细胞生物读书报告修

2011级硕士研究生读书笔记报告

骨形态发生蛋白（BMP)在疾病中的应用

2011-12-01

《骨再生的目前的概念和未来的发展方向 》读书报告 Bone regeneration: current concepts and future directions

—骨形态发生蛋白（BMP)在疾病中的应用 我是一个护理学的研究生，由于专业的特殊性，看到基础课程的文章我感觉非常茫然，

这么多领域发现都与护理关系不大，因为一度的观念是护理就是单纯的执行医嘱。这次老师

让写读文献后的感想，我把文献大体看了一下，觉得大部分对我而言都很陌生也很抽象，最后我发现这篇综述比较接近我的专业和方向，且也相对简单，所以对其进行了比较详细的阅读。希望能从中学习到一些对专业对自身发展有益的知识。

骨再生是一个复杂的，精心策划的生理过程的骨形成，可在正常骨折愈合，并参与连续重塑整个成年生活。不过。有复杂的临床条件，骨再生需要量大，如骨骼重建大型骨缺损所造成的创伤，感染，肿瘤切除和骨骼异常，或在何种情况下的再生进程被破坏，包括缺血性坏死，萎缩非工会和骨质疏松症。目前，有大量不同的战略，以增加受损或'不足'再生过程，包括'黄金标准'自体骨移植，游离腓骨带血管移植，异体移植，和使用生长因子，成骨支架，骨细胞和骨牵引。改进的“本地”战略在组织工程和基因治疗，或甚至'系统性增强骨修复，正在紧张的调查，以努力克服的局限性，目前的方法，以生产的骨移植替代品与生物力学属性是相同的，正常骨尽可能，加快全面再生过程，甚至解决系统性的条件，如骨骼疾病和骨质疏松症。

本综述主要从几个方面对骨再生的目前的发展情况和未来主要的发展方向进行了介绍：１、目前的提高骨再生的临床方法介绍。（如：自体骨移植，移植，和骨移植替代或生长因子；另一种骨再生和重建长骨缺陷的方法是一个两阶段的过程，称为马斯昆雷特技术，并简单介绍了这个技术）２、介绍了目前提高骨再生的不足和限制。（目前没有任何异体骨或人造替代品具有优越的或甚至同一生物或机械性能的比较骨。因此，有必要制定新的治疗替代或附加的标准方法用于骨再生）３、骨形成蛋白和其他生长因子介绍。（骨形态发生蛋白已被最广泛的—地研究，因为它们是强大的诱导成骨因素。他们诱导的丝裂原间充质干细胞（干细胞）和其他骨原细胞，和他们的不同对成骨细胞的分化。自从发现了骨形成蛋白，一些实验和临床试验支持的安全性和有效性利用他们作为骨再生的骨移植的替代品，与利用基因重组技术，BMP - 2和7至２００１－２００２年已获准用于临床使用，这些分子有被用于各种临床条件包括非联盟，开放性骨折，关节融合，无菌性骨坏死和骨缺损的关键；其他因素如趋化和血管生成，也正在调查或正在被用来增加骨修复，包括血小板衍生生长因子，转化生长fac-tor-b，胰岛素样生长因子- 1，血管内皮生长因子和成纤维细胞生长因子）。４、支架和骨替代用品的介绍。（大量合成骨替代用品目前可用，如哈，b-tcp和钙—磷酸盐水泥，陶瓷和玻璃等）５、组织工程介绍（组织工程方法是一种很有前途的战略在该领域的骨再生医学，其中目的是产生新的细胞，组织，功能，而不仅仅是植入非生物支架。）６、基因疗法。７、骨再生中机械稳定性和机械刺激作用。８、骨再生的全身促进作用。 可见《Bone regeneration:current concepts and future directions》这篇文章以骨质再生为出 发点，阐明了骨质再生的概念，发生的条件，状况，影响骨质再生的因素，结合目前临床上应用的各种促进骨质再生的方法，分析使用各种方法的优缺点，对骨再生发展的前景和方向进行了展望并提出了期望。作者希望未来在控制骨再生，模仿正常骨形成的战略中，将提供成功的增强骨质再生，并减少其长期的发病率和成本的调控条件。并指出这些研究正在所有相关的领域进行。希望骨质再生的扩展优化能够应用于局限性或者全身性疾病的治疗，使许多继发于外伤，骨切除，烧伤手术，老化，代谢或遗传疾病的骨疾病能够治疗成功。 骨再生术在当今应用非常广泛，读完这篇文献后，我感觉其发展前景非常难以估量，但由于我的专业特殊，看似与其没有太大关系，但是我相信它的发展也必将促进护理学科的进步，解决护理学的很多难题，特别是对一些特殊疾病的临床护理方法的制定有借鉴作用。在这篇文章里，我对骨形态发生蛋白非常感兴趣，我希望通过对它的学习来了解一系列疾病的发生发展机制，以更深层面的去了解临床疾病，加深护理人员的工作，避免单纯的以固定死板的模式进行护理工作。下面我通过跟进一步的文献查阅学习从更广阔的面去了解了骨形态发生

蛋白。

骨形态发生蛋白（BMP），除BMP-1外其余均属于转化生长因子-β（transforming growth factorβ，TGF-β）超家族（及还有骨形成蛋白2和4） 。BMP是低分子量（约30，000Da）、不含胶原的糖蛋白, 成熟BMP分子是由一个依赖半胱氨酸二硫键固定的双链（每链含有400个氨基酸）多肽二聚体分子,而且重要的结构40%～50%与TGF-β高度同源。BMP是以一个大的前体蛋白的形式合成的,包括信号肽部分、前结构域和羧基末端区，蛋白水解酶将羧基末端从前体蛋白切割下来后即形成二聚体。二聚体是BMP活性形式,BMP既可以2个相同的链形成的同源二聚体起作用,也可以2个不同的链形成的异源二聚体起作用。随着研究的不断深入 ,人们发现它是一个多功能因子 ,在胚胎发生和发育、组织与细胞的分化和增殖等方面起重要作用。BMP家族至少包括40个成员 ,至今已鉴定了的 BMP有 15 种之多 ,都属于转化生长因子 -β(transforming growthfactor2β,TGF2β)家族 ,以功能域的同源性为基础 ,它又分成几个 BMP超家族 ,即 BMP22、4 超家族 ,BMP25、6、7、8超家族 ,生长分化因子 - 5(growth and differentiationfactor ,GDF25) 、GDF26(BMP213) 、GDF27(BMP212)超家族 ,以及BMP23与 GDF210(BMP23b)超家族。其中 , BMP24 在中胚层的诱导发育、牙齿发育、四肢形成、骨诱导、骨折修复中 ,都是重要的调节因子。下面主要对骨形成蛋白4和骨形成蛋白2作一下介绍。 一、骨形成蛋白4

(1) BMP-4 作用机制 作为分泌配体 ,BMP-4 与其它TGF2β家族成员一样 ,它先与同族跨膜丝氨酸 - 苏氨酸激酶Ⅱ型受体 (BMPR Ⅱ) 结合 , 之后再与 BMP Ⅰ型受体(BMPR Ⅰ, ALK2 , ALK3 , ALK6) 形成复合物。BMPR Ⅱ使BMPR Ⅰ磷酸化 ,磷酸化的 BMPR Ⅰ又依次使下游的胞质信号蛋白 ,包括 Smad1、Smad5、Smad8 磷酸化。随后 ,磷酸化的Smads与共同的效应器 Smad4 形成复合物 ,该复合物转移入核内而调节基因。

(2) BMP-4信号转导的调控 BMP信号转导途径受多水平的调控。在细胞外水平 , BMP24 受结合蛋白如 chordin 与noggin的调节 ,它们抑制细胞表面受体活性 ,防止功能受体复2,3合物的形成 ; BMP-4 受蛋白酶 tolloid 的调节 ,它分解chordin并释放有活性的BMP-4 , BMP24 还与细胞表面硫肝因的表达蛋白糖(HSPGs)结合 ,它们的结合可以促进或抑制BMP-4 的活性; BMP-4信号受follistatin 的调节 ,它与 BMP及其受体形成三聚体 ,从而妨碍受体的激活 ; BMP-4 信号还受丝氨酸蛋白酶抑制剂 Ep45 的调节 , Ep45 是一种 BMP-4 结合蛋白 ,它可调节BMP-4与细胞内基质的相互作用 。在细胞内水平 , BMP信号受 Smad6、Smad7 负向调节 ,它们阻止信号从胞膜传递至胞核内; BMP信号受 BAMBI的调节 , BAMBI是一种跨膜蛋白 ,它与 TGF2β家族受体稳固结合 ,防止功能受体复合物的形成 ,从而阻止BMPs信号的转导 ;BMP信号还受泛肽 - 蛋白连接酶中 Smurf 家族成员的调节 ,该家族成员的靶蛋白是BMP受体及使蛋白体或溶酶体降解的细胞内信号转导级联的其他元件 。在胞核水平 ,与 Sno及 Ski 相似的转录阻遏蛋白 ,可以抑制或终结一定的BMP靶基因的转录激活作用 。此外 ,细胞内的分支点以及由不相关的配体和受体结合引发的信号 ,也可以影响 BMP 信号级联;钙调节蛋白可作为 Smads的抑制剂 , TAK1可作为BMP信号的诱导剂 ,而受体酪氨酸激酶可抑制BMP信号 。

（3、）BMP-4的骨诱导作用 尽管BMP-4作为信号分子在胚胎发育中起重要作用 ,它的主要应用是刺激骨的修复。BMP-4是可明确促进成骨表型的生长因子 ,在正常骨折愈合中的软骨内成骨期中表达。在骨折愈合早期阶段 , BMP-4作为主要的局部刺激因子可促进骨痂形成。同时 , BMP-4可以诱导异位骨及软骨形成。在软骨细胞中 , BMP-4刺激细胞外基质合成 ,并有助于骨折的愈合。BMP-4过度表达 ,可增加软骨形成及促进分化 。研究者们利用质粒或逆转录病毒作为 bmp-4 的载体 ,探索 bmp-4 应用于骨再生基因治疗的可能。Fang等 首次报道利用质粒介导的 bmp-4 基因转染技术 ,诱导异位骨形成 ,促进节段骨愈合。在小鼠体内 ,使用电穿孔法 ,同样可以转染以质粒为载体的 bmp-4 基因 ,并诱导新骨形成 。最近 ,出现了运载 bmp-4 cDNA 的逆转录病毒载体 ,它可以分泌高水平的BMP-4蛋白。基于MFG的 BMP-4 载体转导大鼠骨髓基质细胞 ,此细胞可诱导小鼠体内异位骨形成 ,并促进大鼠临界大小颅骨缺损的愈合 。Chen 等 发现 ,体内或体外腺病毒介导的 bmp-4基因治疗都可成功地诱导骨形成。

（ 4、）BMP-4与疾病发生 BMP-4过度表达导致进行性骨化性纤维发育不良(fibrodysplasia ossificans progressiva , FOP) 。Kaplan 等 发现FOP患者中淋巴细胞及受损伤细胞过度表达BMP24 mRNA及蛋白 ,但是 , bmp24基因并未发生突变。最近研究表明 , BMP-4正向调节 BMP对抗物如 noggin、follistatin、gremlin 的表达从而建立了一个自动调节的反馈环。因此 ,当BMP-4 信号与细胞外对抗物的反馈途径发生障碍时 ,出现 BMP-4 失调 ,从而产生 FOP。大多数情况表明 ,BMPs 抑制恶性肿瘤细胞的增殖。研究发现 , BMP24抑制多发性骨髓瘤细胞DNA的合成 ,并诱导凋亡。BMP24抑制促肾上腺皮质激素肿瘤的发生。研究发现 , BMP-4 在人类正常的垂体前叶的促皮质激素细胞中表达 ,而在 Cushing’s综合征患者的促肾上腺皮质腺瘤中表达较少。用BMP24处理的 AtT220 小鼠促肾上腺皮质腺瘤细胞抑制ACTH的分泌与细胞的增殖 。 二、骨形成蛋白2

BMP-2是目前研究最为广泛、诱导成骨活性最强的BMPs之一。1988年，人们首次纯化分离出天然BMP-2，这是一种\" 分子量约为30KDs的碱性降解糖蛋白质，其降解产物的分子量分别为30、18、16KDs。其中30KDs的分子以二聚体形式存在，是天然BMP-2的主要形式。目前，人们利用基因重组技术已经表达出人类基因重组BMP-2(rh BMP-2)，并且在常位和异位成功地诱导出新骨。但由于rhBMP-2比天然BMP-2的诱导成骨活性较低，且尚未找到十分理想的载体，所以至今仍未能在临床上得到推广应用。 （1）.BMP-2在骨形成中的作用

骨组织形成是一个由多种因素调节的复杂而有序的过程。在细胞水平上看，骨组织形成有两种方式，即膜内成骨和软骨内成骨。前者的新生骨组织在结缔组织膜中由间充质细胞直接形成，后者是指结缔组织内的间充质细胞首行先分化为软骨组织，然后在软骨组织的基础上进行钙化成骨。从分子水平上看，骨组织的形成过程就是生物大分子在细胞与细胞之间、细胞与细胞外基质之间的信息转导过程。 胚胎时期的骨化过程同骨折骨痂的形成以及异位骨形成过程相类似，均受到机体某种激素和某些局部生长因子的调控。一般认为，影响骨组织形成的激素主要有甲状旁腺素(PTH)、生长素、甲状腺素、降钙素、雌激素等；影响骨组织形成的局部生长因子主要有BMPs、转移因子(TGF)、血小板衍生生长因子(PDGF)、胰岛素

样生长因子(IGFs)、白细胞介素(ILs)等。在骨组织形成过程中，激素与生长因子调节之间既有相对独立，又相互联系。两种调节与神经系统共同形成了神经-内分泌-免疫-局部生长因子调节网络，参与骨组织形成的整个调节过程。一般认为，局部生长因子在骨组织形成的调节过程中起着主导作用。尤其BMPs是其中唯一能够单独诱导间充质细胞向骨组织方向分化的生长因子，是骨组织形成过程中最关键的调节因子。实验表明，低浓度BMPs能够诱导间充质细胞向骨组织形成区移行；中等浓度BMPs可以促进间充质细胞向成软骨及成骨细胞方向分化；而高浓度BMPs则能促进进间充质细胞的增生。研究认为，BMP-2主要对未分化间充质细胞和骨系细胞起到募集和分化作用。在骨形成早期，BMP-2不仅可使未分化间质细胞向骨形成中心募集，并分化为骨系细胞，而且可使成纤维细胞、成肌细胞及骨髓的基细胞逆转分化为骨系细胞。其主要过程是：增加或抑制这些细胞内的某些特异性蛋白的分泌，使成纤维细胞分化为成骨细胞，成肌细胞快速分化为肥大的软骨细胞，并促进基质钙化。对于成骨细胞，BMP-2则可使之维持其特有细胞表型，并诱导成骨细胞标志物的增高，促进细胞外基质钙化。在骨形成后期，BMP-2还作为一种破骨细胞分化因子与其它支持破骨细胞分化因子直接或间接刺激破骨细胞分化，参与骨的重建。关于BMP-2是否具有促进细胞的有丝分裂和复制作用，目前尚有争议。但可以肯定，在促进细胞有丝分裂和复制过程中，BMP-2与其它局部因子有协同作用。因此骨组织形成是多种局部因子共同调节的结果。 （2）.BMP-2的临床作用

属于 TGF β细胞因子超家族 ,是一种在细胞生长、分化、凋亡和机体多种组织和器官形态发生中起重要调控作用的细胞因子。最初发现 BMP是一种可在异位诱导骨和软骨形成的蛋白随着对 BMPs家族成员的深入研究和扩展 ,已发现 BMPs广泛分布于人体多种组织和细胞中 ,对靶细胞的生长、分化以及凋亡具有调控作用 ,在机体胚胎生长发育、创伤愈合肿瘤 的发生发展等过程中起重要作用。研究证明 , BMP-2 可抑制乳腺癌细胞增殖 ; BMP-2 在机体 的 许 多 肿 瘤 如 骨 肉 瘤、骨 纤 维 异 常 增 殖症 、唾液腺肿瘤 中均有表达 ,并且影响其临床和预后 。

BMP-2在成牙本质细胞分化过程中的表达及意义Heikinheimo等 用反转录 PCR检测了人牙胚标本中 BMP-2 mRNA 的表达,证实 BMP-2mRNA出现较晚 ,位于已分化的成牙本质细胞中 ,提示 BMP-2参与调控成牙本质细胞分化和细胞外基质形成。Begue2Kim等 利用牙胚体外培养技术观察了 BMP-2等生长因子对牙乳头细胞的诱导作用 ,发现 BMP-2加肝素也能诱导牙乳头细胞分化为前成牙本质细胞 ,但仅局限在牙乳头尖区。Nakashima等发现 ,培养的牙髓细胞向成牙本质细胞分化的过程中 ,BMP-2mRNA随细胞外基质的分泌的出现而增加 ,同时 BMP22、BMP24反过来也增加细胞外基质的分泌 ,包括 Ⅰ、Ⅲ型胶原、骨钙素、ALP mRNA表达及其活性。Nakashima在动物牙盖髓实验中用人重组 BMP-2和胶原基质诱导牙本质形成发现 ,BMP-2单独和复合胶原基质或无活性的牙本质基质均可见骨样或管样牙本质形成 。这些发现表明 ,BMP22、BMP24在成牙本质细胞的分化及第三期牙本质形成中具有重要的作用。

BMP是一种高度保守的蛋白,例如鼠和人BMP-2基因序列虽然有不同的地方,但其成熟肽的蛋白序列是相同的 ,所以具有跨种诱导成骨的能力而无免疫反应,因而从不同种属动物骨基质中分离出的 BMP已用于临床研究。但从动物骨基质中纯化 BMP,因其含量少而难以广泛应用于临床研究随着基因工程技术的发展,多种动物 BMP基因被克隆和测序,现已发现 BMP有近 20个亚型。其中BMP-2具有较强的单独成骨能力 ,可以利用基因工程技术对其基因进行克隆和表达,最终制备出可满足临床研究和应用的 BMP2,国内外许多实验室已制备了

不少 BMP2基因的真核和原核表达载体,其中原核表达的 BMP2已在动物实验中得到应用。国外学者通过将含骨形成蛋白基因和甲状旁腺素基因的真核表达质粒与胶原海绵结合,制备出用于骨修复的基因活化基质(geneactivatedmatrix)材料,他们将这些材料植入鼠和狗的骨缺损处,发现与对照相比,骨修复效果很明显 。这给我们提供了一种新的直接利用 BMP基因表达载体治疗骨缺损等骨科疾病的方法。

由上可见，骨再生技术及骨形态发生蛋白的研究对于临床医学，基础医学甚至护理学的发展都有不可替代的作用，我们应深入对它的研究学习，解决更多的医学难题，促进我国医疗事业的健康发展。

所读文献：Bone regeneration: current concepts and future directions