骨形態(tài)發(fā)生蛋白

1、骨形態(tài)發(fā)生蛋白在間充質干細胞刺激軟骨和骨修復中的應用 2017.01.13,,,研究背景,細胞外基質相關的骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）控制多種生物過程。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)學應用中的潛力，對研究間充質干細胞（MSC）的生物學，其分化能力下的規(guī)則以及測試其在組織工程中的真實能力的研

2、究逐漸增多。事實上，MSC的特異性分化為用于移植的靶向細胞型譜系是再生醫(yī)學的主要目標。,BMPS,BMPs在體內(nèi)誘導軟骨形成和異位骨生長，建立，促進和支持軟骨形成和成骨。已知大約20個BMP家族成員。BMP結合兩種類型的絲氨酸/蘇氨酸激酶受體，即I型（BMPR-I）和II型受體（BMPR-II）。在配體結合后，BMP信號通過Smad依賴性（規(guī)范途徑）或Smad非依賴性途徑轉導到靶基因。BMP / Smad信號通路也可以被一組細胞外蛋

3、白拮抗劑嚴格調節(jié)，它們作為BMP信號傳導中的拮抗劑的基本作用通過在缺乏這些蛋白之一的實驗動物中發(fā)生的許多嚴重或致死缺陷來證明。,BMPS在骨形成,在脊椎動物中，骨形成可以通過成膜細胞在膜性骨化中的直接分化來實現(xiàn)，或者在軟骨內(nèi)骨化中從軟骨細胞的分化開始。這兩個過程由BMPs控制，BMP2和BMP4作為成骨細胞和軟骨細胞表型的主分化誘導，導致骨和軟骨形成。已報道BMP2,4,6,7和9誘導人MSC的體外軟骨形成。,在人類骨髓來源（BM）M

4、SCs中，BMP2（在TGF-β3存在下）是軟骨形成最有效的誘導物，與BMP4和BMP6相比，更能誘導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胞分化。最新的研究證明BMP4和7誘發(fā)人類MSC的體外顯著反應，表明這些因子在體內(nèi)的使用促進軟骨的損傷修復。使用人重組BMP2，BMP4 ，BMP6或BMP7的早期實驗證明這樣的蛋白能夠在多種間充質前體細胞系中單獨刺激成骨細胞（或軟骨形成）。 BMP

5、2和BMP7現(xiàn)已被批準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，主要有以下幾個不良作用：1、更高的骨折不連續(xù)率；2、局部炎癥反應；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臨床環(huán)境中精細校準。且主要應用與骨折愈合失敗高風險的患者。這些不良作用仍然需要進一步研究，以期在今后的臨床應用中逐漸減少。

6、,間充質干細胞（MSC）,成骨的修復涉及BMMSCs（人類骨髓來源MSCs）中，其作為能夠侵入骨折部位的骨軟骨祖細胞的來源，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譜系的多潛能成體細胞，這些細胞在1980年被發(fā)現(xiàn)，MSCs最近在再生醫(yī)學中的潛力越來越受到關注。1、由于對調節(jié)其活性的因素的理解有限；2、缺乏對這些細胞和它們的生態(tài)微環(huán)境的組分之間的復雜相互作用的了解。由于以上兩個因素，MSC的臨床應用受到限制。仍有

7、待相關研究進一步探索。,MSCS在致癌和生殖細胞分化中的應用,當在一個或多個（轉化生長因子-β）TGF-β超家族成員的存在下將MSC以無血清的3D培養(yǎng)形式（為細胞提供一個更加接近體內(nèi)生存條件的微環(huán)境的培養(yǎng)技術）接種時，發(fā)生軟骨形成分化。在該條件中，細胞放棄典型的成纖維細胞形態(tài)并開始產(chǎn)生軟骨特異性基質組分。細胞通常在不超過2-3周內(nèi)分化成分泌蛋白多糖的軟骨細胞樣細胞。3D培養(yǎng)和伴隨的TGF-β的存在是獲得真正的軟骨細胞表型所必需的條件。

8、,有研究探討使用封裝在骨誘導支架或形態(tài)生物材料中的MSCs以增強骨和軟骨在體內(nèi)的自然愈合過程。結果表明這些多能細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，并且所得新骨的質量優(yōu)于單獨使用的骨誘導或軟骨形成的骨架。因此，這些結果促使進一步研究，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)用于治療實驗動物模型中的幾種軟骨缺陷和骨折，有希望很快被應用

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

10、以及促進在體外在適當?shù)恼T導培養(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)生在距骨的外側滑車脊處，其中通常發(fā)現(xiàn)骨軟骨病，并插入雙層支架。然后評價組織修復，顯示相對于對照，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的細胞外基質（ECM）蛋白和軟骨形成生長因子（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。,上述研究顯示使用與MSC相關的BMP促進關節(jié)軟骨修復帶來有限的有利結果。同時，使用其他軟骨形成誘導因子例如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混合物已經(jīng)證明了更好的結果?？?/p>

12、能是因為這些因素以及包含BMPs，比單獨使用BMPs軟骨修復更有希望。事實上，BMP與MSC一起在體內(nèi)顯示比成軟骨細胞更高的骨誘導能力。,骨密度和MSCS在骨組織修復中的應用,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，自體骨移植已經(jīng)是臨床上治療骨缺損的金標準。由于自體骨移植物的有限的可用性和供體位點的發(fā)病率，基于干細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的幾種動物模型中分化成成骨細胞譜系并誘導骨形成。因此，得出結論，MSC植入與BMP2基因的組合比單獨的MSC植入更有效地誘導骨形成。在其他研究中，Chang等人在兩種不同的動物模型中證明了BMP2表達的MSC在大顱骨缺損的骨修復中的用途：兔模型和豬模型。作者清楚地證明，

14、在實驗的三個月中，在兔子和豬中，相對于對照，通過包含表達BMP2的MSC的組織工程化的骨幾乎完全修復大顱骨缺損。,相關研究數(shù)據(jù)表明，與單獨的MSC或BMP7相比，兩者的締合提供了更好的骨誘導移植物。最后，Schiavi等人測試了用BMP7納米儲庫功能化并裝備有人MSC微組織的新型3D膠原納米纖維植入物。植入物被優(yōu)化用于細胞定植，分化和生長。該組實驗清楚地證明，與單獨使用BMP7或MSC微組織的對照相比，偶聯(lián)的BMP7 / MSC微組織

15、的體內(nèi)異位骨生長的加速。,結論,BMP已經(jīng)在再生醫(yī)學和組織工程領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試，探索它們在幾種動物模型缺陷和人類疾病中的軟骨形成或骨誘導潛能。特別是BMP2和BMP7，已經(jīng)被完全用于治療許多軟骨和骨缺損，并且最近被批準用于不連骨斷裂的協(xié)議作為輔助治療。該領域目前仍是分子細胞研究領域的熱門，越來越多的文獻和近年來的研究結果表明，為骨替換生產(chǎn)理想的移植物這一目標確實可以實現(xiàn)，并且未來的BMP和M