骨形态发生蛋白-7（BMP-7）在骨骼系统中的作用
　　中国矫形外科杂志2000年第7卷第3期
孟国林（综述）　胡蕴玉（审校）
　　摘　要：目的：探讨骨形态发生蛋白-7（BMP-7）在骨骼系统不同发育时期、不同细胞和疾病中的作用。方法：广泛查阅近期有关BMP-7在骨骼系统中不同作用的文献，综述有关内容。结果：BMP-7具有强烈的骨诱导活性，可在异位诱导新骨形成；在骨骼发育的不同阶段具有一定的调节作用；它可促进成骨细胞增殖和碱性磷酸酶的表达，并促进软骨细胞蛋白多糖表达和关节软骨缺损的修复；BMP-7在黄韧带骨化和后纵韧带骨化等疾病的发生方面具有一定的促进作用。结论：BMP-7在骨骼系统中的作用特点将促进将来其在骨折愈合及软骨缺损修复中发挥重要作用。
　　关键词：骨形态发生蛋白　骨骼　作用
　　1990年，Ozkaynak^［1］对从牛成骨蛋白提取物中分离出的3种TGF-β家族的同序物进行分析时，发现其中的一种是一新的蛋白，于是将其命名为成骨蛋白-1（osteogenetic　protein，OP-1）(证明另外2种是BMP-4和BMP-3)。同年，Celeste^［2］也从牛骨中筛选出一种蛋白，命名为BMP-7，并以该蛋白cDNA序列片段为探针筛选出人BMP-7基因。Celeste经进一步对BMP-7和OP-1进行氨基酸分析，证明二者实际上是同一种蛋白^［2］。近年来，随着研究的深入，对BMP-7的了解日益增多。本文就BMP-7在骨骼系统中的作用做一综述。
[-hzh-] 　　1　BMP-7的诱导成骨作用
　　BMP家族因具有独特的异位骨诱导活性而被发现并被命名为骨形态发生蛋白。BMP-7作为其家族的一个成员，研究发现它也具有异位成骨作用。Sampath等^［3］将BMP-7同大鼠胶原结合，埋植于LE大鼠胸部皮下。第5～7d，在胶原中有软骨细胞形成，所形成软骨细胞的量同BMP-7的量呈剂量依赖性关系。第9d显示有软骨的钙化，在肥大软骨区有新生血管形成。在钙化和软骨化基质周围同时有新骨形成，在新生血管周围有嗜碱性成骨细胞环绕。第12d，植入的胶原基质和软骨细胞几乎完全被吸收并被重建骨所取代，在新形成的细胞外骨基质(类骨质)周围有丰富的骨细胞环绕；移植物中可见到造血征象，同时还可进一步显示有骨重建和造血组织的募集现象。第21d，植入的胶原完全被吸收，骨髓腔中显示含有成红细胞系、粒细胞系和巨核细胞系细胞。重组人BMP-7以Algipore和bio-Ossblock为载体，植入动物的下颏骨缺损区中。在实验侧发现有大量新骨形成，而在对照侧则无新骨形成^［4］，证明重组的BMP-7具有同从牛骨中提取的天然BMP-7一样的特异活性。由此可见，BMP-7具有较强的诱导成骨作用。
　　2　BMP-7在骨发育中的作用
　　1997年Haaijman^［5］等发现在发育中的大鼠后肢中有BMP-7和BMP-7受体的共同表达，同时BMP-7在趾间间充质中，BMP-7受体在交界的骨膜中也有表达；进一步的实验证明BMP-7配体和受体同时表达于肥大软骨细胞带中。通过对胚胎大鼠跖骨的器官培养发现BMP-7在长骨发育中发挥着一定作用。在骺软骨膜，使用4mg/ml的BMP-7在第2d可促进细胞的增殖，经6d的作用使胶原的表达从Ⅰ型向Ⅱ型方向转化，说明BMP-7可诱导软骨膜转化成软骨。在残基的中心，BMP-7可抑制X型胶原mRNA的表达，提示有软骨肥大的抑制。在BMP-7作用下残基中出现大范围表达基质玻璃蛋白(matrix glaprotein, MGP)mRNA的细胞，提示(前)肥大区软骨细胞的分化受到抑制。Haaijman等认为BMP-7通过作用于软骨内骨化的两个阶段从而影响软骨细胞分化标志基因的表达。首先，细胞增殖增强，特别是在首先表达软骨细胞表型的软骨膜区。其次，成熟软骨细胞分化终止进入肥大软骨细胞的过程受到抑制。这些结果提示BMP-7在软骨内骨化的级联机制中起重要的作用。由上述可见，BMP-7在骨的发育中起一定的调节作用。
　　3　BMP-7对成骨细胞的作用
　　Kitten^［6］等发现使用BMP-7处理ROS17/2.8细胞导致时间和浓度依赖性的³H-胸腺嘧啶掺入的抑制，但可刺激该细胞表型的分化，表现为增加碱性磷酸酶(ALP)活性，增加ALP mRNA的表达，增加PTH受体mRNA和PTH刺激的腺嘌呤3′、5′环单磷酸的储集。BMP-7诱导的细胞生长和基因表达的改变对亚胺环己酮和放线菌素敏感。对³H-胸腺嘧啶掺入和ALP在原位的活性测定显示了细胞对BMP-7反应的异质性(或多相性，heterogeneity)。增殖中的细胞显示比非增殖细胞低的ALP活性，而高表达ALP的细胞仅有少量³H胸腺嘧啶的掺入。但Knutsen等^［7］观察到不同的结果。他们在实验中共使用了2种细胞：TE85细胞(一种具有成骨细胞特性的骨肉瘤细胞)，正常骨细胞(HBM，从下颏骨中分离)。在2种细胞中BMP-7均可促进³H胸腺嘧啶的渗入。并呈剂量依赖性。在TE85细胞，BMP-7可增加细胞的数量和增加ALP活性；但在HBM可中度抑制ALP活性。导致出现不同结果的机理目前尚不清楚，有待进一步阐明。研究还发现，在10^-8MVitD3存在时，当BMP-7呈剂量较低时，在TE85和HBM细胞中对ALP活性产生双向调节作用；当BMP-7在高剂量时对ALP活性产生抑制作用。因此作者认为，在成骨细胞，BMP-7对ALP活性的影响受VitD3的调节作用。Sampath等^［3］通过BMP-7和TGF-β1对比发现，尽管二者均可促进成骨细胞的增殖和胶原的合成，但只有BMP-7可特异刺激细胞表型标志的表达。
　　4　BMP-7对软骨细胞的作用
　　Wu等^［8］发现，在培养第7d的生长板软骨细胞中加入BMP-7，可使细胞培养基中和基质/细胞层的蛋白多糖的合成增加2倍，ALP活性也增加并同BMP-7剂量依赖性关系，第14d检测发现蛋白量也增加。这种刺激在无血清培养基中比在含血清培养基中要强。这种对生长板软骨细胞ALP活性和蛋白多糖合成的刺激提示BMP-7可诱导软骨细胞分化。BMP-7对细胞分裂影响较小，但在培养的早期发现有轻度的增加。单独使用时，BMP-7在2种培养基中均可增加矿物质(钙和磷)的含量(大约2倍)。在第14d，矿物质簇可以包围BMP-7处理的细胞。因此在体内通过培养的生长板软骨细胞BMP-7可以强烈的增加矿物质的形成。在无血清培养基中培养的猪关节软骨细胞上，重组BMP-7对蛋白多糖的合成和释放与蛋白多糖浓度的稳定维持具有一定影响^［10］。BMP-7处理过的关节软骨细胞蛋白多糖的合成是剂量依赖性的，同时蛋白多糖的释放减少。未处理的关节软骨内的蛋白多糖单体和氨基葡聚糖的组成同经BMP-7作用的关节软骨内的是相似的。新合成的蛋白多糖和外源性透明质酸结合形成聚合体的能力与牛鼻软骨蛋白多糖的能力是相似的。Grgic等^［11］也具有类似发现，在NZW大鼠膝关节软骨上造成全层软骨空洞，并用BMP-7填充空间。结果表明BMP-7可促进关节软骨的修复，关节表面所形成的新软骨细胞同成熟关节软骨细胞相似。以上研究提示BMP-7在关节软骨蛋白多糖的维持方面具有一定的作用，有望成为最大程度修复关节软骨的良好方法。
　　5　在骨病中的作用
　　既然BMP家族的成员具有异位骨诱导作用，而有些疾病的病变组织中又有异位骨化现象，那么在这些异位骨化的病变组织中是否有BMP的表达呢?基于以上考虑，Hayashi等^［14］等对黄韧带骨化(OLF)的病人进行了研究，发现OLF病人的骨化区周围成熟和不成熟的软骨细胞中，在骨化区较远区域的梭型细胞和圆型细胞中均有BMP受体(BMPR)的广泛表达。在OLF病人中BMP-7、BMP-2/-4均有定位。对照组，在黄韧带进入骨的钙化区内有BMP-7和BMPR的表达，这种有限的表达仅在较小范围内发现。BMP-7和BMPR在对照组和OLF病人中表达情况的不同说明在OLF的异位软骨内骨化中，BMP-7及BMP-2／-4具有重要作用并在以后的病情发展中继续发挥作用。后纵韧带骨化(OPLL)是在脊柱韧带中发生的病理性骨化，主要是通过软骨内骨化形成的异位骨化。Yonemori等^［15］采用免疫组化的方法检测了OPLL病人病变组织内BMPR-Ⅰ　A、-Ⅰ　B和-Ⅱ、ACTR(activin-receptor，活化素受体)-Ⅰ、-Ⅱ及BMP-7的表达，同时采用颈椎间盘突出病人的韧带组织为对照。发现BMPR和ACTR的表达均有不同程度的增高。BMPR-Ⅰ　A、-Ⅰ　B和BMPR-Ⅱ不但在钙化区纤维软骨组织内有表达，在非钙化韧带中的成纤维样梭形细胞中也有表达。ACTR-Ⅰ、ACTR-Ⅱ在钙化组织和钙化区附近的组织内肥大软骨细胞中均有表达。BMP-7在钙化区附近的软骨细胞中有表达。对照组中，BMPR和ACTR在韧带组织和骨结合部位的纤维软骨组织内有微弱的表达，BMP-7则未检测到。在OPLL病人的这些细胞也发现BMPR的高表达，说明OPLL病人的这些细胞比非OPLL病人的细胞具有较大的分化成为成骨细胞的潜力。
　　Hentunen等^［20］发现重组人BMP-7在大鼠骨髓细胞培养中可显著刺激抗酒石酸磷酸酶(tartrate resistant acid phophatase, TRAP)阳性多形核细胞(multinu cleated cell. MNC)的形成并呈剂量依赖性。由BMP-7单独或联合1，25(OH)2D3诱导形成的MNC上vitronectin受体和碳酸脱氢酶Ⅱ均为阳性。而且，在骨髓培养中，BMP-7可显著增强1，25(OH)2D3诱导的破骨细胞样细胞的形成。陷凹形成实验分析表明BMP-7在5～100ng／ml范围内对骨吸收并没有显著的作用，说明BMP-7单独使用对骨吸收并没有直接的作用。以上说明BMP-7与1，25(OH)2D3联合使用在骨重建中不仅对成骨细胞的生长和分化有作用，在破骨细胞的募集中也具有重要作用。但在骨质疏松症中是否也具有类似的作用尚有待进一步的研究。
　　6　研究展望
　　目前的研究表明，BMP-7是一种具有强大骨诱导活性的成骨因子。BMP-7不但具有强大的成骨作用，对关节软骨也有明显的促进修复作用。随着研究的深入，BMP-7可望在骨折愈合、骨折延迟愈合、骨不连以及创伤性、退行性骨关节炎的治疗中发挥重要的作用。由于天然的BMP-7在动物的骨骼中含量极低，利用BMP-7同其他生长因子间的相互协同作用^{［7，12，13］}，在不远的将来将重组人 bMP-7同其他的生长因子复合在一起应用于临床将成为可能。■
　　作者简介：孟国林(1971-)，男，汉族，山东省东平县人。医师，博士研究生。研究方向：创伤与骨折愈合，骨组织工程。电话：(029)3375291，3375290
　　作者单位：孟国林（第四军医大学西京医院全军创伤骨科研究所，西安　710032）
　　胡蕴玉（第四军医大学西京医院全军创伤骨科研究所，西安　710032）
　　参考文献：
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