成骨細(xì)胞骨形成機(jī)制研究
成骨細(xì)胞骨形成機(jī)制研究成骨細(xì)胞骨形成機(jī)制研究 發(fā)布時(shí)間: 2003-1-14 作者:童安莉 陳璐璐、丁桂芝 骨不斷地進(jìn)行著重建,骨重建過程包括破骨細(xì)胞貼附在舊骨區(qū)域,分泌酸性物 質(zhì)溶解礦物質(zhì),分泌蛋白酶消化骨基質(zhì),形成骨吸收陷窩;其后,成骨細(xì)胞移行至 被吸收部位,分泌骨基質(zhì),骨基質(zhì)礦化而形成新骨。破骨與成骨過程的平衡是維持 正常骨量的關(guān)鍵。成骨細(xì)胞是骨形成的主要功能細(xì)胞,負(fù)責(zé)骨基質(zhì)的合成、分泌和 礦化。目前,隨著研究的不斷深入,在骨形成過程中,成骨細(xì)胞發(fā)展及其調(diào)控的分 子機(jī)制也逐漸得以揭示。
1 成骨細(xì)胞的起源
成骨細(xì)胞起源于多能的骨髓基質(zhì)的間質(zhì)細(xì)胞,除成骨細(xì)胞外,基質(zhì)細(xì)胞還可分 化成軟骨細(xì)胞,成纖維細(xì)胞,脂肪細(xì)胞或肌細(xì)胞。成骨細(xì)胞來源譜系有以下幾種: (1)骨髓克隆形成單位(成纖維細(xì)胞集落形成單位,CFU-F);(2)骨祖細(xì)胞,可分化 成前成骨細(xì)胞和前軟骨細(xì)胞譜系,常位于骨髓腔中,有很強(qiáng)的自身增殖能力;(3) 前成骨細(xì)胞,即最近的成骨前體,能定向分化成成骨細(xì)胞,具有合成和增殖能力[ 1,2]。成骨細(xì)胞由多能的間質(zhì)干細(xì)胞在體內(nèi)的各種調(diào)控因素的調(diào)節(jié)下發(fā)展而來, 調(diào)控因素主要有BMP-2,BMP-2能誘導(dǎo)基質(zhì)細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化,具體就是誘導(dǎo)間質(zhì) 干細(xì)胞分化形成骨祖細(xì)胞進(jìn)而形成前成骨細(xì)胞[3]。
2 成骨細(xì)胞發(fā)展階段及骨形成機(jī)制
成骨細(xì)胞在骨形成過程中要經(jīng)歷成骨細(xì)胞增殖,細(xì)胞外基質(zhì)成熟、細(xì)胞外基質(zhì) 礦化和成骨細(xì)胞凋亡四個(gè)階段。很多因素可調(diào)節(jié)這幾個(gè)階段,從而最終調(diào)控骨形成 。 成骨細(xì)胞增殖期成骨細(xì)胞數(shù)量增加,以形成多層細(xì)胞,并合成、分泌Ⅰ型膠原 以便最終可以礦化形成骨結(jié)節(jié)。對(duì)成骨細(xì)胞增殖的調(diào)控具體說來即是對(duì)細(xì)胞周期的 調(diào)控,后者包括細(xì)胞在有絲分裂原作用下復(fù)制DNA和細(xì)胞分裂的調(diào)節(jié)機(jī)制,典型的 成骨細(xì)胞細(xì)胞周期時(shí)間為20~24小時(shí)[4]。抑制與細(xì)胞周期調(diào)節(jié)相關(guān)的基因會(huì)導(dǎo) 致增殖的停止。與增殖激活有關(guān)的基因有c-myc、c-fos、c-jun;與細(xì)胞周期有關(guān) 的基因有組蛋白、細(xì)胞周期素基因。在顱蓋骨分骨細(xì)胞培養(yǎng)中觀察到細(xì)胞從顱蓋骨 中分離后很快即出現(xiàn)最高水平的c-fos mRNA表達(dá),比c-myc和H4組蛋白基因表達(dá)早 許多。c-myc mRNA常在1天后表達(dá)達(dá)到高峰,H4組蛋白基因表達(dá)伴隨細(xì)胞內(nèi)DNA合成 ,與增殖密切相關(guān)[5]。c-fos、c-jun基因表達(dá)在增殖晚期明顯下調(diào),同時(shí)伴隨 成骨細(xì)胞增殖減慢,細(xì)胞由增殖期進(jìn)入分化期。c-fos對(duì)成骨細(xì)胞增殖的作用在體 內(nèi)實(shí)驗(yàn)中也得到證實(shí),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(dá)。另有報(bào)道,c-fos高表達(dá)的小鼠中骨形成也會(huì)增加,這些均證明c-fos與成骨細(xì) 胞增殖有關(guān)。而且c-fos與c-jun編碼的蛋白質(zhì)c-fos,C-jun能形成異二聚體,作為 轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合到基因啟動(dòng)子區(qū)的AP-1位點(diǎn),已觀察到在增殖的成骨細(xì)胞中有很高的 AP-1結(jié)合活性,而在增殖下調(diào)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(fù)合物來調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖[2]。在成骨細(xì)胞增殖期,同時(shí)還能表達(dá)的 基因有表皮生長因子(FGF)、胰島素樣生長因子(IGF)、轉(zhuǎn)化生長因子β(TGFβ)、 Ⅰ型膠原、纖維連接素(fibronectin)等基因[6]。 在細(xì)胞增殖晚期,與細(xì)胞周期與細(xì)胞增殖相關(guān)的基因表達(dá)下降,而編碼細(xì)胞外 基質(zhì)成熟的蛋白的基因開始表達(dá),在分化早期主要是堿性磷酸酶表達(dá),因此堿性磷 酸酶被認(rèn)為是細(xì)胞外基質(zhì)成熟的早期標(biāo)志,AKP mRNA表達(dá)此時(shí)可增加10倍以上。有 學(xué)者用羥基脲抑制成骨細(xì)胞增殖,加入羥基脲1小時(shí)后觀察到DNA合成和H4組蛋白m RNA下降90%,與此同時(shí),AKP mRNA增加4倍,證明增殖下調(diào)可提前誘導(dǎo)AKPmRNA表達(dá) [5,7]。成骨細(xì)胞分泌AKP和鈣鹽結(jié)晶體至細(xì)胞外基質(zhì)中,AKP使局部磷酸含量增 高,促使基質(zhì)礦化。在細(xì)胞外基質(zhì)成熟期,膠原繼續(xù)合成并相互交聯(lián)、成熟。 在成骨細(xì)胞分化晚期,當(dāng)培養(yǎng)細(xì)胞進(jìn)入礦化期,細(xì)胞內(nèi)的AKP活性下降,而與 細(xì)胞外基質(zhì)中羥磷灰石沉積相關(guān)的基因表達(dá)達(dá)到高峰,如骨橋蛋白(osteopontin) 、骨鈣素、骨唾液酸蛋白(bone sialoprotein)基因。骨鈣素等非膠原蛋白分泌至 細(xì)胞外基質(zhì)中,與鈣、磷結(jié)合,然后,沿膠原分子的長軸,鈣和磷結(jié)合到膠原分子 的側(cè)鏈的膠原氨基酸殘基上,形成羥磷灰石結(jié)晶。在用羥基脲抑制增殖的實(shí)驗(yàn)中同 時(shí)可觀察到,與AKP不同,骨鈣素,骨橋蛋白的mRNA表達(dá)不因增殖抑制而增加,證 明它們與增殖無關(guān)而可能與礦化基質(zhì)中成骨細(xì)胞分化有關(guān)。Owen在體外實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一 步觀察β-磷酸甘油(β-GP)對(duì)骨鈣素產(chǎn)生的影響,β-GP是羥磷灰石形成的原料, 能被AKP迅速水解,釋放出無機(jī)磷。如果培養(yǎng)中沒有β-GP時(shí),即使細(xì)胞通過細(xì)胞外 基質(zhì)成熟期進(jìn)入礦化階段,骨鈣素基因也不能表達(dá),說明在沒有礦物質(zhì)沉積時(shí)不能 表達(dá)礦化階段的基因[5]。 體外培養(yǎng)的成骨細(xì)胞在骨礦化期骨鈣素高度增加,此后,骨鈣素逐漸降低,與 此同時(shí),可觀察到膠原酶增加,成骨細(xì)胞開始凋亡,并出現(xiàn)代償性細(xì)胞增殖和膠原 合成[8]。
3 成骨細(xì)胞性骨形成的調(diào)控機(jī)制
成骨細(xì)胞在產(chǎn)生、發(fā)展的各個(gè)階段均需借助于精細(xì)的調(diào)控,以最終完成正常的 骨形成。已知很多全身激素和骨組織局部調(diào)節(jié)因子都對(duì)成骨細(xì)胞發(fā)揮作用并影響成 骨細(xì)胞發(fā)展的各個(gè)階段,調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞功能。已知的全身激素如甲狀旁腺激素(PT H)、甲狀旁腺激素相關(guān)肽(PTHrp)、1,25-二羥維生素D3[1,25(OH)2D3]、降鈣 素(CT)、糖皮質(zhì)激素、生長激素、甲狀腺激素、性激素等對(duì)骨形成均有影響。而近 年來,骨組織局部調(diào)節(jié)因子對(duì)骨形成所起的作用尤受重視。
3.1 胰島素樣生長因子(IGFs) IGFs是骨細(xì)胞中含量最豐富的生長因子,對(duì)成骨細(xì)胞功能起重要的調(diào)節(jié)作用, 目前已知的IGF主要為IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ,IGF-Ⅰ、IGF-Ⅱ由骨細(xì)胞生成并儲(chǔ)存于骨 中,在骨吸收時(shí)從骨中釋放出來;成骨細(xì)胞在骨吸收時(shí)也能分泌增加量的IGFs,以 自分泌方式發(fā)揮作用,刺激成骨細(xì)胞增殖和分化;另外由破骨細(xì)胞產(chǎn)生的IGFs以旁 分泌方式作用于成骨細(xì)胞。因?yàn)镮GF對(duì)骨形成有很強(qiáng)的促進(jìn)作用,因此IGFs在骨吸 收時(shí)大量增加介導(dǎo)了骨吸收和骨形成之間的偶聯(lián)作用,使骨吸收后骨形成增加[9 ],有利于骨重建的正常進(jìn)行。IGF-Ⅰ、IGF-Ⅱ?qū)Τ晒羌?xì)胞的作用基本相似,但I(xiàn) GF-Ⅱ作用較IGF-Ⅰ弱。IGF-Ⅰ、Ⅱ在成骨細(xì)胞培養(yǎng)中均可刺激成骨細(xì)胞的增殖和 Ⅰ型膠原的生成,且與劑量有相關(guān)性,同時(shí)IGFs還可刺激堿性磷酸酶活性以及骨鈣 素的產(chǎn)生[10]。離體實(shí)驗(yàn)顯示IGF-Ⅰ、IGF-Ⅱ促進(jìn)鼠成骨細(xì)胞原癌基因c-fos的 表達(dá),后者可能在誘導(dǎo)成骨細(xì)胞增殖中起重要作用。不僅如此,IGFs還能介導(dǎo)全身 激素如糖皮質(zhì)激素、PTH、1,25(OH)2D3、雌激素及機(jī)械壓力對(duì)成骨細(xì)胞增殖和分 化的作用。另外IGFs與其他生長因子產(chǎn)生協(xié)同作用,共同刺激成骨細(xì)胞增殖和分化 。骨組織中IGF受其自身合成,IGF受體數(shù)目及其親和力、IGFBPs等調(diào)節(jié)[9,11] 。TGFβ也能調(diào)節(jié)IGF-Ⅰ表達(dá),TGFβ增加人成骨細(xì)胞IGF-Ⅰ表達(dá),而抑制鼠成骨細(xì) 胞的IGF-Ⅰ表達(dá)。 IGFs為小蛋白,在血循環(huán)中半衰期很短,IGFs在體內(nèi)與胰島素樣生長因子結(jié)合 蛋白(IGFBPs)結(jié)合后半衰期延長很多。骨組織中共存在6種結(jié)構(gòu)相關(guān)的IGFBPs,IG FBPs可調(diào)節(jié)IGF作用。骨中IGFBP1-6除IGFBP-1外,其余均由成骨細(xì)胞產(chǎn)生,IGFBP -3、IGFBP-5可促進(jìn)IGF對(duì)成骨細(xì)胞的刺激作用。而其他IGFBPs尤其是IGFBP-4阻止 IGFs結(jié)合到胰島素樣生長因子受體(IGFR)上,抑制IGF活性。很多因素可調(diào)節(jié)IGFB Ps產(chǎn)生,從而影響骨形成。骨細(xì)胞中,IGFs能調(diào)節(jié)IGFBps水平,使IGFBP-4減少而 IGFBP-5增加。TGFβ減少IGFBP-4mRNA表達(dá),同時(shí)顯著增加IGFBP-4蛋白分解。在S aOS-2細(xì)胞系中,PTH增強(qiáng)IGFBP-4的結(jié)合活性及抑制IGFBP-4蛋白酶活性,從而對(duì)成 骨細(xì)胞產(chǎn)生抑制作用,而雌二醇可以消除PTH的這些作用。此外,皮質(zhì)激素能抑制 IGFBP-5表達(dá)而1,25(OH)2D3刺激IGFBP-4表達(dá)從而二者均抑制成骨細(xì)胞增殖[9, 12]。
3.2 轉(zhuǎn)化生長因子(TGFβ) TGFβ超家族包括TGFβs,骨形態(tài)蛋白2-7(BMPs2-7),肌動(dòng)蛋白(actin),抑制 素(inhibitin)。TGFβ合成初期是一種無活性的大分子復(fù)合物。骨基質(zhì)中有大量的 無活性TGFβ,當(dāng)pH降低或纖溶酶及組織蛋白酶激活時(shí),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,因?yàn)門GFβ對(duì)成骨細(xì)胞骨形成產(chǎn)生重 要影響,因此TGFβ可以調(diào)節(jié)骨吸收區(qū)新骨的形成。TGFβ對(duì)骨形成作用很復(fù)雜。在 體外培養(yǎng)中TGFβ可以抑制或刺激成骨細(xì)胞增殖。這些矛盾的結(jié)果部分由于各個(gè)實(shí) 驗(yàn)中所使用的TGFβ濃度,細(xì)胞密度,細(xì)胞來源不同[13]。TGFβ刺激非轉(zhuǎn)化的成 骨細(xì)胞DNA合成及細(xì)胞增殖,同時(shí),TGFβ誘導(dǎo)c-fos原癌基因表達(dá),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(dá)在TGFβ誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞增殖 中有重要意義。目前,對(duì)TGFβ對(duì)成骨細(xì)胞分化功能的影響存在不同的結(jié)論,有報(bào) 道,在原代成骨細(xì)胞培養(yǎng)中,TGFβ抑制AKP和骨鈣素的合成。但另有學(xué)者報(bào)道,T GFβ可以明顯促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的合成,刺激膠原、骨連接素(osteonectin)和骨橋 蛋白合成,增加骨基質(zhì)沉積率[14]。另外,TGFβ1減少膠原酶轉(zhuǎn)錄并加速膠原酶 mRNA降解,這有利于維持骨中的膠原基質(zhì)。在體實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物接受TGFβ2系統(tǒng) 性治療能使其小梁骨的形成增加,并且在鼠股骨骨膜下注射TGFβ1和TGFβ2也能促 使骨發(fā)生[15]。這些均證明TGFβ對(duì)骨形成起重要作用。TGFβ在人骨中的量隨年 齡增加而下降。體外研究中發(fā)現(xiàn)1,25(OH)2D3、E2可以增加鼠成骨細(xì)胞TGFβ產(chǎn)量 。1,25(OH)2D3并能調(diào)節(jié)TGFβ受體表達(dá)。在人成骨細(xì)胞中,睪酮和PTH同樣能增加 TGFβ產(chǎn)量,除此之外,BMP-2也能增加TGFβ表達(dá),而且TGFβ可自身誘導(dǎo)TGFβ表 達(dá)[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(xì)胞產(chǎn)生,產(chǎn)生 的BMP主要與骨基質(zhì)結(jié)合,很少釋放到骨外。BMP的主要生物學(xué)作用是誘導(dǎo)未分化的 間質(zhì)細(xì)胞分化形成軟骨和新生骨,前面已提到,BMP-2誘導(dǎo)成骨細(xì)胞的前體細(xì)胞分 化成成骨細(xì)胞。在MC3T3-E1小鼠成骨樣細(xì)胞培養(yǎng)中,BMP能增加AKP活性和膠原合成 ,但對(duì)成骨細(xì)胞增殖不起作用[2]。在鼠骨肉瘤ROS17/2.8細(xì)胞系培養(yǎng)中,BMP-7 抑制細(xì)胞增殖,而在人成骨細(xì)胞培養(yǎng)中,BMP-7刺激細(xì)胞增殖。BMPs與其他生長因 子相互作用,共同誘導(dǎo)新骨形成,如TGFβ、VitD可使BMP-2增加。糖皮質(zhì)激素促進(jìn) BMP-2、BMP-4對(duì)成骨細(xì)胞分化的誘導(dǎo)作用并在分化早期促進(jìn)BMP-6合成,BMP-6在成 骨細(xì)胞分化早期有重要作用,它介導(dǎo)糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞分化。BMPs對(duì)其他 生長因子的影響表現(xiàn)在BMP-2增加大鼠成骨細(xì)胞IGF-Ⅰ、IGF-Ⅱ,BMP-4增加單核細(xì) 胞TGFβ,而BMP-7能增加IGF-Ⅱ型受體的數(shù)量和減少IGFBP-4的產(chǎn)生及增加IGFBP- 3、-5的產(chǎn)生。BMPs通過調(diào)節(jié)這些生長因子而誘導(dǎo)成骨作用[9,16,17]。
3.4 白細(xì)胞介素1(IL-1) IL-1由單核巨噬細(xì)胞和骨髓基質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生,可自分泌、旁分泌發(fā)揮作用,F(xiàn)已 證明,它不僅對(duì)破骨細(xì)胞性骨吸收有明顯促進(jìn)作用,而且它還能影響成骨細(xì)胞性骨 形成。IL-1對(duì)成骨細(xì)胞增殖有促進(jìn)作用,而它對(duì)成骨細(xì)胞分化的作用比較復(fù)雜,不 同的研究結(jié)果顯示,IL-1可以刺激或抑制膠原合成、AKP活性和骨鈣素合成。實(shí)驗(yàn) 結(jié)果的不同是由于實(shí)驗(yàn)中所采用成骨細(xì)胞培養(yǎng)方法、細(xì)胞密度、IL-1劑量和IL-1處 理時(shí)間、方式的不同[2]。最近,Shadman用大鼠骨髓基質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn),觀察到 IL-1短暫作用于成骨細(xì)胞時(shí),骨結(jié)節(jié)形成增加且呈劑量依賴性;而IL-1較長時(shí)間作 用于成骨細(xì)胞時(shí)可產(chǎn)生雙向作用,低劑量增加骨結(jié)節(jié)形成,而較高劑量對(duì)骨結(jié)節(jié)形 成不產(chǎn)生影響或產(chǎn)生抑制作用。不僅如此,IL-1對(duì)骨形成的作用也與細(xì)胞密度有關(guān) ,抑制作用只在采用最高的細(xì)胞密度接種時(shí)出現(xiàn)。在體實(shí)驗(yàn)研究表明,間斷注射I L-1導(dǎo)致骨吸收的短暫增加,而隨后伴隨較長時(shí)間的骨形成增加[2,6,18]。 IL-1的產(chǎn)生受全身激素的調(diào)控,雌激素能抑制成骨細(xì)胞分泌IL-1,而1,25(O H)2D3作用于成骨細(xì)胞使其產(chǎn)生IL-1增加[19]。
3.5 腫瘤壞死因子α(TNFα) TNFα是17KDa的細(xì)胞因子,由破骨細(xì)胞樣細(xì)胞及成骨細(xì)胞合成,F(xiàn)已證明TNF α可以直接作用于成骨細(xì)胞,對(duì)其增殖、分化產(chǎn)生影響。TNFα對(duì)成骨細(xì)胞的作用 較復(fù)雜,TNFα在非轉(zhuǎn)化的成骨細(xì)胞系中能刺激DNA合成,而在大鼠骨肉瘤細(xì)胞系( ROS 17/2.8)培養(yǎng)中,TNFα不影響DNA合成或在低劑量時(shí)抑制DNA合成。最近,F(xiàn)ro st在人成骨細(xì)胞(hOBs)培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn),TNFα低劑量時(shí)刺激成骨細(xì)胞增殖,而在高劑 量時(shí)抑制增殖。現(xiàn)在,學(xué)者們?cè)赥NFα對(duì)成骨細(xì)胞分化的作用的研究結(jié)果比較統(tǒng)一 ,均認(rèn)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(chǎn)生的調(diào)控也與IL-1有相似之處。E2可抑制TNFα的產(chǎn)生,而 1,25(OH)2D3則促進(jìn)TNFα基因轉(zhuǎn)錄,增加TNFα形成[19]。這些全身激素常通過 調(diào)控骨組織中的細(xì)胞因子產(chǎn)生從而調(diào)節(jié)骨形成。 除以上局部因子外,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(duì)骨形成有明顯作用。
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