骨形態(tài)發(fā)生蛋白與血小板衍生性生長因子在骨形成中協(xié)同作用的研究進展

羅云綱，曲露露，李美華

(吉林大學第二醫(yī)院口腔科,吉林 長春130041)

骨形態(tài)發(fā)生蛋白與血小板衍生性生長因子在骨形成中協(xié)同作用的研究進展

ProgressresearchonsynergisticeffectofBMPsandPDGFinboneformation

羅云綱，曲露露，李美華

(吉林大學第二醫(yī)院口腔科,吉林 長春130041)

骨形成是成骨細胞和破骨細胞在多種因子存在的微環(huán)境中共同作用的結(jié)果。骨損傷早期，控制骨祖細胞誘導作用的各種生物化學因素和生物生理學因素起著重要作用，然而在后期促進骨改建的各種細胞因子起主要作用。新近研究表明：各生長因子通過刺激成骨細胞的增殖及其活性，調(diào)節(jié)局部骨形成作用，然而關(guān)于生長因子在調(diào)節(jié)成骨細胞代謝中的相互作用關(guān)系尚不完全清楚。在眾多骨生長因子中，骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMPs)被公認是目前最強的骨誘導因子，而血小板衍生性生長因子(PDGF)對骨改建有雙向調(diào)節(jié)作用，因此，進一步探究BMP和PDGF及其二者在骨形成中的作用意義深遠。本文作者探索BMPs和PDGF的化學結(jié)構(gòu)及生物學作用，闡述BMP與PDGF在骨形成中協(xié)調(diào)作用的明確性和復雜性。

骨形成過程; 骨形態(tài)發(fā)生蛋白;血小板衍生性生長因子；骨缺損；骨折愈合

骨形成過程是一個從骨形態(tài)發(fā)生蛋白誘導開始，眾多骨生長因子相互協(xié)調(diào)、相互聯(lián)系的過程。每一種骨生長因子均有其復雜的作用機制，在骨形成的不同階段發(fā)揮重要作用。因此各種骨生長因子自身生物學作用及其相互作用的研究在骨形成中就顯得尤為重要[1]。目前,國內(nèi)外學者已經(jīng)對骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic proteins,BMPs)與血小板衍生性生長因子(platelet-derived growth factor,PDGF)在骨形成中的作用進行了大量研究，關(guān)于BMPs論著及綜述類文章較多，但有關(guān)PDGF與骨形成方面的報道較少，在BMPs和PDGF與骨形成方面的研究仍為空白。而且對于已經(jīng)取得成果的部分仍有很多方面尚待深入: 如關(guān)于 BMPs和PDGF相互作用的具體機制有待進一步闡明; 如何更為科學合理地聯(lián)用 BMPs和PDGF及選擇合適的載體,最大限度地發(fā)揮其協(xié)同作用促進骨缺損的修復還有待深入探討。因此本文作者從國內(nèi)外關(guān)注的熱點著手，將 BMPs和PDGF及其二者在骨形成中作用的研究做一綜述。

1 BMPs和PDGF的化學結(jié)構(gòu)及生物學作用

1.1 BMPs的化學結(jié)構(gòu)和生物學作用 BMPs是轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor β,TGF-β)超家族的一員[2]，為一類疏水性酸性多肽，相對分子質(zhì)量為18 000～50 000。目前已確定有47 種以上被分離純化[3]，廣泛存在于骨基質(zhì)中。BMP 在骨形成方面研究較多的是BMP2、BMP4和BMP7[4]。Rauch等[5]認為：BMP2、4和7 對未分化間充質(zhì)細胞向成骨細胞的分化起十分重要的作用。1965年，由Urist[6]首先發(fā)現(xiàn)將牛的脫鈣骨基質(zhì)植入鼠的肌肉中，可以誘發(fā)異位成骨。經(jīng)過長時間的研究將脫鈣骨基質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的蛋白命名為BMPs。隨后在嚙齒動物、狗、羊和人的體內(nèi)及體外實驗中均已證實BMPs 具誘導成骨的作用，無種屬特異性,具有跨種屬誘導成骨的能力[7-8]。但是BMPs 的用量和誘導時間在不同種屬間差異較大。在小鼠股部肌肉中植入0.1 mg·kg-1體質(zhì)量的BMPs,2～3 周即可出現(xiàn)軟骨,大鼠則需4～6 周。20 mg·kg-1體質(zhì)量的BMPs植入狗頸部肌肉內(nèi),8～12 周才出現(xiàn)軟骨[7]。研究者[9]提出誘導成骨三要素: 誘導刺激物BMPs、BMPs 的靶細胞——間充質(zhì)類細胞和有利于骨生長的血供環(huán)境。BMPs的主要生物學作用是誘導未分化的間充質(zhì)細胞不可逆地分化為軟骨細胞和成骨細胞,從而導致軟骨和骨的形成[10]。BMPs對已分化成熟的骨和軟骨細胞基本上無促進增殖作用，其誘導成骨過程[11]被分為趨化期、分化期、骨質(zhì)形成期和改建期，在以后的29～30 d內(nèi),新生的編織骨經(jīng)重塑后形成具有骨髓的板層骨,新骨逐漸趨于成熟[12]。尹戰(zhàn)海等[13]研究發(fā)現(xiàn)：應用BMPs 增強自體骨與單純自體骨重建股骨頭具有不同的骨形成能力，應用單純自體骨修復股骨頭骨缺損僅能發(fā)揮成骨支架的作用,而自體骨加BMPs復合移植在術(shù)后9 周即可有效地重建股骨頭內(nèi)結(jié)構(gòu)。從分子和細胞水平來說，與轉(zhuǎn)化生長因子一樣，BMPs的表達是從胚胎發(fā)育及進入成年期。BMPs的主要作用機制為[14]：促進未分化間充質(zhì)細胞和成骨前體細胞的有絲分裂，誘導成骨細胞表型的表達(增加堿性磷酸酶的活性)和對間充質(zhì)細胞和單核細胞有趨化作用。朱六龍等[15]評價了腺病毒介導的人BMP-2基因(Adv2h BMP-2) 轉(zhuǎn)染人骨髓間質(zhì)干細胞(MSCs)的誘導成骨能力。裸鼠肌內(nèi)注射后4周，Adv2h BMP-2組X線片均有異位成骨,Adv2B gal 轉(zhuǎn)染細胞組未見明顯成骨,未轉(zhuǎn)染細胞組僅有少量骨形成；組織學檢查發(fā)現(xiàn):Adv2h BMP-2 組可見典型的板層骨和骨髓腔形成,Adv2Bgal 組主要為纖維組織,未轉(zhuǎn)染組也可見散在骨小梁形成。因此，Adv2h BMP-2基因轉(zhuǎn)染可誘導人骨髓間質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cells,MSCs)成骨。BMPs在骨內(nèi)含量極少，且在體內(nèi)迅速彌散、降解。近年有學者[16]將BMPs與載體結(jié)合組成其釋放系統(tǒng)(BMPs/載體)以解決這些問題，如Urist[6]將BMPs/磷酸三鈣植入肌肉后誘導的新骨是單用BMPs 的12倍。研究[10]表明：BMPs誘導新骨形成的過程,需要某些激素和生長因子的參與。通過促進成骨細胞、軟骨細胞、成纖維細胞和血管內(nèi)皮細胞等多種細胞的增殖和分化,誘導軟骨和骨基質(zhì)的合成,從而促進骨形成。

1.2 PDGF的化學結(jié)構(gòu)和生物學活性 PDGF是相對分子質(zhì)量為28 000～35 000的多肽,是由A和B 2條多肽鏈通過二硫鍵連接組成的雜二聚體。A鏈相對分子質(zhì)量為14 000～18 000，B鏈相對分子質(zhì)量為16 000，二者有56% 的氨基酸序列相同[17-18]，高度同源?，F(xiàn)發(fā)現(xiàn)PDGF有5 種亞型，即PDGF-AA、PDGF-BB、PDGF-AB、PDGF-C 及PDGF-D[18]。PDGF受體(PDGFR)是相對分子質(zhì)量為160 000～185 000的糖蛋白，有2條鏈，其在細胞內(nèi)外均有特異性的功能區(qū)，分布在成纖維細胞、成骨細胞、軟骨細胞和神經(jīng)膠質(zhì)細胞等結(jié)締組織細胞表面[19]。PDGF是1974年被發(fā)現(xiàn)的一種刺激結(jié)締組織生長的常見肽類調(diào)節(jié)因子[20]，是在成纖維細胞、平滑肌細胞和神經(jīng)膠質(zhì)細胞刺激增殖的血小板中分離和純化得到,近幾年也觀察到其他種類的細胞如內(nèi)皮細胞、平滑肌細胞、巨噬細胞、成纖維細胞及轉(zhuǎn)化細胞均可產(chǎn)生PDGF[21-22]。PDGF廣泛存在于骨組織，在創(chuàng)傷愈合中起重要作用，稱作“創(chuàng)傷因子”。已證實血小板聚集時分泌的PDGF 在骨折愈合中起重要作用，而且PDGF 還可作為局部因子[23]調(diào)節(jié)骨重建過程。作為一種多功能的細胞因子，PDGF以自分泌和旁分泌的方式[24-25]，通過細胞表面的受體細胞傳導途徑調(diào)控細胞的增殖、分化，在許多生理和病理過程中起到重要作用。 PDGF必須與細胞膜上的相應受體結(jié)合后才能發(fā)揮其生物學效應。PDGF受體是一種跨膜糖蛋白，具有酪氨酸蛋白激酶活性，由細胞外N端與PDGF特異識別的結(jié)構(gòu)域、單鏈順序跨膜的中間疏水結(jié)構(gòu)域和細胞內(nèi)C端具有酪氨酸蛋白激酶活性的肽段結(jié)構(gòu)域組成。當受體與其配體結(jié)合后促使2個受體分子形成二聚體，激活細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域酪氨酸殘基自身磷酸化，或促使激活特殊靶蛋白的酪氨酸殘基磷酸化，從而將信號傳入細胞內(nèi)，經(jīng)級聯(lián)式放大瀑布效應調(diào)控細胞的生命活動，包括靶細胞的分裂增殖。PDGF受體由2種亞單位α及β構(gòu)成，二者與PDGF結(jié)合力相差很大，α亞單位與PDGF A鏈及B鏈有較高的親和力，而β亞單位僅與B鏈有高親和力。所以α亞單位可與PDGF-AA、PDGF-AB及PDGF-BB結(jié)合，β亞單位僅與PDGF-BB及PDGF-AB結(jié)合。PDGF在骨折愈合早期具有重要作用，低濃度時即對中性粒細胞、成纖維細胞和平滑肌細胞產(chǎn)生趨化作用，高濃度時促進細胞增殖分化。研究[26]發(fā)現(xiàn)：PDGF既可以促進骨形成又可以通過與其他生長因子等相互作用刺激骨吸收，對骨重建具有雙向調(diào)節(jié)作用。目前研究并未發(fā)現(xiàn)PDGF具有種屬特異性，人和牛骨中的PDGF 表現(xiàn)出類似的生物活性，在胚胎雞、新生小鼠及大鼠[18，23]顱蓋骨細胞培養(yǎng)中,PDGF 均可促進細胞分裂、膠原及非膠原蛋白合成[23]。Fronun等[27]發(fā)現(xiàn)：PDGF在牛骨干缺損修復中可加速骨基質(zhì)生長并提高骨密度。在兔脛骨截骨模型中一次性注射PDGF 到骨折附近,跟蹤觀察發(fā)現(xiàn)骨痂的體積與密度有明顯增加。Howes等[28]認為：只需1次局部給藥PDGF即可誘發(fā)其促進脫鈣骨誘導成骨和軟骨的作用。PDGF還可通過刺激前列腺素的合成而促進鼠顱骨的骨吸收作用。有學者[29-31]認為：PDGF 與細胞膜上相應受體結(jié)合后,可能主要通過以下3個方面的作用促使有絲分裂信號向胞內(nèi)傳遞,引起DNA 合成的增加,從而促進細胞的分裂和增殖：① 受體自動磷酸化和在酪氨酸殘基上的胞漿底物的磷酸化。受體酪氨酸激酶活化刺激受體上部分酪氨酸磷酸化[29]；②PDGF與其相應受體結(jié)合后,使膜內(nèi)磷脂酶C 活化,刺激脂醇磷脂產(chǎn)生三磷酸脂醇( IP3)和甘油三酯(DAG)。IP3主要對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)起作用,DAG 則可激活蛋白激酶C (PKC),使胞內(nèi)相關(guān)蛋白磷酸化或分解成乙酰甘油和花生四烯酸[30]；③PDGF可增加胞內(nèi)Ca2+和Na+/H+的交換,這種改變對細胞分裂很重要[31]。PDGF 可通過刺激細胞的增殖生長而增強成骨細胞的合成分泌功能。

2 BMPs和PDGF在骨形成中的協(xié)同作用

隨著對BMPs和PDGF研究的不斷深入，BMPs和PDGF的協(xié)同作用也越來越引起人們的關(guān)注。單一的BMPs和PDGF能夠刺激新骨的形成，但是不能完善骨細胞增殖和分化的全過程，二者需要彼此的相互協(xié)調(diào)，甚至能達到相得益彰的結(jié)果。

2.1 BMPs與PDGF在骨形成中協(xié)調(diào)作用的明確性 有學者[19]將牛血小板源性生長因子與豬BMPs用于家兔橈骨中段2 cm骨缺損的修復，結(jié)果顯示：術(shù)后14～18周，PDGF組和復方BMPs組的骨連接率分別為42.9%和72.4%，聯(lián)合應用PDGF和復方BMP組的骨連接率為100%，提示PDGF與BMPs在加快骨形成方面有協(xié)同作用。聯(lián)合應用BMPs和PDGF或BMPs和bFGF修復骨缺損，其新骨生成量及骨愈合率顯著增加。李菊根等[32]應用MTT法分析PDGF對鼠成骨細胞生長作用的影響，結(jié)果顯示：無論單獨應用PDGF,還是與BMPs和bFGF 聯(lián)合應用對成骨細胞的增殖均有明顯促進作用; PDGF 組與聯(lián)合應用組比較有顯著性差異,聯(lián)合應用組增殖明顯,即PDGF 與BMPs、bFGF聯(lián)合應用在成骨細胞的增殖方面有明顯的協(xié)同作用。劉浩等[33]構(gòu)建表達目的基因PDGF-β和BMP-9的重組腺病毒質(zhì)粒，轉(zhuǎn)染包裝細胞HEK293后收獲高滴度的腺病毒感染液，研究BMP-9和PDGF-β對MSCs成骨分化的協(xié)同誘導作用，結(jié)果顯示：BMP-9單獨使用具有較強的誘導干細胞成骨分化能力，PDGF單獨應用并不具有直接的誘導骨分化活性，但與BMP-9聯(lián)合應用，可在干細胞體外成骨分化過程的中后期發(fā)揮明顯的協(xié)同作用，對新骨組織形成和成骨細胞活性具有明顯的協(xié)同促進作用，最終增加新生骨組織總的數(shù)量和質(zhì)量。但在認識到BMPs與PDGF的協(xié)調(diào)作用的同時，研究者還應注意到骨形成過程的復雜性。

2.2 BMPs與PDGF在骨形成中協(xié)調(diào)作用的復雜性 骨生長因子作為有規(guī)律的有序作用的因子，其表達分泌及相互作用還受到時間與空間上的影響。應彬彬等[34]通過對BMPs和PDGF在下頜牽張成骨中的表達模式及生物學意義的研究表明：2種生長因子雖然均參與了機械應力刺激新骨生長的細胞和分子生物學行為,但作用時間可能存在差異; BMPs主要參與牽張早期的細胞分化和增殖活動,而PDGF 對牽張早期成骨和后期的骨改建活動均有調(diào)節(jié)作用。

綜上所述，PDGF和BMPs的協(xié)同作用雖然通過多種途徑實現(xiàn)，但PDGF和BMPs的協(xié)同作用是肯定的。因此研究者需要進一步了解二者的時序作用規(guī)律,從各個角度充分認識BMPs和PDGF，做到在臨床應用中有的放矢，充分發(fā)揮其協(xié)同作用，做到合理有效的利用。

[1] 王林紅，鄭園娜.全反式維甲酸與骨形態(tài)發(fā)生蛋白的聯(lián)合成骨作用研究進展[J].口腔生物醫(yī)學，2012，3(4)：208-211.

[2] Yamaguchi A.Application of BMP to bone repair[J].Clin Calcium,2007,17(2):263-269.

[3] Chubinskaya S,Kuettner KE.Regulation of osteogenic proteins by chondrocytes[J].Int J Biochem Cell Biol,2003,35(9):1323-1340.

[4] Axelrad TW，Einhorn TA．Bone morphogenetic proteins in orthopaedic surgery[J]．Cytokine Growth Factor Rev，2009，5(6): 481-488．

[5] Rauch F,Lauzier D,Croteau S,et al.Temporal and spatial expression of bone morphogenetic protein-2,-4,and-7 during distraction osteogenesis[J].Bone,2000,26(6):611-617.

[6] Urist MR.Bone: formation by autoinduction[J].Science,1965,150(698): 893-899.

[7] 孫玉鵬,張皖清.生長因子與骨愈合[J].中華骨科雜志,1997,17(4):265-267.

[8] Kloos DU,Choi C,Wingender E.The TGF-beta-Smad network : introducing bioinformatic tools[J].Trends Genet,2002,18(2):96-103.

[9] 王 陽.骨折愈合相關(guān)因素的研究進展[J].中國矯形外科雜志,2012，20(8)：724-726.

[10]Valdes MA，Thakur NA，Namdari S，et al． Recombinant bone morphogenic protein-2 in orthopaedic surgery：a review [J].Arch Orthop Trauma Surg，2009，129(12)：1651-1657.

[11]Kawasaki K,Aihara M,Honmo J,et al.Effects of recombinant human bone morphogenetic protein -2 on differentiation of cells isolated from human bone,muscle,and skin[J].Bone,1998,23(3):223-231.

[12]Wang EA,Rosen V,Cordes P,et al.Purification and characterization of other distinct bone inducing factors [J].Proc Nat l Acad Sci USA,1988,8(5):94-98.

[13]尹戰(zhàn)海,王坤正,張沈榮,等.骨形成蛋白增強自體骨修復股骨頭骨缺損的研究[J].中國修復重建外科雜志,2002,16(2):93-96.

[14]褚 萌.牙槽骨修復再生技術(shù)的研究進展[J].臨床口腔醫(yī)學雜志,2007,23(12):757-759.

[15]朱六龍,戴克戎.骨形成蛋白22 基因轉(zhuǎn)染人骨髓間質(zhì)干細胞誘導異位成骨的實驗研究[J].中國修復重建外科雜志,2003,17(2):131-135.

[16]Tamura S，Kataoka H，Matsui Y，et al． The effects of transplantation of osteoblastic cells with bone morphogenetic protein (BMP) /carrier complex on bone repair[J].Bone，2001，2(2): 169-175．

[17]Horner A,Bord S,Kemp P，et al.Distribution of platelet derived growth f act or( PDGF) A chain mRNA,protein,and PDGF alpha receptor in rapidly forming human bone[J].Bone,1996,19(4):353-362.

[18]孫玉鵬,張皖清.生長因子與骨愈合[J].中華骨科雜志,1997,17(4)：265-267.

[19]王 琪,茍三懷.血小板源性生長因子在骨折愈合中的作用[J].國外醫(yī)學:骨科學分冊,2003,24(4)： 207-209.

[20]王強慶,王潔蕊.血小板衍生生長因子在骨折愈合及惡性腫瘤中表達的研究進展[J].中國煤炭工業(yè)醫(yī)學雜志,2013,16(2):339-341.

[21]Fiedler J,Roderer G,Gunther KP,et al.BMP-2,BMP-4 and PDGF-BB stimulate chemotactiemigration of primary human mesenchymal progenitorcells[J].J Cell Biochem,2002,87(3):305-312.

[22]Lind M.Growth factor stimulation of bone healing effects on osteo blast,osteomies,and implants fix ation[J].Acta Orthop Scand Suppl,1998(283): 2-37.

[23]Khan SN,Bostrom MP,Lane JM.Bone growth factors[J].Orthop Clin North Am,2000,31(3):375-388.

[24]Horner A,Born D,Kemp P,et al.Distribution of platelet-derived growth factor (PDGF) A chain mRNA,and PDGF-a receptor in rapidly forming human bone[J].Bone,1996,19(4):353-362.

[25]Andrew JG,Hoyland JA,Marsh DR.Platelet-derived growth factor expression in normally healing human fractures[J].Bone,1995,16(4):455-464.

[26]Moore DC，Ehrlich MG，McAllister SC，et al． Recombinant human platelet-derived growth factor-BB augmentation of new-bone formation in a rat model of distraction osteogenesis[J]．Bone Joint Surg Am，2009，91(8):1973-1984．

[27]Fronun SJ,Wallale S,Tarnow D.Effect of platelet-rich plasma on bone growth[J].Int J Periondontics Restorative Dent,2002,22(1):45-53.

[28]Howes R,Bowness JM,Grotendorst GR,et al.Platelet-derived growth factor enchance demineralized bone metrix induced cartilage bone formation[J].Calxif Tissue Int,1998,42(1):34-38.

[29]Matuoka K,Fukami K,Nakanishi D,et al.Mitogenesis in response to PDGF and bombesin abolished by micro injection of antibody to PIP2[J].Science,1988,239(4840):640-643.

[30]Kelly JD.Haldeman BA,Grant FJ,et al.PDGF stimulates PDGF Teceptor subunit dimerization and intersubunit transphosphorylation[J].Biol Chem,1991,266(4):87-89.

[31]Gestenfeld LC,Chipman SD,Glowacki J,et al.Expression of differential function bym ineralization culture of chicken osteoblast[J].Dev Biol,1987，122(1):49-55.

[32]李菊根,陳建庭,金大地.MTT法分PDGF對鼠成骨細胞生長作用的影響[J].第一軍醫(yī)大學學報，1998，18(3)：231-233.

[33]劉 浩,張聞力.pdgf促進BMP-9誘導的間充質(zhì)干細胞成骨分化的實驗研究[A].第六屆西部骨科論壇暨貴州省骨科年會論文匯編[C].貴州：貴陽，2010：138-139.

[34]應彬彬,胡 靜,鄒淑娟,等.Bmp與pdgf在兔下頜牽張后新骨組織中的時空表達[J].現(xiàn)代口腔醫(yī)學雜志,2003,17(5):392-394.

1671-587Ⅹ(2013)05-1085-04

10.7694/jldxyxb20130546

2013-04-10

吉林省科技廳基礎處面上項目資助課題 (201115097)；吉林省衛(wèi)生廳基礎研究項目資助課題(20115023)

羅云綱(1971-)，男，吉林省長春市人，副教授，口腔醫(yī)學博士，主要從事口腔牙周病方面的研究。

李美華(Tel：0431-88796882，E-mail：meihl_699@163.com)

R336

A