神經(jīng)-骨偶聯(lián)機制促異位骨化進展的研究進展*

張滋彬，萬千千，覃文聘，盧偉誠，韓瀟瀟 綜述,焦 凱△ 審校

(軍事口腔醫(yī)學(xué)國家重點實驗室/國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心/陜西省口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心/第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院：1.黏膜病科；2.修復(fù)科，西安 710032)

異位骨化(heterotopic ossification，HO)是一種在肌肉或其他非骨骼組織中出現(xiàn)鈣鹽沉積進而形成異常骨成分的疾病，其發(fā)生過程復(fù)雜，主要包括成骨干祖細胞被募集到骨外組織、暴露于成骨誘導(dǎo)環(huán)境中，進而經(jīng)歷軟骨內(nèi)成骨等階段，最終形成與正常骨組織相同的骨骼組織[1]。HO是常見的創(chuàng)傷和外科手術(shù)后并發(fā)癥[2]。目前臨床上主要運用非甾體抗炎藥和激光照射來預(yù)防HO的發(fā)生，治療HO則主要通過手術(shù)切除的方式[3]，但是手術(shù)效果并不是很理想，且術(shù)中也存在很多亟待解決的問題，如當(dāng)異位的骨組織卡住神經(jīng)和血管時，操作有較大的難度和風(fēng)險。此外，術(shù)后問題如復(fù)發(fā)、感染及圍手術(shù)期骨折等成為臨床難題，造上述問題的主要原因還是對HO的發(fā)病機制認識不清楚。

關(guān)于獲得性HO的首次報道揭示了一個現(xiàn)象，即戰(zhàn)爭中的戰(zhàn)士，尤其是脊髓受傷或受槍傷者會更頻繁地發(fā)生該疾病。分析原因發(fā)現(xiàn)，軍事戰(zhàn)創(chuàng)傷常常為爆炸傷或燒傷，對神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大影響，而軍事戰(zhàn)創(chuàng)傷的患者中HO的發(fā)生率很高，這提示神經(jīng)刺激與HO的高發(fā)生率可能相關(guān)[4-5]。近期也有大量研究證明了HO與神經(jīng)密切相關(guān)[6]。因此，本文將圍繞神經(jīng)-骨偶聯(lián)機制促進HO進展的近期前沿研究成果作一綜述。

1 外周神經(jīng)提供了HO的細胞來源

外周神經(jīng)在調(diào)控HO中發(fā)揮著重要作用。DAVIS等[7]證明了骨基質(zhì)釋放骨形成蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)可以誘導(dǎo)HO產(chǎn)生，但是單獨由BMP誘導(dǎo)產(chǎn)生HO必須有足夠多量的BMP參與，所以推測還有其他因素參與，才使得HO發(fā)生。該研究還發(fā)現(xiàn)，引發(fā)HO的危險因素可以歸納出一個共同特點，即周圍神經(jīng)損傷，并提出外周神經(jīng)損傷和BMP同為促進HO的重要因素這一觀點。此外，近期大量研究發(fā)現(xiàn)BMP-2可以通過激活瞬時感受器電位V亞家族陽離子通道1(transient receptor potential cation channel V 1，TRPV1)受體來誘發(fā)神經(jīng)源性炎癥，此過程會誘導(dǎo)神經(jīng)釋放大量降鈣素基因相關(guān)肽(calcitonin gene related peptide，CGRP)和P物質(zhì)(substance P，SP)并促進肥大細胞釋放基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metallopeptidase，MMP)-9，而MMP-9可以改變細胞通透性進而開放血管神經(jīng)屏障(blood-nerve barrier，BNB)。研究發(fā)現(xiàn)，只有在BNB開放和BMP同時存在的條件下，神經(jīng)內(nèi)膜中的骨祖細胞才會被激活，進而誘導(dǎo)發(fā)生神經(jīng)源性異位骨化(neurogenic heterotopic ossification，NHO)。這些研究都表明神經(jīng)為HO提供了細胞來源并促進其發(fā)生。LAZARD等[8]證明了感覺神經(jīng)內(nèi)膜中的骨祖細胞是HO的細胞來源，并闡明了骨祖細胞遷移的機制。該研究應(yīng)用BMP-2構(gòu)建了HO的小鼠模型，通過免疫組織化學(xué)和熒光分選等方法研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)內(nèi)膜中的骨祖細胞會在誘導(dǎo)HO后48 h內(nèi)穿過BNB離開神經(jīng)內(nèi)膜，進入血液循環(huán)并隨之遷移，最終在HO位點處離開血管，進入新骨形成的地方，激活HO的發(fā)生、發(fā)展。相比未誘導(dǎo)形成HO的對照組小鼠中的細胞，實驗組的骨祖細胞會表達更多緊密連接蛋白claudin 5和成骨細胞特異性轉(zhuǎn)錄因子osterix，同時還表達神經(jīng)生長因子受體和神經(jīng)標(biāo)志物等分子，結(jié)果證明了神經(jīng)內(nèi)膜來源的骨祖細胞是HO的主要細胞來源。此外，ACLOQUE等[9]提出在胚胎發(fā)展中，神經(jīng)脊細胞會遷移并轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N功能的間質(zhì)細胞(即上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化)，其中就包括了參與成骨進而形成骨組織和軟骨組織這一生理過程，這也是神經(jīng)為HO提供細胞來源的證據(jù)之一。

2 神經(jīng)系統(tǒng)與免疫系統(tǒng)的相互作用參與HO的發(fā)生與發(fā)展

神經(jīng)源性炎癥在HO的發(fā)生中發(fā)揮了重要作用。有研究顯示，60%的患者在使用吲哚乙酸及其他非甾體抗炎藥后，會產(chǎn)生很理想的預(yù)防HO發(fā)生的作用[10-11]。SP和CGRP是神經(jīng)源性炎癥中的重要分子，并對骨的代謝活動也發(fā)揮著重要的調(diào)控作用，如CGRP可以通過上調(diào)環(huán)腺苷酸(cAMP)水平激活成骨樣細胞中的BMPs信號通路進而誘導(dǎo)成骨分化活動。TUZMEN等[10]將神經(jīng)肽SP和CGRP注射到小鼠跟腱中構(gòu)建HO模型，通過免疫標(biāo)記和組織學(xué)分析等方法檢測SP和BMPs等指標(biāo)，實驗發(fā)現(xiàn)單獨應(yīng)用SP時，會誘導(dǎo)產(chǎn)生HO且伴隨著內(nèi)源性BMPs水平上調(diào)；而單獨應(yīng)用CGRP或同時應(yīng)用SP和CGRP時，雖然BMPs水平上升，但是沒有產(chǎn)生炎癥或HO。這些現(xiàn)象提示了SP和CGRP在HO中可能存在拮抗作用。上述研究結(jié)果證明了SP可以通過增加血管和膠原增生等退行性變化，以及增加BMPs分泌來促進HO的形成，而CGRP可以抵消SP的促進形成作用進而阻斷SP誘導(dǎo)形成HO的現(xiàn)象?？偠灾?，上述研究表明，感覺神經(jīng)可以通過分泌SP和CGRP來調(diào)控炎癥和BMP信號通路，從而調(diào)控HO的發(fā)生、發(fā)展。

此外，HO中的神經(jīng)源性炎癥與肥大細胞和單核細胞等免疫系統(tǒng)細胞有著密切的聯(lián)系。其中，巨噬細胞及肥大細胞對炎癥的發(fā)生和骨代謝活動有重要的作用。感覺神經(jīng)分泌的SP和CGRP可以激活初級肥大細胞并增加肥大細胞的脫顆?；顒?，而肥大細胞分泌的活性介質(zhì)可以進一步激活感覺神經(jīng)釋放SP和CGRP，從而產(chǎn)生對神經(jīng)源性炎癥的正反饋調(diào)節(jié)，參與調(diào)控HO的發(fā)生、發(fā)展過程。SALISBURY等[12]研究證明，使用肥大細胞穩(wěn)定劑來減少表達SP受體和神經(jīng)激肽-1受體的肥大細胞，可以顯著地減少HO的發(fā)生，表明肥大細胞及其相關(guān)活性因子對HO有顯著的調(diào)控作用。CONVENTE等[13]利用活化素A受體1R206H(activin A receptor type Ⅰ R206H，Acvr1R206H)突變小鼠模型研究了骨纖維發(fā)育不良(fibrodysplasia ossificans progressiva，F(xiàn)OP)疾病中由于受傷產(chǎn)生的炎性細胞和分子反應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn) Acvr1R206H突變FOP小鼠受傷后，BMP水平會有所上升，并伴隨著由于免疫細胞長期滲入而增加的異常骨骼肌肉修復(fù)行為，表明損傷后Acvr1cR206H/+ 損傷部位和Acvr1cR206H/+肥大細胞會被激活并產(chǎn)生腫瘤壞死因子α(TNF-α)、白細胞介素(IL)-1β及IL-6等活性因子來參與炎性反應(yīng)，進而促進HO。同時，該研究通過單獨去除肥大細胞或巨噬細胞，以及同時去除肥大細胞和巨噬細胞3種情況發(fā)現(xiàn)，損傷誘導(dǎo)的HO體積均有所減少，且去除巨噬細胞的效果更為明顯。這些實驗結(jié)果表明，免疫系統(tǒng)中的肥大細胞和巨噬細胞參與啟動并發(fā)展了FOP中的HO。HACKETT等[14]研究發(fā)現(xiàn)，肌腱鈣化時伴隨著傷口處炎性巨噬細胞和肥大細胞侵襲滲入，血管和神經(jīng)均發(fā)生顯著的生長活動；同時GENT等[15]研究證明，通過化學(xué)和基因的方法去除巨噬細胞，可明顯減少HO的形成。以上研究均表明HO離不開神經(jīng)源性炎癥中的免疫細胞和免疫系統(tǒng)的調(diào)控作用。

3 HO發(fā)生所必需的棕色脂肪組織的產(chǎn)生受交感神經(jīng)調(diào)控

棕色脂肪組織被認為是產(chǎn)生能量的主要來源之一，任何生命活動都離不開能量的支持，同樣地，HO也需要棕色脂肪組織提供一定的能量來維持活動[16]。SALISBURY等[17]通過研究HO小鼠模型發(fā)現(xiàn)，瞬態(tài)棕色脂肪組織(transient brown adipose tissue，tBAT)與缺氧微環(huán)境和軟骨沉淀的發(fā)生密切相關(guān)。tBAT一側(cè)緊鄰缺氧的軟骨組織，另一側(cè)存在常氧的血管形成活動，而且tBAT會產(chǎn)生促血管形成因子來加速血管形成。因此，tBAT不僅為HO的形成提供能量，還可以通過促進血管生成和軟骨沉淀參與到HO的發(fā)生、發(fā)展過程。同時，小鼠發(fā)生HO時，皮下脂肪組織會產(chǎn)生持久的高腎上腺素能的環(huán)境，可與交感神經(jīng)系統(tǒng)的β3腎上腺素受體結(jié)合，促進棕色脂肪組織表達解偶聯(lián)蛋白1(uncoupling protein 1，UCP1)。此外，該研究還證明了其他刺激因素(如低體溫)，可以激活下丘腦腹內(nèi)側(cè)核(ventromedial hypothalamic nucleus，VMN)促進交感神經(jīng)釋放神經(jīng)遞質(zhì)去甲腎上腺素(norepinephrine，NE)，而NE可以促進棕色脂肪組織上的β3腎上腺素受體的表達及棕色脂肪組織增殖，從而調(diào)控快速產(chǎn)熱過程并增加促HO發(fā)展的相關(guān)物質(zhì)產(chǎn)生。

4 骨組織對HO中的周圍神經(jīng)發(fā)揮調(diào)控作用

HO的疾病過程中骨基質(zhì)會釋放BMPs改變神經(jīng)的通透性，使得周圍神經(jīng)的BNB開放，進而促進神經(jīng)來源的成骨祖細胞離開神經(jīng)、遷移到骨化的位點，從而發(fā)揮了骨對于HO中神經(jīng)的調(diào)控作用[7]。近期研究發(fā)現(xiàn)，周圍神經(jīng)內(nèi)膜中的細胞可以接受BMP/Smad信號通路，這表明骨組織來源的BMP也許可以通過激活神經(jīng)上的受體來發(fā)揮調(diào)控神經(jīng)的功能。KOKUBU等[18]通過壓碎小鼠坐骨神經(jīng)使軸突降解構(gòu)建了周圍神經(jīng)破壞的動物模型，通過分析BMP-7、BMP受體、p-Smad1/5/8、頭蛋白(Noggin)及內(nèi)源性BMP的拮抗劑等變化，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)損傷在8周后得到恢復(fù)；軸突-神經(jīng)膜細胞單元中BMP-7/Smad蛋白及mRNA表達水平在受傷后1周明顯提升并持續(xù)4周；Noggin的表達在2周后明顯上升；此外，該研究還利用雙重免疫熒光染色技術(shù)觀察到，在軸突再生的過程中BMP-7及p75NTR(NGFR)的共定位表達現(xiàn)象。體外實驗中還發(fā)現(xiàn)，BMP-7的應(yīng)用可以誘導(dǎo)神經(jīng)膜細胞顯著增生并提高其體外生存率；甲狀旁腺激素[(parathyroid hormone，PTH)(1-34)]的應(yīng)用可上調(diào)神經(jīng)膜細胞BMP-7水平。由此證明，周圍神經(jīng)受傷后，去分化的神經(jīng)膜細胞內(nèi)BMP/Smad信號通路分子水平上調(diào)，并可調(diào)控神經(jīng)再生。因此，研究者認為可以運用PTH(1-34)來上調(diào)神經(jīng)膜細胞中內(nèi)源性BMP-7水平以促進神經(jīng)修復(fù)。另有研究表明，BMP-2水平及神經(jīng)內(nèi)膜中可以接受BMP/Smad信號的細胞數(shù)量，與HO的發(fā)病范圍密切相關(guān)[18]。SHI等[19]利用132只雄性SD大鼠構(gòu)建了腦損傷模型，并分別檢測了術(shù)后1～7 d實驗組和空白對照組大鼠體內(nèi)的MMP-9、MMP-2及金屬蛋白酶組織抑制因子-1(tissue inhibitor of metalloproteinase-1，TIMP-1)及其mRNA表達水平。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相較于空白對照組，實驗組大鼠血清MMP-9及其mRNA水平，以及TIMP-1 mRNA表達水平均明顯升高。表明MMP-9水平病理性升高，以及MMP-9與TIMP-1之間的動態(tài)平衡改變均可以促進細胞外基質(zhì)的降解、重建及鈣化過程，并且誘導(dǎo)HO中成骨祖細胞的產(chǎn)生。因此，MMP-9可視為一種HO的預(yù)測標(biāo)志物；并且，HO中周圍神經(jīng)和骨組織之間存在偶聯(lián)通路，有望成為HO治療的新靶點。

5 骨化性肌炎的發(fā)生與發(fā)展受神經(jīng)調(diào)控

骨化性肌炎是由纖維組織在軟組織中自限性地增生，并化生為成熟的板層骨的肌纖維母細胞瘤，也是一種良性形式的HO，通常發(fā)生在強壯的運動員大腿股四頭肌和內(nèi)收肌[20-21]。臨床上將骨化性肌炎分為外傷性骨化性肌炎(myositis ossificans traumatica，MOT)與進行性骨化性肌炎(myositis ossificans progressiva，MOP)兩種[22]，以MOT最為常見。目前臨床上尚無治療骨化性肌炎的有效手段，這與其發(fā)病機制尚不明確密切相關(guān)。骨化性肌炎的形成過程包括了初始的增生階段、中期的鈣化和成骨階段及晚期的完全骨化階段，這些過程涉及多種因素參與，而神經(jīng)的調(diào)控便是其重要環(huán)節(jié)；同時，骨化性肌炎對于軟組織如神經(jīng)的影響也是廣泛的[23]。神經(jīng)源性骨化性肌炎起源于外周神經(jīng)或中樞神經(jīng)的損傷，疾病可能會導(dǎo)致關(guān)節(jié)強直及血管神經(jīng)的壓迫現(xiàn)象[24]。GUAN等[25]發(fā)現(xiàn)，骨化性肌炎是創(chuàng)傷后比較常見的并發(fā)癥之一，并且在發(fā)生骨化性肌炎的患者中發(fā)現(xiàn)高達53%為脊髓神經(jīng)受傷者。LAW-YE等[24]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)源性骨化性肌炎患者中11%～22%是腦損傷患者，15%～20%是脊髓損傷患者；研究者還通過1例多系統(tǒng)受傷的43歲摩托車手患者發(fā)現(xiàn)，實行神經(jīng)減壓術(shù)可以延緩骨化性肌炎的發(fā)生、發(fā)展。同時，如果對神經(jīng)的損傷狀態(tài)進行早期診斷、早期干預(yù)，可以阻止患者骨化性肌炎的發(fā)生，這提示神經(jīng)在骨化性肌炎中發(fā)揮著重要作用[25]。

6 小 結(jié)

神經(jīng)可以通過提供細胞來源、與免疫系統(tǒng)交聯(lián)及調(diào)控棕色脂肪組織產(chǎn)生等方式調(diào)控骨組織中HO的形成及礦化等活動，而骨組織也可以在此過程中對神經(jīng)活動進行調(diào)控，二者之間的相互作用對HO的發(fā)生、發(fā)展有著重要作用。闡明HO發(fā)生、發(fā)展過程中的神經(jīng)-骨偶聯(lián)機制，可為其臨床防治提供新的靶點。然而，目前許多研究尚不成熟，還有待大量研究進一步探索。