BMP-2骨吸收作用的研究進展

代鵬展,劉 新

(吉林大學中日聯(lián)誼醫(yī)院 口腔科,吉林 長春130033)

骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)是TGFβ超級家族的成員，它們是骨骼器官形成發(fā)生和保持穩(wěn)態(tài)的多效調節(jié)劑。 其中尤以骨成形蛋白-2(BMP-2)最具活性， 它是唯一能夠獨立誘導成骨的因子，目前 BMP-2被廣泛用于臨床，該超家族成員與特異性受體相結合轉導信號至下游，其所轉導的信號在細胞的增殖、分化、凋亡，器官組織的發(fā)育、再生，內環(huán)境穩(wěn)態(tài)等過程中起著重要作[1，2]。目前，臨床的多個方面應用到了BMP-2，包括治療新鮮骨折斷端，治療骨缺損，在脊柱融合術中的使用等[3]。 在口腔 BMP-2可用于拔牙后牙槽骨的保留和骨再生，針對牙周組織、骨、牙釉質及牙齦再生的應用，促進種植體骨結合等。BMP-2雖然在誘導骨形成方面發(fā)揮著重要作用，但與之相對的其在骨吸收方面也起著相應作用。本文針對 BMP-2在骨重組的兩個過程，即骨組織形成和吸收中的作用與機制進行綜述。

1 BMP-2誘導骨形成的分子機制

BMP-2主要通過誘導未成熟的間質細胞向骨形成中心聚集，并促使其向骨系細胞分化而在骨形成的早期階段發(fā)揮作用。此外，其還可以通過調控成纖維細胞、骨髓基質細胞等細胞內一些特異性蛋白的分泌，促使其向骨系細胞逆轉分化，例如使成纖維細胞逆轉化為成骨細胞，使成肌細胞分化為軟骨細胞， 并加速基質的鈣化等[4]。 細胞表面分布有BMP受體(BMPR)，分為1型受體和2型受體，其經典的信號轉導系統(tǒng)是主要依賴Smad的信號轉導系統(tǒng)。細胞膜上的 BMPR2與 BMP-2相結合，進而磷酸化絲氨酸/蘇氨酸激酶受體，Smad通路被磷酸化的受體磷酸化，而磷酸化的 R- Smads與 Smad4結合形成異二聚體復合物，其轉運至細胞核內并結合至 DNA上， 使目標基因開始轉錄，從而誘導骨形成[5]。除此之外， BMP-2的信號傳導系統(tǒng)還存在不依賴 Smad的信號轉導系統(tǒng)，這些信號轉導系統(tǒng)都在 BMP-2誘導的骨組織形成中發(fā)揮著重要作用[6]。

2 BMP-2導致骨吸收的分子機制

2.1 BMP-2誘導破骨細胞的形成

BMP-2在骨改建的過程中發(fā)揮著雙向作用，除了促進骨形成外，其通過直接或間接的方式來調控破骨細胞的形成與功能，進而在骨吸收的過程中發(fā)揮著作用。

2.1.1直接作用 分化成熟的破骨細胞表面存在著BMP-2的受體，其可直接與BMP-2相結合，從而使破骨細胞激活，進而引起骨吸收[4]。 Mishina等[7]將BMP-2加入在體外培養(yǎng)的高純度破骨細胞中，發(fā)現 BMP-2加入的劑量越大、作用時間越長，破骨細胞所引起的骨吸收作用越強。而在培養(yǎng)基中加入BMP-2抑制劑Follistatin，可以抑制BMP-2的骨吸收作用。

2.1.2間接作用 BMP-2通過對破骨細胞形成的相關因子的調節(jié)來對破骨細胞前體產生間接作用，使其分化為破骨細胞，而這些相關因子包括核因子κ B受體活化因子配體 RANKL和巨噬細胞集落刺激因子 M- CSF等[4]。破骨細胞前體表面的唯一受體RANK與RANKL相結合，從而將信號轉導至細胞內，導致破骨細胞前體分化為破骨細胞[4]。陳建明[8]的研究發(fā)現:rhBMP-2有可能先作用于牙周膜成纖維細胞 HPDLFs，使其轉化為成骨樣細胞，促使其分泌如 RANKL等活性因子，間接促使破骨樣細胞形成，而不是直接對單個核細胞產生作用。

BMP-2誘發(fā)骨吸收可以通過調節(jié)炎癥因子來起作用。 動物實驗表明，BMP-2的大量給予可引起機體內各種相關因子濃度的大量增加，包括： TNF-α、IL-1a和單核細胞趨化蛋白1等。 這些跡象表明過量的BMP2可引起體內抗炎因子和炎癥因子失衡，使其向炎癥發(fā)展[9]。其中由 BMP2引起的TNF-α在骨組織吸收方面扮演重要角色，研究表明，它可以通過直接刺激使破骨細胞前體增殖，使破骨祖細胞分化，并且可增加破骨細胞的骨組織吸收能力[10，11]。此外，TNF-α通過間接參與產生破骨細胞分化所必需的細胞因子來促使破骨祖細胞的增殖。TNF-α導致骨吸收的直接原因是其一方面促進著骨組織吸收，另一方面又抑制著骨組織的形成，從而最終導致骨組織的減少[12，13]。

2.2 BMP-2以細胞依賴性方式調節(jié)成骨細胞系細胞凋亡

BMP-2除了誘導破骨細胞形成以引起骨組織吸收以外，Sharon L. Hyzy[14]等人的研究表明：BMP-2以細胞依賴性方式調節(jié)成骨細胞系細胞凋亡。已知BMP以劑量依賴的方式調節(jié)干細胞轉化為軟骨細胞，成骨細胞和脂肪細胞[15]。 此外，一些研究表明，BMP信號轉導對于維持干細胞的生態(tài)位和MSC的存活也是必需的[16，17]。 該證據表明，與Sharon L.Hyzy[14]等人的研究結果一致，BMPs影響MSCs的維持和分化，但不影響細胞凋亡。 雖然其誘導凋亡作用在人間充質干細胞( MSC)中作用不大，但 BMP-2處理的不成熟的成骨細胞樣 MG63細胞的凋亡適中， 而 BMP-2處理的成熟的正常人成骨細胞 NHOst細胞的凋亡則顯著增加。 Noggin是BMP信號的強大抑制劑，沉默Noggin的MG63(shNOG-MG63)中的凋亡明顯高于MG63細胞。 這些結果表明，BMP2的凋亡作用取決于細胞的成熟狀態(tài)，并受Noggin調節(jié)。

體內BMP-2具有誘導間充質來源的細胞增殖，分化或凋亡。 BMP在向下游信號傳遞時可以二聚為同二聚體或異二聚體[18]，BMP異二聚體對II型BMP受體的親和力高于同二聚體。同型二聚體BMP-2或BMP-4和I型受體之間存在高親和力[19]。而BMPR1b屬于Ⅰ型受體，在BMP-2引起細胞凋亡的過程中是必須的[20]，因此Sharon L.Hyzy[14]等人假設： BMPs可能主要在體內作為異二聚體起作用，激活導致骨維持的特異性信號傳導。 外源 BMP-2的遞送可能導致高水平的同型二聚體，該同型二聚體以高親和力與 BMPR1 b結合， 從而引起細胞凋亡和骨吸收的信號傳導，因為成年骨骼中 Noggin含量低[21]，抑制劑不能調節(jié)該信號傳導，可以解釋 BMP-2的使用所產生的不利影響。 數據表明，在干細胞中，BMP-2更多地充當分化因子，而在終末分化細胞中，BMP-2誘導凋亡。 在BMP-2給藥引起骨吸收的臨床病例中，MSCs的成骨誘導作用可能不如成熟成骨細胞誘導的凋亡強，從而導致骨溶解。

3 降低BMP-2骨吸收作用的分子機制

3.1 抗氧化物降低BMP-2骨組織吸收作用的機制

在人體內，黃酮可作為抗氧化劑，抗增殖劑，抗炎劑和抗微生物劑。 黃酮是一種強抗氧化劑，在平衡人體中的前氧化劑(在我們的自然環(huán)境中也被稱為“自由基”)中極為重要。 在食用類黃酮中，其中最重要的是花青素(中值食用： 13.7毫克/天)，具有保護骨骼的作用[22]。 Hubert P.等回顧了有關多酚對骨骼健康影響的研究， 并得出結論，漿果攝入量高與骨骼質量高呈正相關[23]。長岡正弘[24]等對富含花青素的馬基漿果提取物( MBE)進行了研究， 其在體內體外均表現出對骨代謝的有益效果。 MBE通過上調骨形態(tài)發(fā)生蛋白2( Bmp-2)，矮子相關轉錄因子2( Runx2)， osterix( Osx)刺激礦物質結節(jié)形成并增強堿性磷酸酶活性， 從而刺激 MC3 T3- E1細胞的成骨細胞分化。 免疫染色和免疫沉淀分析表明， MBE通過充當 MC3 T3- E1細胞中的超氧陰離子/過亞硝酸鹽清除劑而抑制了 NF-κ B的轉核。同時，MBE抑制了原發(fā)性骨髓巨噬細胞中的破骨細胞生成和牙本質切片上成熟的破骨細胞的凹陷形成。 該研究證明MBE不僅可以抑制骨吸收，還可以刺激骨形成，因此可以成為預防骨質減少條件下骨丟失的有前途的天然藥物。此外，長岡正弘[25]等研究發(fā)現花青素 b環(huán) o-甲基化衍生物之一的矮牽牛苷苷元具有抑制小鼠巨噬細胞 RAW264.7細胞破壞骨組織作用，刺激小鼠成骨前細胞 MC3 T3- E1細胞礦化基質的形成和基質降解酶的下調。 通過口服矮牽牛苷增加類骨質形成改善sRankl誘導的小鼠骨質減少，加速成骨細胞形成，伴隨抑制骨吸收。 中國[26]和日本[27]分別建議每天攝入花青素有益于人類的骨骼健康。

已知綠原酸的異構體具有抗氧化和抗炎特性，并且具有改變細胞信號傳導途徑的能力，包括那些涉及激酶JNK，p38和ERK的途徑[28，29]。Jennifer L.Graef等[30]發(fā)現干李干中的多酚提取物的餾分，尤其是DP-FrA和DP-FrB在水中具有最大溶解度并且在增強小鼠原代骨髓成骨細胞的ALP活性和礦化結節(jié)形成方面具有最高的生物活性，而在這些餾分中都檢測到了新綠原酸和隱綠原酸。在其研究中，多酚餾分在正常條件下上調了原代骨髓來源的成骨細胞中成骨細胞分化的主要調控因子Runx2的表達，從而來增強源自MC3T3-E1細胞的成骨細胞的活性。除此之外，干燥的李子多酚的粗乙醇提取物可以減輕由TNF-α導致的成骨細胞活性和功能的下降[31]。由于這些餾分的組成可能不僅僅是新綠原酸和隱綠原酸，推斷此處報道的成骨活性是由這些化合物產生的，還為時過早[30]。必須進一步表征DP-FrA和DP-FrB的組件。不過每日進食一定量的干李子可能對減輕BMP-2導致的骨骼吸收有治療作用。

3.2 MSC-AS1降低BMP-2骨吸收作用機制

微小 RNA( miRNA)是一些約22個核苷酸的小型非編碼的 RNA，它們能夠通過與靶 mRNA互補堿基配對來調節(jié)基因表達并參與多種生物學過程[32]。 研究發(fā)現microRNA-140-5p可以抑制成骨細胞的分化[33]。 NaidongZhang[34]等發(fā)現BMP-2是microRNA-140-5p的直接靶標。 MSC-AS1可以直接與microRNA-140-5p結合，從而調節(jié)BMSCs中BMP2的表達。MSC-AS1利用microRNA-140-5p調節(jié)BMP2 / Smad信號轉導通路，以此調控BMSC的成骨分化，為骨質疏松癥提供了潛在的治療靶點。

3.3 微量元素鋅降低BMP-2骨組織吸收作用的機制

鋅對于人體中許多生化途徑必不可少，并且已知會顯著影響骨骼。鋅具有抑制破骨細胞分化并促進成骨細胞礦化的作用，并且確實在破骨細胞和成骨細胞前體中充當有效的NF-κB活化拮抗劑，除此之外，鋅可拮抗TNF-α驅動的NF-κB活化而導致的骨吸收過程[35]。因此，鋅的合理使用也為治療BMP-2引起的骨吸收提供一項可能的方案。

4 結語

BMP-2的發(fā)現和應用為骨移植市場帶來了巨大的革新，盡管其具有明顯的誘導骨形成作用，但相應的副作用也不容忽視，隨著BMP-2應用的增多，開始總結其臨床并發(fā)癥，研究其機制，以加深對BMP-2的認識。本文總結了一些BMP-2導致骨吸收作用機制并提供一些可能降低骨吸收作用的機制，但BMP-2是否存在其他誘導骨吸收機制，是否存在合理預防骨吸收的方案仍然需要進一步探究。