骨形態(tài)發(fā)生蛋白2在牙槽骨改建中作用的研究進(jìn)展

齊鵬鵬，孟 粼，吳梓萁，楊濤源，于士洋，王景云

（1.吉林大學(xué)口腔醫(yī)院VIP科，吉林 長春 130021；2.溫州醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)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(dòng)態(tài)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(tài)發(fā)生蛋白2（bone morphogenetic protein 2，BMP－2）的作用尤為重要。BMP－2不僅可誘導(dǎo)骨形成，而且在骨吸收過程中也發(fā)揮著重要作用。因此，合理地利用BMP－2來調(diào)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(gè)過程，即骨形成和骨吸收中的作用及機(jī)制進(jìn)行闡述。

1 BMP－2的發(fā)現(xiàn)和化學(xué)結(jié)構(gòu)

骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogenetic proteins，BMPs）是1965年美國 Urist［1］教授發(fā)現(xiàn)的。Urist將脫鈣皮質(zhì)骨移植到動(dòng)物肌肉中，1～2周后發(fā)現(xiàn)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(zhì)，其可能誘導(dǎo)新骨的形成。Urist從皮質(zhì)骨中提取了對成骨非常重要的蛋白，命名為BMPs。研究［2－3］發(fā)現(xiàn)：BMPs屬于轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的高度保守的功能蛋白，其相對分子質(zhì)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(zhì)，其降解產(chǎn)物相對分子質(zhì)量分別為30000、18000和16000。

2 BMP－2在骨形成中的作用及作用機(jī)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(dǎo)骨形成的作用最為突出，成為近年來研究的熱點(diǎn)。BMP－2的誘導(dǎo)成骨性在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，如促進(jìn)骨折的愈合、修復(fù)骨缺損、修復(fù)牙槽嵴的缺損、促進(jìn)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(zhì)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(dá)的變化發(fā)現(xiàn)：在骨折愈合過程中有新骨形成的第2和3周BMP－2的表達(dá)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(guān)，其可能通過促進(jìn)新骨形成進(jìn)而促進(jìn)骨折的愈合。然而由于游離的BMPs能很快地被機(jī)體吸收，因此極大地限制了其發(fā)揮作用的時(shí)間，為使BMPs能在體內(nèi)緩慢、平穩(wěn)地釋放，持續(xù)地發(fā)揮效能，通常將BMPs結(jié)合于生物相容性好的載體上，如羥基磷灰石、聚乳酸等構(gòu)成緩釋系統(tǒng)置于需要成骨的部位誘導(dǎo)成骨。Urist等［7］研究發(fā)現(xiàn)：BMPs和磷酸三鈣構(gòu)成的緩釋系統(tǒng)植入肌肉內(nèi)其誘導(dǎo)的新骨量比單用BMPs大12倍，表明該緩釋系統(tǒng)緩慢持續(xù)地釋放BMPs，保證BMPs能夠長時(shí)間發(fā)揮誘導(dǎo)骨形成的作用，增加生成量。杜兵等［8］觀察重組人型骨形態(tài)發(fā)生蛋白2／聚乳酸（rhBMP－2／PLA）生物活性涂層的骨誘導(dǎo)活性及對種植體周骨組織愈合的影響，發(fā)現(xiàn)種植體植入4、8和12周后rhBMP－2／PLA組種植體周圍編織骨數(shù)量、骨鈣化程度、骨密度、成骨細(xì)胞活性均高于純鈦對照組，由此可知：rhBMP－2／PLA復(fù)合涂層具有良好的骨誘導(dǎo)活性，能促進(jìn)種植體周骨組織的早期愈合。羅菲等［9］將PLA進(jìn)行接枝聚合反應(yīng)改性后，用其包裹BMP－2后應(yīng)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(tǒng)，并研究其在兔下頜骨缺損修復(fù)中的作用，研究發(fā)現(xiàn)：BMP2－PLA－Ns凝膠緩釋系統(tǒng)可以明顯加速兔下頜骨缺損區(qū)的新骨形成，促進(jìn)愈合。為了使細(xì)胞持續(xù)地表達(dá)BMPs，還可將BMPs基因與病毒，如腺病毒、慢病毒和噬菌體等質(zhì)粒重組，形成攜帶BMPs基因的重組病毒，再利用該重組病毒轉(zhuǎn)染相關(guān)細(xì)胞以誘導(dǎo)成骨。韓祥禎等［10］利用rhBMP－2重組慢病毒載體轉(zhuǎn)染羊骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞 （BMSCs）發(fā)現(xiàn)：轉(zhuǎn)染組細(xì)胞檢測到BMP－2表達(dá)，而且轉(zhuǎn)染組骨鈣素、骨橋蛋白基因mRNA水平和蛋白水平表達(dá)量均高于未經(jīng)轉(zhuǎn)染的對照組；在細(xì)胞形態(tài)上，轉(zhuǎn)染組細(xì)胞呈長梭型旋渦狀排列，且有呈巢狀排列的細(xì)胞團(tuán)塊形成，細(xì)胞密集生長，有類似鈣化結(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)形成，與對照組細(xì)胞形態(tài)有明顯差異，這些結(jié)果均表明BMP－2轉(zhuǎn)染組細(xì)胞有較強(qiáng)的促成骨能力。BMP－2還可與其他細(xì)胞因子，如血管內(nèi)皮生長因子165（VEGF165）、成纖維細(xì)胞生長因子 （BFG）協(xié)同增加成骨［11－14］。

2.2 BMP－2在骨形成中的作用機(jī)制

BMP－2主要在骨形成的早期階段發(fā)揮作用，其可使未分化間質(zhì)細(xì)胞向骨形成中心募集，并分化為骨系細(xì)胞，此外還可通過增加或抑制成纖維細(xì)胞、成肌細(xì)胞及骨髓基質(zhì)細(xì)胞內(nèi)的某些特異性蛋白的分泌，使其逆轉(zhuǎn)分化為骨系細(xì)胞，如成纖維細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞，成肌細(xì)胞快速分化為肥大的軟骨細(xì)胞，并促進(jìn)基質(zhì)鈣化等。司曉輝等［15］將含有rhBMP－2基因的噬菌體轉(zhuǎn)染人牙周膜成纖維細(xì)胞（HPDLFs），發(fā)現(xiàn) HPDLFs轉(zhuǎn)染 BMP－2 基因后，BMP－2能夠在細(xì)胞中得到表達(dá)，體外實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)染BMP－2基因的HPDLFs具備了成骨細(xì)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(zhuǎn)染細(xì)胞注射于裸鼠股部肌肉內(nèi)，21d后取材，蘇木精－伊紅染色觀察到肌肉組織內(nèi)有明顯的骨形成。孫健等［16］研究發(fā)現(xiàn)：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(jìn)BMSCs的鈣結(jié)節(jié)形成，從而誘導(dǎo)新骨形成和鈣化。

BMP－2可使成骨細(xì)胞維持其特有細(xì)胞表型并通過BMP－2信號通路上調(diào)ALP、細(xì)胞外基質(zhì)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(biāo)志物的表達(dá)［17］，促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)鈣化誘導(dǎo)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(gè)信號通路。成骨細(xì)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(fā)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(jié)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(xì)胞質(zhì)，這些磷酸化的Smad1／5／8與Smad4相互作用將信號傳遞至細(xì)胞核內(nèi)［19］。在細(xì)胞核內(nèi)該二聚物上調(diào)包括Runx2、Sox9、Msx和Osterix在內(nèi)的多種因子，或者直接與DNA相結(jié)合，激發(fā)成骨細(xì)胞的活性與功能，促進(jìn)骨形成［20］。BMP－2通過增強(qiáng)成骨細(xì)胞內(nèi)的下游信號分子Smad1／5和Runx2的表達(dá)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(fā)現(xiàn)：BMP－2與Smad1和5的變化一致，均在牽張1周時(shí)達(dá)到高峰，之后逐漸減弱，說明BMP－2在骨形成的早期發(fā)揮骨形成作用并增加其下游信號分子Smad1和Smad5的表達(dá)。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(fā)現(xiàn)BMP－2與Smad1和Smad5的變化一致。Li等［23］研究發(fā)現(xiàn)：Runx2是成骨分化和骨骼形態(tài)塑型的重要基因，而且在BMP－2參與的情況下，C2C12細(xì)胞中Runx2表達(dá)增高了6倍。還有研究［24］顯示：BMP－2可與經(jīng)典 Wnt信號通路協(xié)同，促進(jìn)骨形成。經(jīng)典Wnt信號通路細(xì)胞外蛋白有Wntl、Wnt2、Wnt3、Wnt3a、Wnt8和 Wnt8b，通過與膜受體結(jié)合激活經(jīng)典 Wnt／β－catenin信號通路，誘導(dǎo)骨形成。而BMP－2信號通路活化后可以增強(qiáng)Wntl和Wnt3a的蛋白表達(dá)，調(diào)控經(jīng)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(dǎo)Wnt配體蛋白和受體的表達(dá)，增強(qiáng)經(jīng)典Wnt信號通路活性。

3 BMP－2在骨吸收中的作用及作用機(jī)制

3.1 BMP－2在骨吸收中的作用

BMP－2除了在骨形成中發(fā)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(diào)控破骨細(xì)胞的分化、活性與功能而在骨吸收過程中發(fā)揮作用。有研究［25］發(fā)現(xiàn)：在骨形成后期，BMP－2作為破骨細(xì)胞的分化因子引起破骨細(xì)胞的分化。孫首選［26］在BMP－2協(xié)同刺激鈦顆粒誘導(dǎo)下的破骨細(xì)胞生成的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：加入BMP－2后可以明顯刺激c－Fos通路的表達(dá)，而該通路是破骨細(xì)胞早期形成重要的通路。此外在鈦顆粒刺激RAW264.7細(xì)胞的模型上，加入 BMP－2后提高了 p－P38、p－IkB和 p－JNK 的表達(dá)水平，延長了表達(dá)時(shí)間。而p－P38、p－IkB和p－JNK信號通路被廣泛認(rèn)為是刺激破骨細(xì)胞生成過程中重要的信號通路。孫首選［26］還發(fā)現(xiàn)：BMP－2誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞分化存在劑量依存性，通過定時(shí)定量分析耐酒石酸鹽酸性磷酸酶（TRAP）基因的表達(dá)得知BMP－2在劑量為50mg·L－1時(shí)，TRAP的表達(dá)達(dá)到最大值，并且隨著劑量的增加，TRAP的表達(dá)出現(xiàn)了遞減的趨勢。

3.2 BMP－2在骨吸收中的作用機(jī)制

關(guān)于BMP－2在骨吸收中的作用機(jī)制目前的研究認(rèn)為：BMP－2可能通過間接或直接地影響破骨細(xì)胞分化，活化與功能，進(jìn)而影響骨吸收。

3.2.1 BMP－2對破骨細(xì)胞的間接作用 破骨細(xì)胞前體向破骨細(xì)胞的分化依賴于破骨細(xì)胞相關(guān)因子，如核因子κB受體活化因子配體 （RANKL）和巨噬細(xì)胞集落刺激因子（M－CSF）等。成骨細(xì)胞、HPDLFs和BMSCs均可產(chǎn)生破骨細(xì)胞相關(guān)因子調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的分化。BMP－2不直接作用于破骨細(xì)胞前體而是通過影響破骨細(xì)胞相關(guān)因子的產(chǎn)生或加強(qiáng)這些因子的作用進(jìn)而影響破骨細(xì)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(xì)胞、HPDLFs和骨髓基質(zhì)細(xì)胞表面表達(dá)的RANKL或分泌到基質(zhì)中的RANKL與破骨細(xì)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(jié)合，將信號傳入細(xì)胞內(nèi)，引起破骨細(xì)胞前體分化［28］。而成骨細(xì)胞表達(dá)的護(hù)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(xì)胞分化和骨吸收功能［29］。BMP－2可能通過 RANKL／OPG／RANK系統(tǒng)間接地影響破骨細(xì)胞前體向破骨細(xì)胞的分化。陳建明［30］在對rhBMP－2對破骨樣細(xì)胞形成影響的研究中發(fā)現(xiàn)：單個(gè)核細(xì)胞和HPDLFs在共培養(yǎng)組中有破骨樣細(xì)胞的形成，但是在單個(gè)核細(xì)胞組中，加入rhBMP2未發(fā)現(xiàn)破骨樣細(xì)胞，說明rhBMP－2并不是直接作用于單個(gè)核細(xì)胞，而是可能先與HPDLFs作用，活化HPDLFs向成骨樣細(xì)胞分化，促進(jìn)其分泌某些活性因子RANKL等，從而間接促進(jìn)了破骨樣細(xì)胞形成。還有研究［31］發(fā)現(xiàn)：BMPR1a缺失的成骨細(xì)胞由于RANKL表達(dá)減少，而不能支持破骨的發(fā)生。Tachi等［32］發(fā)現(xiàn)：僅使用BMP－2時(shí)不能誘導(dǎo)破骨細(xì)胞前體向破骨細(xì)胞的分化，單獨(dú)使用1，25（OH）2D3誘導(dǎo)破骨細(xì)胞前體的分化，1，25 （OH）2D3濃度為10－9mol·L－1時(shí)破骨細(xì)胞的形成量達(dá)到峰值，而當(dāng)BMP－2存在時(shí)1，25 （OH）2D3濃度為10－11mol·L－1時(shí)破骨細(xì)胞的形成量即可達(dá)到峰值，這一研究表明：BMP－2不能直接作用于破骨細(xì)胞前體但可增強(qiáng)1，25（OH）2D3介導(dǎo)的破骨細(xì)胞的形成過程。

3.2.2 BMP－2對破骨細(xì)胞的直接作用 有研究［33］顯示：成熟破骨細(xì)胞表面同樣存在BMP－2受體，BMP－2對破骨細(xì)胞的直接作用主要是BMP－2可直接與其受體結(jié)合激活破骨細(xì)胞，引起骨吸收。Mishina等［34］在體外培養(yǎng)出高純度兔破骨細(xì)胞，再直接加入BMP－2以觀察破骨細(xì)胞的骨吸收能力，發(fā)現(xiàn)骨吸收陷窩隨著加入BMP－2量和時(shí)間的延長而增加。Mishina等［34］進(jìn)行下一步研究，將BMP－2的抑制劑Follistatin加入到培養(yǎng)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(jié) 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(fā)現(xiàn)：Twsg1－／－小鼠表現(xiàn)出骨質(zhì)疏松。然而2種鼠體內(nèi)礦物質(zhì)沉積率、成骨細(xì)胞分化的標(biāo)志物和RANKL／OPG的表達(dá)并無明顯區(qū)別。相反Twsg1－／－小鼠骨吸收活動(dòng)卻明顯增強(qiáng)。這表明Twsg1－／－小鼠BMP－2不是通過成骨細(xì)胞間接地發(fā)揮作用，而是直接作用于破骨細(xì)胞，使其活性增強(qiáng)、骨吸收增加而導(dǎo)致骨質(zhì)疏松。

4 展 望

BMP－2在牙槽骨的改建過程中具有雙向調(diào)節(jié)的作用，即可誘導(dǎo)骨形成又可引起骨吸收。雖然BMP－2在骨形成中的作用機(jī)制較為明確，但是其在骨吸收中的作用機(jī)制以及何種情況下BMP－2誘導(dǎo)骨形成的作用占主導(dǎo)地位、何種情況下誘導(dǎo)骨吸收的作用占主導(dǎo)地位尚不十分清楚。此外，在臨床工作中如何根據(jù)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(jìn)一步的研究。

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