【摘 要】 综述了骨形态发生蛋白信号传导同多种骨科疾病如骨质疏松、骨折、退化性关节炎、骨转移、骨缺损等之间的关系，展望以骨形态发生蛋白信号传导为靶点治疗骨科疾病的前景。
　　【关键词】 骨形态发生蛋白；信号传导；功能调节；骨科疾病；药物研究；综述
　　骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，
　　bmp）是转化生长因子-β超大家族中的一员，根据结构的相似性，可分为4个亚族。具有潜在的可诱导骨生成的作用，超过30种同bmp相关的蛋白被确定，它们可由骨细胞产生，在早期的胚胎发育、骨骼形成、维持成熟骨中的骨量等方面起重要作用，它们参与脊髓干细胞向造骨细胞的分化，并且存在于骨骼外多样性的组织中，尤其可参与到血管、神经的发育及疾病中。bmp的信号传导同多种骨科疾病的发生、发展相关，目前也有了一些有关以bmp信号传导为靶点治疗骨科疾病的各类新的治疗方向的研究。
　　1 bmp信号传导同骨科疾病的发生联系
　　1.1 骨质疏松同bmp信号传导的联系 内源性的bmps在调整成熟骨骨密度方面发挥重要的作用。bmp-2的缺损可导致严重的骨质疏松。bmp拮抗剂gremlin通过与bmp-2的直接连接，可阻断bmp的作用通道，导致自发性骨折。相反，当在鼠的骨骼中去除gremlin时，会导致骨密度的增加[1]。在人体中bmps同骨质疏松的基因连接已经在不同的组群中进行了研究，bmp-2位于染色体20的短臂上，这个基因的单核酸多态性同发展的骨质疏松及骨质疏松性骨折相关。wWW.11665.coM在2个小型实验组群中，一个错译的多态性ser37ala位于bmp-2基因的exon 2 显示出同骨质疏松性骨折的相关性。这种多形态与低骨密度的关联性，同样体现在另一单独组群中。另一单核苷多形态arg189ser 位于bmp-2基因的exon 3虽然并未显示出同骨质疏松具有相关性，但单模本分析显示bmp-2同低骨密度及骨折相关[2]。
　　bmp信号促进骨的形成，但bmp-3对成骨质起负面调整作用，其作为bmp家族成骨质的抑制剂，通过激活actr2b受体限制骨祖细胞分化为成熟成骨细胞[3]，导致骨密度下降。而且动物实验也证明，bmp可通过间接影响破骨细胞生成下调骨矿物质密度。在bmpr-ia摧毁条件下的鼠，当bmpr-ia的bmp信号以骨特异性及年龄依赖的方式被中断，在成年鼠中骨密度大量增加，这可能由于减少了rankl-opg通道产生的破骨细胞生成，大大抑制了骨的吸收，尽管同时伴随有小规模的骨形成减少。同时也证明，在出生后缺乏bmpr-ia的成骨细胞中，通过向上调节wnt/b-catenin信号，可促使骨密度增加 [4]。
　　成骨细胞中，泛素连接酶smurf-1的过度表达会减少小梁骨数量，并同时减少骨的形成率、造骨细胞的分化及其增殖。缺失smurf-1的实验鼠，显示其呈年龄依赖的骨密度增长，同时提高成骨细胞对bmp的信号响应，这论证了蛋白酶体的下调参与bmp的信号激活并影响骨的形成[5]。肿瘤坏死因子（tnf）是导致病理性骨质丢失的主要因素之一，它通过刺激破骨细胞的骨吸收及抑制成骨细胞的形成而发挥作用。tnf可以增加smurf-1、smurf-2在成骨细胞中的表达，导致遍在蛋白化增加及runx2蛋白的降低。这暗示了tnf抑制成骨细胞的分子作用机制之一为对smurf介导的蛋白酶体的降解进行转录后的调整。通过去除smurf-1防止成骨细胞中smad1/5、runx2蛋白的减少及在tnf转基因的鼠模型中可部分地阻滞骨量的减少，以上数据得到进一步的证实。这样，在成熟的成骨细胞中，泛素连接酶介导的蛋白质降解，对炎性疾病的骨量丢失起推动作用[6]。
　　1.2 骨折同bmp信号传导的联系 通过确定鼠胫骨骨折治愈过程中bmp-2，3，4，5，6，7截然不同的、暂时性的表达方式，提示了bmp在骨折治疗过程中潜在的独特角色。bmp-2是骨折中最早被诱导出来的，伴随着在后来的骨生成顶峰期间出现第二次水平的上升。与之相对应的bmp-4，7，8在第14天至第21天的成骨质期间显示出明显的表达限制。bmp-3，5，6在受伤起始诱导产生，并且在整个治疗期间维持上升水平表达[7]。骨折不愈合患者的bmp-4表达水平远高于治愈患者，而bmp-7的浓度相当低，这提示在骨折愈合的发展过程中bmp及bmp抑制剂共同发挥着整体的角色作用[8]。在骨不连软骨的成分中，bmp的表达浓度远低于骨折骨痂，但是bmp抑制剂的表达水平相当。这提示了由于骨折中软骨成分的bmps信号途径的改变，导致bmp与bmp抑制剂在局部释放中的不平衡，可能会影响临床骨折的治疗。
　　1.3 退化性

关节炎同bmp信号传导的联系 bmps的水平，尤其bmp-2的水平在退化性骨关节炎的软骨中浓度高于正常骨。炎性细胞因子如il-1b、tnf-α，或者机械损伤均会增加bmp-2在软骨中的表达[10]。bmp-7通过软骨细胞刺激软骨特异性细胞外基质蛋白，如ii型胶原、vi型胶原等的合成，缺乏内源性的bmp-7可能导致软骨退化，提示了bmp-7在退化性骨关节炎患者中对关节软骨的保护及修复作用，同时也显示，血浆及滑膜中的bmp-7水平同退化性骨关节炎的严重程度相关。细胞外bmp-7抑制剂如noggin、gremlin等也在退化性骨关节炎患者的软骨中被检测到[11]。在实验性的退化性骨关节炎中，阻滞bmp的活性并没有阻滞骨赘的发展，这提示了在骨赘的形成过程中bmp参与的有限性[12]。bmp对软骨细胞同时显示出合成代谢与分解代谢的双重作用。bmps的激活可同时刺激软骨细胞间质及mmp-13的产生。这一方面可通过促进基质的合成而加快组织的修复，另一方面通过增加mmp-13的表达刺激软骨的恶化[13]。bmp信号传导导致bmps同bmps抑制剂的比例改变，比例的升高会增加bmps的活性并刺激软骨细胞的分化，而比例降低会损伤基质分子的合成。 1.4 骨转移同bmp信号传导的联系 骨转移分为骨破坏转移和骨生成转移。在人类骨转移部位肿瘤细胞群中及病理样本发现了bmp及其受体，它们对肿瘤的分化、转移、入侵起独特的作用。bmp-7在体内抑制骨转移的发生[14]。每天给予裸鼠bmp-7可抑制前列腺肿瘤细胞在骨中的生长，这暗示了bmp-7可作为治疗骨转移疾病的新型分子药物。而bmp-6在前列腺肿瘤细胞中表达同其诱导活性相关，这种作用可被强迫性的noggin表达所制止[15]。在鼠模型中，应用noggin阻滞bmps可限制成骨细胞的损伤，并能降低骨中混合细胞溶解酶损害的成骨细胞化合物[16]。相反，在溶骨性癌细胞有noggin的表达，肿瘤细胞分泌的noggin可能会阻滞溶骨性损伤的修复[17]。通过联合应用rankl、bmp通道抑制剂，可以作为阻滞混合细胞溶解酶前列腺癌骨转移进展有效的生物治疗方法[18]。
　　2 作用于bmp信号通道的治疗应用前景
　　2.1 bmp及骨骼组织工程化 重组bmp作为高强度的骨诱导生成化合物应用于整形外科、脊柱手术以加速骨愈合。在生物工程中，重组bmp联合各种不溶性载体如胶原质海绵等，同移植物结合应用于临床。移植物的范围从纳米粒到复杂的三维立体支架，通过组织诱导形成的生物膜或凝胶提供了不同的短期或长期释放的转运方式[19]。重组bmp-2、重组bmp-7已被批准应用于长骨开放性骨折、骨不连骨折、髂骨顶端骨融合的脊柱手术等骨科整形手术中[20]。i期临床研究表明，关节内注射重组bmp-7，并不存在异位骨发生[21]。近期2个临床试验nct01133613及nct01111045，通过单一关节内注射bmp-7，进一步提示，局部应用bmp-7为骨关节炎等关节疾病提供了一种新的极具前景的治疗方法[11]。尽管bmp显示出对患者可获益的作用，但也存在异位骨化、免疫反应、骨吸收等并发症[22]。
　　2.2 间接促进bmps的药物应用
　　2.2.1 促进bmps的表达 除了直接给予bmp，bmp的间接上调作用为另一个有前景的靶点。oxytocin，一种在怀孕及哺乳期间垂体释放的激素，被证实具有骨量调整的作用。低血浆oxytocin水平是绝经后妇女患严重骨质疏松风险相关的独立性因素。报道称oxytocin可以上调bmp-2的表达，从而促进骨的合成。皮下注射oxytocin可以翻转去势鼠的骨丢失，这暗示了oxytocin可以作为潜在的治疗药物[23]。蛇床子素（osthole）是从伞形花科植物，欧前胡等中草药中提取的香豆素类似物，可以刺激去势鼠的成骨细胞的增殖及分化，促进新骨生成防止骨丢失，它可以增加bmp-2的表达[24]。
　　2.2.2 作用于bmp受体 在进展性骨性纤维化发育不良的鼠模型中，应用选择性bmpsi型受体拮抗剂ldn-193189，可以导致异位骨化的减少，同时可以在fop的发病机理中上调alk-2酶的活性。这显示了bmpsi型受体拮抗剂可能会用于治疗fop、heterotopic骨化综合症[25]。bmps抑制剂如noggin、gremlin等可提供治疗的靶点，尤其在fop、heterotopic骨化方面。肌肉衍生干细胞产生的noggin被实验用于阻滞bmp-4诱导的heterotopic骨化[26]，可用于heterotopic骨化综合症的治疗。
　　2.2.3 活化素抑制剂 可溶性活化素受体融合了igg-fc，可作为一种诱导受体，通过与活化素相连接，防止活化素在破骨细胞起源中的作用而降低骨吸收，并通过与抑制物bmp-3连接促进骨的

形成。在actriia的细胞外区域融合了鼠科的igg2a-fc已经确立的骨量减少的正常或去势的鼠中，可增加骨的形成、骨密度及骨强度。基于这些数据，人类actriia-igg1-fc（ace-011）对骨骼的影响，在非人类灵长类动物中得到了检验，观测到双重的合成代谢作用—网状骨量、骨生成率、成骨细胞数量均得到增长，而破骨细胞数量下降[27]。actriia-igg1在i期临床中显示耐受性较好，骨特异性碱性磷酸酯酶的血浆浓度呈现快速并可持续的剂量依赖性的增长，c末端1型胶质端肽、tracp-5水平也呈剂量依赖增长。通过增加骨合成并降低骨吸收，活化素抑制剂在人类的骨重塑过程中起到解偶联的作用。这可能为抗骨质疏松的治疗提供一种新的药物[28]。
　　2.2.4 蛋白酶抑制剂 bmp信号分子通过泛素介导的蛋白酶降解而得到调控，smurf-1是泛素连接酶，通过促进smad1/5的酶降解调整造骨细胞的分化，显示出作为调整bmps作用机制的潜在的重要药物靶点[29]。蛋白酶抑制剂，如lactacystin，epoxomicin，proteasome inhibitor-1（ps1）通过抑制泛素蛋白酶通道，在体内促进bmp-2的表达、造骨细胞的分化 [30]。蛋白酶抑制剂bortezomib，在多发性骨髓瘤患者中起积极的骨合成代谢调整作用，同时可促进bmp-2的表达。出于骨骼的特异性及安全性考虑，蛋白酶抑制剂的研究目前主要集中于各类恶性疾病的控制管理。它在联合局部应用bmp治疗骨损伤疾病方面具有广阔的前景[31]。
　　3 讨 论
　　通过研究bmp信号传导在骨科疾病中的作用原理，bmps及其衍生物作为局部或全身系统的治疗提供潜在的极具前景的治疗靶点，预防及治疗骨科手术或由于年龄导致的骨形成障碍性疾病。但是，由于bmps的信号传导瀑布流中仅有的少数的作用靶点被描述，除了骨之外，bmps在其他组织也具有多种作用。所以目前重要的是开发特异性作用于骨组织的靶点药物，以减少药品的不良反应。目前bmps基本应用于局部治疗，因为全身治疗会导致诸多不良反应产生。而且有关bmps作用于骨吸收与骨生成间的矛盾也被论证了，即传统观点认为bmps信号传导为骨生成促进剂，但一些数据暗示，bmps可通过rankl-opg信号途径调整造骨细胞依赖的破骨细胞始祖细胞，这样即使合成代谢相应体现在造骨细胞的家族中，提高bmps的活性与可能同时增加骨密度不相关。同样的，通过抗破骨细胞的活性，在骨矿物密度增加方面，bmps抑制剂比bmps激动剂的作用更大[32]。虽然各种具有潜力的作用于bmp信号通道的靶点用于骨科疾病的治疗很有前景，但是需要进行更进一步的基础及临床研究，以验证这些治疗方案的有效性及安全性。 　4 参考文献
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