骨形成。經典Wnt信號通路細胞外蛋白有Wntl、Wnt2、Wnt3、Wnt3a、Wnt8和 Wnt8b，通過與膜受體結合激活經典 Wnt／β－catenin信號通路，誘導骨形成。而BMP－2信號通路活化后可以增強Wntl和Wnt3a的蛋白表達，調控經典Wnt通路配體蛋白。該研究也證明：BMP－2信號通路活化后誘導Wnt配體蛋白和受體的表達，增強經典Wnt信號通路活性。

3 BMP－2在骨吸收中的作用及作用機制

3.1 BMP－2在骨吸收中的作用

BMP－2除了在骨形成中發揮重要作用外，在骨吸收中也起重要作用。其主要是通過直接或間接地調控破骨細胞的分化、活性與功能而在骨吸收過程中發揮作用。有研究［25］發現：在骨形成后期，BMP－2作為破骨細胞的分化因子引起破骨細胞的分化。孫首選［26］在BMP－2協同刺激鈦顆粒誘導下的破骨細胞生成的實驗中發現：加入BMP－2后可以明顯刺激c－Fos通路的表達，而該通路是破骨細胞早期形成重要的通路。此外在鈦顆粒刺激RAW264.7細胞的模型上，加入 BMP－2后提高了 p－P38、p－IkB和 p－JNK 的表達水平，延長了表達時間。而p－P38、p－IkB和p－JNK信號通路被廣泛認為是刺激破骨細胞生成過程中重要的信號通路。孫首選［26］還發現：BMP－2誘導巨噬細胞分化存在劑量依存性，通過定時定量分析耐酒石酸鹽酸性磷酸酶（TRAP）基因的表達得知BMP－2在劑量為50mg·L－1時，TRAP的表達達到最大值，并且隨著劑量的增加，TRAP的表達出現了遞減的趨勢。

3.2 BMP－2在骨吸收中的作用機制

關于BMP－2在骨吸收中的作用機制目前的研究認為：BMP－2可能通過間接或直接地影響破骨細胞分化，活化與功能，進而影響骨吸收。

3.2.1 BMP－2對破骨細胞的間接作用 破骨細胞前體向破骨細胞的分化依賴于破骨細胞相關因子，如核因子κB受體活化因子配體 （RANKL）和巨噬細胞集落刺激因子（M－CSF）等。成骨細胞、HPDLFs和BMSCs均可產生破骨細胞相關因子調節破骨細胞的分化。BMP－2不直接作用于破骨細胞前體而是通過影響破骨細胞相關因子的產生或加強這些因子的作用進而影響破骨細胞的分化過程［27］。核因子kB受體活化因子配體 （receptor activator of NF－κB ligand，RANKL）是腫瘤壞死因子 （tumor necrosis factor，TNF）配體超家族成員，成骨細胞、HPDLFs和骨髓基質細胞表面表達的RANKL或分泌到基質中的RANKL與破骨細胞前體表面唯一的受體核因子κB活化因子 （receptor activator of nuclear factor－kappa B，RANK）結合，將信號傳入細胞內，引起破骨細胞前體分化［28］。而成骨細胞表達的護骨素 （osteoprotegerin，OPG）作為TNF受體超家族成員，能阻斷RANK與RANKL的作用從而抑制破骨細胞分化和骨吸收功能［29］。BMP－2可能通過 RANKL／OPG／RANK系統間接地影響破骨細胞前體向破骨細胞的分化。陳建明［30］在對rhBMP－2對破骨樣細胞形成影響的研究中發現：單個核細胞和HPDLFs在共培養組中有破骨樣細胞的形成，但是在單個核細胞組中，加入rhBMP2未發現破骨樣細胞，說明rhBMP－2并不是直接作用于單個核細胞，而是可能先與HPDLFs作用，活化HPDLFs向成骨樣細胞分化，促進其分泌某些活性因子RANKL等，從而間接促進了破骨樣細胞形成。還有研究［31］發現：BMPR1a缺失的成骨細胞由于RANKL表達減少，而不能支持破骨的發生。Tachi等［32］發現：僅使用BMP－2時不能誘導破骨細胞前體向破骨細胞的分化，單獨使用1，25（OH）2D3誘導破骨細胞前體的分化，1，25 （OH）2D3濃度為10－9mol·L－1時破骨細胞的形成量達到峰值，而當BMP－2存在時1，25 （OH）2D3濃度為10－11mol·L－1時破骨細胞的形成量即可達到峰值，這一研究表明：BMP－2不能直接作用于破骨細胞前體但可增強1，25（OH）2D3介導的破骨細胞的形成過程。

3.2.2 BMP－2對破骨細胞的直接作用 有研究［33］顯示：成熟破骨細胞表面同樣存在BMP－2受體，BMP－2對破骨細胞的直接作用主要是BMP－2可直接與其受體結合激活破骨細胞，引起骨吸收。Mishina等［34］在體外培養出高純度兔破骨細胞，再直接加入BMP－2以觀察破骨細胞的骨吸收能力，發現骨吸收陷窩隨著加入BMP－2量和時間的延長而增加。Mishina等［34］進行下一步研究，將BMP－2的抑制劑Follistatin加入到培養基中，BMP－2的作用受到抑制。

Twisted gastrulation是一種分泌性糖蛋白，其可與BMP－2結 合 而 抑 制 BMP－2 的 功 能。Julio 等［35］通 過 對Twisted gastrulation缺失小鼠 （Twsg1－／－）和正常小鼠（WT）的研究發現：Twsg1－／－小鼠表現出骨質疏松。然而2種鼠體內礦物質沉積率、成骨細胞分化的標志物和RANKL／OPG的表達并無明顯區別。相反Twsg1－／－小鼠骨吸收活動卻明顯增強。這表明Twsg1－／－小鼠BMP－2不是通過成骨細胞間接地發揮作用，而是直接作用于破骨細胞，使其活性增強、骨吸收增加而導致骨質疏松。

4 展 望

BMP－2在牙槽骨的改建過程中具有雙向調節的作用，即可誘導骨形成又可引起骨吸收。雖然BMP－2在骨形成中的作用機制較為明確，但是其在骨吸收中的作用機制以及何種情況下BMP－2誘導骨形成的作用占主導地位、何種情況下誘導骨吸收的作用占主導地位尚不十分清楚。此外，在臨床工作中如何根據患者牙槽骨的情況合理地利用BMP－2來改善牙槽骨的狀況還有待于進一步的研究。

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