BMP-2骨吸收作用的研究进展

代鹏展,刘 新

(吉林大学中日联谊医院 口腔科,吉林 长春130033)

骨形态发生蛋白(BMP)是TGFβ超级家族的成员，它们是骨骼器官形成发生和保持稳态的多效调节剂。 其中尤以骨成形蛋白-2(BMP-2)最具活性， 它是唯一能够独立诱导成骨的因子，目前 BMP-2被广泛用于临床，该超家族成员与特异性受体相结合转导信号至下游，其所转导的信号在细胞的增殖、分化、凋亡，器官组织的发育、再生，内环境稳态等过程中起着重要作[1，2]。目前，临床的多个方面应用到了BMP-2，包括治疗新鲜骨折断端，治疗骨缺损，在脊柱融合术中的使用等[3]。 在口腔 BMP-2可用于拔牙后牙槽骨的保留和骨再生，针对牙周组织、骨、牙釉质及牙龈再生的应用，促进种植体骨结合等。BMP-2虽然在诱导骨形成方面发挥着重要作用，但与之相对的其在骨吸收方面也起着相应作用。本文针对 BMP-2在骨重组的两个过程，即骨组织形成和吸收中的作用与机制进行综述。

1 BMP-2诱导骨形成的分子机制

BMP-2主要通过诱导未成熟的间质细胞向骨形成中心聚集，并促使其向骨系细胞分化而在骨形成的早期阶段发挥作用。此外，其还可以通过调控成纤维细胞、骨髓基质细胞等细胞内一些特异性蛋白的分泌，促使其向骨系细胞逆转分化，例如使成纤维细胞逆转化为成骨细胞，使成肌细胞分化为软骨细胞， 并加速基质的钙化等[4]。 细胞表面分布有BMP受体(BMPR)，分为1型受体和2型受体，其经典的信号转导系统是主要依赖Smad的信号转导系统。细胞膜上的 BMPR2与 BMP-2相结合，进而磷酸化丝氨酸/苏氨酸激酶受体，Smad通路被磷酸化的受体磷酸化，而磷酸化的 R- Smads与 Smad4结合形成异二聚体复合物，其转运至细胞核内并结合至 DNA上， 使目标基因开始转录，从而诱导骨形成[5]。除此之外， BMP-2的信号传导系统还存在不依赖 Smad的信号转导系统，这些信号转导系统都在 BMP-2诱导的骨组织形成中发挥着重要作用[6]。

2 BMP-2导致骨吸收的分子机制

2.1 BMP-2诱导破骨细胞的形成

BMP-2在骨改建的过程中发挥着双向作用，除了促进骨形成外，其通过直接或间接的方式来调控破骨细胞的形成与功能，进而在骨吸收的过程中发挥着作用。

2.1.1直接作用 分化成熟的破骨细胞表面存在着BMP-2的受体，其可直接与BMP-2相结合，从而使破骨细胞激活，进而引起骨吸收[4]。 Mishina等[7]将BMP-2加入在体外培养的高纯度破骨细胞中，发现 BMP-2加入的剂量越大、作用时间越长，破骨细胞所引起的骨吸收作用越强。而在培养基中加入BMP-2抑制剂Follistatin，可以抑制BMP-2的骨吸收作用。

2.1.2间接作用 BMP-2通过对破骨细胞形成的相关因子的调节来对破骨细胞前体产生间接作用，使其分化为破骨细胞，而这些相关因子包括核因子κ B受体活化因子配体 RANKL和巨噬细胞集落刺激因子 M- CSF等[4]。破骨细胞前体表面的唯一受体RANK与RANKL相结合，从而将信号转导至细胞内，导致破骨细胞前体分化为破骨细胞[4]。陈建明[8]的研究发现:rhBMP-2有可能先作用于牙周膜成纤维细胞 HPDLFs，使其转化为成骨样细胞，促使其分泌如 RANKL等活性因子，间接促使破骨样细胞形成，而不是直接对单个核细胞产生作用。

BMP-2诱发骨吸收可以通过调节炎症因子来起作用。 动物实验表明，BMP-2的大量给予可引起机体内各种相关因子浓度的大量增加，包括： TNF-α、IL-1a和单核细胞趋化蛋白1等。 这些迹象表明过量的BMP2可引起体内抗炎因子和炎症因子失衡，使其向炎症发展[9]。其中由 BMP2引起的TNF-α在骨组织吸收方面扮演重要角色，研究表明，它可以通过直接刺激使破骨细胞前体增殖，使破骨祖细胞分化，并且可增加破骨细胞的骨组织吸收能力[10，11]。此外，TNF-α通过间接参与产生破骨细胞分化所必需的细胞因子来促使破骨祖细胞的增殖。TNF-α导致骨吸收的直接原因是其一方面促进着骨组织吸收，另一方面又抑制着骨组织的形成，从而最终导致骨组织的减少[12，13]。

2.2 BMP-2以细胞依赖性方式调节成骨细胞系细胞凋亡

BMP-2除了诱导破骨细胞形成以引起骨组织吸收以外，Sharon L. Hyzy[14]等人的研究表明：BMP-2以细胞依赖性方式调节成骨细胞系细胞凋亡。已知BMP以剂量依赖的方式调节干细胞转化为软骨细胞，成骨细胞和脂肪细胞[15]。 此外，一些研究表明，BMP信号转导对于维持干细胞的生态位和MSC的存活也是必需的[16，17]。 该证据表明，与Sharon L.Hyzy[14]等人的研究结果一致，BMPs影响MSCs的维持和分化，但不影响细胞凋亡。 虽然其诱导凋亡作用在人间充质干细胞( MSC)中作用不大，但 BMP-2处理的不成熟的成骨细胞样 MG63细胞的凋亡适中， 而 BMP-2处理的成熟的正常人成骨细胞 NHOst细胞的凋亡则显著增加。 Noggin是BMP信号的强大抑制剂，沉默Noggin的MG63(shNOG-MG63)中的凋亡明显高于MG63细胞。 这些结果表明，BMP2的凋亡作用取决于细胞的成熟状态，并受Noggin调节。

体内BMP-2具有诱导间充质来源的细胞增殖，分化或凋亡。 BMP在向下游信号传递时可以二聚为同二聚体或异二聚体[18]，BMP异二聚体对II型BMP受体的亲和力高于同二聚体。同型二聚体BMP-2或BMP-4和I型受体之间存在高亲和力[19]。而BMPR1b属于Ⅰ型受体，在BMP-2引起细胞凋亡的过程中是必须的[20]，因此Sharon L.Hyzy[14]等人假设： BMPs可能主要在体内作为异二聚体起作用，激活导致骨维持的特异性信号传导。 外源 BMP-2的递送可能导致高水平的同型二聚体，该同型二聚体以高亲和力与 BMPR1 b结合， 从而引起细胞凋亡和骨吸收的信号传导，因为成年骨骼中 Noggin含量低[21]，抑制剂不能调节该信号传导，可以解释 BMP-2的使用所产生的不利影响。 数据表明，在干细胞中，BMP-2更多地充当分化因子，而在终末分化细胞中，BMP-2诱导凋亡。 在BMP-2给药引起骨吸收的临床病例中，MSCs的成骨诱导作用可能不如成熟成骨细胞诱导的凋亡强，从而导致骨溶解。

3 降低BMP-2骨吸收作用的分子机制

3.1 抗氧化物降低BMP-2骨组织吸收作用的机制

在人体内，黄酮可作为抗氧化剂，抗增殖剂，抗炎剂和抗微生物剂。 黄酮是一种强抗氧化剂，在平衡人体中的前氧化剂(在我们的自然环境中也被称为“自由基”)中极为重要。 在食用类黄酮中，其中最重要的是花青素(中值食用： 13.7毫克/天)，具有保护骨骼的作用[22]。 Hubert P.等回顾了有关多酚对骨骼健康影响的研究， 并得出结论，浆果摄入量高与骨骼质量高呈正相关[23]。长冈正弘[24]等对富含花青素的马基浆果提取物( MBE)进行了研究， 其在体内体外均表现出对骨代谢的有益效果。 MBE通过上调骨形态发生蛋白2( Bmp-2)，矮子相关转录因子2( Runx2)， osterix( Osx)刺激矿物质结节形成并增强碱性磷酸酶活性， 从而刺激 MC3 T3- E1细胞的成骨细胞分化。 免疫染色和免疫沉淀分析表明， MBE通过充当 MC3 T3- E1细胞中的超氧阴离子/过亚硝酸盐清除剂而抑制了 NF-κ B的转核。同时，MBE抑制了原发性骨髓巨噬细胞中的破骨细胞生成和牙本质切片上成熟的破骨细胞的凹陷形成。 该研究证明MBE不仅可以抑制骨吸收，还可以刺激骨形成，因此可以成为预防骨质减少条件下骨丢失的有前途的天然药物。此外，长冈正弘[25]等研究发现花青素 b环 o-甲基化衍生物之一的矮牵牛苷苷元具有抑制小鼠巨噬细胞 RAW264.7细胞破坏骨组织作用，刺激小鼠成骨前细胞 MC3 T3- E1细胞矿化基质的形成和基质降解酶的下调。 通过口服矮牵牛苷增加类骨质形成改善sRankl诱导的小鼠骨质减少，加速成骨细胞形成，伴随抑制骨吸收。 中国[26]和日本[27]分别建议每天摄入花青素有益于人类的骨骼健康。

已知绿原酸的异构体具有抗氧化和抗炎特性，并且具有改变细胞信号传导途径的能力，包括那些涉及激酶JNK，p38和ERK的途径[28，29]。Jennifer L.Graef等[30]发现干李干中的多酚提取物的馏分，尤其是DP-FrA和DP-FrB在水中具有最大溶解度并且在增强小鼠原代骨髓成骨细胞的ALP活性和矿化结节形成方面具有最高的生物活性，而在这些馏分中都检测到了新绿原酸和隐绿原酸。在其研究中，多酚馏分在正常条件下上调了原代骨髓来源的成骨细胞中成骨细胞分化的主要调控因子Runx2的表达，从而来增强源自MC3T3-E1细胞的成骨细胞的活性。除此之外，干燥的李子多酚的粗乙醇提取物可以减轻由TNF-α导致的成骨细胞活性和功能的下降[31]。由于这些馏分的组成可能不仅仅是新绿原酸和隐绿原酸，推断此处报道的成骨活性是由这些化合物产生的，还为时过早[30]。必须进一步表征DP-FrA和DP-FrB的组件。不过每日进食一定量的干李子可能对减轻BMP-2导致的骨骼吸收有治疗作用。

3.2 MSC-AS1降低BMP-2骨吸收作用机制

微小 RNA( miRNA)是一些约22个核苷酸的小型非编码的 RNA，它们能够通过与靶 mRNA互补碱基配对来调节基因表达并参与多种生物学过程[32]。 研究发现microRNA-140-5p可以抑制成骨细胞的分化[33]。 NaidongZhang[34]等发现BMP-2是microRNA-140-5p的直接靶标。 MSC-AS1可以直接与microRNA-140-5p结合，从而调节BMSCs中BMP2的表达。MSC-AS1利用microRNA-140-5p调节BMP2 / Smad信号转导通路，以此调控BMSC的成骨分化，为骨质疏松症提供了潜在的治疗靶点。

3.3 微量元素锌降低BMP-2骨组织吸收作用的机制

锌对于人体中许多生化途径必不可少，并且已知会显著影响骨骼。锌具有抑制破骨细胞分化并促进成骨细胞矿化的作用，并且确实在破骨细胞和成骨细胞前体中充当有效的NF-κB活化拮抗剂，除此之外，锌可拮抗TNF-α驱动的NF-κB活化而导致的骨吸收过程[35]。因此，锌的合理使用也为治疗BMP-2引起的骨吸收提供一项可能的方案。

4 结语

BMP-2的发现和应用为骨移植市场带来了巨大的革新，尽管其具有明显的诱导骨形成作用，但相应的副作用也不容忽视，随着BMP-2应用的增多，开始总结其临床并发症，研究其机制，以加深对BMP-2的认识。本文总结了一些BMP-2导致骨吸收作用机制并提供一些可能降低骨吸收作用的机制，但BMP-2是否存在其他诱导骨吸收机制，是否存在合理预防骨吸收的方案仍然需要进一步探究。