BMP在BMSC成骨、軟骨分化中作用及機(jī)制的研究進(jìn)展

車家駒，金旭紅，戴濤中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院附屬?？卺t(yī)院，海口570000

隨著骨組織工程的快速發(fā)展，骨缺損修復(fù)等問題受到人們廣泛關(guān)注。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSC)作為多功能干細(xì)胞可克服軟骨損傷和骨缺損等問題，且其來(lái)源廣泛，具有強(qiáng)大的分化能力，在適當(dāng)?shù)纳L(zhǎng)因子作用下能夠分化成軟骨和骨等[1,2]。目前已發(fā)現(xiàn)骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)、血小板衍生生長(zhǎng)因子、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(TGF-β)、骨衍生生長(zhǎng)因子等多種因子能夠促進(jìn)BMSC分化以及骨的生長(zhǎng)，其中BMP在促進(jìn)BMSC分化及骨生長(zhǎng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用[3,4]。本文就BMP在BMSC成骨、軟骨分化中的作用及其部分機(jī)制做簡(jiǎn)要概述。

1 BMP在BMSC成骨、軟骨分化中的作用

自1988年首次克隆出重組BMP-2并發(fā)現(xiàn)BMP-2具有誘導(dǎo)軟骨與骨形成的作用，BMP超家族開始逐步受到廣泛關(guān)注[5]。BMP是骨髓中的一種具有強(qiáng)大誘導(dǎo)常位或異位成骨的酸性糖蛋白，富含谷氨酸，主要由2個(gè)單體形式通過二硫鍵結(jié)合形成二聚體。除BMP-1外，BMP屬于TGF-β基因超家族的成員，是骨生長(zhǎng)的重要啟動(dòng)因子。研究發(fā)現(xiàn)，BMP的異二聚體和同二聚體能夠與有成骨潛能以及未分化的MSC表面受體相互作用，從而促進(jìn)MSC分化、聚集成軟骨與骨，最終形成骨髓[6]。這表明，BMP通過其分子的抗原決定簇與MSC表面受體結(jié)合形成復(fù)合物發(fā)揮生物學(xué)功能，進(jìn)而影響下游信號(hào)通路。不是所有BMP都具有骨誘導(dǎo)潛能。目前研究發(fā)現(xiàn)，BMP-2、3、4、5、6、7、9具有促進(jìn)成骨的能力[7]。也有研究發(fā)現(xiàn)，通過BMP誘導(dǎo)BMSC后，BMSC中堿性磷酸酶顯著表達(dá)，且隨著誘導(dǎo)時(shí)間延長(zhǎng)，堿性磷酸酶表達(dá)量逐漸增加，BMSC逐步分化成軟骨細(xì)胞[8]。

BMP在促進(jìn)BMSC成骨及軟骨分化中發(fā)揮出重要的調(diào)控作用。Ruan等[9]探討了慢病毒介導(dǎo)的BMP-2在BMSC和富含血小板的血漿(PRP)中的聯(lián)合作用對(duì)兔膝關(guān)節(jié)軟骨缺損模型的軟骨和骨愈合的影響，發(fā)現(xiàn)慢病毒介導(dǎo)的BMP-2和PRP可顯著提高BMSC的細(xì)胞活力，并促進(jìn)其成軟骨分化。有研究表明，低氧誘導(dǎo)因子1α(HIF-1α)在軟骨分化過程中發(fā)揮重要的生物學(xué)效應(yīng)，尤其可促進(jìn)BMP2誘導(dǎo)的MSC向軟骨分化以及軟骨內(nèi)成骨，保持軟骨表型。研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1α可顯著促進(jìn)BMP-2誘導(dǎo)的BMSC中SOX9的表達(dá)以及軟骨分化，并抑制Runx的表達(dá)[10]。Ude等[11]用兩種不同培養(yǎng)基誘導(dǎo)BMSC和脂肪源干細(xì)胞(ADSC)向軟骨分化的影響，發(fā)現(xiàn)與單純的TGF-β3刺激相比，10 ng/mL的TGF-β3聯(lián)合10 ng/mL的BMP-6能顯著增強(qiáng)BMSC和ADSC中軟骨標(biāo)記物如膠原Ⅸ、膠原Ⅱ以及纖維調(diào)節(jié)蛋白等的表達(dá)。這表明2種生物因子具有誘導(dǎo)BMSC和ADSCs向軟骨分化的潛能。Yuan等[12]研究發(fā)現(xiàn)BMP-4、7比BMP4更能誘導(dǎo)BMSC向軟骨和骨分化。Peng等[13]建立兔軟骨缺損模型，探究胰島素樣生長(zhǎng)因子1(IGF-1)和BMP-7對(duì)BMSC分化影響，發(fā)現(xiàn)IGF-1、BMP-7和IGF-1+BMP-7處理的BMSC組織學(xué)評(píng)分和Ⅰ型膠原表達(dá)降低，而Ⅱ型膠原表達(dá)升高，修復(fù)效果較好，尤其是IGF-1+BMP-7處理效果更好。證明IGF-1和BMP-7在兔膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)軟骨損傷修復(fù)中對(duì)BMSC軟骨分化的協(xié)同作用，突出了其治療關(guān)節(jié)軟骨損傷的潛力。Kartogenin(KGN)是一種小分子化合物，Zhou等[14]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，KGN能夠誘導(dǎo)內(nèi)源MSC選擇性分化為軟骨細(xì)胞，促進(jìn)界面軟骨再生，其機(jī)制可能是通過激活BMP-7/Smad5通路來(lái)發(fā)揮作用。綜上，BMP具有誘導(dǎo)BMSC成骨及軟骨分化的潛能。

2 BMP在BMSC成骨、軟骨分化中的作用機(jī)制

2.1 與Ⅰ、Ⅱ型跨膜細(xì)胞表面受體結(jié)合 BMP在促進(jìn)成骨及軟骨分化中發(fā)揮關(guān)鍵作用，其機(jī)制可能是BMP與Ⅰ、Ⅱ型跨膜細(xì)胞表面受體結(jié)合后，Ⅰ型受體的同源二聚體和Ⅱ型受體的同源二聚體形成復(fù)合物，Ⅰ型受體中甘氨酸/絲氨酸會(huì)出現(xiàn)富集，進(jìn)而進(jìn)行轉(zhuǎn)化磷酸化，導(dǎo)致下游Smad或絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號(hào)通路活化，最終引起軟骨分化的靶基因轉(zhuǎn)錄[15]。BMPⅠ型受體主要有ⅠA型(ALK3)、ⅠB型(ALK6)、絲氨酸/蘇氨酸激酶受體R3及Ⅰactivin型(AcvR1/ALK2)，BMP主要通過這些受體發(fā)揮信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用。有研究指出，AcvR1發(fā)生突變后會(huì)引起人進(jìn)行性肌肉骨化癥，其機(jī)制可能是由于AcvR1活化后與Smad1、5作用誘導(dǎo)骨細(xì)胞的移位生長(zhǎng)有關(guān)。在成骨細(xì)胞中，敲除ALK3可阻斷BMP信號(hào)傳導(dǎo)，導(dǎo)致骨量下降。有研究表明，BMP的三種Ⅰ型受體在軟骨分化及成骨過程中具有一定的類似或重復(fù)功能，如ALK6、ALK3在骨骼生長(zhǎng)和軟骨聚集中特性較為相似，三種受體活化后，均能顯著促進(jìn)軟骨生長(zhǎng)，然而敲除其中一種受體時(shí)，骨骼生長(zhǎng)僅有輕微的變化；當(dāng)敲除其中2個(gè)Ⅰ型BMP受體時(shí)，軟骨發(fā)育嚴(yán)重不良[16]。

BMPⅡ型受體主要有AcvR2A、AcvR2B及BMPRⅡ，其中發(fā)揮最主要作用的是BMPRⅡ受體。然而，當(dāng)機(jī)體敲除BMPRⅡ受體時(shí)，機(jī)體未出現(xiàn)發(fā)育異?，F(xiàn)象[17]。Goh等[18]研究表明，AcvR2A或AcvR2B被敲除后，小梁骨量出現(xiàn)持續(xù)增加，分析原因可能是AcvR2A或AcvR2B在成骨過程中發(fā)揮負(fù)性調(diào)控作用，且Ⅱ型受體的表達(dá)水平對(duì)BMP信號(hào)傳導(dǎo)無(wú)明顯影響。綜上表明，Ⅱ型受體單個(gè)缺失可由其他Ⅱ型受體代替補(bǔ)償而不影響軟骨在成骨中的作用。

2.2 BMP信號(hào)通路 BMP信號(hào)通路是一種激酶轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，與成骨及軟骨分化密切相關(guān)，主要通過經(jīng)典Smad蛋白(TGF-β/BMP受體、配體、Smad)和非經(jīng)典Smad蛋白(如MAPK和MAPK信號(hào)介導(dǎo)TGF-β/BMP)發(fā)揮作用。

2.2.1 經(jīng)典Smad通路 BMP下游中重要的信號(hào)分子是Smad蛋白，其Smad蛋白質(zhì)是絲氨酸/蘇氨酸激酶受體下游的激酶級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)物。Smad蛋白家族在TGF-β信號(hào)通路信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮重要作用，且不同的Smad蛋白都有其不同特性[19]。根據(jù)其特性主要分為以下幾部分：受體活化型R-Smads，即Smad2、3，受體抑制性I-Smad，即Smad6、7，受體通用型Co-Smad，即Smad4。在受到刺激后，受體形成復(fù)合物能夠與Smad1、5、8蛋白相互結(jié)合并使之磷酸化，其中Smad4表現(xiàn)出合作的關(guān)系，而Smad6、7則呈現(xiàn)出負(fù)調(diào)控作用。BMP作為配體活化信號(hào)通路需把Smad1、5、8作為R-Smad，激活過程中R-Smad1、5、8會(huì)與Co-Smad4形成復(fù)合物，引起下游轉(zhuǎn)錄因子Runt轉(zhuǎn)錄因子(Runx)的表達(dá)，并啟動(dòng)軟骨及成骨等細(xì)胞的轉(zhuǎn)化表達(dá)[20,21]。Smad1在BMP成骨過程中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。敲除小鼠Smad1基因后，BMP信號(hào)通路受到抑制，成骨細(xì)胞增殖及分化減弱，小鼠表現(xiàn)出骨量降低的現(xiàn)象。同時(shí)Smad1、5在BMP調(diào)節(jié)軟骨成骨過程中發(fā)揮出重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，在敲除小鼠軟骨細(xì)胞中Smad1后，小鼠顱骨發(fā)育出現(xiàn)遲緩。也有研究發(fā)現(xiàn)，Smad8與Smad1或5相比對(duì)轉(zhuǎn)錄的調(diào)控作用較弱，可能在BMP信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起負(fù)性調(diào)控作用[22]。TGF-β和BMP信號(hào)調(diào)控均有Smad4參與，在Smad4敲除或缺陷的機(jī)體中，軟骨細(xì)胞增殖能力降低。在成熟骨細(xì)胞中，Smad缺失后也會(huì)造成骨量減少，并導(dǎo)致成骨細(xì)胞分化和增殖降低，因此，Smad4在維持骨量中有不可或缺的作用[23]?？梢?，經(jīng)典Smad途徑在軟骨分化及骨生長(zhǎng)中發(fā)揮出重要的調(diào)控作用。

2.2.2 非Smad依賴通路 有研究表明，MAPK途徑在BMP信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中也發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。MAPK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路主要有三條：細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)信號(hào)通路，p38 MAPK信號(hào)通路以及c-Jun氨基末端激酶(JNK)信號(hào)通路，其中p38 MAPK和JNK是應(yīng)激活性蛋白激酶。有研究顯示，在受到刺激后，BMP能夠與受體BMPR-Ⅰ 結(jié)合形成復(fù)合物，進(jìn)一步與BMPR-Ⅱ作用形成異聚體，再與TAK1間接連接；TAK1能夠激活p38 MAPK信號(hào)通路，從而發(fā)揮BMP信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能。也有研究表明，TAK1-MKK-MAPK信號(hào)軸在BMP信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中也發(fā)揮調(diào)節(jié)成骨分化作用[24]。Gao等[25]通過敲除小鼠MSC中MAP3K下游信號(hào)因子TAK1后發(fā)現(xiàn)，BMP通路中性別基因高遷移率組蛋白9(SOX9)蛋白表達(dá)降低，導(dǎo)致小鼠生長(zhǎng)板縮短以及關(guān)節(jié)軟骨發(fā)育受限。MAPK磷酸化后能夠促進(jìn)成骨細(xì)胞中Runx2、Osx等轉(zhuǎn)錄因子活性，并促進(jìn)MSC成骨分化。同時(shí)也有研究表明，MAPK信號(hào)通路還可誘導(dǎo)Smad復(fù)合物和Runx2之間相互作用，促進(jìn)BMP-Smad信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的調(diào)節(jié)功能[26]。

綜上所述，大多數(shù)BMP配體都具有強(qiáng)大促軟骨修復(fù)和成骨作用，其機(jī)制可能是通過經(jīng)典Smad和非Smad信號(hào)通路有關(guān)。BMP信號(hào)通路對(duì)BMSC向軟骨分化及軟骨內(nèi)成骨中多個(gè)階段都發(fā)揮重要作用。