骨形態(tài)發(fā)生蛋白

1、骨形態(tài)發(fā)生蛋白在間充質(zhì)干細(xì)胞刺激軟骨和骨修復(fù)中的應(yīng)用 2017.01.13,,,研究背景,細(xì)胞外基質(zhì)相關(guān)的骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）控制多種生物過(guò)程。在多年的研究中，特別是兩種BMP，BMP2和BMP7已經(jīng)獲得了較大的突破，用于治療各種軟骨和骨缺損。由于BMP在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的潛力，對(duì)研究間充質(zhì)干細(xì)胞（MSC）的生物學(xué)，其分化能力下的規(guī)則以及測(cè)試其在組織工程中的真實(shí)能力的研

2、究逐漸增多。事實(shí)上，MSC的特異性分化為用于移植的靶向細(xì)胞型譜系是再生醫(yī)學(xué)的主要目標(biāo)。,BMPS,BMPs在體內(nèi)誘導(dǎo)軟骨形成和異位骨生長(zhǎng)，建立，促進(jìn)和支持軟骨形成和成骨。已知大約20個(gè)BMP家族成員。BMP結(jié)合兩種類(lèi)型的絲氨酸/蘇氨酸激酶受體，即I型（BMPR-I）和II型受體（BMPR-II）。在配體結(jié)合后，BMP信號(hào)通過(guò)Smad依賴(lài)性（規(guī)范途徑）或Smad非依賴(lài)性途徑轉(zhuǎn)導(dǎo)到靶基因。BMP / Smad信號(hào)通路也可以被一組細(xì)胞外蛋

3、白拮抗劑嚴(yán)格調(diào)節(jié)，它們作為BMP信號(hào)傳導(dǎo)中的拮抗劑的基本作用通過(guò)在缺乏這些蛋白之一的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中發(fā)生的許多嚴(yán)重或致死缺陷來(lái)證明。,BMPS在骨形成,在脊椎動(dòng)物中，骨形成可以通過(guò)成膜細(xì)胞在膜性骨化中的直接分化來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者在軟骨內(nèi)骨化中從軟骨細(xì)胞的分化開(kāi)始。這兩個(gè)過(guò)程由BMPs控制，BMP2和BMP4作為成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞表型的主分化誘導(dǎo)，導(dǎo)致骨和軟骨形成。已報(bào)道BMP2,4,6,7和9誘導(dǎo)人MSC的體外軟骨形成。,在人類(lèi)骨髓來(lái)源（BM）M

4、SCs中，BMP2（在TGF-β3存在下）是軟骨形成最有效的誘導(dǎo)物，與BMP4和BMP6相比，更能誘導(dǎo)富含蛋白多糖的軟骨的產(chǎn)生，而在滑膜外植體中，BMP7是比BMP2更有效地引起軟骨細(xì)胞分化。最新的研究證明BMP4和7誘發(fā)人類(lèi)MSC的體外顯著反應(yīng)，表明這些因子在體內(nèi)的使用促進(jìn)軟骨的損傷修復(fù)。使用人重組BMP2，BMP4 ，BMP6或BMP7的早期實(shí)驗(yàn)證明這樣的蛋白能夠在多種間充質(zhì)前體細(xì)胞系中單獨(dú)刺激成骨細(xì)胞（或軟骨形成）。 BMP

5、2和BMP7現(xiàn)已被批準(zhǔn)用于臨床中用于治療非聯(lián)合骨折作為輔助治療。,雖然這些分子在骨折愈合中的使用已經(jīng)很廣泛，但它的不良作用依然需要引起重視，特別是在高劑量下，主要有以下幾個(gè)不良作用：1、更高的骨折不連續(xù)率；2、局部炎癥反應(yīng)；3、傷口愈合并發(fā)癥；4、血腫形成；5、異位骨形成。因此，這些分子的劑量需要在每個(gè)臨床環(huán)境中精細(xì)校準(zhǔn)。且主要應(yīng)用與骨折愈合失敗高風(fēng)險(xiǎn)的患者。這些不良作用仍然需要進(jìn)一步研究，以期在今后的臨床應(yīng)用中逐漸減少。

6、,間充質(zhì)干細(xì)胞（MSC）,成骨的修復(fù)涉及BMMSCs（人類(lèi)骨髓來(lái)源MSCs）中，其作為能夠侵入骨折部位的骨軟骨祖細(xì)胞的來(lái)源，增殖并分化成軟骨和骨。 MSC是具有自我更新能力并分化成多個(gè)譜系的多潛能成體細(xì)胞，這些細(xì)胞在1980年被發(fā)現(xiàn)，MSCs最近在再生醫(yī)學(xué)中的潛力越來(lái)越受到關(guān)注。1、由于對(duì)調(diào)節(jié)其活性的因素的理解有限；2、缺乏對(duì)這些細(xì)胞和它們的生態(tài)微環(huán)境的組分之間的復(fù)雜相互作用的了解。由于以上兩個(gè)因素，MSC的臨床應(yīng)用受到限制。仍有

7、待相關(guān)研究進(jìn)一步探索。,MSCS在致癌和生殖細(xì)胞分化中的應(yīng)用,當(dāng)在一個(gè)或多個(gè)（轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β）TGF-β超家族成員的存在下將MSC以無(wú)血清的3D培養(yǎng)形式（為細(xì)胞提供一個(gè)更加接近體內(nèi)生存條件的微環(huán)境的培養(yǎng)技術(shù)）接種時(shí)，發(fā)生軟骨形成分化。在該條件中，細(xì)胞放棄典型的成纖維細(xì)胞形態(tài)并開(kāi)始產(chǎn)生軟骨特異性基質(zhì)組分。細(xì)胞通常在不超過(guò)2-3周內(nèi)分化成分泌蛋白多糖的軟骨細(xì)胞樣細(xì)胞。3D培養(yǎng)和伴隨的TGF-β的存在是獲得真正的軟骨細(xì)胞表型所必需的條件。

8、,有研究探討使用封裝在骨誘導(dǎo)支架或形態(tài)生物材料中的MSCs以增強(qiáng)骨和軟骨在體內(nèi)的自然愈合過(guò)程。結(jié)果表明這些多能細(xì)胞似乎都能夠在支架內(nèi)區(qū)分自身以及吸引鄰近自體祖細(xì)胞的因子。這種行為可以更快地完成骨折愈合，并且所得新骨的質(zhì)量?jī)?yōu)于單獨(dú)使用的骨誘導(dǎo)或軟骨形成的骨架。因此，這些結(jié)果促使進(jìn)一步研究，探索伴隨使用MSC和BMP家族的最有希望的成員。即，嵌入合適的支架或載體中的BMP2和7已經(jīng)用于治療實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型中的幾種軟骨缺陷和骨折，有希望很快被應(yīng)用

9、于臨床。,應(yīng)用BMPS和MSCS進(jìn)行軟骨修復(fù),軟骨缺損如椎間盤(pán)和膝關(guān)節(jié)的退化是關(guān)節(jié)殘疾的常見(jiàn)原因，能夠影響世界各地許多人的生活質(zhì)量。關(guān)節(jié)軟骨在損傷后自發(fā)修復(fù)的能力有限。接種自體軟骨細(xì)胞以促進(jìn)軟骨再造具有一些優(yōu)于同種異體軟骨細(xì)胞或固體組織移植的好處。但由于在體外擴(kuò)張期間軟骨細(xì)胞去分化以及需要大量軟骨樣品，其應(yīng)用受到限制。因此，MSC在用于軟骨修復(fù)有良好的研究前景。如已經(jīng)提到的，BMP2和BMP7都具有大量被證明的增強(qiáng)體內(nèi)軟骨修復(fù)的能力

10、以及促進(jìn)在體外在適當(dāng)?shù)恼T導(dǎo)培養(yǎng)基中培養(yǎng)的MSC的軟骨形成分化的能力。,在最近的一項(xiàng)研究中，Seo等人研究了嵌入有MSC的雙層支架和含有TGF-β1及血小板衍生生長(zhǎng)因子（PDGF）的富血小板血漿（PRP）用于軟骨形成層，以及MSC和BMP2用于成骨層，在骨軟骨馬模型中的缺陷。缺陷產(chǎn)生在距骨的外側(cè)滑車(chē)脊處，其中通常發(fā)現(xiàn)骨軟骨病，并插入雙層支架。然后評(píng)價(jià)組織修復(fù)，顯示相對(duì)于對(duì)照，植入支架顯著改善骨軟骨組織再生。Geraghty等人最近發(fā)表的

11、一項(xiàng)研究描述了一種新的，可行的骨軟骨異體移植物，其包含能夠刺激MSC的細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）蛋白和軟骨形成生長(zhǎng)因子（即TGF-β1和3，BMP2,4,7，bFGF和IGF1），完成山羊模型中的體內(nèi)軟骨修復(fù)。,上述研究顯示使用與MSC相關(guān)的BMP促進(jìn)關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)帶來(lái)有限的有利結(jié)果。同時(shí)，使用其他軟骨形成誘導(dǎo)因子例如TGF-β蛋白或者諸如PRP或Geraghty等人描述的嵌入新的骨軟骨同種異體移植物中的因子的異質(zhì)混合物已經(jīng)證明了更好的結(jié)果。可

12、能是因?yàn)檫@些因素以及包含BMPs，比單獨(dú)使用BMPs軟骨修復(fù)更有希望。事實(shí)上，BMP與MSC一起在體內(nèi)顯示比成軟骨細(xì)胞更高的骨誘導(dǎo)能力。,骨密度和MSCS在骨組織修復(fù)中的應(yīng)用,骨骼疾病，腫瘤切除，創(chuàng)傷和先天性畸形是需要骨重建的骨缺損的主要原因。幾十年來(lái)，自體骨移植已經(jīng)是臨床上治療骨缺損的金標(biāo)準(zhǔn)。由于自體骨移植物的有限的可用性和供體位點(diǎn)的發(fā)病率，基于干細(xì)胞的組織工程策略作為替代性治療方法是非常有希望的。但是，由于：1、免疫排斥；2、早期再

13、吸收；3、可能的感染傳播。限制了同種異體移植的使用。,在早期研究中，許多研究人員表明，用BMP2工程改造的自體或同種異體MSC能夠在小鼠，大鼠，兔子和豬的異位和原位位點(diǎn)的幾種動(dòng)物模型中分化成成骨細(xì)胞譜系并誘導(dǎo)骨形成。因此，得出結(jié)論，MSC植入與BMP2基因的組合比單獨(dú)的MSC植入更有效地誘導(dǎo)骨形成。在其他研究中，Chang等人在兩種不同的動(dòng)物模型中證明了BMP2表達(dá)的MSC在大顱骨缺損的骨修復(fù)中的用途：兔模型和豬模型。作者清楚地證明，

14、在實(shí)驗(yàn)的三個(gè)月中，在兔子和豬中，相對(duì)于對(duì)照，通過(guò)包含表達(dá)BMP2的MSC的組織工程化的骨幾乎完全修復(fù)大顱骨缺損。,相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，與單獨(dú)的MSC或BMP7相比，兩者的締合提供了更好的骨誘導(dǎo)移植物。最后，Schiavi等人測(cè)試了用BMP7納米儲(chǔ)庫(kù)功能化并裝備有人MSC微組織的新型3D膠原納米纖維植入物。植入物被優(yōu)化用于細(xì)胞定植，分化和生長(zhǎng)。該組實(shí)驗(yàn)清楚地證明，與單獨(dú)使用BMP7或MSC微組織的對(duì)照相比，偶聯(lián)的BMP7 / MSC微組織

15、的體內(nèi)異位骨生長(zhǎng)的加速。,結(jié)論,BMP已經(jīng)在再生醫(yī)學(xué)和組織工程領(lǐng)域中展示出巨大的潛力。它們已經(jīng)在許多臨床前和臨床研究中測(cè)試，探索它們?cè)趲追N動(dòng)物模型缺陷和人類(lèi)疾病中的軟骨形成或骨誘導(dǎo)潛能。特別是BMP2和BMP7，已經(jīng)被完全用于治療許多軟骨和骨缺損，并且最近被批準(zhǔn)用于不連骨斷裂的協(xié)議作為輔助治療。該領(lǐng)域目前仍是分子細(xì)胞研究領(lǐng)域的熱門(mén)，越來(lái)越多的文獻(xiàn)和近年來(lái)的研究結(jié)果表明，為骨替換生產(chǎn)理想的移植物這一目標(biāo)確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)，并且未來(lái)的BMP和M