BMP-2骨吸收作用的研究進(jìn)展

代鵬展,劉 新

(吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院 口腔科,吉林 長春130033)

骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)是TGFβ超級家族的成員，它們是骨骼器官形成發(fā)生和保持穩(wěn)態(tài)的多效調(diào)節(jié)劑。 其中尤以骨成形蛋白-2(BMP-2)最具活性， 它是唯一能夠獨(dú)立誘導(dǎo)成骨的因子，目前 BMP-2被廣泛用于臨床，該超家族成員與特異性受體相結(jié)合轉(zhuǎn)導(dǎo)信號至下游，其所轉(zhuǎn)導(dǎo)的信號在細(xì)胞的增殖、分化、凋亡，器官組織的發(fā)育、再生，內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)等過程中起著重要作[1，2]。目前，臨床的多個方面應(yīng)用到了BMP-2，包括治療新鮮骨折斷端，治療骨缺損，在脊柱融合術(shù)中的使用等[3]。 在口腔 BMP-2可用于拔牙后牙槽骨的保留和骨再生，針對牙周組織、骨、牙釉質(zhì)及牙齦再生的應(yīng)用，促進(jìn)種植體骨結(jié)合等。BMP-2雖然在誘導(dǎo)骨形成方面發(fā)揮著重要作用，但與之相對的其在骨吸收方面也起著相應(yīng)作用。本文針對 BMP-2在骨重組的兩個過程，即骨組織形成和吸收中的作用與機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 BMP-2誘導(dǎo)骨形成的分子機(jī)制

BMP-2主要通過誘導(dǎo)未成熟的間質(zhì)細(xì)胞向骨形成中心聚集，并促使其向骨系細(xì)胞分化而在骨形成的早期階段發(fā)揮作用。此外，其還可以通過調(diào)控成纖維細(xì)胞、骨髓基質(zhì)細(xì)胞等細(xì)胞內(nèi)一些特異性蛋白的分泌，促使其向骨系細(xì)胞逆轉(zhuǎn)分化，例如使成纖維細(xì)胞逆轉(zhuǎn)化為成骨細(xì)胞，使成肌細(xì)胞分化為軟骨細(xì)胞， 并加速基質(zhì)的鈣化等[4]。 細(xì)胞表面分布有BMP受體(BMPR)，分為1型受體和2型受體，其經(jīng)典的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)是主要依賴Smad的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)。細(xì)胞膜上的 BMPR2與 BMP-2相結(jié)合，進(jìn)而磷酸化絲氨酸/蘇氨酸激酶受體，Smad通路被磷酸化的受體磷酸化，而磷酸化的 R- Smads與 Smad4結(jié)合形成異二聚體復(fù)合物，其轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞核內(nèi)并結(jié)合至 DNA上， 使目標(biāo)基因開始轉(zhuǎn)錄，從而誘導(dǎo)骨形成[5]。除此之外， BMP-2的信號傳導(dǎo)系統(tǒng)還存在不依賴 Smad的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，這些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)都在 BMP-2誘導(dǎo)的骨組織形成中發(fā)揮著重要作用[6]。

2 BMP-2導(dǎo)致骨吸收的分子機(jī)制

2.1 BMP-2誘導(dǎo)破骨細(xì)胞的形成

BMP-2在骨改建的過程中發(fā)揮著雙向作用，除了促進(jìn)骨形成外，其通過直接或間接的方式來調(diào)控破骨細(xì)胞的形成與功能，進(jìn)而在骨吸收的過程中發(fā)揮著作用。

2.1.1直接作用 分化成熟的破骨細(xì)胞表面存在著BMP-2的受體，其可直接與BMP-2相結(jié)合，從而使破骨細(xì)胞激活，進(jìn)而引起骨吸收[4]。 Mishina等[7]將BMP-2加入在體外培養(yǎng)的高純度破骨細(xì)胞中，發(fā)現(xiàn) BMP-2加入的劑量越大、作用時間越長，破骨細(xì)胞所引起的骨吸收作用越強(qiáng)。而在培養(yǎng)基中加入BMP-2抑制劑Follistatin，可以抑制BMP-2的骨吸收作用。

2.1.2間接作用 BMP-2通過對破骨細(xì)胞形成的相關(guān)因子的調(diào)節(jié)來對破骨細(xì)胞前體產(chǎn)生間接作用，使其分化為破骨細(xì)胞，而這些相關(guān)因子包括核因子κ B受體活化因子配體 RANKL和巨噬細(xì)胞集落刺激因子 M- CSF等[4]。破骨細(xì)胞前體表面的唯一受體RANK與RANKL相結(jié)合，從而將信號轉(zhuǎn)導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi)，導(dǎo)致破骨細(xì)胞前體分化為破骨細(xì)胞[4]。陳建明[8]的研究發(fā)現(xiàn):rhBMP-2有可能先作用于牙周膜成纖維細(xì)胞 HPDLFs，使其轉(zhuǎn)化為成骨樣細(xì)胞，促使其分泌如 RANKL等活性因子，間接促使破骨樣細(xì)胞形成，而不是直接對單個核細(xì)胞產(chǎn)生作用。

BMP-2誘發(fā)骨吸收可以通過調(diào)節(jié)炎癥因子來起作用。 動物實驗表明，BMP-2的大量給予可引起機(jī)體內(nèi)各種相關(guān)因子濃度的大量增加，包括： TNF-α、IL-1a和單核細(xì)胞趨化蛋白1等。 這些跡象表明過量的BMP2可引起體內(nèi)抗炎因子和炎癥因子失衡，使其向炎癥發(fā)展[9]。其中由 BMP2引起的TNF-α在骨組織吸收方面扮演重要角色，研究表明，它可以通過直接刺激使破骨細(xì)胞前體增殖，使破骨祖細(xì)胞分化，并且可增加破骨細(xì)胞的骨組織吸收能力[10，11]。此外，TNF-α通過間接參與產(chǎn)生破骨細(xì)胞分化所必需的細(xì)胞因子來促使破骨祖細(xì)胞的增殖。TNF-α導(dǎo)致骨吸收的直接原因是其一方面促進(jìn)著骨組織吸收，另一方面又抑制著骨組織的形成，從而最終導(dǎo)致骨組織的減少[12，13]。

2.2 BMP-2以細(xì)胞依賴性方式調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞系細(xì)胞凋亡

BMP-2除了誘導(dǎo)破骨細(xì)胞形成以引起骨組織吸收以外，Sharon L. Hyzy[14]等人的研究表明：BMP-2以細(xì)胞依賴性方式調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞系細(xì)胞凋亡。已知BMP以劑量依賴的方式調(diào)節(jié)干細(xì)胞轉(zhuǎn)化為軟骨細(xì)胞，成骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞[15]。 此外，一些研究表明，BMP信號轉(zhuǎn)導(dǎo)對于維持干細(xì)胞的生態(tài)位和MSC的存活也是必需的[16，17]。 該證據(jù)表明，與Sharon L.Hyzy[14]等人的研究結(jié)果一致，BMPs影響MSCs的維持和分化，但不影響細(xì)胞凋亡。 雖然其誘導(dǎo)凋亡作用在人間充質(zhì)干細(xì)胞( MSC)中作用不大，但 BMP-2處理的不成熟的成骨細(xì)胞樣 MG63細(xì)胞的凋亡適中， 而 BMP-2處理的成熟的正常人成骨細(xì)胞 NHOst細(xì)胞的凋亡則顯著增加。 Noggin是BMP信號的強(qiáng)大抑制劑，沉默Noggin的MG63(shNOG-MG63)中的凋亡明顯高于MG63細(xì)胞。 這些結(jié)果表明，BMP2的凋亡作用取決于細(xì)胞的成熟狀態(tài)，并受Noggin調(diào)節(jié)。

體內(nèi)BMP-2具有誘導(dǎo)間充質(zhì)來源的細(xì)胞增殖，分化或凋亡。 BMP在向下游信號傳遞時可以二聚為同二聚體或異二聚體[18]，BMP異二聚體對II型BMP受體的親和力高于同二聚體。同型二聚體BMP-2或BMP-4和I型受體之間存在高親和力[19]。而BMPR1b屬于Ⅰ型受體，在BMP-2引起細(xì)胞凋亡的過程中是必須的[20]，因此Sharon L.Hyzy[14]等人假設(shè)： BMPs可能主要在體內(nèi)作為異二聚體起作用，激活導(dǎo)致骨維持的特異性信號傳導(dǎo)。 外源 BMP-2的遞送可能導(dǎo)致高水平的同型二聚體，該同型二聚體以高親和力與 BMPR1 b結(jié)合， 從而引起細(xì)胞凋亡和骨吸收的信號傳導(dǎo)，因為成年骨骼中 Noggin含量低[21]，抑制劑不能調(diào)節(jié)該信號傳導(dǎo)，可以解釋 BMP-2的使用所產(chǎn)生的不利影響。 數(shù)據(jù)表明，在干細(xì)胞中，BMP-2更多地充當(dāng)分化因子，而在終末分化細(xì)胞中，BMP-2誘導(dǎo)凋亡。 在BMP-2給藥引起骨吸收的臨床病例中，MSCs的成骨誘導(dǎo)作用可能不如成熟成骨細(xì)胞誘導(dǎo)的凋亡強(qiáng)，從而導(dǎo)致骨溶解。

3 降低BMP-2骨吸收作用的分子機(jī)制

3.1 抗氧化物降低BMP-2骨組織吸收作用的機(jī)制

在人體內(nèi)，黃酮可作為抗氧化劑，抗增殖劑，抗炎劑和抗微生物劑。 黃酮是一種強(qiáng)抗氧化劑，在平衡人體中的前氧化劑(在我們的自然環(huán)境中也被稱為“自由基”)中極為重要。 在食用類黃酮中，其中最重要的是花青素(中值食用： 13.7毫克/天)，具有保護(hù)骨骼的作用[22]。 Hubert P.等回顧了有關(guān)多酚對骨骼健康影響的研究， 并得出結(jié)論，漿果攝入量高與骨骼質(zhì)量高呈正相關(guān)[23]。長岡正弘[24]等對富含花青素的馬基漿果提取物( MBE)進(jìn)行了研究， 其在體內(nèi)體外均表現(xiàn)出對骨代謝的有益效果。 MBE通過上調(diào)骨形態(tài)發(fā)生蛋白2( Bmp-2)，矮子相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2( Runx2)， osterix( Osx)刺激礦物質(zhì)結(jié)節(jié)形成并增強(qiáng)堿性磷酸酶活性， 從而刺激 MC3 T3- E1細(xì)胞的成骨細(xì)胞分化。 免疫染色和免疫沉淀分析表明， MBE通過充當(dāng) MC3 T3- E1細(xì)胞中的超氧陰離子/過亞硝酸鹽清除劑而抑制了 NF-κ B的轉(zhuǎn)核。同時，MBE抑制了原發(fā)性骨髓巨噬細(xì)胞中的破骨細(xì)胞生成和牙本質(zhì)切片上成熟的破骨細(xì)胞的凹陷形成。 該研究證明MBE不僅可以抑制骨吸收，還可以刺激骨形成，因此可以成為預(yù)防骨質(zhì)減少條件下骨丟失的有前途的天然藥物。此外，長岡正弘[25]等研究發(fā)現(xiàn)花青素 b環(huán) o-甲基化衍生物之一的矮牽牛苷苷元具有抑制小鼠巨噬細(xì)胞 RAW264.7細(xì)胞破壞骨組織作用，刺激小鼠成骨前細(xì)胞 MC3 T3- E1細(xì)胞礦化基質(zhì)的形成和基質(zhì)降解酶的下調(diào)。 通過口服矮牽牛苷增加類骨質(zhì)形成改善sRankl誘導(dǎo)的小鼠骨質(zhì)減少，加速成骨細(xì)胞形成，伴隨抑制骨吸收。 中國[26]和日本[27]分別建議每天攝入花青素有益于人類的骨骼健康。

已知綠原酸的異構(gòu)體具有抗氧化和抗炎特性，并且具有改變細(xì)胞信號傳導(dǎo)途徑的能力，包括那些涉及激酶JNK，p38和ERK的途徑[28，29]。Jennifer L.Graef等[30]發(fā)現(xiàn)干李干中的多酚提取物的餾分，尤其是DP-FrA和DP-FrB在水中具有最大溶解度并且在增強(qiáng)小鼠原代骨髓成骨細(xì)胞的ALP活性和礦化結(jié)節(jié)形成方面具有最高的生物活性，而在這些餾分中都檢測到了新綠原酸和隱綠原酸。在其研究中，多酚餾分在正常條件下上調(diào)了原代骨髓來源的成骨細(xì)胞中成骨細(xì)胞分化的主要調(diào)控因子Runx2的表達(dá)，從而來增強(qiáng)源自MC3T3-E1細(xì)胞的成骨細(xì)胞的活性。除此之外，干燥的李子多酚的粗乙醇提取物可以減輕由TNF-α導(dǎo)致的成骨細(xì)胞活性和功能的下降[31]。由于這些餾分的組成可能不僅僅是新綠原酸和隱綠原酸，推斷此處報道的成骨活性是由這些化合物產(chǎn)生的，還為時過早[30]。必須進(jìn)一步表征DP-FrA和DP-FrB的組件。不過每日進(jìn)食一定量的干李子可能對減輕BMP-2導(dǎo)致的骨骼吸收有治療作用。

3.2 MSC-AS1降低BMP-2骨吸收作用機(jī)制

微小 RNA( miRNA)是一些約22個核苷酸的小型非編碼的 RNA，它們能夠通過與靶 mRNA互補(bǔ)堿基配對來調(diào)節(jié)基因表達(dá)并參與多種生物學(xué)過程[32]。 研究發(fā)現(xiàn)microRNA-140-5p可以抑制成骨細(xì)胞的分化[33]。 NaidongZhang[34]等發(fā)現(xiàn)BMP-2是microRNA-140-5p的直接靶標(biāo)。 MSC-AS1可以直接與microRNA-140-5p結(jié)合，從而調(diào)節(jié)BMSCs中BMP2的表達(dá)。MSC-AS1利用microRNA-140-5p調(diào)節(jié)BMP2 / Smad信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，以此調(diào)控BMSC的成骨分化，為骨質(zhì)疏松癥提供了潛在的治療靶點。

3.3 微量元素鋅降低BMP-2骨組織吸收作用的機(jī)制

鋅對于人體中許多生化途徑必不可少，并且已知會顯著影響骨骼。鋅具有抑制破骨細(xì)胞分化并促進(jìn)成骨細(xì)胞礦化的作用，并且確實在破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞前體中充當(dāng)有效的NF-κB活化拮抗劑，除此之外，鋅可拮抗TNF-α驅(qū)動的NF-κB活化而導(dǎo)致的骨吸收過程[35]。因此，鋅的合理使用也為治療BMP-2引起的骨吸收提供一項可能的方案。

4 結(jié)語

BMP-2的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用為骨移植市場帶來了巨大的革新，盡管其具有明顯的誘導(dǎo)骨形成作用，但相應(yīng)的副作用也不容忽視，隨著BMP-2應(yīng)用的增多，開始總結(jié)其臨床并發(fā)癥，研究其機(jī)制，以加深對BMP-2的認(rèn)識。本文總結(jié)了一些BMP-2導(dǎo)致骨吸收作用機(jī)制并提供一些可能降低骨吸收作用的機(jī)制，但BMP-2是否存在其他誘導(dǎo)骨吸收機(jī)制，是否存在合理預(yù)防骨吸收的方案仍然需要進(jìn)一步探究。