TGF-β對成骨細胞及破骨細胞作用的研究進展

楊 賓 王彬娉

作者單位：570208?？?，中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院附屬?？卺t(yī)院·海南省口腔醫(yī)學(xué)中心綜合治療科（王彬娉為通訊作者）

各種原因造成的骨缺損已成為全球健康問題[1]。研究和探索骨組織缺損的修復(fù)機制是眾多研究者關(guān)注的熱點問題。骨組織缺損的修復(fù)過程受多種細胞因子的影響調(diào)控[3]，常見的有骨形態(tài)蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）、血小板衍生因子（platelet derived growth factor，PDGF）、轉(zhuǎn)化生長因子（transforming growth factorβ，TGF-β）、堿性成纖維細胞生長因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）等[4]。其中，TGF-β是目前已知的作用最為復(fù)雜和多樣的生長因子。此外，成骨細胞及破骨細胞在骨缺損修復(fù)過程中也發(fā)揮重要作用。本文就TGF-β的生物性，功能及在成骨細胞，破骨細胞中的作用做一綜述。

一、TGF-β的生物性及功能

1.TGF-β的生物性

TGF-β于19世紀70年代末首次提出，是一類通過二硫鍵聯(lián)結(jié)而成的，具有多種功能的蛋白多肽[5]。TGF-β 家族主要包括 TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3三種亞型[6]，每種亞型的編碼基因都位于染色體的不同位置，分別位于19號染色體的長臂（19q13.1）、1號染色體的長臂（1q41）及 14號染色體的長臂（14q24）[7]。TGF-β家族還包括抗穆氏管荷爾蒙（Anti-Müllerian hormone，AMH）、生長差異因子、BMP及激活素 A、B、C 等[8，9]。成熟的 TGF-β分泌與多種分子相關(guān)，如蛋白酶，血纖維蛋白溶酶、基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMP）-2、MMP-9等，其他分子如血栓黏合素、視黃酸、成纖維細胞生長因子（FGF）-2以及活性氧等，此外，細胞外基質(zhì)的pH值變化也可影響TGF-β的活化[10]。

2.TGF-β的功能

TGF-β是一個龐大的家族，在人體內(nèi)具有分布廣泛、作用明顯等特點。人體內(nèi)絕大多數(shù)細胞可合成TGF-β，其合成機制大致為：在內(nèi)源性蛋白酶的作用下，含有400個氨基酸殘基的TGF-β祖先基因（per-pro-TGF-β）C端發(fā)生裂解，隨后N端的信號肽被裂解消失，與潛活相關(guān)肽（latent associate peptide，LAP）結(jié)合，形成的二聚體多肽鏈，這種多肽鏈不具備生物學(xué)活性，即非活性狀態(tài)的TGF-β（pro-TGF-β）。然后pro-TGF-β借助N端LAP與其他的pro-TGF-β蛋白結(jié)合，形成休眠復(fù)合體（LatentTGF-β binding protein，LTBP），儲存于血小板α顆粒中或分泌至胞外。pro-TGF-β N端的LAP在細胞內(nèi)離子濃度改變、pH降低或經(jīng)蛋白酶水解作用下被切除后，其C端部分形成具有活性的TGF-β，繼而發(fā)揮其生物學(xué)功能[11]。

TGF-β的生物學(xué)活性主要包括：調(diào)控細胞增殖[12]，促進成纖維細胞[13～15]和巨噬細胞聚集，促進損傷的組織修復(fù)[16]，誘導(dǎo)骨組織再生[17]，誘導(dǎo)細胞外基質(zhì)的合成[19～20]，胚胎發(fā)育[21]，免疫抑制，抗炎，抑癌以及趨化作用等。

二、成骨細胞

1.成骨細胞概述

成骨細胞來源于具有分化為成熟成骨細胞潛能的間充質(zhì)干細胞，其能夠合成、分泌組成骨基質(zhì)的糖蛋白和膠原，并通過鈣化基質(zhì)形成骨組織，是骨發(fā)生和骨形成的重要細胞。同時，在骨代謝疾病、生理機制調(diào)節(jié)和維持機體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定等方面，成骨細胞也發(fā)揮重要作用[22]。成骨細胞在骨形成過程中經(jīng)歷細胞增殖，細胞外基質(zhì)成熟、細胞外基質(zhì)礦化和成骨細胞凋亡四個階段，這幾個階段受到很多因素調(diào)節(jié)，從而最終調(diào)控骨的生成[23]。

2.成骨細胞在骨缺損修復(fù)中的作用

成骨細胞在骨缺損修復(fù)的過程中主要有兩個作用[24]：①骨形成：成骨細胞的主要功能是骨形成，可分為膜內(nèi)成骨和軟骨內(nèi)成骨兩個機制。膜內(nèi)成骨指由成骨細胞在結(jié)締組織預(yù)先留有的纖維層上沉積，并逐漸形成由Ⅰ型膠原蛋白組成的有機基質(zhì)，接著由磷酸鈣填充入基質(zhì)形成松質(zhì)骨。而軟骨內(nèi)成骨指先由透明軟骨形成未來骨的雛形，接著軟骨被血管侵入、分解，與此同時，成骨細胞在此沉積膠原基質(zhì)并釋放包含磷酸鈣的小囊泡調(diào)節(jié)基質(zhì)的礦化[25]，進一步形成骨。該機制是最常見的一種骨發(fā)生形式，能形成絕大部分骨。②調(diào)控破骨細胞生成：核因子-KB配體的受體激活劑（receptor activator ofnuclear factor-kappa B ligand，RANKL）是影響破骨細胞分化的主要細胞因子，骨保護素（osteoprotegerin，OPG）作為誘餌受體能控制RANKL激活破骨細胞的數(shù)量[26]。成骨細胞能產(chǎn)生巨噬細胞集落刺激因子（macrophagecolonystimulatingfactor， M-CSF），RANKL和OPG等因子，進而調(diào)控破骨細胞的形成。

三、破骨細胞

1.破骨細胞概述

破骨細胞是骨組織成分的一種，由造血干細胞在M-CSF、白細胞介素（interleukin，IL）等作用下逐漸發(fā)育、分化和融合形成的多核巨細胞[27]，與成骨細胞在功能上相對應(yīng)，二者協(xié)同，在骨缺損的修復(fù)過程中發(fā)揮重要作用。細胞直徑為20～100um，含有2～20個細胞核，胞漿富含線粒體、核糖體及高爾基體等細胞器，有偽足和突起等不規(guī)則形態(tài)[28，29]。破骨細胞主要分布在骨質(zhì)的表面和骨內(nèi)血管通道的周圍。其功能狀態(tài)可分為運動期和重吸收期，細胞在不同的分期可呈現(xiàn)不同的形態(tài)。運動期的細胞呈扁平的無極化細胞形態(tài)，重吸收期的細胞則呈圓頂狀并且伸出板狀偽足形態(tài)[22]。

2.破骨細胞在骨缺損修復(fù)中的作用

骨缺損的修復(fù)過程既有再生修復(fù)，又有清除破壞，本質(zhì)就是缺損處發(fā)生骨吸收、骨形成與骨重建。骨吸收主要是由破骨細胞來完成的，吸收的過程主要經(jīng)過下列步驟：破骨細胞附著于缺損處骨表面，接著細胞發(fā)生極性化，分泌物質(zhì)啟動破骨作用，啟動后的破骨細胞脫離骨表面，轉(zhuǎn)移到新的骨表面進行新的骨吸收，或破骨細胞死亡。當(dāng)破骨細胞脫離骨表明后，由成骨細胞進入骨面開始成骨作用。除了骨吸收，破骨細胞也有調(diào)節(jié)成骨細胞生成的作用。破骨細胞在骨重吸收時，能夠釋放調(diào)節(jié)成骨細胞骨形成的骨基質(zhì)衍生因子，包括TGF-β，胰島素樣生長因子（insulin like growth factor system，IGFs）Ⅰ和Ⅱ，以及BMPs等，在骨基質(zhì)沉積和作用于成骨細胞時，成骨細胞釋放這些因子來促進骨形成[30]。同時，破骨細胞能分泌鞘氨醇磷酸酯（sphingosine-1-phosphate，S1P），它與成骨細胞上的受體結(jié)合，促進成骨細胞的遷移和活性。

四、TGF-β對成骨細胞的作用

成骨細胞的增殖、分化及凋亡影響骨缺損的修復(fù)過程，是體內(nèi)骨組織生成及形成的主要功能細胞，該細胞受到多種細胞因子的調(diào)控，TGF-β是成骨細胞關(guān)系較為密切的生長因子之一。一方面，TGF-β不僅能通過對細胞分裂增殖的影響來調(diào)節(jié)成骨細胞的增殖和分化[31]，還可激活如細胞外信號相關(guān)激酶、J-N氨基末端激酶和絲裂原活化蛋白激酶-p38等誘導(dǎo)間充質(zhì)干細胞向成骨細胞分化和促進成骨細胞增殖、分化的細胞內(nèi)效應(yīng)物[32]。同時，還能對成骨細胞的誘導(dǎo)下合成包括各型膠原成分、骨連蛋白及骨橋蛋白纖連蛋白等細胞外基質(zhì)，并促進基質(zhì)礦化[33]。另一方面，成骨細胞的細胞膜上有TGF-β的各個亞型的特異性受體，TGF-β1可與成骨細胞的Ⅰ、Ⅱ型受體相結(jié)合[34]使I型受體轉(zhuǎn)化形成磷酸化的功能復(fù)合物，TGF-β3能與成骨細胞膜上的TGF-β3特異性受體結(jié)合并形成磷酸化功能復(fù)合物，均能促使R-Smad（Smad2/3）蛋白磷酸化后進入細胞核內(nèi)，并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子Runx-2等的合成來影響細胞轉(zhuǎn)錄水平來進行相應(yīng)的調(diào)控[35]。TGF-β2能結(jié)合于BMMSCs膜上的TpR I、TpR 11并形成復(fù)合物[34]，激活后的TpR I能通過Smad蛋白加快成骨細胞的形成。

Kassem等[36]將TGF-β1與人成骨細胞共培養(yǎng)，觀察該因子對人成骨細胞的影響。結(jié)果表明：TGF-β1既可促進成骨細胞增殖，又可誘導(dǎo)成骨細胞分化、成熟。國內(nèi)學(xué)者石義剛等研究同樣表明TGF-β可促進大鼠成骨細胞的增殖分化，同時還認為，TGF-β可能通過影響骨保護素（osteoporotegerin，OPG）而調(diào)節(jié)成、破骨細胞的增殖分化，使骨重建[37]。張冉等[38]研究表明TGF-β可促進 MC3T3-E1細胞中標志性蛋白 OPG、BMP-2、Runx2、BGPmRNA的表達。以上研究均表明TGF-β能促進成骨細胞的增殖分化。

然而TGF-β的劑量對成骨細胞的增殖和分化具有雙重調(diào)節(jié)作用。在其他條件相同的情況下，濃度較低的TGF-β能夠促進成骨細胞的增殖，而濃度較高的TGF-β使細胞的增殖受到抑制[37]。同樣，TGF-β對成骨細胞的分化在不同條件下所起得到的結(jié)果也是不同的，當(dāng)TGF-β濃度較高的時候，能夠促進成骨細胞的分化[39]，但是在較低濃度的時成骨細胞的分化則受到了抑制[40]。由于使用劑量的不同，所使用及產(chǎn)生的部位不同還有骨組織內(nèi)環(huán)境的不同，會導(dǎo)致TGF-β的調(diào)節(jié)作用不同。如何控制TGF-β的劑量使其發(fā)揮最大作用，是一個值得探討的問題。

五、TGF-β對破骨細胞的作用

破骨細胞在形成、增殖、分化過程中受多種細胞因子的影響[41]。研究表明，細胞因子RANKL和OPG在調(diào)控破骨細胞的激活及分化中起到重要作用，破骨細胞的功能受到RANKL和OPG含量比值的調(diào)控。RANKL屬于腫瘤壞死因子超家族，能與破骨細胞及破骨細胞的前體細胞表達的膜受體-RANK受體特異性結(jié)合，從而誘導(dǎo)前體細胞分化為破骨細胞，促使骨吸收的形成[42]。OPG可作為RANKL的誘導(dǎo)受體并與之相結(jié)合，導(dǎo)致其與RANK結(jié)合受阻，使前體細胞分化為破骨細胞的激活受阻并抑制破骨細胞的功能表達，從而影響破骨細胞的骨吸收功能[43]。TGF-β可抑制破骨細胞的分化及形成過程，從而抑制骨吸收。另外，TGF-β還可通過超氧化物的產(chǎn)生直接抑制成熟破骨細胞的活性。國外學(xué)者Quinn等[44]認為處于骨吸收中的破骨細胞能激活TGF-β，刺激成骨細胞下調(diào)RANKL的表達，同時增加OPG的表達，使RANKL/RANK復(fù)合體減少，導(dǎo)致破骨細胞的分化與活化降低。代光明等研究表明，下調(diào)骨細胞TGF-β/Smad4信號對RANKL的表達無明顯影響，但能促進OPG表達，從而抑制骨髓間充質(zhì)干細胞破骨分化[45]。然而，Asai K等研究表明，TGF-β可協(xié)同RANKL和M-CSF誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細胞分化成破骨細胞，同時增強與破骨細胞生成、發(fā)育和活性[46]。趙玉鳴等[47]研究同樣認為TGF-β能協(xié)同RANKL促進破骨細胞的分化，同時增強破骨細胞的骨吸收功能。關(guān)于TGF-β對破骨細胞的調(diào)節(jié)作用，目前的研究一直有爭議，因此TGF-β對破骨細胞的調(diào)節(jié)有待進一步研究。

六、總結(jié)與展望

TGF-β對成骨細胞及破骨細胞的作用關(guān)系十分復(fù)雜，在以往的研究中，有時會出現(xiàn)有一定爭議甚至相反的結(jié)果。由于TGF-β對成骨細胞，破骨細胞具有雙向作用：既能促進成骨、破骨細胞的增殖分化，在某些條件下，又會抑制成骨、破骨細胞的增殖分化。目前，TGF-β對成細胞及破骨細胞的作用研究還不夠深入，仍有許多問題尚需進一步研究，對闡明TGF-β的作用機制及以后TGF-β的臨床運用都意義重大。