成骨細胞骨形成機制研究

成骨細胞骨形成機制研究骨不斷地進行側重建，骨重建經過包含破骨細胞貼附在舊骨區(qū)域，分泌酸性物質溶解礦物質，分泌蛋白酶消化骨基質，構成骨吸收陷窩；其后，成骨細胞移行至被吸收部位，分泌骨基質，骨基質礦化而構成新骨。破骨與成骨經過的平衡是維持正常骨量的關鍵。成骨細胞是骨構成的重要功能細胞，負責骨基質的合成、分泌和礦化。當前，隨著研究的不斷深切進入，在骨構成經過中，成骨細胞發(fā)展及其調控的分子機制也逐步得以揭示。1成骨細胞的起源成骨細胞起源于多能的骨髓基質的間質細胞，除成骨細胞外，基質細胞還可分化成軟骨細胞，成纖維細胞，脂肪細胞或肌細胞。成骨細胞來源譜系有下面幾種：(1)骨髓克隆構成單位(成纖維細胞集落構成單位，cfu-f)；(2)骨祖細胞，可分化成前成骨細胞和前軟骨細胞譜系，常位于骨髓腔中，有很強的本身增殖能力；(3)前成骨細胞，即近期的成骨前體，能定向分化成成骨細胞，具有合成和增殖能力［1，2］。成骨細胞由多能的間質干細胞在體內的各種調控因素的調節(jié)下發(fā)展而來，調控因素重要有bmp-2，bmp-2能誘導基質細胞向成骨細胞分化，詳細就是誘導間質干細胞分化構成骨祖細胞進而構成前成骨細胞［3］。2成骨細胞發(fā)展階段及骨構成機制成骨細胞在骨構成經過中要經歷成骨細胞增殖，細胞外基質成熟、細胞外基質礦化和成骨細胞凋亡四個階段。許多因素可調節(jié)這幾個階段，進而最終調控骨構成。成骨細胞增殖期成骨細胞數(shù)量增長，以構成多層細胞，并合成、分泌ⅰ型膠原以便最終能夠礦化構成骨結節(jié)。對成骨細胞增殖的調控詳細說來即是對細胞周期的調控，后者包含細胞在有絲分裂原作用下復制dna和細胞分裂的調節(jié)機制，典型的成骨細胞細胞周期時間為20～24小時［4］。抑制與細胞周期調節(jié)相關的基因會導致增殖的停止。與增殖激活有關的基因有c-myc、c-fos、c-jun；與細胞周期有關的基因有組蛋白、細胞周期素基因。在顱蓋骨分骨細胞培養(yǎng)中觀察到細胞從顱蓋骨中分離后很快即出現(xiàn)最高水平的c-fosmrna表達，比c-myc和h4組蛋白基因表達早很多。c-mycmrna常在1天后表達到達高峰，h4組蛋白基因表達伴隨細胞內dna合成，與增殖親密相關［5］。c-fos、c-jun基因表達在增殖晚期明顯下調，同時伴隨成骨細胞增殖減慢，細胞由增殖期進入分化期。c-fos對成骨細胞增殖的作用在體內實驗中也得到證明，如在人的長骨與胚胎骨生長旺盛的區(qū)域c-fos原癌基因高表達。另有報道，c-fos高表達的小鼠中骨構成也會增長，這些均證明c-fos與成骨細胞增殖有關。而且c-fos與c-jun編碼的蛋白質c-fos,c-jun能構成異二聚體，作為轉錄因子結合到基因啟動子區(qū)的ap-1位點，已觀察到在增殖的成骨細胞中有很高的ap-1結合活性，而在增殖下調后，這種高活性也明顯改變，這說明原癌基因可能通過c-fos/c-jun復合物來調節(jié)細胞增殖［2］。在成骨細胞增殖期，同時還能表達的基因有表皮生長因子(fgf)、胰島素樣生長因子(igf)、轉化生長因子β(tgfβ)、ⅰ型膠原、纖維連接素(fibronectin)等基因［6］。在細胞增殖晚期，與細胞周期與細胞增殖相關的基因表達下降，而編碼細胞外基質成熟的蛋白的基因開始表達，在分化早期重要是堿性磷酸酶表達，因而堿性磷酸酶被以為是細胞外基質成熟的早期標記，akpmrna表達此時可增長10倍以上。有學者用羥基脲抑制成骨細胞增殖，參加羥基脲1小時后觀察到dna合成和h4組蛋白mrna下降90%，與此同時，akpmrna增長4倍，證明增殖下調可提早誘導akpmrna表達［5，7］。成骨細胞分泌akp和鈣鹽結晶體至細胞外基質中，akp使部分磷酸含量增高，促使基質礦化。在細胞外基質成熟期，膠原繼續(xù)合成并互相交聯(lián)、成熟。在成骨細胞分化晚期，當培養(yǎng)細胞進入礦化期，細胞內的akp活性下降，而與細胞外基質中羥磷灰石沉積相關的基因表達到達高峰，如骨橋蛋白(osteopontin)、骨鈣素、骨唾液酸蛋白(bonesialoprotein)基因。骨鈣素等非膠原蛋白分泌至細胞外基質中，與鈣、磷結合，然后，沿膠原分子的長軸，鈣和磷結合到膠原分子的側鏈的膠原氨基酸殘基上，構成羥磷灰石結晶。在用羥基脲抑制增殖的實驗中同時可觀察到，與akp不同，骨鈣素，骨橋蛋白的mrna表達不因增殖抑制而增長，證明它們與增殖無關而可能與礦化基質中成骨細胞分化有關。owen在體外實驗中進一步觀察β-磷酸甘油(β-gp)對骨鈣素產生的影響，β-gp是羥磷灰石構成的原料，能被akp迅速水解，釋放出無機磷。假如培養(yǎng)中沒有β-gp時，即便細胞通過細胞外基質成熟期進入礦化階段，骨鈣素基因也不能表達，說明在沒有礦物質沉積時不能表達礦化階段的基因［5］。體外培養(yǎng)的成骨細胞在骨礦化期骨鈣素高度增長，此后，骨鈣素逐步降低，與此同時，可觀察到膠原酶增長，成骨細胞開始凋亡，并出現(xiàn)代償性細胞增殖和膠原合成［8］。3成骨細胞性骨構成的調控機制成骨細胞在產生、發(fā)展的各個階段均需借助于精細的調控，以最終完成正常的骨構成。已經知道許多全身激素和骨組織部分調節(jié)因子都對成骨細胞發(fā)揮作用并影響成骨細胞發(fā)展的各個階段，調節(jié)成骨細胞功能。已經知道的全身激素如甲狀旁腺激素(pth)、甲狀旁腺激素相關肽(pthrp)、1，25-二羥維生素d3［1，25(oh)2d3］、降鈣素(ct)、糖皮質激素、生長激素、甲狀腺激素、性激素等對骨構成均有影響。而近年來，骨組織部分調節(jié)因子對骨構成所起的作用尤受看重。3.1胰島素樣生長因子(igfs)igfs是骨細胞中含量最豐富的生長因子，對成骨細胞功能起主要的調節(jié)作用，當前已經知道的igf重要為igf-ⅰ和igf-ⅱ，igf-ⅰ、igf-ⅱ由骨細胞生成并儲存于骨中，在骨吸收時從骨中釋放出來；成骨細胞在骨吸收時也能分泌增長量的igfs，以自分泌方式發(fā)揮作用，刺激成骨細胞增殖和分化；另外由破骨細胞產生的igfs以旁分泌方式作用于成骨細胞。由于igf對骨構成有很強的促進作用，因而igfs在骨吸收時大量增長介導了骨吸收和骨構成之間的偶聯(lián)作用，使骨吸收后骨構成增長［9］，有利于骨重建的正常進行。igf-ⅰ、igf-ⅱ對成骨細胞的作用基本類似，但igf-ⅱ作用較igf-ⅰ弱。igf-ⅰ、ⅱ在成骨細胞培養(yǎng)中均可刺激成骨細胞的增殖和ⅰ型膠原的生成，且與劑量有相關性，同時igfs還可刺激堿性磷酸酶活性以及骨鈣素的產生［10］。離體實驗顯示igf-ⅰ、igf-ⅱ促進鼠成骨細胞原癌基因c-fos的表達，后者可能在誘導成骨細胞增殖中起主要作用。不僅如此，igfs還能介導全身激素如糖皮質激素、pth、1，25(oh)2d3、雌激素及機械壓力對成骨細胞增殖和分化的作用。另外igfs與其他生長因子產生協(xié)同作用，共同刺激成骨細胞增殖和分化。骨組織中igf受其本身合成，igf受體數(shù)目及其親和力、igfbps等調節(jié)［9，11］。tgfβ也能調節(jié)igf-ⅰ表達，tgfβ增長人成骨細胞igf-ⅰ表達，而抑制鼠成骨細胞的igf-ⅰ表達。igfs為小蛋白，在血循環(huán)中半衰期很短，igfs在體內與胰島素樣生長因子結合蛋白(igfbps)結合后半衰期延長許多。骨組織存在6種構造相關的igfbps，igfbps可調節(jié)igf作用。骨中igfbp1-6除igfbp-1外，其余均由成骨細胞產生，igfbp-3、igfbp-5可促進igf對成骨細胞的刺激作用。而其他igfbps尤其是igfbp-4阻攔igfs結合到胰島素樣生長因子受體(igfr)上，抑制igf活性。許多因素可調節(jié)igfbps產生，進而影響骨構成。骨細胞中，igfs能調節(jié)igfbps水平，使igfbp-4減少而igfbp-5增長。tgfβ減少igfbp-4mrna表達，同時顯著增長igfbp-4蛋白分解。在saos-2細胞系中，pth加強igfbp-4的結合活性及抑制igfbp-4蛋白酶活性，進而對成骨細胞產生抑制造用，而雌二醇能夠消除pth的這些作用。除此之外，皮質激素能抑制igfbp-5表達而1，25(oh)2d3刺激igfbp-4表達進而二者均抑制成骨細胞增殖［9，12］。3.2轉化生長因子(tgfβ)tgfβ超家族包含tgfβs，骨形態(tài)蛋白2-7(bmps2-7)，肌動蛋白(actin)，抑制素(inhibitin)。tgfβ合成初期是一種無活性的大分子復合物。骨基質中有大量的無活性tgfβ，當ph降低或纖溶酶及組織蛋白酶激活時，可使無活性的tgfβ活化。骨組織中骨吸收區(qū)ph值較低，可使tgfβ活化，由于tgfβ對成骨細胞骨構成產生重要影響，因而tgfβ能夠調節(jié)骨吸收區(qū)新骨的構成。tgfβ對骨構成作用很復雜。在體外培養(yǎng)中tgfβ能夠抑制或刺激成骨細胞增殖。這些矛盾的結果部分由于各個實驗中所使用的tgfβ濃度，細胞密度，細胞來源不同［13］。tgfβ刺激非轉化的成骨細胞dna合成及細胞增殖，同時，tgfβ誘導c-fos原癌基因表達，而用c-fos反義mrna能阻斷tgfβ的致有絲分裂作用，證明c-fos表達在tgfβ誘導的成骨細胞增殖中有主要意義。當前，對tgfβ對成骨細胞分化功能的影響存在不同的結論，有報道，在原代成骨細胞培養(yǎng)中，tgfβ抑制akp和骨鈣素的合成。但另有學者報道，tgfβ能夠明顯促進細胞外基質的合成，刺激膠原、骨連接素(osteonectin)和骨橋蛋白合成，增長骨基質沉積率［14］。另外，tgfβ1減少膠原酶轉錄并加速膠原酶mrna降解，這有利于維持骨中的膠原基質。在體實驗中，實驗動物承受tgfβ2系統(tǒng)性治療能使其小梁骨的構成增長，而且在鼠股骨骨膜下打針tgfβ1和tgfβ2也能促使骨發(fā)生［15］。這些均證明tgfβ對骨構成起主要作用。tgfβ在人骨中的量隨年齡增長而下降。體外研究中發(fā)現(xiàn)1，25(oh)2d3、e2能夠增長鼠成骨細胞tgfβ產量。1，25(oh)2d3并能調節(jié)tgfβ受體表達。在人成骨細胞中，睪酮和pth同樣能增長tgfβ產量，除此之外，bmp-2也能增長tgfβ表達，而且tgfβ可本身誘導tgfβ表達［9］。3.3骨形態(tài)蛋白(bmps)bmps是tgfβ超家族成員，具有刺激成骨的作用。bmp可由成骨細胞產生，產生的bmp重要與骨基質結合，很少釋放到骨外。bmp的重要生物學作用是誘導未分化的間質細胞分化構成軟骨和新生骨，前面已提到，bmp-2誘導成骨細胞的前體細胞分化成成骨細胞。在mc3t3-e1小鼠成骨樣細胞培養(yǎng)中，bmp能增長akp活性和膠原合成，但對成骨細胞增殖不起作用［2］。在鼠骨肉瘤ros17/2.8細胞系培養(yǎng)中，bmp-7抑制細胞增殖，而在人成骨細胞培養(yǎng)中，bmp-7刺激細胞增殖。bmps與其他生長因子互相作用，共同誘導新骨構成，如tgfβ、vitd可使bmp-2增長。糖皮質激素促進bmp-2、bmp-4對成骨細胞分化的誘導作用并在分化早期促進bmp-6合成，bmp-6在成骨細胞分化早期有主要作用，它介導糖皮質激素誘導的成骨細胞分化。bmps對其他生長因子的影響表如今bmp-2增長大鼠成骨細胞igf-ⅰ、igf-ⅱ，bmp-4增長單核細胞tgfβ，而bmp-7能增長igf-ⅱ型受體的數(shù)量和減少igfbp-4的產生及增長igfbp-3、-5的產生。bmps通過調節(jié)這些生長因子而誘導成骨作用［9，16，17］。3.4白細胞介素1(il-1)il-1由單核巨噬細胞和骨髓基質細胞產生，可自分泌、旁分泌發(fā)揮作用。現(xiàn)已證明，它不僅對破骨細胞性骨吸收有明顯促進作用，而且它還能影響成骨細胞性骨構成。il-1對成骨細胞增殖有促進作用，而它對成骨細胞分化的作用比較復雜，不同的研究結果顯示，il-1能夠刺激或抑制膠原合成、akp活性和骨鈣素合成。實驗結果的不同是由于實驗中所采取成骨細胞培養(yǎng)方法、細胞密度、il-1劑量和il-1處理時間、方式的不同［2］。近期，shadman用大鼠骨髓基質細胞進行實驗，觀察到il-1短暫作用于成骨細胞時，骨結節(jié)構成增長且呈劑量依靠性；而il-1較長時間作用于成骨細胞時可產生雙向作用，低劑量增長骨結節(jié)構成，而較高劑量對骨結節(jié)形成不產生影響或產生抑制造用。不僅如此，il-1對骨構成的作用也與細胞密度有關，抑制造用只在采取最高的細胞密度接種時出現(xiàn)。在體實驗研究表示清楚，間斷打針il-1導致骨吸收的短暫增長，而隨后伴隨較長時間的骨構成增長［2，6，18］。il-1的產生受全身激素的調控，雌激素能抑制成骨細胞分泌il-1，而1，25(oh)2d3作用于成骨細胞使其產生il-1增長［19］。3.5腫瘤壞死因子α(tnfα)tnfα是17kda的細胞因子，由破骨細胞樣細胞及成骨細胞合成?，F(xiàn)已證明tnfα能夠直接作用于成骨細胞，對其增殖、分化產生影響。tnfα對成骨細胞的作用較復雜，tnfα在非轉化的成骨細胞系中能刺激dna合成，而在大鼠骨肉瘤細胞系(ros17/2.8)培養(yǎng)中，tnfα不影響dna合成或在低劑量時抑制dna合成。近期，frost在人成骨細胞(hobs)培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)，tnfα低劑量時刺激成骨細胞增殖，而在高劑量時抑制增殖。如今，學者們在tnfα對成骨細胞分化的作用的研究結果比較統(tǒng)一，均以為tnfα抑制膠原合成、akp活性和骨鈣素合成［2，19，20］。tnfα在骨組織中產生的調控也與il-1有類似之處。e2可抑制tnfα的產生，而1，25(oh)2d3則促進tnfα基因轉錄，增長tnfα構成［19］。這些全身激平素通過調控骨組織中的細胞因子產生進而調節(jié)骨構成。除以上部分因子外，其他因子如表皮生長因子(egf)、tgfα、血小板源性生長因子(pdgf)及一氧化氮等均對骨構成有明顯作用。以下為參考文獻1rrow,med,1995,332:305.2zhengmh,wooddj,′snewintheroleofcrespract,1992,188:1104.3thiesrs,bauduym,ashtonba,inanthumanbonemorphogeneticprotein-2inducesosteoblasticdifferentiationinw-20-17strinology,1992,130:1318.4mccabelr,lasttj,lianjb,sionofcellgrowthandbonephenotypicgenesduringthecellcycleof