MicroRNA-26a對(duì)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化機(jī)制在修復(fù)骨缺損研究進(jìn)展

馮映棟 魏波 孫永建

摘要：人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞是人體成骨分化的主要骨母干細(xì)胞來(lái)源，主導(dǎo)人的骨與軟骨的再生與重建。近年在研究影響的影響因素上，microRNAs被報(bào)道其相關(guān)家族在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的分化過(guò)程中起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)控制作用，其中miRNA-26a在促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化中起著關(guān)鍵作用。microRNA-26a通過(guò)影響Smad1、GSK3β、BMP、Id1信號(hào)通路增強(qiáng)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化作用，從而促進(jìn)骨質(zhì)生成。本綜述將闡述microRNAs家族作用于成骨分化的發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步詳細(xì)闡述microRNA-26a對(duì)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的作用機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn)和目前miRNA-26a轉(zhuǎn)染骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞對(duì)修復(fù)骨缺損的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：microRNA-26a;人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞;成骨分化;骨缺損

中圖分類號(hào)：R683? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2019.06.015

文章編號(hào)：1006-1959（2019）06-0041-04

Abstract：Human bone marrow mesenchymal stem cells are the main source of osteoblasts for human osteogenic differentiation， leading to the regeneration and reconstruction of bone and cartilage.In recent years， influencing the influencing factors of microRNAs， microRNAs have been reported to play a key regulatory role in the differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells. miRNA-26a plays an important role in promoting osteogenic differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells.microRNA-26a enhances osteogenic differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells by affecting Smad1， GSK3β， BMP， and Id1 signaling pathways.This review will describe the discovery of microRNAs family acting on osteogenic differentiation，the research on the mechanism of microRNA-26a on human bone marrow mesenchymal stem cells was further elaborated and the research progress of miRNA-26a transfected bone marrow mesenchymal stem cells on repairing bone defects.

Key words：microRNA-26a;Human bone marrow mesenchymal stem cells;Osteogenic differentiation;Bone defect

骨缺損（bone defect）是指骨的完整性受到破壞，病因常見(jiàn)于創(chuàng)傷、感染、腫瘤、骨髓炎手術(shù)清創(chuàng)、以及各種先天性疾病。骨缺損的形成使得肢體正常生物力學(xué)結(jié)構(gòu)喪失，對(duì)患肢的正常生理功能構(gòu)成障礙。骨折斷端骨質(zhì)的大規(guī)模缺損，導(dǎo)致骨折斷端不能正常愈合，稱為骨缺損性骨不連。骨不連是骨科難題的同時(shí)也影響著患者的生活質(zhì)量。目前治療骨缺損主要方式有：①骨移植技術(shù)：通過(guò)在骨缺損部位移植異體骨、或自體骨的手術(shù)治療方式，促進(jìn)骨質(zhì)的生長(zhǎng)，但存在異體免疫排斥、感染、對(duì)自身取骨區(qū)造成骨質(zhì)破壞等缺點(diǎn)。②骨搬運(yùn)技術(shù)：利用Ilizarov外固定支架，基于基本原理是張力-應(yīng)力法則（law of tension stress，LTS），即活的生物組織在持續(xù)、穩(wěn)定、緩慢牽拉下能刺激細(xì)胞分裂，組織再生和活躍生長(zhǎng)[1]。還有髓內(nèi)釘技術(shù)、鋼板內(nèi)固定技術(shù)等，以上技術(shù)都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，未能對(duì)治療骨不連得出比較確切的治療方式。人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（hBMSCs）是屬于多能干細(xì)胞，在骨科領(lǐng)域，microRNAs主要應(yīng)用于體外誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化實(shí)驗(yàn)，例如：間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）外含小體在動(dòng)物軟骨缺損區(qū)域具有顯著的調(diào)節(jié)促進(jìn)軟骨再生作用[2]。在用生物功能支架結(jié)合轉(zhuǎn)染促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞的miRNAs成骨誘導(dǎo)研究中，Deng Y等發(fā)現(xiàn)[3]，當(dāng)miRNA-31的過(guò)表達(dá)時(shí)，能夠有效抑制成骨因子（Satb2、Osx和Ocn）。反之，當(dāng)miRNA-31敲除表達(dá)后，脂肪干細(xì)胞的骨誘導(dǎo)分化將會(huì)大大的增強(qiáng)，使含抑制miRNA-31的ASCs材料用于骨誘導(dǎo)再生形成和修復(fù)骨缺損在治療上是存在可行性的，開(kāi)辟了治療骨缺損基因?qū)用娴男轮委煼绞?。近年相關(guān)研究表明[4，5]，miRNAs調(diào)控骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化，其中miRNA-26a對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化起正向調(diào)控作用。但是，人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化與microRNA-26a之間的分子信號(hào)通路機(jī)制目前研究尚未明確，microRNA-26a對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化機(jī)制的進(jìn)一步研究，對(duì)修復(fù)骨缺損的基因治療層面上具有重要意義。本文綜述microRNAs家族作用于成骨分化的發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步詳細(xì)闡述microRNA-26a對(duì)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的作用機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn)和目前miRNA-26a轉(zhuǎn)染骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞對(duì)修復(fù)骨缺損的研究進(jìn)展。

1 microRNAs在生物體內(nèi)生理意義

microRNAs是一類非編碼小RNA，在生物體內(nèi)DNA轉(zhuǎn)錄后水平的基因調(diào)控中起重要作用。對(duì)生物體內(nèi)的組織再生、干細(xì)胞性能分化上具有重要調(diào)控作用，可以激發(fā)細(xì)胞內(nèi)修復(fù)機(jī)制或通過(guò)引導(dǎo)細(xì)胞分化導(dǎo)向作用，來(lái)達(dá)到目標(biāo)蛋白的表達(dá)，所以microRNAs作用于組織定向分化再生的治療方法有可能實(shí)現(xiàn)[4]。microRNAs普遍存在于生物體內(nèi)各個(gè)角落，對(duì)不同的組織分化均有不同的調(diào)控作用。近年關(guān)于microRNAs對(duì)于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化研究表明，不同的miRNAs在誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化的信號(hào)通路機(jī)制是不同的。例如，microRNA-26a通過(guò)靶向抑制TOB1蛋白的表達(dá)，來(lái)促進(jìn)骨髓間充干細(xì)胞的成骨分化作用[5]、microRNA-29b通過(guò)下調(diào)成骨分化抑制劑，HDAC4，TDFb3，ACVR2A等促進(jìn)小鼠前成骨細(xì)胞MC3T3-E1細(xì)胞中的成骨分化[6]、microRNA-2861、microRNA-3960分別靶向Hoxa2和HDAC，進(jìn)一步增加了Runx2促進(jìn)成骨分化的表達(dá)[7]。上述部分microRNAs中在生物體內(nèi)通過(guò)不同的作用方式促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化的過(guò)程。相反，microRNA-204、microRNA-211、microRNA-133、microRNA-135、microRNA-125b、microRNA-206分別通過(guò)下調(diào)RUX2、BMP-2的表達(dá)抑制堿性磷酸酶（ALP）和骨鈣素（OCN）的生成，來(lái)抑制成骨細(xì)胞的分化以及骨的再生[8]。在microRNAs調(diào)控體內(nèi)干細(xì)胞的成骨分化實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)支持下，使microRNAs在成骨分化過(guò)程中擔(dān)任著重要角色。

2 microRNA-26a的體內(nèi)調(diào)控作用

microRNA-26a作為microRNAs家族中的一員，其在誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化作用的重要性，得到越來(lái)越多的研究者的論證支持，逐漸成為誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化研究上的熱點(diǎn)對(duì)象之一。在篩選具備成骨分化作用的microRNA的比較中，例如：microRNA-26a，microRNA-29b，microRNA-2861，microRNA-27，microRNA-29a，microRNA-218[5，6，10-12]均具有促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化的作用。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在OVX組（卵巢切除術(shù)小鼠組）中microRNA-26a表達(dá)顯著降低（P<0.01），證明microRNA-26a在骨質(zhì)疏松模型中具有增強(qiáng)成骨分化的作用，并且microRNA-26a被確認(rèn)為靶點(diǎn)microRNA[5]。在后續(xù)的研究中，證實(shí)microRNA-26a通過(guò)下調(diào)SMAD1蛋白的表達(dá)，來(lái)促進(jìn)hADSCs的成骨分化作用的分子機(jī)制[12]。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，得出microRNA-26a與menin在SMAD1的microRNA調(diào)節(jié)中的相互作用，進(jìn)一步作用于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞早期成骨分化的調(diào)節(jié)[13]。在骨周圍的軟組織調(diào)節(jié)角色上，microRNA-26a能通過(guò)直接調(diào)節(jié)TGF-b信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，對(duì)血管平滑?。⊿MC）的增殖、遷移、凋亡進(jìn)行調(diào)控，對(duì)受損的血管修復(fù)的過(guò)程發(fā)揮癥重要的調(diào)節(jié)作用[14]。在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，microRNA-26a可通過(guò)抑制內(nèi)皮SMAD1的表達(dá)，并通過(guò)BMP/SMAD1/Id1信號(hào)通路調(diào)節(jié)血管的生成作用[15]。為此可以證實(shí)，miRNA-26a在調(diào)節(jié)機(jī)體內(nèi)人脂肪干細(xì)胞成骨、平滑肌、血管調(diào)控分化中起到關(guān)鍵調(diào)控開(kāi)關(guān)作用，同時(shí)microRNA-26a對(duì)血管、平滑肌細(xì)胞誘導(dǎo)分化均為骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化形成骨基質(zhì)奠定重要前提條件。從上述研究中可以得出，microRNA-26a在誘導(dǎo)干細(xì)胞成骨分化的最終目的上，并非單一促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化，會(huì)同時(shí)在體內(nèi)兼顧完善骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化成骨的前提形成條件，構(gòu)建局部整體適合干細(xì)胞成骨分化的微環(huán)境體系。

3 microRNA-26a在人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化的分子機(jī)制

microRNA-26a是已確定為骨形成調(diào)節(jié)劑的幾種microRNAs之中重要的一種，microRNA-26a通過(guò)抑制Smad1和GSK3β蛋白的表達(dá)來(lái)增強(qiáng)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化作用[16]。在對(duì)microRNA-26a對(duì)GSK3β蛋白的分子機(jī)制研究上發(fā)現(xiàn)，microRNA-26a通過(guò)直接結(jié)合mRNA的3'UTR而干擾GSK3β，通過(guò)抑制GSK3β蛋白的表達(dá)來(lái)增強(qiáng)hADSCs中的成骨細(xì)胞活性[17]。在RANKL介導(dǎo)的破骨細(xì)胞形成中，microRNA-26a通過(guò)抑制CTGF在破骨細(xì)胞形成中起負(fù)調(diào)節(jié)劑作用，抑制破骨細(xì)胞的生成[18]。上述實(shí)驗(yàn)還顯示，GSK3β通過(guò)調(diào)節(jié)β-連環(huán)蛋白影響Wnt信號(hào)傳導(dǎo)途徑，隨后改變下游靶C/EBPα的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)C/EBPα通過(guò)與CTDSPL啟動(dòng)子區(qū)域物理結(jié)合而轉(zhuǎn)錄激活microRNA-26a的表達(dá)（圖1）[17]。

MicroRNA-26a對(duì)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞正向成骨分化的促進(jìn)作用，得到后續(xù)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)上的論證支持。 對(duì)于microRNA-26a在目前可能性的信號(hào)通路，例如Smad1、GSK3β、BMP、Id1信號(hào)通路，具體microRNA-26a是通過(guò)哪一種信號(hào)機(jī)制作為主導(dǎo)控制作用，還是多種信號(hào)通路共同協(xié)同作用控制骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化過(guò)程，有待進(jìn)一步探討。對(duì)microRNAs與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨誘導(dǎo)分化的信號(hào)通路的闡述明確，有助于研制能夠強(qiáng)化microRNAs促進(jìn)干細(xì)胞正向成骨分化的激活因子，有助于促進(jìn)干細(xì)胞的成骨分化，為解決目前臨床上骨缺損治療方案提供一種可行有效的治療方案。

4骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞轉(zhuǎn)染microRNA-26a生物支架在修復(fù)骨缺損的研究現(xiàn)狀

骨缺損是由于創(chuàng)傷、腫瘤、感染等多種病因所致的骨質(zhì)缺失，使正常骨的完整性與連續(xù)性受破壞，影響骨骼的正常生理、物理功能，導(dǎo)致患肢骨折斷端長(zhǎng)期不愈合、不能正?；顒?dòng)負(fù)重，占據(jù)了高醫(yī)療費(fèi)用、并嚴(yán)重影響患者的社會(huì)、生理功能。為了能夠有效解決臨床骨缺損這一難題，以目前主流骨移植技術(shù)、骨搬運(yùn)技術(shù)都未能較好的解決這一問(wèn)題，而microRNA-26a轉(zhuǎn)染骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）促進(jìn)成骨分化的研究出現(xiàn)，為未來(lái)解決骨缺損的難題，開(kāi)辟了廣闊可行的前景大道。以接近人骨鈣磷比例構(gòu)建羥基磷灰石（HA）生物支架，在支架上附著予microRNA-26a轉(zhuǎn)染完畢的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞植入小鼠骨缺損模型中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明[19]，microRNA-26a可顯著提高骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化能力，并在體外未見(jiàn)明顯的細(xì)胞毒性，因此microRNA-26a轉(zhuǎn)染的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞與HA支架的組合可顯著改善新骨的分化形成，可作為修復(fù)骨缺損的骨替代物。而在以明膠構(gòu)建的生物功能支架與磷灰石包被的聚乳酸羥基乙酸（PLGA）功能支架比較上，明膠構(gòu)建的生物功能支架對(duì)表達(dá)BMP2的ASCs能使體內(nèi)有效的軟骨形成并完成臨界尺寸的小鼠顱骨骨缺損的骨愈合，而在磷灰石包被的PLGA功能支架與表達(dá)BMP2的ASCs構(gòu)建體，小鼠骨缺損骨性愈合程度顯著弱于前者[20]。通過(guò)計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)篩選與血管生成相關(guān)的microRNA-21，microRNA-29b，microRNA-26a在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖表達(dá)檢測(cè)表明，microRNA-26a在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中的表達(dá)水平是其余兩者的6倍，使得血管生成因子Vegf分泌增加，對(duì)血管生成具有明顯的促進(jìn)作用[21]。而microRNA-26A轉(zhuǎn)染的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在水凝膠和化學(xué)修飾構(gòu)成的系統(tǒng)中，表現(xiàn)出顯著的血管生成和骨形成效應(yīng)[21]。以上的實(shí)驗(yàn)引發(fā)一個(gè)值得思考的問(wèn)題：在microRNA-26a轉(zhuǎn)染的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的體系基于何種生物材料的功能支架，才能使得該構(gòu)建體系擁有最大成骨療效。研究表明，以具備桿狀病毒凝膠包裹的PLGA支架較普通支架對(duì)轉(zhuǎn)染目標(biāo)microRNA至骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞內(nèi)表達(dá)效率高達(dá)于常規(guī)無(wú)病毒載體的普通支架，同時(shí)表明通過(guò)桿狀病毒介導(dǎo)的microRNA-26a、microRNA-29b、microRNA-148b、microRNA-196a的表達(dá)具有促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化的作用[22]。在非病毒介導(dǎo)合成的HP聚合物構(gòu)建“雙殼”凝膠結(jié)構(gòu)的microRNA-26a功能PLLA支架，避免了病毒介導(dǎo)所帶來(lái)的免疫應(yīng)答反應(yīng)，能夠分步傳送目標(biāo)microRNA至骨髓干細(xì)胞內(nèi)，有效提高microRNA-26a的轉(zhuǎn)染率和在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)microRNA-26a的成骨作用是通過(guò)功能靶向Gsk-3b來(lái)增加Ob的活性而不是抑制破骨細(xì)胞的活性，刺激骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化[23]。在上述的實(shí)驗(yàn)中，microRNA-26a在不同的生物功能支架上，都表明對(duì)轉(zhuǎn)染的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化作用具有促進(jìn)作用。而在于比較哪種類型的生物功能支架更加適應(yīng)microRNA-26a在體內(nèi)持續(xù)高效轉(zhuǎn)染并表達(dá)其生物功能作用，目前需要進(jìn)一步的研究與探討。

5總結(jié)與展望

本文概述了目前治療骨缺損的現(xiàn)狀和目前治療方式上的優(yōu)缺點(diǎn)。近年microRNAs家族的生理意義研究發(fā)現(xiàn)，microRNA-26a可通過(guò)Smad1、GSK3β、BMP、Id1信號(hào)通路或其他未明確的信號(hào)通路，對(duì)骨骼肌周圍血管的再生和骨髓干細(xì)胞的成骨分化起到正向調(diào)控作用。這一發(fā)現(xiàn)，讓microRNAs應(yīng)用于治療骨缺損的臨床治療上奠定了理論基礎(chǔ)。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究表明microRNA-26a轉(zhuǎn)染骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞生物功能支架的類型及在小鼠顱骨骨缺損模型中的成骨分化上的研究：不同的生物功能支架，其負(fù)載的microRNA-26a對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的轉(zhuǎn)染率與促進(jìn)成骨分化的效率程度均存在對(duì)小鼠骨缺損節(jié)段具有存進(jìn)成骨分化作用。microRNA-26a對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化促進(jìn)作用，為解決目前骨缺損狀況提供了一個(gè)可以探索的途徑，但microRNA-26a能否與其他microRNAs家族成員相互協(xié)同調(diào)控Smad1、GSK3β、BMP、Id1信號(hào)通路或其他為明確的信號(hào)通路調(diào)控骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化作用暫未有科學(xué)的結(jié)論。另外，microRNA-26a轉(zhuǎn)染骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞生物功能支架促進(jìn)成骨分化修復(fù)骨缺損的結(jié)論是通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)的，尚未有相關(guān)microRNAs轉(zhuǎn)染骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞生物功能支架應(yīng)用于臨床人體中，microRNAs-骨髓干細(xì)胞生物支架是否對(duì)人體具有特異性及副作用仍然未知。因此，microRNA-26a轉(zhuǎn)染骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞生物功能支架促進(jìn)成骨分化修復(fù)骨缺損的靶向治療方式仍需更多的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)一步探索。

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收稿日期：2018-12-19;修回日期：2019-1-5

編輯/楊倩