軟骨源性形態(tài)發(fā)生蛋白-1的研究進展

趙亮 湯譯博 蘇佳燦

軟骨源性形態(tài)發(fā)生蛋白-1的研究進展

趙亮 湯譯博 蘇佳燦

1994年，Storm等[1]發(fā)現(xiàn)了生長分化因子-5（Growth/Differentiation Factor-5，GDF-5）；同年，Chang等[2]克隆出一種名為軟骨源性形態(tài)發(fā)生蛋白-1（Cartilage-derived morphogenetic protein-l，CDMP-1）的多肽，并證實兩者是同一種蛋白因子。CDMP-1是骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）家族中的新亞型，作用于骨骼系統(tǒng)，具有多種調(diào)節(jié)功能，特別是能促進軟骨形成和發(fā)育，可以用于軟骨、骨、關(guān)節(jié)、肌腱、韌帶、椎間盤等的治療。本文就CDMP-1的研究進展進行綜述。

1 CDMP-1的分子結(jié)構(gòu)

CDMP-1的編碼基因最早由Hotten等[3]從人胚胎cDNA庫中克隆獲得，定位于20q11.2染色體，全長488 kb。與BMP家族其他因子一樣，CDMP-1也是由分子間二硫鍵連接的同型二聚體（圖1），共含有501個氨基酸，由位于N端的信號肽、中間的前體肽以及C端的成熟肽構(gòu)成[4]。其中，前區(qū)由376個氨基酸組成，肽鏈蛋白水解位置和120個氨基酸組成的C-末端區(qū)中含有7個TGF-β家族成員所特有的保守半胱氨酸殘基團[5]。前體蛋白裂解為成熟肽后，N端肽鏈延長，蛋白異型化，從而改變了CDMP-1的分布，使得骨關(guān)節(jié)處CDMP-1的含量增加，進而發(fā)揮其誘導(dǎo)軟骨生成的特殊生物學(xué)作用[6]。

圖1 CDMP-1的分子結(jié)構(gòu)

2 CDMP-1的生物學(xué)作用

2.1 促進軟骨及骨的發(fā)育

CDMP-1主要表達于四肢骨肢端、關(guān)節(jié)區(qū)、胚胎發(fā)育期骨骼前體及其周圍、軟骨母細胞聚集區(qū)及形成軟骨前體的組織周圍，是四肢骨發(fā)育（尤其是早期軟骨化階段）的重要調(diào)節(jié)因子。在軟骨發(fā)育早期，CDMP-1以劑量依賴的方式促進軟骨祖細胞在一定部位聚集、黏附，在軟骨發(fā)育晚期則刺激軟骨細胞的肥大、增生和成熟[7]。Takahara等[8]在研究CDMP-1缺失的鼠模型時發(fā)現(xiàn)，其趾骨在發(fā)育過程中出現(xiàn)間充質(zhì)細胞（前軟骨細胞）的凋亡以及干細胞聚集、分化等的延遲，認為CDMP-1促進了趾骨發(fā)育。Francis-West等[9]利用逆轉(zhuǎn)錄病毒載體，使CDMP-1過度表達，增加了雞肢芽的寬度和長度。最初認為直接原因是軟骨細胞數(shù)量的增多；進一步觀察發(fā)現(xiàn)，用外源CDMP-1刺激軟骨發(fā)育初期的間充質(zhì)細胞，可以顯著促進細胞聚集和軟骨分化，但并不增加細胞的數(shù)量；而用脈沖標記實驗監(jiān)測轉(zhuǎn)染CDMP-1基因的軟骨祖細胞軟骨發(fā)育后期的作用，結(jié)果表明CDMP-1明顯促進了軟骨細胞的增殖。作為一種生物信號，CDMP-1受到BMP家族其他成員的調(diào)節(jié)，控制雞胚肢芽中趾骺區(qū)軟骨的發(fā)育[10]；并與其他多種信號分子一起，促進胎兒出生后關(guān)節(jié)軟骨細胞和肢體軟骨源性細胞合成蛋白聚糖[11]。此外，CDMP-1還存在于成年牛和人的關(guān)節(jié)軟骨中，參與正常軟骨表型的維持以及病變組織的再生反應(yīng)[12]。

2.2 誘導(dǎo)分化為軟骨及骨

CDMP-1是一種多肽生長因子，具有特異的軟骨誘導(dǎo)能力，可在異位誘導(dǎo)軟骨形成。大量實驗證實，CDMP-1能在體外誘導(dǎo)骨間充質(zhì)細胞、骨膜源性細胞等，形成軟骨樣結(jié)構(gòu)。Spiro等[13]將含有0.01mg/m L和0.1mg/m L兩種濃度rhCDMP-1的Ⅰ型骨膠原/羥基磷灰石載體植入SD大鼠的皮下以及脛骨后肌內(nèi)，2周后發(fā)現(xiàn)皮下和肌肉內(nèi)堿性磷酸酶的活性隨rhCDMP-1濃度的增高而增加，提示在這些部位異位誘導(dǎo)了軟骨和骨的生成。該實驗還證實，在膠原或HA存在的條件下，CDMP-1可誘導(dǎo)體外培養(yǎng)的胎鼠顱頂細胞形成軟骨結(jié)節(jié)。Kakudo等[14]將含有不同濃度CDMP-1（0μg、100μg、300μg、500μg）的Ⅰ型膠原植入24只Wistar鼠的腓腸肌內(nèi)，3周后進行X射線及組織學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)0μg組和100μg濃度組沒有生成軟骨組織，而300μg濃度組有大量軟骨組織積聚以及部分骨形成，而500μg組形成了骨小梁和骨髓，不含任何軟骨成分。呂學(xué)敏等[15]用重組人CDMP-1干預(yù)體外培養(yǎng)的鼠肢芽細胞微團，發(fā)現(xiàn)100mg/mL的CDMP-1促軟骨化作用最強，另外特定濃度的CDMP-1可促進肢芽細胞的增殖，提示在肢體形成階段，CDMP-1在體內(nèi)可能通過調(diào)控細胞增殖和軟骨分化來實現(xiàn)對骨骼系統(tǒng)發(fā)育的調(diào)節(jié)。Gruber等[16]在骨膜源性細胞的誘導(dǎo)分化研究中發(fā)現(xiàn)，體外培養(yǎng)軟骨組織時添加最優(yōu)濃度的CDMP-1、CDMP-2，并沒有出現(xiàn)多糖合成的協(xié)同增加作用；CDMP-l濃度為100 ng/mL時，可達到最大的生物學(xué)效能，繼續(xù)提高CDMP-1濃度并不會增強促基質(zhì)合成的作用。上述實驗均表明，CDMP-1的促軟骨分化作用有劑量依賴性，并存在效應(yīng)閾值。

TGF-β是軟骨形成過程中的必需調(diào)節(jié)因子，在胚胎發(fā)育期有較高的表達，是體外誘導(dǎo)骨髓基質(zhì)細胞（BMSCs）軟骨化研究的重點對象。但有研究顯示，在無血清培養(yǎng)基中單獨使用小劑量TGF-β，并不能促進BMSCs向軟骨細胞轉(zhuǎn)化；而在聯(lián)合使用BMP-6、胰島素樣生長因子(IGF)-l等其他因子后，Ⅱ型膠原表達和糖胺聚糖（GAG）含量增加，表現(xiàn)出明顯的軟骨化效應(yīng)。研究表明，高劑量的CDMP-1與TGF-β一樣，可促進BMSCs的軟骨化，兩者聯(lián)合使用能協(xié)同促進BMSCs的增殖和軟骨化[17]。尹爍等[18]證實，用CDMP-1誘導(dǎo)人真皮成纖維細胞，所得細胞能向軟骨細胞表型分化，并能分泌軟骨細胞特異性基質(zhì)，通過CD49介導(dǎo)的細胞與細胞、細胞與基質(zhì)之間的相互作用，有助于維持人真皮成纖維細胞軟骨化后的表型。

2.3 對肌腱/韌帶、椎間盤的作用

2.3.1 修復(fù)肌腱、韌帶損傷

研究表明，CDMP-1還存在于肌腱細胞和韌帶細胞中，對兩種組織的發(fā)育起到相同的促進作用。Chhabra等[19]發(fā)現(xiàn)，CDMP-1缺失的小鼠肌腱損傷后，細胞GAG和膠原濃度需要更長時間才能達到峰值，膠原原纖維改變的時間延遲，血管形成時間延遲近l周。這提示CDMP-l在細胞聚集、遷移、分化、增殖和血管形成中起重要作用，CDMP-l的缺失可導(dǎo)致肌腱愈合延遲。Forslund等[20]發(fā)現(xiàn)，CDMP-1、2、3在改善肌腱、韌帶修復(fù)以及骨合成方面表現(xiàn)相似。Bolt等[21]用腺病毒載體將CDMP-1轉(zhuǎn)染至SD大鼠，治療Achilles肌腱撕裂的部位，2周后組織學(xué)和生物化學(xué)分析顯示，轉(zhuǎn)導(dǎo)了CDMP-1的肌腱裂隙最小，肌腱修復(fù)后被拉長70%。Dines等[22]以rhGDF-5治療肌腱損傷，發(fā)現(xiàn)受損肌腱明顯肥大，愈合率顯著升高。

2.3.2 修復(fù)椎間盤退變

椎間盤細胞是一種軟骨樣或纖維軟骨樣細胞，在大小、分布和ECM方面與關(guān)節(jié)軟骨細胞類似。由于CDMP-1能夠促進懸浮培養(yǎng)的軟骨細胞增殖，提示可通過CDMP-1來提高活性細胞的數(shù)量，進而修復(fù)退行性椎間盤病變（Degeneration disc disease，DDD）。Wang等[23]用腺病毒載體將CDMP-1及TGF-β分別轉(zhuǎn)染到兔和人椎間盤細胞中，發(fā)現(xiàn)過量表達的CDMP-1及TGF-β可以促進椎間盤細胞的增殖以及髓核、纖維環(huán)細胞的生長。Li等[24]發(fā)現(xiàn)，CDMP-1基因敲除小鼠的椎間盤內(nèi)纖維結(jié)構(gòu)排列紊亂，纖維軟骨成分替代了正常的纖維環(huán)，Ⅰ型膠原、Ⅱ型膠原及蛋白聚糖基因表達下降。用不同濃度的重組人CDMP-1體外培養(yǎng)該小鼠椎間盤細胞20周后，蛋白聚糖合成以及Ⅰ、Ⅱ型膠原基因的表達隨CDMP-1劑量增大而增加。Walsh等[25]研究鼠椎間盤壓力退變模型發(fā)現(xiàn)，將CDMP-1注入退變的活體鼠尾椎間盤內(nèi)，內(nèi)側(cè)纖維環(huán)的軟骨細胞可遷入髓核中，并活躍表達蛋白聚糖和Ⅱ型膠原。Chujo等[26]研究兔第2腰椎間盤穿刺退變模型發(fā)現(xiàn)，注射重組人CDMP-1能促進椎間隙恢復(fù)，增加MRI評分。Maitre等[27]的研究同樣證實了CDMP-1可促進人退行椎間盤中蛋白聚糖的合成以及細胞間質(zhì)的修復(fù)。由此可見，椎間盤內(nèi)單一注射重組人CDMP-1，能夠修復(fù)退變椎間盤。

2.4 其他作用

CDMP-1對神經(jīng)系統(tǒng)具有營養(yǎng)和保護作用。早期研究表明，CDMP-1可以顯著減輕羥基多巴胺對小鼠黑質(zhì)體多巴胺能神經(jīng)元的損害。Aideen等[28]發(fā)現(xiàn)，CDMP-1可以保護中腦多巴胺能神經(jīng)元，并促進其神經(jīng)傳導(dǎo)功能，提示CDMP-1可用于帕金森氏癥等神經(jīng)退化性疾病的治療。Zeng等[29]則發(fā)現(xiàn)，CDMP-1不但可以誘導(dǎo)小鼠骨分化，還可以通過增加血管內(nèi)皮生長因子（Vascular endothelial growth factor，VEGF）的表達以促進小鼠間質(zhì)細胞生成血管。

CDMP-1還能調(diào)節(jié)牙胚發(fā)育、刺激牙齦韌帶細胞增殖和基質(zhì)代謝。Sumita等[30]發(fā)現(xiàn)，在牙的生成過程中，CDMP-1可以聯(lián)合BMP-2等生長因子，促進牙乳頭及濾泡的分化。最新研究表明，心肌梗死的WT小鼠模型中，心臟的CDMP-1含量明顯升高，梗死灶周圍心肌細胞和成肌纖維細胞的表達也增加，提示CDMP-1在心肌梗死后的心臟修復(fù)中發(fā)揮一定作用[31]。

3 CDMP-1的作用機制

人們對CDMP-1作用的受體機制研究較為深入（圖2）[32]。目前已知Sox9轉(zhuǎn)錄因子是軟骨發(fā)生的基礎(chǔ)，而Runx2轉(zhuǎn)錄因子是骨發(fā)生的基礎(chǔ)。CDMP-1可以誘導(dǎo)間充質(zhì)干細胞表面BMP IB型受體（即ALK-6受體）的低聚以及ⅡB型受體的活化，從而導(dǎo)致Smad蛋白磷酸化。磷酸化的Smad蛋白進入細胞核，直接結(jié)合DNA或間接結(jié)合其他蛋白，從而調(diào)控Sox9和Runx2的表達，誘導(dǎo)前成骨細胞以及分泌性成骨細胞的分化，同時還可以促進堿性磷酸酶（ALP）等成骨相關(guān)蛋白的表達[33]。最新研究表明，CDMP-1和BMP2一樣，可以通過活化BMPR2來穩(wěn)定XIAP，以抑制細胞凋亡、促進生長[34]。Liu等[35]發(fā)現(xiàn)，在人風(fēng)濕性成纖維樣滑膜細胞中，CDMP-1可以被IL-1β抑制，促進TGF-β3介導(dǎo)的軟骨分化。

圖2 CDMP-1作用的受體機制

關(guān)于CDMP-1的信號通路，目前研究尚不充分。已知CDMP-1可以通過p38 MAPK通路來傳導(dǎo)信號，上調(diào)ALP、骨涎蛋白以及骨橋蛋白等的表達，而這些蛋白均與前成骨細胞以及分泌性成骨細胞的表型有關(guān)[36]。已有研究表明，活化的CDMP-1可以通過p38 MAPK通路促進軟骨形成，而對骨形成的促進作用還需進一步研究。此外，CDMP-1的生物作用除了與其特異性受體結(jié)合關(guān)系密切外，還受到細胞外基質(zhì)的影響，細胞外基質(zhì)和CDMP-1因子的恰當(dāng)復(fù)合是獲得良好的組織修復(fù)效果的關(guān)鍵。

4 問題與展望

CDMP-1具有多方面的生物學(xué)作用，在臨床治療上具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，CDMP-1的生物學(xué)作用機制，尤其是信號機制，仍然不完全清楚。CDMP-1在軟骨發(fā)育過程、骨折愈合和肌腱修復(fù)等方面的作用機制和臨床應(yīng)用，CDMP-1與愈合環(huán)境之間的相互作用，以及生長因子對修復(fù)細胞分化調(diào)控機制等問題，均有待進一步研究和解決。目前，骨髓間充質(zhì)干細胞（BMSCs）是組織工程研究領(lǐng)域中的重要種子細胞，關(guān)于其誘導(dǎo)分化的機制，一直是組織工程學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。然而有關(guān)CDMP-1對BMSCs刺激誘導(dǎo)作用的報道很少，今后應(yīng)進一步探討其對BMSCs增殖分化的調(diào)節(jié)作用以及作用機制。相信隨著以上問題的逐步解決及組織工程技術(shù)的不斷改進，CDMP-1會用于更多疾病的治療和預(yù)防。

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1673－0364（2010）03－0171－04

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2010年1月9日；

2010年2月26日)

200433上海市第二軍醫(yī)大學(xué)附屬長海醫(yī)院骨科。

蘇佳燦。