潘子翔 綜述,井萬里 審校
(天津市第一中心醫(yī)院骨科,天津 300192)
在臨床實(shí)踐中觀察到骨折合并腦外傷患者大量骨痂過度生長,骨折愈合速度明顯加快[1],甚至在肌肉中出現(xiàn)異位骨化。其具體作用機(jī)制尚不完全清楚,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究,試圖找到其中原因。Bidner等[2]提出“假說”:大腦或垂體受損傷后可能分泌某種成分,也可能是腦損傷后炎癥細(xì)胞的聚集分泌出某種促生長因子,由于血腦屏障的破壞致使這些物質(zhì)能從腦中釋放出來,作用于骨折局部而起作用。Bidner等的研究表明,腦損傷后血循環(huán)中可能有某種物質(zhì)濃度升高,以致血清中促骨生長活性增加。轉(zhuǎn)化生長因子β(TGF-β)在腦損傷合并骨折后血清中的動(dòng)態(tài)變化過程似乎提示:TGF-β就是這樣一種細(xì)胞因子。近年來國內(nèi)外在這方面的研究已經(jīng)引起了學(xué)者們的極大興趣。本文就腦外傷后TGF-β對(duì)骨折愈合影響的研究進(jìn)展作一綜述。
1978年,De Larco等[3]在小鼠肉瘤病毒的轉(zhuǎn)化細(xì)胞株培養(yǎng)基中找到一種多肽因子,它在表皮生長因子存在時(shí)能誘導(dǎo)正常大鼠腎成纖維細(xì)胞生長,并在軟瓊脂中形成克隆,這種因子被命名為TGF-β。
TGF-β是由兩條肽鏈組成的二聚體,由二硫鍵連接而成,每一條肽鏈上有112個(gè)氨基酸,相對(duì)分子質(zhì)量為25 000。氨基酸順序特別保守,在C末端活性部分還有7~9個(gè)保守的半胱氨酸殘基。TGF-β在合成初期是一種無活性的大分子復(fù)合物,經(jīng)激活后產(chǎn)生由兩條相同的12.5 kD肽鏈借二硫鍵連接而成的二聚體。目前已發(fā)現(xiàn)TGF-β1~β5 5種異構(gòu)體。哺乳動(dòng)物只含有 TGF-βl、TGF-β2、TGF-β3,它們結(jié)構(gòu)相關(guān),有60%~80%的序列同源,而且生物學(xué)功能相似,分別由特定細(xì)胞表達(dá)。內(nèi)皮細(xì)胞及結(jié)締組織表達(dá)TGF-β1,上皮細(xì)胞及神經(jīng)元細(xì)胞表達(dá)TGF-β2,間質(zhì)細(xì)胞表達(dá)TGF-β3。TGF-β以兩種形式存在,大多數(shù)類型的組織和細(xì)胞合成和分泌的是無活性的TGF-β前體復(fù)合物,稱潛活TGF-β,由TGF-β二聚體、潛伏相關(guān)蛋白和附加的二硫鍵結(jié)合蛋白組成,需經(jīng)轉(zhuǎn)化為成熟TGF-β才具有生物活性。實(shí)驗(yàn)研究表明,通過強(qiáng)酸強(qiáng)堿或變性試劑可使TGF-β活化,活化后的TGF-β通過存在于靶細(xì)胞膜上的TGF-β受體發(fā)揮生物學(xué)作用。
TGF-β來源廣泛,可分泌TGF-β的細(xì)胞有巨噬細(xì)胞、血小板、上皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、單核細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、纖維母細(xì)胞等;TGF-β廣泛存在于動(dòng)物的正常組織和轉(zhuǎn)化細(xì)胞中,以骨組織和血小板中含量最高,在骨組織中又以TGF-β1含量最為豐富。
TGF-β是一種多功能調(diào)節(jié)因子,以自分泌、旁分泌和內(nèi)分泌的方式,通過細(xì)胞表面的受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)控細(xì)胞的增殖、分化和凋亡,在許多組織的發(fā)育中發(fā)揮重要作用,可對(duì)眾多的組織器官產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng),還參與成熟哺乳動(dòng)物機(jī)體的免疫調(diào)節(jié)、細(xì)胞黏附及細(xì)胞外基質(zhì)的合成和儲(chǔ)存,因此TGF-β具有調(diào)節(jié)細(xì)胞生長、分化免疫功能,可促進(jìn)細(xì)胞增殖,也可抑制細(xì)胞增殖抑制炎癥,促進(jìn)組織修復(fù)和胚胎發(fā)育等功能,與多種疾病的發(fā)生、發(fā)展和愈合有關(guān),如與腫瘤的發(fā)生,與瘢痕發(fā)展和骨折的愈合有關(guān)。
根據(jù)細(xì)胞類型及其分化狀態(tài)或?qū)嶒?yàn)條件不同,TGF-β既可刺激細(xì)胞的增殖,又可刺激細(xì)胞的分化,對(duì)細(xì)胞進(jìn)行雙向調(diào)節(jié)[4]。一般說來,對(duì)間充質(zhì)來源細(xì)胞起刺激作用,而對(duì)上皮或神經(jīng)外胚層來源的細(xì)胞起抑制作用[5]。轉(zhuǎn)染myc基因的Fischer3T3在表皮生長因子(EGF)存在時(shí),TGF-β1抑制細(xì)胞生長,而在血小板衍生生長因子(PDGF)存在時(shí),TGF-β1則促進(jìn)細(xì)胞生長。TGF-β在不同條件下,對(duì)成骨細(xì)胞及成軟骨細(xì)胞有促進(jìn)分化或降低分化的雙重調(diào)節(jié)作用。1~10 ng/ml濃度的TGF-β可誘發(fā)大鼠胚胎肌細(xì)胞分化成軟骨細(xì)胞,合成其特異性的Ⅰ型膠原及硫酸軟骨素蛋白多糖;在0.4 nmol/L濃度下TGF-β可降低大鼠顱蓋骨成骨細(xì)胞堿性磷酸酶的活性,減少成軟骨細(xì)胞Ⅰ型膠原以及硫酸軟骨素蛋白多糖的合成,此二種細(xì)胞亦由圓形或多角形轉(zhuǎn)化為長形的成纖維細(xì)胞。正常情況下,組織重建是基質(zhì)蛋白的合成和降解保持動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果。TGF-β一方面通過促進(jìn)成纖維細(xì)胞等產(chǎn)生葡萄糖、氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)和糖酵解等代謝過程,導(dǎo)致膠原蛋白、非膠原糖蛋白、蛋白多糖等細(xì)胞外基質(zhì)產(chǎn)生增加;另一方面TGF-β通過抑制基質(zhì)金屬蛋白酶(matrixmetall oproteinases,MMP)、膠原酶的表達(dá)和促進(jìn)組織金屬蛋白酶抑制劑、人成纖維細(xì)胞膠原酶抑制劑、纖溶酶原激活物等抑制劑的生成,減少異常合成的細(xì)胞外基質(zhì)降解,從而增加細(xì)胞外基質(zhì)在損傷組織、器官的沉積[6]。TGF-β對(duì)多數(shù)淋巴細(xì)胞具有免疫抑制作用,它能抑制T/B淋巴細(xì)胞的活化及分化、抑制NK細(xì)胞的活化、抑制巨噬細(xì)胞的吞噬能力從而使機(jī)體降低對(duì)腫瘤的監(jiān)控能力。另外,腫瘤細(xì)胞分泌的TGF-β可造成免疫功能障礙使得腫瘤細(xì)胞逃避機(jī)體的免疫排斥。TGF-β還能促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞增生,有利于腫瘤組織血管形成。TGF-β的這些作用主要是通過調(diào)節(jié)細(xì)胞周期因子、轉(zhuǎn)錄因子、黏附因子等環(huán)節(jié)而實(shí)現(xiàn)的[7]。
在神經(jīng)系統(tǒng)中,TGF-β由巨噬細(xì)胞、小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞、星型膠質(zhì)細(xì)胞分泌,正常含量很少。TGF-β是顱腦損傷修復(fù)的重要調(diào)節(jié)因子,它調(diào)節(jié)并促進(jìn)細(xì)胞修復(fù),當(dāng)腦組織發(fā)生缺氧缺血后,體內(nèi)TGF-β1mRNA有著規(guī)律性的表達(dá)過程。Lindholm等[8]研究表明,TGF-β1編碼的mRNA在穿透性腦損傷的鼠腦皮質(zhì)增高,TGF-β1在細(xì)胞損傷1 d后出現(xiàn),4 d達(dá)高峰,可持續(xù)1周,其分布主要在損傷部位及其周圍。有研究表明腦外傷病人傷后腦脊液中TGF-β1含量即升至最高水平,日后隨時(shí)間的推移逐漸降低[9]。張鳳歧[10]觀察了79例不同病情的顱腦損傷患者早期不同時(shí)間段(1、3、5、7 d)的血清 TGF-β1 含量變化,結(jié)果發(fā)現(xiàn)重度顱腦損傷和中、輕型顱腦損傷患者血清TGF-β1濃度在傷后3 d降至最低水平,7 d后趨于回升。重度顱腦損傷患者不同時(shí)期的血清TGF-β1濃度分別明顯低于中、輕度顱腦損傷患者同期檢測(cè)結(jié)果。楊術(shù)真等[11]發(fā)現(xiàn),患兒傷后24 h內(nèi)血清TGF-β1即明顯降低,3 d降至最低水平,傷后7 d趨于回升但仍低于對(duì)照組水平,并有顯著性意義;同時(shí)發(fā)現(xiàn),血清TGF-β1含量變化除與傷后不同時(shí)限有關(guān)外,還與患者的傷情程度有關(guān),即傷情越重,血清TGF-β1下降越明顯,并且持續(xù)的時(shí)間越長。表明血清TGF-β1參與顱腦損傷的病理生理改變,其水平變化反映著腦損傷的演變及修復(fù)過程。
顱腦損傷后,TGF-β1主要由膠質(zhì)細(xì)胞和巨噬細(xì)胞誘導(dǎo)產(chǎn)生,作為一種重要抗炎因子,它對(duì)炎癥細(xì)胞具有趨化作用,通過下調(diào)炎癥遞質(zhì)腫瘤壞死因子-α(TNF-α)及其受體而完成作用。體外研究表明,TGF-β1能調(diào)控細(xì)胞生長,抑制細(xì)胞外基質(zhì)蛋白質(zhì)的產(chǎn)生,TGF-β1對(duì)細(xì)胞移動(dòng),炎癥和免疫反應(yīng)有較明顯的調(diào)節(jié)作用[12]。顱腦損傷后,聚集在損傷處巨噬細(xì)胞、血小板等釋放TGF-β1。TGF-β1又促使炎癥細(xì)胞向損傷區(qū)移動(dòng),放大其抗炎作用。體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),TGF-β1在增加神經(jīng)數(shù)目的同時(shí),并不影響樹突的分支及數(shù)目,TGF-β1參與軸突的發(fā)生,使培養(yǎng)中的海馬神經(jīng)元軸突延長;TGF-β1對(duì)膠質(zhì)細(xì)胞既有激活效應(yīng),也有抑制效應(yīng),其激活效應(yīng)表現(xiàn)為在未成熟星形細(xì)胞,TGF-β1誘導(dǎo)膠質(zhì)纖維性酸性蛋白表達(dá)和對(duì)小膠質(zhì)細(xì)胞的化學(xué)吸引作用,最終增強(qiáng)纖維連接蛋白和膠原形成,促進(jìn)結(jié)締組織產(chǎn)生,在損傷修復(fù)的過程中起到重要的作用。在體內(nèi),TGF-β促進(jìn)神經(jīng)元的存活有多種途徑,如刺激星形膠質(zhì)周細(xì)胞產(chǎn)生和釋放堿性成纖維細(xì)胞生長因子(bFGF)、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)等對(duì)神經(jīng)元發(fā)揮營養(yǎng)作用,并促進(jìn)神經(jīng)元的存活和分化。損傷后小膠質(zhì)細(xì)胞可上調(diào)或表達(dá)巨噬細(xì)胞特征,出現(xiàn)吞噬消除細(xì)胞碎片,并促進(jìn)創(chuàng)傷愈合,在多種因子共存的情況下,TGF-β1具有促進(jìn)有絲分裂的作用。Pasinetti等[13]對(duì)大鼠進(jìn)行實(shí)驗(yàn),同樣發(fā)現(xiàn)與退化傳入纖維相關(guān)的小膠質(zhì)細(xì)胞、巨噬細(xì)胞能夠使腦內(nèi)損傷區(qū)有活性的星形膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化生長因子mRNA上調(diào),也可能影響纖維連接素mRNA合成。在穿透性腦損傷中,TGF-β1對(duì)星形膠質(zhì)細(xì)胞增殖起抑制效應(yīng),表現(xiàn)為TGF-β1對(duì)小膠質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞毒作用和MHC抗原表達(dá)的抑制,防止膠質(zhì)瘢痕形成,對(duì)神經(jīng)再生具有意義。同時(shí),TGF-β1也是一種重要的調(diào)節(jié)細(xì)胞外基元(ECM)因子,它能促進(jìn)ECM合成和抑制EMC降解。
近年來,國內(nèi)外學(xué)者在TGF-β促進(jìn)骨折愈合作用方面進(jìn)行了大量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究,有些學(xué)者制造腦外傷合并骨折動(dòng)物模型,研究其中TGF-β的表達(dá)規(guī)律以及和骨折愈合的關(guān)系。Joyce等[14]向新生小鼠大腿骨膜下局部注射外源性TGF-βl或TGF-β2,然后觀察局部骨和軟骨的形成,在基因水平測(cè)量發(fā)現(xiàn)TGF-β2有促進(jìn)TGF-βl生成的作用,并且TGF-β2在體內(nèi)比TGF-βl有更強(qiáng)的刺激骨形成的作用,同時(shí)發(fā)現(xiàn)TGF-β有刺激骨膜中間葉前體細(xì)胞分裂增殖的作用。許多研究也表明,TGF-β有促進(jìn)腦外傷后原始骨痂生成加快的作用。馬維等[15]研究了大鼠骨折以及骨折合并腦損傷后TGF-β1的變化情況。在單純腦損傷組,術(shù)后第3天即有明顯升高,第1周達(dá)到1個(gè)峰值,第2周開始下降,第3周后降至正常水平。在單純骨折組,血清TGF-β1術(shù)后第3天開始增高,第1周達(dá)到1個(gè)初峰值,并一直持續(xù)至第4周,第5周降至正常水平。而腦損傷加骨折組則于術(shù)后第3天即有顯著升高,為正常對(duì)照組的7倍,術(shù)后第1周時(shí)達(dá)到8倍。TGF-β1在腦損傷加骨折組的血清中動(dòng)態(tài)變化的時(shí)間過程與單純腦損傷后TGF-β1在腦組織局部表達(dá)的時(shí)間過程相一致。這一特征性變化與Bidner等[2]提出的“假說”相吻合。這說明TGF-βl在骨折愈合的前4周中起作用。王守君等[16]將SD大鼠分為兩組,應(yīng)用酶聯(lián)免疫法和免疫組化方法對(duì)血清和骨痂進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)腦外傷合并股骨骨折的一組大鼠骨折合并腦外傷時(shí)血清中TGF-β1含量與骨折位點(diǎn)TGF-β1的表達(dá)高于單純股骨骨折組。
骨組織中TGF-β來源于成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞、骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞,其中又以成骨細(xì)胞產(chǎn)生最多。TGF-β產(chǎn)生后很快進(jìn)入鈣化的骨基質(zhì)中,其濃度約為其他組織的100倍。TGF-β首先以無活性的潛在型分泌,儲(chǔ)存在礦化的骨基質(zhì)中,不能直接與TGF-β受體結(jié)合。破骨細(xì)胞對(duì)骨基質(zhì)進(jìn)行水解時(shí)造成的局部酸性環(huán)境可激活TGF-β,激活的TGF-β既能抑制破骨細(xì)胞的活性,也可以刺激成骨細(xì)胞的合成作用以補(bǔ)充破骨細(xì)胞對(duì)骨的溶解。TGF-β的活性可被成骨細(xì)胞調(diào)節(jié),因?yàn)槌晒羌?xì)胞能合成和分泌成纖維蛋白溶酶原活化劑及組織蛋白酶,而組織蛋白酶和纖維蛋白溶酶則能激活潛在型TGF-β?;罨腡GF-β還可以反饋調(diào)節(jié)激活TGF-β的蛋白酶,使之達(dá)到一種平衡。另外,TGF-β本身也可以調(diào)節(jié)潛在型TGF-β的活性。
體外研究表明TGF-β能促進(jìn)成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞的增殖與分化,促進(jìn)成骨細(xì)胞合成I型膠原、骨聯(lián)結(jié)素和骨橋蛋白,促進(jìn)軟骨細(xì)胞合成Ⅱ型膠原,并與胰島素樣生長因子有協(xié)同作用[17]。Critchlow[18]研究發(fā)現(xiàn),TGF-β的直接效應(yīng)是促進(jìn)骨膜中前成骨細(xì)胞的增殖,而不能啟動(dòng)骨膜骨細(xì)胞向成骨細(xì)胞或軟骨細(xì)胞的分化。研究還發(fā)現(xiàn),TGF-β對(duì)成骨細(xì)胞的生長有雙向功能調(diào)節(jié),即增殖早期呈負(fù)效應(yīng),而在基質(zhì)形成及礦化期呈正效應(yīng)。TGF-β對(duì)軟骨的生長和分化也起著關(guān)鍵性的作用,且TGF-β呈劑量依賴性增強(qiáng)骨源性間充質(zhì)細(xì)胞向軟骨分化的作用。TGF-β還可以促進(jìn)已被募集來的成骨細(xì)胞合成I型膠原、骨連結(jié)素和骨橋蛋白,促進(jìn)基質(zhì)蛋白的沉積及成纖維細(xì)胞合成膠原及纖維結(jié)合蛋白的作用,從而有利于骨基質(zhì)的合成與積累。Chua等[19]在小鼠的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)TGF-β能誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子(VEGF)的表達(dá),通過VEGF而部分完成其促進(jìn)骨折愈合的功能。
近年來,隨著TGF-β研究的不斷深入,其在骨折愈合治療中發(fā)揮的作用日益引起人們的重視,為此,各國學(xué)者對(duì)TGF-β應(yīng)用于骨折治療進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。
盧衛(wèi)忠等[20]研究發(fā)現(xiàn)外源性TGF-β對(duì)骨折愈合有一定促進(jìn)作用,并發(fā)現(xiàn)不同給藥方式對(duì)骨折愈合作用的效果不同,以緩釋系統(tǒng)法給予TGF-β的效果較強(qiáng)。研究表明,外源性TGF-β通過局部骨膜下注射,局部微量泵泵入、基因治療等方法,可以刺激骨折局部成骨細(xì)胞的增殖,骨基質(zhì)的合成,增加骨痂量,提高骨的抗彎強(qiáng)度,由此促進(jìn)骨折的愈合。雖然有學(xué)者報(bào)道通過反復(fù)局部注射的方法成功地刺激成骨,也有學(xué)者報(bào)道與劑量和注射部位有關(guān),但是因?yàn)門GF-β的半衰期比較短(約2min),所以通過簡單的骨膜下注射的方法因效用短暫而不被廣泛接受。同時(shí)由于TGF-β是多肽物質(zhì),在體內(nèi)易擴(kuò)散或被蛋白分解,作用于靶細(xì)胞的時(shí)間受限,加之骨缺損區(qū)生物力學(xué)的要求,故需要與一種載體復(fù)合,形成緩釋系統(tǒng),增強(qiáng)成骨效應(yīng)。目前研究較多的TGF-β載體材料有膠原類、鈣磷陶瓷類、脫礦骨及凍干脫礦骨類、聚酯類、透明質(zhì)酸類、種植體類和復(fù)合類載體。
Ehrhart等[21]利用新西蘭大白兔尺骨臨界骨缺損模型驗(yàn)證明膠海綿復(fù)合TGF-β1緩釋系統(tǒng)的局部成骨作用,以觀察對(duì)術(shù)前放療造成骨延遲愈合的治療作用。該研究組發(fā)現(xiàn)復(fù)合有TGF-β1組的骨缺損中的成骨量明顯超過未復(fù)合組,放療組的成骨量與未放療組相仿,體現(xiàn)出此種明膠海綿做為TGF-β載體的優(yōu)良性能。Lee等[22]最近用膠原/殼聚糖微粒復(fù)合TGF-β1緩釋系統(tǒng)治療兔顱骨缺損,保持局部TGF-β1治療濃度4周。運(yùn)用掃描電鏡技術(shù)觀察到成骨細(xì)胞牢牢吸附在微粒上并呈現(xiàn)多層增殖,代表分化細(xì)胞功能的堿性磷酸酶活性也與對(duì)照組存在顯著性差異,表現(xiàn)出極高的成骨活性。Szivek等[23]用TGF-βl附于磷酸鈣陶瓷 (calcium phosphate ceramle,CPC)的表面,找出了骨與CPC結(jié)合時(shí)TGF-β1的最佳劑量。實(shí)驗(yàn)中用劑量為0.5mg/cm、1.0mg/cm和2.0mg/cm的TGF-βl,然后將復(fù)合體植入犬的腿部,在3、6和12周后處死實(shí)驗(yàn)動(dòng)物,測(cè)量復(fù)合體和骨的機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度,再從組織形態(tài)學(xué)進(jìn)行評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)當(dāng)TGF-βl的濃度在1.0mg/cm時(shí),復(fù)合體與骨的結(jié)合強(qiáng)度最佳。Tieline等[24]將TGF-β1加入可吸收性自攻聚乳酸骨折固定螺釘,在鼠股骨缺損處用此釘固定。對(duì)照組中無 TGF-β1。1、3、6 周后,X 線片見加 TGF-β1組釘周骨缺損處有明顯新骨形成,而對(duì)照組則無。由此表明聚乳酸螺釘亦可做為TGF-βl的緩釋載體,在固定的同時(shí),促進(jìn)骨折愈合。
合并腦外傷的骨折愈合的機(jī)制非常復(fù)雜,是由多種因子參與的相互調(diào)節(jié)、協(xié)同作用的過程,如骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)、PDGF、TGF-β、bFGF、VEGF、成纖維細(xì)胞生長因子(FGF)等。TGF-β只能作為骨折愈合過程的重要因子之一而發(fā)揮作用,其他因子作用也不能忽視,雖然人們對(duì)TGF的作用有了一定的認(rèn)識(shí),依托目前的分子生物學(xué)技術(shù)和細(xì)胞生長因子特點(diǎn),采用基因轉(zhuǎn)染、組織工程技術(shù)等,無論是基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用都取得了一些進(jìn)步,但對(duì)其在機(jī)體內(nèi)的代謝過程、釋放系統(tǒng)的調(diào)節(jié)以及各生長因子之間的相互關(guān)系尚有待進(jìn)一步探討和研究。由于TGF-β功能廣泛,全身應(yīng)用有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的不良反應(yīng),而且許多體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)結(jié)論并不一致,甚至相反,同時(shí)基因技術(shù)本身尚不成熟,因此TGF-β離臨床大規(guī)模應(yīng)用,還有很長的路要走。
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