OSM誘導(dǎo)成骨分化及骨形成的研究進(jìn)展

鄒峰　易志新　彭建強(qiáng)

摘要：抑瘤素M（OSM）是屬于IL-6家族的一類分泌型蛋白因子，在維持慢性炎癥條件下機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用。它也是gp130膜蛋白家族的一員，在細(xì)胞增殖、分化、造血系統(tǒng)功能和炎癥免疫等病理生理過(guò)程具有多功能調(diào)控作用。過(guò)去很多研究報(bào)道了OSM在腫瘤、肝細(xì)胞再生、心血管疾病等疾病發(fā)生、發(fā)展中起著重要作用，對(duì)類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、皮膚及肺部感染等炎癥疾病也有重要的調(diào)控作用。近年來(lái)，越來(lái)越多將研究重點(diǎn)聚焦于OSM對(duì)成骨分化過(guò)程中骨發(fā)生和骨成熟的調(diào)控。

1 OSM簡(jiǎn)介

抑瘤素M（Oncostatin M，OSM）是IL-6家族中的一類蛋白因子，1986年Zarling等[1]首次從PMA活化U937細(xì)胞培養(yǎng)上清中分離純化到一種因子，這種因子有明顯抑制A375人黑素瘤細(xì)胞生長(zhǎng)而命名為抑瘤素。人OSM基因定位于22號(hào)染色體，基因組由3個(gè)外顯子和2個(gè)內(nèi)含子組成，OSM前體有252個(gè)氨基酸[2]。OSM與白血病抑制因子（LIF）、粒細(xì)胞集落刺激因子（GM-CSF）、IL-6及睫狀神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（CNTF）分子之間有一定的同源性和相似的二級(jí)結(jié)構(gòu)[3]。在機(jī)體細(xì)胞微環(huán)境內(nèi)，OSM可通過(guò)集落刺激因子、脂多糖（LPS）、Toll樣受體配體（TLR-ligands）、前列腺素E2（PGE2）刺激中性粒細(xì)胞、單核巨噬細(xì)胞和樹(shù)突狀細(xì)胞產(chǎn)生，從而參與、調(diào)節(jié)機(jī)體慢性感染性疾病及其他慢性疾病。OSM受體廣泛分布于多種腫瘤細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和上皮細(xì)胞，在生理和病理過(guò)程中OSM具有多種生物活性.細(xì)胞表面糖蛋白受體gp130是OSM受體的一個(gè)亞單位，是識(shí)別OSM的低親和力受體，在組成OSM高親和力受體中，除gp130亞單位外，還有白血病抑制因子受體（LIFR）的參與。OSM與膜蛋白受體gp130結(jié)合后，在體內(nèi)主要通過(guò)OSM受體（OSMR）和LIFR介導(dǎo)其生物學(xué)功能，其受體復(fù)合體gp130/OSMR、gp130/LIFR在多種細(xì)胞來(lái)源的組織中都有廣泛表達(dá)。體內(nèi)、外試驗(yàn)中證實(shí)人來(lái)源OSM（hOSM）與鼠來(lái)源OSM（mOSM）作用于同種屬細(xì)胞時(shí)對(duì)各自O(shè)SMR、LIFR均可表現(xiàn)出較高的親和性，但是對(duì)于小鼠細(xì)胞hOSM僅與LIFR結(jié)合，而mOSM刺激人細(xì)胞時(shí)對(duì)于兩種受體均未結(jié)合，因此OSM與受體結(jié)合進(jìn)而在體內(nèi)、外發(fā)揮調(diào)節(jié)作用具有種屬選擇差異性。

生理情況下，OSM參與調(diào)控多種生物學(xué)進(jìn)程和細(xì)胞間反應(yīng)。根據(jù)OSM生物信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)傳遞網(wǎng)絡(luò)（該信號(hào)傳遞網(wǎng)絡(luò)涉及超過(guò)1000篇科學(xué)文獻(xiàn)）提示，OSM信號(hào)級(jí)聯(lián)通路中涉及到78種生物小分子，包含35種蛋白/蛋白反應(yīng)及54種轉(zhuǎn)錄后調(diào)控反應(yīng)，調(diào)節(jié)機(jī)體內(nèi)特異性的322種基因。OSM分別與gp130/OSMR、gp130/LIFR結(jié)合通過(guò)絡(luò)氨酸磷酸化途徑激活Janus kinase（JAK）家族信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)因子，活化的JAK因子轉(zhuǎn)而誘導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄活化因子（Signal transduction and activator of transcription，STAT）活性后，選擇性的激活下游轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子——促分裂原活化蛋白激酶（mitogen activated protein kinase，MAPK）或磷脂酰肌醇三激酶/蘇氨酸激酶（phosphoinositide 3-kinase/v-akt murine thymoma viral oncogene homolog 1，PI3K/AKT）信號(hào)通路，發(fā)揮其生物學(xué)功能。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究報(bào)道提示炎癥因子在修復(fù)骨損傷過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，OSM作為IL-6家族的一種蛋白因子，對(duì)成骨分化過(guò)程中細(xì)胞內(nèi)、外微環(huán)境的調(diào)控是不可或缺的。

2 炎癥因子對(duì)骨細(xì)胞代謝的影響

有效的骨損傷修復(fù)和骨質(zhì)疏松癥的治療需要提升骨骼質(zhì)量，而骨形成和骨吸收在這過(guò)程中發(fā)揮重要作用，任何可以影響這兩個(gè)過(guò)程的因素都可以影響骨的修復(fù)。炎癥環(huán)境曾被認(rèn)為是影響骨損傷修復(fù)中骨形成和骨吸收進(jìn)程的重要因素。最新的研究表明炎癥因子在骨形成和骨吸收的過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，免疫系統(tǒng)與骨組織之間存在著復(fù)雜的內(nèi)部關(guān)聯(lián)，并且炎癥因子有利于促進(jìn)骨形成。單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞及樹(shù)突狀細(xì)胞都在促進(jìn)骨形成的過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。慢性炎癥環(huán)境下，活化的T細(xì)胞釋放可溶性的炎癥因子，上調(diào)堿性磷酸酶ALP活性，并誘導(dǎo)骨髓基質(zhì)細(xì)胞中RUNX2，SP7，BSP以及OC mRNA的高表達(dá)，證明T細(xì)胞來(lái)源的炎癥因子可通過(guò)調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞之間的相互作用促進(jìn)成骨分化促進(jìn)骨細(xì)胞成熟，加快骨形成的進(jìn)程。Later Bedi B 等認(rèn)為活化的T細(xì)胞可通過(guò)Wnt介導(dǎo)的信號(hào)通路調(diào)節(jié)促進(jìn)成骨分化。由此可見(jiàn)，炎癥因子對(duì)成骨分化有著極大的推動(dòng)作用。在炎癥環(huán)境下，多種炎癥介質(zhì)可刺激免疫細(xì)胞分泌、釋放OSM。gp130家族細(xì)胞因子已經(jīng)被證實(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的活動(dòng)而影響骨的新陳代謝。OSM作為gp130類細(xì)胞因子的一種，對(duì)骨細(xì)胞的新陳代謝也有著重要的調(diào)控作用。

3 OSM對(duì)成骨分化的影響

3.1 OSM對(duì)細(xì)胞增殖的影響

我們知道誘導(dǎo)干細(xì)胞定向分化的首要條件即促進(jìn)細(xì)胞增殖。OSM在腫瘤細(xì)胞的發(fā)生、發(fā)展中主要起著抑制腫瘤細(xì)胞增殖的作用，但在正常生理環(huán)境和炎癥環(huán)境中，OSM可以通過(guò)與白細(xì)胞介素抑制因子受體（LIFR）結(jié)合激活下游STST3或MAPK通路促進(jìn)多種細(xì)胞的增殖、分化。通過(guò)體外培養(yǎng)骨肉瘤細(xì)胞和人來(lái)源骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞發(fā)現(xiàn)，OSM可通過(guò)PKC， ERK1/2及STAT3通路調(diào)控成骨基因的表達(dá)，并促進(jìn)骨細(xì)胞增殖，抑制骨肉瘤細(xì)胞的增殖。Amelia K.Scaffidi等發(fā)現(xiàn)OSM在體外培養(yǎng)環(huán)境下可通過(guò)激活MAPK信號(hào)通路增強(qiáng)細(xì)胞的有絲分裂活性。Floria beigel等發(fā)現(xiàn)在小腸上皮細(xì)胞中OSM可以激活STAT3通路促進(jìn)細(xì)胞增殖以修復(fù)小腸上皮損傷。Li Q等研究發(fā)現(xiàn)體外培養(yǎng)條件下OSM通過(guò)激活STAT3調(diào)控下游ERK1/2轉(zhuǎn)錄因子促進(jìn)人卵巢腫瘤細(xì)胞增殖；Hyun Sun Ko等也證實(shí)OSM通過(guò)STAT3信號(hào)通路在早孕期促進(jìn)絨毛外滋養(yǎng)細(xì)胞遷徙和增殖。Nogueira Silva C等提出OSM等gp130家族細(xì)胞因子對(duì)于促進(jìn)胎鼠肺組織生長(zhǎng)、成熟有著重要作用。Sims Na等發(fā)現(xiàn)OSM在生理病理環(huán)境下作為一類多功能的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子通過(guò)調(diào)控成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的功能促進(jìn)骨細(xì)胞增殖。

3.2 OSM對(duì)成骨分化的影響

當(dāng)前已有大量的研究證明OSM在體內(nèi)、外可以促進(jìn)骨質(zhì)生長(zhǎng)并誘導(dǎo)成骨細(xì)胞各階段成骨定向分化。早在2002年，小鼠體內(nèi)實(shí)驗(yàn)就表明膝關(guān)節(jié)腔注射Ad-mOSM可誘導(dǎo)骨膜下的骨沉積，同時(shí)發(fā)現(xiàn)OSM具有獨(dú)特的抑制骨硬化蛋白形成的作用以及干擾破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收過(guò)程。Song HY等指出OSM作用于BMSCs時(shí)，促進(jìn)ALP和OC高表達(dá)，礦化結(jié)節(jié)于2w時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)；當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間超過(guò)3w后一些成骨相關(guān)基因表達(dá)下降，這與成骨分化的生理變化趨勢(shì)相符合。Sims NA等[33]在2010年系統(tǒng)論證了gp130家族轉(zhuǎn)錄因子在骨修復(fù)中的重要地位，并展望OSM在臨床中的實(shí)際應(yīng)用。Walker等發(fā)現(xiàn)在敲除OSM受體基因的小鼠中出現(xiàn)骨質(zhì)疏松的現(xiàn)象。Fumi Sato等提出OSM在骨髓造血微環(huán)境中可調(diào)節(jié)間質(zhì)細(xì)胞成骨定向分化。Celeste Bolin等在2012年報(bào)道向Balb/c小鼠脛骨注射OSM可發(fā)現(xiàn)明顯的骨沉積和骨礦化形成。2015年P(guān)ierre Guihard等在小鼠脛骨損傷模型中通過(guò)OSM注射成功實(shí)現(xiàn)了骨膜下誘導(dǎo)膜內(nèi)成骨修復(fù)骨損傷。OSM對(duì)各種來(lái)源的干細(xì)胞也有誘導(dǎo)成骨分化的作用。Tania J. Fernandes等[38]指出臍帶血來(lái)源巨噬細(xì)胞可以通過(guò)激活gp130信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路調(diào)控間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化。OSM體外作用于人脂肪源性間充質(zhì)干細(xì)胞可以通過(guò)激活A(yù)LP活性促進(jìn)成骨分化及礦化而其抑制成脂分化]。Kakutani Y等發(fā)現(xiàn)OSM可以通過(guò)STAT3信號(hào)通路調(diào)控人血管平滑肌細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化，Smyth DC等也證實(shí)OSM在體外可以誘導(dǎo)小鼠脂肪來(lái)源的間充質(zhì)干細(xì)胞成骨定向分化。Pierre G等證實(shí)OSM可以在體外誘導(dǎo)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨定向分化。此外，OSM因其廣泛表達(dá)于機(jī)體的各組織器官，在維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著重要的作用，依托其龐大的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，在不同的階段通過(guò)不同的途徑影響骨細(xì)胞的發(fā)生和發(fā)展。

4 小結(jié)與展望

抑瘤素M因其對(duì)腫瘤細(xì)胞的調(diào)控作用而廣受關(guān)注，對(duì)機(jī)體內(nèi)多系統(tǒng)的生理病理進(jìn)程都有廣泛的影響。大量研究證實(shí)OSM促細(xì)胞增殖作用，及其在體內(nèi)外促進(jìn)骨細(xì)胞生長(zhǎng)并誘導(dǎo)不同來(lái)源的干細(xì)胞成骨定向分化作用。OSM可作為一種理想的成骨誘導(dǎo)因子構(gòu)建新型的體外成骨分化細(xì)胞模型。同時(shí)可進(jìn)一步探討應(yīng)用重組人OSM制劑治療臨床骨不連以及OSM誘導(dǎo)人類骨髓源性間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化試制生物工程骨用于臨床治療大段骨缺損。

參考文獻(xiàn)：

[1] Zarling JM， Shoyab M， Marquardt H，et al.Oncostatin M： a growth regulator produced by differentiated histiocytic lymphoma cells.Proc Natl Acad Sci USA. 1986 Dec；83（24）：9739-43.

[2] Jay PR， Centrella M， Lorenzo J， Bruce AG， Horowitz MC. Oncostatin-M： a new bone active cytokine that activates osteoblasts and inhibits bone resorption. Endocrinology . 1996 Apr，137（4）：1151-8.