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骨形成蛋白对骨再生中血管化调节作用的研究进展

2025-02-25 11 上传者：管理员

摘要：骨再生中血管化与成骨密切相关，当血管形成受损时，骨再生的预后较差。目前临床上，骨形成蛋白(BMP)2是使用广泛、成骨效果较好的生长因子，随着对BMP的研究深入，其对血管化的调控作用亦可能是促进骨再生的重要途径。本文就近年来BMP对参与骨再生血管化的多种细胞成血管功能的调节作用进行综述，以期为骨再生的临床治疗提供参考和理论依据。

关键词：
VEGF
内皮细胞
血管化
骨再生
骨形成蛋白
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骨是一种富含血管的组织,血管在骨再生中发挥重要的作用[1⁃2]:骨损伤时,血管迅速响应损伤刺激并向损伤部位聚集,构建通道以输送营养物质､细胞及生长因子,为形成损伤初期微环境奠定基础;其次,血管与骨形成紧密相连,内皮细胞和成骨相关细胞释放各种因子,相互协同,促进骨再生[3⁃5]｡因此,深入探索血管与骨再生的相互作用机制,对于推动骨再生发展和临床应用极具意义｡

血管化是一个多细胞参与､多信号通路共同调节的复杂过程[5]｡目前认为主要参与的信号通路包括血管内皮生长因子(vascularendothelialgrowthfactor,VEGF)､NOTCH信号通路､转化生长因子β(transforminggrowthfactor⁃β,TGF⁃β)以及骨形成蛋白(bonemorphogeneticprotein,BMP)等[6]｡其中,BMP因其显著的骨诱导活性而在骨再生领域受到广泛关注[7]｡BMP不仅可以直接在骨再生中发挥骨诱导的作用,还可能促进损伤局部血管形成,从而促进骨再生[8⁃9]｡

BMP对血管调节的关键作用已在肺､视网膜､牙髓等组织中得到验证｡BMP2､BMP4或BMP9全敲除小鼠胚胎会因心血管发育不全而致死[8];BMP6全敲除小鼠血管状态存在明显异常[10];成骨向分化细胞中抑制BMP亦存在血管发育受损的表型[11]｡因此,深入研究BMP血管化的作用机制,可能是揭示骨再生中血管化和成骨相互作用的关键因素｡故本文对BMP调节内皮细胞､成骨向分化细胞及破骨细胞等参与骨再生血管化过程的细胞的作用进行综述,以期更全面地认识BMP促进骨再生的作用方式,为临床治疗提供理论依据｡

1、BMP概述

BMP信号通路由配体､受体和胞内转运蛋白,如Smad蛋白家族等共同构成｡

BMP的配体根据结构和序列可分为四类:(1)BMP2和BMP4;(2)BMP5､BMP6､BMP7､BMP8a和BMP8b;(3)BMP9和BMP10;(4)BMP12､BMP13和BMP14[7]｡目前认为,BMP2､BMP4､BMP6､BMP9､BMP10与血管化密切相关[8,12]｡BMP与受体结合,激活胞内信号级联反应发挥作用,其中Ⅰ型受体发挥主要作用[7]｡Ⅰ型受体分为4类,分别为激活素受体样激酶(activinreceptor⁃likekinase,ALK)1､ALK2､ALK3､ALK6,其分布存在差异[7]｡BMP信号通路的转导主要依赖Smad蛋白的经典通路介导｡Ⅰ型受体激活后,会磷酸化胞内转运蛋白;活化后转运蛋白移动至核内,诱导靶基因表达,发挥生物学功能｡此外,BMPⅠ型受体还可以激活p38丝裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)､细胞外调节蛋白激酶(ex⁃tracellularregulatedproteinkinase,Erk)､c⁃Jun氨基末端激酶(c⁃junn⁃terminalkinase,Jnk)等,经非经典通路传导,发挥功能[7⁃8]｡

ALK1在内皮细胞上表达丰富,而ALK2､ALK3､ALK6集中于成骨向分化的细胞膜中[7⁃8]｡此外,BMP和受体的亲和力存差异,BMP9和BMP10优先结合ALK1,而BMP2､BMP4和BMP6则倾向与ALK2､ALK3､ALK6结合[8],这提示BMP可积极参与血管化和成骨相互作用,并存在不同的调节机制｡

2、BMP对内皮细胞成血管功能的调节作用

血管是主要由内皮细胞连接而成的半透膜屏障｡该屏障由内皮细胞⁃细胞黏附介导,如紧密连接､黏附连接和其他黏附分子[13⁃14]｡骨再生中,受缺氧等微环境的调节,管壁基底膜溶解,内皮细胞间连接减弱;随后,内皮细胞受不同信号通路调节分化成尖细胞和茎细胞,迁移增殖,完成血管化[4]｡目前的研究认为,BMP对以上过程均存在调控[8⁃9,12]｡

2.1BMP对内皮细胞连接的调节

当BMP2､BMP4､BMP6等作用于内皮细胞时,细胞间的黏附连接减弱,通透性增强,屏障功能减弱｡Hussein等[15]发现BMP2处理人视网膜内皮细胞(humanretinalendothelialcells,hRECs)3､5h后,内皮细胞的连接受损,血管通透性增加｡Benn等[16]发现BMP6刺激人脐静脉内皮细胞(humanumbilicalveinendothelialcells,HUVECs)24h后,可以提高血管通透性,并促进血管内皮细胞钙黏蛋白(vascularendothelial⁃Cadherin,VE⁃Cadherin)的磷酸化,进而调节VE⁃Cadherin的表达｡BMP4也可以发挥类似的效果[17]｡

BMP9则起到稳定内皮细胞连接,降低通透性､增加屏障功能的作用[18]｡Akla等[19]研究表明BMP9可以抑制高糖状态下血管的高通透性｡除此之外,当糖尿病小鼠过表达BMP9时,视网膜血管的通透性显著降低｡以上均表明BMP9在维持内皮细胞的稳定和通透性中发挥作用｡

2.2BMP对内皮细胞出芽､迁移､增殖功能的影响

BMP可分别识别尖细胞和茎细胞,影响内皮细胞的出芽､迁移和增殖｡其中BMP2､BMP4､BMP6处理HUVECs24h后,细胞出芽增多,血管生成增多｡既往研究认为内皮细胞形成尖细胞和茎细胞之间的平衡受到血管内皮生长因子受体(vascularen⁃dothelialgrowthfactorreceptor,VEGFR)和NOTCH信号通路的调节[4⁃6]｡内皮细胞中VEGFR2､VEGFR3以及Delta样受体4(delta⁃like4,DLL4)表达升高时,倾向于形成尖细胞;而其VEGFR1表达升高,VEGFR2､VEGFR3以及DLL4表达降低时,倾向于形成茎细胞｡Pulkkine等[20]研究发现BMP2理HU⁃VECs时,会引起VEGFR2和DLL4的表达升高,从而促进内皮细胞形成尖细胞;BMP4也存在类似的作用机制｡而BMP6则会导致VEGFR2和DLL4的转录水平降低,促使茎细胞增加[21]｡上述结果表明BMP2､BMP4､BMP6虽发挥成血管作用,但调节机制不同｡另外,BMP2和BMP6还可以促进内皮细胞的增殖和迁移,BMP2可通过诱导热休克蛋白27(heatshockprotein27,HSP27)的表达从而参与内皮细胞迁移能力的调节[16];而BMP6可以通过调节具有PDZ结合基序转录共激活因子(transcriptionalco⁃activatorwithPDZ⁃bindingmotif,TAZ)继而激活Hippo通路参与细胞增殖的调节[21]｡上述不同的作用方式亦可能为临床分类使用BMP实现骨再生精准调节提供理论基础和潜在靶点｡

而BMP9和BMP10主要对内皮细胞出芽､增殖具负向调节｡Larrivee等[22]在小鼠眼内注射BMP9(10ng/mL)16h后发现视网膜中尖细胞减少9倍;使用重组人激活素受体样激酶1Fc融合蛋白(activinreceptor⁃likekinase1Fcchimeraprotein,ALK1⁃Fc)阻断BMP9(1ng/mL),内皮细胞增殖增强｡Rostama等[23]研究进一步发现BMP9可与NOTCH信号通路协同,抑制内皮细胞的出芽,BMP10与BMP9具有高同源性,目前研究认为其作用相近[24]｡最新的研究通过高通量测序,检测了受BMP9､BMP10刺激的内皮细胞,证实了其在调节内皮细胞增殖的作用[25]｡目前,关于BMP9､BMP10的调节机制尚不明确,Rostama等[23]发现BMP9(5ng/mL)可促进细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶(cyclindependentkinase,CDK)的表达上调,抑制细胞的增殖;而未来对测序结果的验证,可能是揭示其作用机制的关键途径｡

3、BMP对成骨向分化细胞成血管功能的调节作用

成骨向分化细胞如间充质干细胞､祖细胞､成骨细胞和骨细胞等亦是参与成骨和成血管相互作用的重要细胞｡BMP可通过调节骨髓间充质干细胞的分泌功能影响血管化｡BMP2､BMP4､BMP6处理骨髓间充质干细胞可引起VEGF的表达升高;而其抑制剂头蛋白(noggin)可抑制VEGF､VE⁃Cadherin和缺氧诱导因子(hypoxia⁃induciblefactor,Hif)1α等的表达[26]｡BMP2处理人间充质干细胞与内皮细胞共培养6d,可观察到内皮细胞迁移能力增强和血管长度增加,且较单独处理内皮细胞组更为明显｡Liu等[27]进一步发现BMP可以通过调节磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol3⁃kinase,PI3K)信号通路直接增强成血管和成骨的相互作用｡同样的结果在骨祖细胞中亦有发现[28]｡

此外,Xiao等[29]发现BMP9处理间充质干细胞3d和5d时,血小板⁃内皮细胞黏附生长因子(plateletendothelialcelladhesionmolecule⁃1,PECAM⁃1/CD31)阳性细胞比例分别为30.2%和40.2%,而对照组仅为1.07%和12.1%,这表明BMP还可直接诱导骨髓间充质干细胞向CD3阳性的内皮细胞分化,直接参与骨再生中的血管化过程｡

成骨细胞中条件性敲除BMP2会导致胫骨颜色变浅,CD31和Ⅳ型胶原蛋白(collagenⅣ,COLⅣ)表达降低,血管形成减少[30]｡牙髓组织中亦发现类似结果[11]｡成骨细胞对血管化的调节可能与微环境密切相关｡BMP2条件敲除小鼠中骨干的血管减少50%,骨膜中减少75%,而干骺端则减少90%[30]｡成骨细胞调节血管化与调节VEGF密切相关｡Yang等[30]研究证明BMP2条件敲除小鼠的VEGF的转录水平降低60%~80%,而翻译水平降低约70%｡此外,Zhang等[31]通过构建成骨细胞BMPⅠ型受体持续激活小鼠,成骨细胞中VEGF表达升高,骨血管密度增加,证明BMP对血管化的重要性｡

骨细胞是成骨分化的终末细胞,其可分泌VEGF直接促进血管形成,电镜扫描亦显示骨细胞的突触与血管发生直接的联系[32⁃33]｡目前,BMP如何调节骨细胞和血管化的作用的具体研究较少,此方面亟待深入研究｡

4、BMP对破骨细胞的成血管功能的调节作用

破骨细胞血管化能力的研究始于Tanaka等[34]的研究,他们在细胞实验中发现破骨细胞可以刺激血管形成｡破骨细胞常常邻近内皮细胞,提示它们可能存在功能上的密切联系[35⁃36]｡Liu等[37]证明前破骨细胞分泌的血小板衍生生长因子⁃BB(platelet⁃derivedgrowthfactor⁃BB,PDGF⁃BB)可以促进血管,尤其是H型血管的数量增加,从而促进骨组织再生｡而破骨细胞可以分泌血管生成素1(angiopoietin1,ANG1)､基质金属蛋白酶(matrixmetalloproteinase,MMP)⁃9､PDGF⁃BB等促进血管的生成[38]｡此外,破骨细胞还可以调节内皮细胞生成VEGF的能力,从而间接调节血管化的过程[39]｡

目前尚无直接实验验证BMP对破骨细胞血管化的调节作用｡然而,BMP已被证实参与调节破骨细胞的增殖和分化[39]｡BMP2､BMP4可促单核细胞向破骨细胞分化;而BMP信号通路被抑制则会导致破骨细胞融合､激活等受限｡提示BMP可能通过调节破骨细胞的状态及功能,参与血管化过程,这也是未来骨再生的研究方向之一｡

5、总结与展望

骨再生过程中,成骨和成血管密切相关,而BMP是串联两者的重要信号分子,因此对BMP及其介导的信号通路的作用研究有助于更好地实现骨组织的完全再生｡随着BMP调节血管化的作用和机制逐渐揭示,可以更深刻地理解和认识BMP促进骨再生的作用方法,为临床治疗提供理论依据;而BMP的多重作用亦提示可能存在联合使用BMP,实现精准快速安全的可再生的可能｡此外,目前的研究较多集中于BMP信号通路中的配体,而信号通路的复杂组成提示其余部分如受体亦可能发挥作用,此方面仍需进一步研究｡

基金资助: 国家自然科学基金(82170945,82370950);

文章来源:周子豪,林淑贤,张旗.骨形成蛋白对骨再生中血管化调节作用的研究进展[J].口腔生物医学,2025,16(01):44-47.