成骨细胞骨形成机制研究解读.doc

成骨细胞骨形成体系研究解读成骨细胞骨形成体系研究公布时间：2003-1-14作者：童安莉陈璐璐、丁桂芝骨不停地进行侧重修，骨重修过程包含破骨细胞贴附在旧骨地域，分泌酸性物质溶解矿物质，分泌蛋白酶消化骨基质，形成骨汲取陷窝；以后，成骨细胞移行至被汲取部位，分泌骨基质，骨基质矿化而形成新骨破骨与成骨过程的均衡是保持正常骨量的要点成骨细胞是骨形成的主要功能细胞，负责骨基质的合成、分泌和矿化目前，跟着研究的不停深入，在骨形成过程中，成骨细胞发展及其调控的分子体系也逐渐得以揭穿1 成骨细胞的发源成骨细胞发源于多能的骨髓基质的间质细胞，除成骨细胞外，基质细胞还可分化成软骨细胞，成纤维细胞，脂肪细胞或肌细胞成骨细胞本源谱系有以下几种：(1) 骨髓克隆形成单位(成纤维细胞集落形成单位，CFU-F)；(2)骨祖细胞，可分化成前成骨细胞和前软骨细胞谱系，常位于骨髓腔中，有很强的自己增殖能力；(3)前成骨细胞，即近来的成骨前体，能定向分化成成骨细胞，拥有合成和增殖能力［1，2］成骨细胞由多能的间质干细胞在体内的各种调控要素的调理下发展而来，调控要素主要有BMP-2，BMP-2能引诱基质细胞向成骨细胞分化，详尽就是引诱间质干细胞分化形成骨祖细胞从而形成前成骨细胞［3］。

2 成骨细胞发展阶段及骨形成体系成骨细胞在骨形成过程中要经历成骨细胞增殖，细胞外基质成熟、细胞外基质矿化和成骨细胞凋亡四个阶段好多要素可调理这几个阶段，从而最后调控骨形成成骨细胞增殖期成骨细胞数目增添，以形成多层细胞，并合成、分泌Ⅰ型胶原以便最后可以矿化形成骨结节对成骨细胞增殖的调控详尽说来即是对细胞周期的调控，后者包含细胞在有丝分裂原作用下复制DNA和细胞分裂的调理体系，典型的成骨细胞细胞周期时间为20～24小时［4］克制与细胞周期调理相关的基因会导致增殖的停止与增殖激活相关的基因有c-myc、c-fos、c-jun；与细胞周期相关的基因有组蛋白、细胞周期素基因在颅盖骨分骨细胞培育中观察到细胞从颅盖骨中分别后很快即出现最高水平的c-fosmRNA表达，比c-myc和H4组蛋白基因表达早好多c-mycmRNA常在1天后表达达到巅峰，H4组蛋白基因表达陪同细胞内DNA合成，与增殖亲近相关［5］c-fos、c-jun基因表达在增殖后期明显下调，同时陪同成骨细胞增殖减慢，细胞由增殖期进入分化期c-fos对成骨细胞增殖的作用在体内实验中也获取证明，如在人的长骨与胚胎骨生长旺盛的地域c-fos原癌基因高表达。

还有报导，c-fos高表达的小鼠中骨形成也会增添，这些均证明c-fos与成骨细胞增殖相关并且c-fos与c-jun编码的蛋白质c-fos,C-jun能形成异二聚体，作为转录因子结合到基因启动子区的AP-1位点，已观察到在增殖的成骨细胞中有很高的AP-1结合活性，而在增殖下调后，这类高活性也明显改变，这说明原癌基因可能通过c-fos/c-jun复合物来调理细胞增殖［2］在成骨细胞增殖期，同时还可以表达的基因有表皮生长因子(FGF)、胰岛素样生长因子(IGF)、转变生长因子β (TGFβ)、Ⅰ型胶原、纤维连接素(fibronectin)等基因［6］在细胞增殖后期，与细胞周期与细胞增殖相关的基因表达降落，而编码细胞外基质成熟的蛋白的基因开始表达，在分化早期主若是碱性磷酸酶表达，所以碱性磷酸酶被以为是细胞外基质成熟的早期标记，AKPmRNA表达此时可增添10倍以上有学者用羟基脲克制成骨细胞增殖，加入羟基脲1小时后观察到DNA合成和H4组蛋白mRNA降落90%，与此同时，AKPmRNA增添4倍，证明增殖下调可提前引诱AKPmRNA表达［ 5，7］成骨细胞分泌AKP和钙盐结晶体至细胞外基质中，AKP使局部磷酸含量增高，促使基质矿化。

在细胞外基质成熟期，胶原连续合成并互相交联、成熟在成骨细胞分化后期，当培育细胞进入矿化期，细胞内的AKP活性降落，而与细胞外基质中羟磷灰石堆积相关的基因表达达到巅峰，如骨桥蛋白(osteopontin)、骨钙素、骨唾液酸蛋白(bonesialoprotein)基因骨钙素等非胶原蛋白分泌至细胞外基质中，与钙、磷结合，而后，沿胶原分子的长轴，钙和磷结合到胶原分子的侧链的胶原氨基酸残基上，形成羟磷灰石结晶在用羟基脲克制增殖的实验中同时可观察到，与AKP不一样，骨钙素，骨桥蛋白的mRNA表达不因增殖克制而增添，证明它们与增殖没关而可能与矿化基质中成骨细胞分化相关Owen在体外实验中进一步观察β-磷酸甘油(β-GP)对骨钙素产生的影响，β-GP是羟磷灰石形成的原料，能被AKP迅速水解，开释出无机磷假如培育中没有β-GP时，即使细胞经过细胞外基质成熟期进入矿化阶段，骨钙素基因也不可以表达，说明在没有矿物质堆积时不可以表达矿化阶段的基因［5］体外培育的成骨细胞在骨矿化期骨钙素高度增添，此后，骨钙素逐渐降低，与此同时，可观察到胶原酶增添，成骨细胞开始凋亡，并出现代偿性细胞增殖和胶原合成［8］3 成骨细胞性骨形成的调控体系成骨细胞在产生、发展的各个阶段均需借助于精巧的调控，以最后完成正常的骨形成。

已知好多浑身激素和骨组织局部调理因子都对成骨细胞发挥作用并影响成骨细胞发展的各个阶段，调理成骨细胞功能已知的浑身激素如甲状旁腺激素(PTH)、甲状旁腺激素相关肽(PTHrp)、1，25-二羟维生素D3［1，25(OH)2D3］、降钙素(CT)、糖皮质激素、生长激素、甲状腺激素、性激素等对骨形成均有影响而近年来，骨组织局部调理因子对骨形成所起的作用尤受重视3.1胰岛素样生长因子(IGFs)IGFs是骨细胞中含量最丰富的生长因子，对成骨细胞功能起重要的调理作用，目前已知的IGF主要为IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ，IGF-Ⅰ、IGF-Ⅱ由骨细胞生成并储蓄于骨中，在骨汲取时从骨中开释出来；成骨细胞在骨汲取时也能分泌增添量的IGFs，以[1]分泌方式作用于成骨细胞因为IGF对骨形成有很强的促使作用，所以IGFs在骨吸收时大批增添介导了骨汲取和骨形成之间的偶联作用，使骨汲取后骨形成增添［ 9］，有益于骨重修的正常进行IGF-Ⅰ、IGF-Ⅱ对成骨细胞的作用基实情似，但IGF-Ⅱ作用较IGF-Ⅰ弱IGF-Ⅰ、Ⅱ在成骨细胞培育中均可刺激成骨细胞的增殖和Ⅰ型胶原的生成，且与剂量有相关性，同时IGFs还可刺激碱性磷酸酶活性以及骨钙素的产生［10］。

离体实验显示IGF-Ⅰ、IGF-Ⅱ促使鼠成骨细胞原癌基因c-fos的表达，后者可能在引诱成骨细胞增殖中起重要作用不但这样，IGFs还可以介导浑身激素如糖皮质激素、PTH、1，25(OH)2D3、雌激素及机械压力对成骨细胞增殖和分化的作用其余IGFs与其余生长因子产生共同作用，共同刺激成骨细胞增殖和分化骨组织中IGF受其自己合成，IGF受体数目及其亲和力、IGFBPs等调理［9，11］TGFβ也能调理IGF-Ⅰ表达，TGFβ增添人成骨细胞IGF-Ⅰ表达，而克制鼠成骨细胞的IGF-Ⅰ表达IGFs为小蛋白，在血循环中半衰期很短，IGFs在体内与胰岛素样生长因子结合蛋白(IGFBPs)结合后半衰期延长好多骨组织中共存在6种结构相关的IGFBPs，IGFBPs可调理IGF作用骨中IGFBP1-6除IGFBP-1外，其余均由成骨细胞产生，IGFBP-3、IGFBP-5可促使IGF对成骨细胞的刺激作用而其余IGFBPs特别是IGFBP-4阻挡IGFs结合到胰岛素样生长因子受体(IGFR)上，克制IGF活性好多要素可调理IGFBPs产生，从而影响骨形成骨细胞中，IGFs能调理IGFBps水平，使IGFBP-4减少而IGFBP-5增添。

TGFβ减少IGFBP-4mRNA表达，同时明显增添IGFBP-4蛋白分解在SaOS-2细胞系中，PTH加强IGFBP-4的结合活性及克制IGFBP-4蛋白酶活性，从而对成骨细胞产生克制作用，而雌二醇可以除掉PTH的这些作用其余，皮质激素能克制IGFBP-5表达而1，25(OH)2D3刺激IGFBP-4表达从而两者均克制成骨细胞增殖［ 9，12］3.2转变生长因子(TGFβ)TGFβ超家族包含TGFβs，骨形态蛋白2-7(BMPs2-7)，肌动蛋白(actin)，克制素(inhibitin)TGFβ合成早期是一种无活性的大分子复合物骨基质中有大批的无活性TGFβ，当pH降低或纤溶酶及组织蛋白酶激活时，可使无活性的TGFβ活化骨组织中骨汲取区pH值较低，可使TGFβ活化，因为TGFβ对成骨细胞骨形成产生重要影响，所以TGFβ可以调理骨汲取区新骨的形成TGFβ对骨形成作用很复杂在体外培育中TGFβ可以克制或刺激成骨细胞增殖这些矛盾的结果部分因为各个实验中所使用的TGFβ浓度，细胞密度，细胞本源不一样［13］TGFβ刺激非转化的成骨细胞DNA合成及细胞增殖，同时，TGFβ引诱c-fos原癌基因表达，而用c-fos反义mRNA能阻断TGFβ的致有丝分裂作用，证明c-fos表达在TGFβ引诱的成骨细胞增殖中有重要意义。

目前，对TGFβ对成骨细胞分化功能的影响存在不一样的结论，有报道，在原代成骨细胞培育中，TGFβ克制AKP和骨钙素的合成但还有学者报道，TGFβ可以明显促使细胞外基质的合成，刺激胶原、骨连接素(osteonectin)骨桥和蛋白合成，增添骨基质堆积率［14］其余，TGFβ1减少胶原酶转录并加速胶原酶mRNA降解，这有益于保持骨中的胶原基质在体实验中，实验动物接受TGFβ2系统性治疗能使其小梁骨的形成增添，并且在鼠股骨骨膜下注射TGFβ1和TGFβ2也能促使骨发生［15］这些均证明TGFβ对骨形成起重要作用TGFβ在人骨中的量随年龄增添而降落体外研究中发现1，25(OH)2D3、E2可以增添鼠成骨细胞TGFβ1，25(OH)2D3并能调理产量TGFβ受体表达在人成骨细胞中，睾酮和能增添PTH相同TGFβ产量，除此以外，BMP-2也能增添TGFβ表达，并且TGFβ可自己引诱TGFβ表达［9］3.3骨形态蛋白(BMPs)BMPs是TGFβ超家族成员，拥有刺激成骨的作用BMP可由成骨细胞产生，产生的BMP主要与骨基质结合，极少开释到骨外BMP的主要生物学作用是引诱未分化的间质细胞分化形成软骨和重生骨，前面已提到，BMP-2引诱成骨细胞的前体细胞分化成成骨细胞。

在MC3T3-E1小鼠成骨样细胞培育中，BMP能增添AKP活性和胶原合成，但对成骨细胞增殖不起作用［2］在鼠骨血瘤ROS17/2.8细胞系培育中，BMP-7克制细胞增殖，而在人成骨细胞培育中，BMP-7刺激细胞增殖BMPs与其余生长因子互相作用，共同引诱新骨形成，如TGFβ、VitD可使BMP-2增添糖皮质激素促使BMP-2、BMP-4对成骨细胞分化的引诱作用并在分化早期促使BMP-6合成，BMP-6 在成骨细胞分化早期有重要作用，它介导糖皮质激素引诱的成骨细胞分化BMPs对其余生长因子的影响表此刻BMP-2增添大鼠成骨细胞IGF-Ⅰ、IGF-Ⅱ，BMP-4增添单核细胞TGFβ，而BMP-7。