BMP在BMSC成骨、软骨分化中作用及机制的研究进展

车家驹，金旭红，戴涛中南大学湘雅医学院附属海口医院，海口570000

随着骨组织工程的快速发展，骨缺损修复等问题受到人们广泛关注。骨髓间充质干细胞(BMSC)作为多功能干细胞可克服软骨损伤和骨缺损等问题，且其来源广泛，具有强大的分化能力，在适当的生长因子作用下能够分化成软骨和骨等[1,2]。目前已发现骨形态发生蛋白(BMP)、血小板衍生生长因子、转化生长因子β(TGF-β)、骨衍生生长因子等多种因子能够促进BMSC分化以及骨的生长，其中BMP在促进BMSC分化及骨生长中发挥关键作用[3,4]。本文就BMP在BMSC成骨、软骨分化中的作用及其部分机制做简要概述。

1 BMP在BMSC成骨、软骨分化中的作用

自1988年首次克隆出重组BMP-2并发现BMP-2具有诱导软骨与骨形成的作用，BMP超家族开始逐步受到广泛关注[5]。BMP是骨髓中的一种具有强大诱导常位或异位成骨的酸性糖蛋白，富含谷氨酸，主要由2个单体形式通过二硫键结合形成二聚体。除BMP-1外，BMP属于TGF-β基因超家族的成员，是骨生长的重要启动因子。研究发现，BMP的异二聚体和同二聚体能够与有成骨潜能以及未分化的MSC表面受体相互作用，从而促进MSC分化、聚集成软骨与骨，最终形成骨髓[6]。这表明，BMP通过其分子的抗原决定簇与MSC表面受体结合形成复合物发挥生物学功能，进而影响下游信号通路。不是所有BMP都具有骨诱导潜能。目前研究发现，BMP-2、3、4、5、6、7、9具有促进成骨的能力[7]。也有研究发现，通过BMP诱导BMSC后，BMSC中碱性磷酸酶显著表达，且随着诱导时间延长，碱性磷酸酶表达量逐渐增加，BMSC逐步分化成软骨细胞[8]。

BMP在促进BMSC成骨及软骨分化中发挥出重要的调控作用。Ruan等[9]探讨了慢病毒介导的BMP-2在BMSC和富含血小板的血浆(PRP)中的联合作用对兔膝关节软骨缺损模型的软骨和骨愈合的影响，发现慢病毒介导的BMP-2和PRP可显著提高BMSC的细胞活力，并促进其成软骨分化。有研究表明，低氧诱导因子1α(HIF-1α)在软骨分化过程中发挥重要的生物学效应，尤其可促进BMP2诱导的MSC向软骨分化以及软骨内成骨，保持软骨表型。研究发现，HIF-1α可显著促进BMP-2诱导的BMSC中SOX9的表达以及软骨分化，并抑制Runx的表达[10]。Ude等[11]用两种不同培养基诱导BMSC和脂肪源干细胞(ADSC)向软骨分化的影响，发现与单纯的TGF-β3刺激相比，10 ng/mL的TGF-β3联合10 ng/mL的BMP-6能显著增强BMSC和ADSC中软骨标记物如胶原Ⅸ、胶原Ⅱ以及纤维调节蛋白等的表达。这表明2种生物因子具有诱导BMSC和ADSCs向软骨分化的潜能。Yuan等[12]研究发现BMP-4、7比BMP4更能诱导BMSC向软骨和骨分化。Peng等[13]建立兔软骨缺损模型，探究胰岛素样生长因子1(IGF-1)和BMP-7对BMSC分化影响，发现IGF-1、BMP-7和IGF-1+BMP-7处理的BMSC组织学评分和Ⅰ型胶原表达降低，而Ⅱ型胶原表达升高，修复效果较好，尤其是IGF-1+BMP-7处理效果更好。证明IGF-1和BMP-7在兔膝关节关节软骨损伤修复中对BMSC软骨分化的协同作用，突出了其治疗关节软骨损伤的潜力。Kartogenin(KGN)是一种小分子化合物，Zhou等[14]研究结果发现，KGN能够诱导内源MSC选择性分化为软骨细胞，促进界面软骨再生，其机制可能是通过激活BMP-7/Smad5通路来发挥作用。综上，BMP具有诱导BMSC成骨及软骨分化的潜能。

2 BMP在BMSC成骨、软骨分化中的作用机制

2.1 与Ⅰ、Ⅱ型跨膜细胞表面受体结合 BMP在促进成骨及软骨分化中发挥关键作用，其机制可能是BMP与Ⅰ、Ⅱ型跨膜细胞表面受体结合后，Ⅰ型受体的同源二聚体和Ⅱ型受体的同源二聚体形成复合物，Ⅰ型受体中甘氨酸/丝氨酸会出现富集，进而进行转化磷酸化，导致下游Smad或丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路活化，最终引起软骨分化的靶基因转录[15]。BMPⅠ型受体主要有ⅠA型(ALK3)、ⅠB型(ALK6)、丝氨酸/苏氨酸激酶受体R3及Ⅰactivin型(AcvR1/ALK2)，BMP主要通过这些受体发挥信号转导作用。有研究指出，AcvR1发生突变后会引起人进行性肌肉骨化症，其机制可能是由于AcvR1活化后与Smad1、5作用诱导骨细胞的移位生长有关。在成骨细胞中，敲除ALK3可阻断BMP信号传导，导致骨量下降。有研究表明，BMP的三种Ⅰ型受体在软骨分化及成骨过程中具有一定的类似或重复功能，如ALK6、ALK3在骨骼生长和软骨聚集中特性较为相似，三种受体活化后，均能显著促进软骨生长，然而敲除其中一种受体时，骨骼生长仅有轻微的变化；当敲除其中2个Ⅰ型BMP受体时，软骨发育严重不良[16]。

BMPⅡ型受体主要有AcvR2A、AcvR2B及BMPRⅡ，其中发挥最主要作用的是BMPRⅡ受体。然而，当机体敲除BMPRⅡ受体时，机体未出现发育异常现象[17]。Goh等[18]研究表明，AcvR2A或AcvR2B被敲除后，小梁骨量出现持续增加，分析原因可能是AcvR2A或AcvR2B在成骨过程中发挥负性调控作用，且Ⅱ型受体的表达水平对BMP信号传导无明显影响。综上表明，Ⅱ型受体单个缺失可由其他Ⅱ型受体代替补偿而不影响软骨在成骨中的作用。

2.2 BMP信号通路 BMP信号通路是一种激酶转导系统，与成骨及软骨分化密切相关，主要通过经典Smad蛋白(TGF-β/BMP受体、配体、Smad)和非经典Smad蛋白(如MAPK和MAPK信号介导TGF-β/BMP)发挥作用。

2.2.1 经典Smad通路 BMP下游中重要的信号分子是Smad蛋白，其Smad蛋白质是丝氨酸/苏氨酸激酶受体下游的激酶级联转录调节物。Smad蛋白家族在TGF-β信号通路信号转导中发挥重要作用，且不同的Smad蛋白都有其不同特性[19]。根据其特性主要分为以下几部分：受体活化型R-Smads，即Smad2、3，受体抑制性I-Smad，即Smad6、7，受体通用型Co-Smad，即Smad4。在受到刺激后，受体形成复合物能够与Smad1、5、8蛋白相互结合并使之磷酸化，其中Smad4表现出合作的关系，而Smad6、7则呈现出负调控作用。BMP作为配体活化信号通路需把Smad1、5、8作为R-Smad，激活过程中R-Smad1、5、8会与Co-Smad4形成复合物，引起下游转录因子Runt转录因子(Runx)的表达，并启动软骨及成骨等细胞的转化表达[20,21]。Smad1在BMP成骨过程中发挥重要调节作用。敲除小鼠Smad1基因后，BMP信号通路受到抑制，成骨细胞增殖及分化减弱，小鼠表现出骨量降低的现象。同时Smad1、5在BMP调节软骨成骨过程中发挥出重要作用。研究发现，在敲除小鼠软骨细胞中Smad1后，小鼠颅骨发育出现迟缓。也有研究发现，Smad8与Smad1或5相比对转录的调控作用较弱，可能在BMP信号转导中起负性调控作用[22]。TGF-β和BMP信号调控均有Smad4参与，在Smad4敲除或缺陷的机体中，软骨细胞增殖能力降低。在成熟骨细胞中，Smad缺失后也会造成骨量减少，并导致成骨细胞分化和增殖降低，因此，Smad4在维持骨量中有不可或缺的作用[23]。可见，经典Smad途径在软骨分化及骨生长中发挥出重要的调控作用。

2.2.2 非Smad依赖通路 有研究表明，MAPK途径在BMP信号转导中也发挥重要调节作用。MAPK信号转导通路主要有三条：细胞外调节蛋白激酶(ERK)信号通路，p38 MAPK信号通路以及c-Jun氨基末端激酶(JNK)信号通路，其中p38 MAPK和JNK是应激活性蛋白激酶。有研究显示，在受到刺激后，BMP能够与受体BMPR-Ⅰ 结合形成复合物，进一步与BMPR-Ⅱ作用形成异聚体，再与TAK1间接连接；TAK1能够激活p38 MAPK信号通路，从而发挥BMP信号转导功能。也有研究表明，TAK1-MKK-MAPK信号轴在BMP信号转导中也发挥调节成骨分化作用[24]。Gao等[25]通过敲除小鼠MSC中MAP3K下游信号因子TAK1后发现，BMP通路中性别基因高迁移率组蛋白9(SOX9)蛋白表达降低，导致小鼠生长板缩短以及关节软骨发育受限。MAPK磷酸化后能够促进成骨细胞中Runx2、Osx等转录因子活性，并促进MSC成骨分化。同时也有研究表明，MAPK信号通路还可诱导Smad复合物和Runx2之间相互作用，促进BMP-Smad信号转导的调节功能[26]。

综上所述，大多数BMP配体都具有强大促软骨修复和成骨作用，其机制可能是通过经典Smad和非Smad信号通路有关。BMP信号通路对BMSC向软骨分化及软骨内成骨中多个阶段都发挥重要作用。