骨形態(tài)發(fā)生蛋白最新研究及應(yīng)用

摘要：骨形態(tài)發(fā)生蛋白的成功提純及相關(guān)提取方法的制定，對(duì)骨形成誘導(dǎo)學(xué)說(shuō)形成了有利的證明。作為一類(lèi)功能特殊的細(xì)胞因子，不但在形成造血細(xì)胞、肢體發(fā)育、動(dòng)物繁殖性狀不可或缺，而且在異位誘導(dǎo)成骨中很重要。本文主要對(duì)骨形態(tài)發(fā)生蛋白的發(fā)現(xiàn)及生化特性、生物學(xué)功能、信息傳導(dǎo)機(jī)制及誘導(dǎo)成骨機(jī)制及其與PVP的聯(lián)合用藥等方面進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：骨形態(tài)發(fā)生蛋白；研究；應(yīng)用

骨形態(tài)發(fā)生蛋白又名骨形成蛋白，簡(jiǎn)稱(chēng)BMP，屬于酸性多肽，能夠誘導(dǎo)形成軟骨及骨的形成。如今，伴隨生物學(xué)基因工程及分子技術(shù)水平的不斷提高，人們逐步加深了對(duì)于BMP結(jié)構(gòu)、特性方面的認(rèn)識(shí)。到目前為止，已經(jīng)為研究者所發(fā)現(xiàn)的BMP成員約20個(gè)，并以BMP1-20來(lái)進(jìn)行表示。

1 BMP的發(fā)現(xiàn)與生化特性簡(jiǎn)介

早在1965年，Urist通過(guò)向肌肉內(nèi)注入脫鈣骨基質(zhì)明膠，發(fā)現(xiàn)肌肉間的充質(zhì)細(xì)胞能夠轉(zhuǎn)化成為骨系細(xì)胞，從而最早發(fā)現(xiàn)異位誘導(dǎo)成骨的現(xiàn)象。他提出，脫鈣骨當(dāng)中極有可能存在這樣一種誘導(dǎo)因子，能夠促使游動(dòng)充質(zhì)細(xì)胞向不可逆性骨系細(xì)胞的轉(zhuǎn)化，以在骨骼（骨骼外）誘導(dǎo)產(chǎn)生骨組織或軟骨。后來(lái)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，此種誘導(dǎo)因子為骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）。

BMP由10多種氨基酸組成，是分子量為18000的疏水性酸性糖蛋白。其穩(wěn)定特性為，穩(wěn)定于酸性條件，在酸堿度為7.2的溶液中存在一定程度的溶解，并在酸堿度超過(guò)8.5的環(huán)境下完全失去活性。研究者通過(guò)對(duì)BMP分析得出[1]，由于其羧基端中擁有7個(gè)高度保守半胱氨酸，因此是轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子超家族中增加最快的成員之一。BMP具有較高的同源性，可分為4個(gè)亞群（BMP2-4；BMP5-7；BMP及12-14；BMP3b）。在人類(lèi)，及牛、羊、豬、鼠的胚胎、腎脾臟、骨及血細(xì)胞等中都有廣泛的分布。同時(shí)，基于BMP較低的免疫原性，其免疫排斥反應(yīng)較小。

2 BMP的分子生物學(xué)研究

2.1 BMP的分子生物學(xué)分析 目前，科學(xué)研究人員已經(jīng)從骨細(xì)胞的培養(yǎng)液中以及骨基質(zhì)內(nèi)分離出了許多種骨生長(zhǎng)因子，主要包括骨生長(zhǎng)因子（SGT）、酸性和堿性纖維生長(zhǎng)因子（aFGF和bFGF）、胰島素樣生長(zhǎng)因子-Ⅰ、Ⅱ（IGF-Ⅰ、Ⅱ）以及骨生長(zhǎng)因子（BMP）等等。在這眾多的生長(zhǎng)因子之中，最受關(guān)注并且被研究最多的是BMP，因?yàn)槠溆泻軓?qiáng)的骨誘導(dǎo)能力。從分子學(xué)上來(lái)看，BMP是由一個(gè)二硫化物鍵以及兩個(gè)單體結(jié)合而成的一種二聚體分子，屬于酸性糖蛋白的一種，具有很強(qiáng)的擴(kuò)散性并且富含谷氨酸，同時(shí)還與羥基磷灰石有著較高的親和力，這也是其能在骨修復(fù)中起到重大作用的根本原因。

2.2 BMP的生物學(xué)功能分析 作為轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子超家族的一員，BMP在對(duì)促進(jìn)機(jī)體軟骨、骨形成和發(fā)展中不可或缺的同時(shí)，也控制著胚胎、器官及神經(jīng)系統(tǒng)的形成，肢體發(fā)育等方面。在組成氨基酸數(shù)量、染色體定位、成骨活性的誘導(dǎo)等方面，BMP各成員有著不同的表現(xiàn)。根據(jù)相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn)[2]，BMP2的過(guò)量表達(dá)能夠使骨骼畸形發(fā)育；BMP4中基因的不完整可能使動(dòng)物胚胎早起畸形發(fā)育甚至死亡，另外，BMP4的過(guò)量表達(dá)能夠?qū)χ笖?shù)量和細(xì)胞凋亡產(chǎn)生影響。BMP7的基因不完整，會(huì)妨礙小鼠器官等正常形成，使骨化遲緩，誘導(dǎo)早起死亡。BMP11的基因會(huì)影響胚胎前后軸發(fā)育，與胚層組織形成關(guān)系密切。BMP15的基因在動(dòng)物卵原細(xì)胞的正常發(fā)育調(diào)控中具有重要作用，且與綿羊卵巢表達(dá)有一定聯(lián)系。

3 BMP的成骨作用及其臨床應(yīng)用分析

3.1 BMP的誘導(dǎo)骨形成原理分析 大量的研究人士在對(duì)BMP實(shí)施了生物活性分析之后，才發(fā)現(xiàn)首先是骨組織中間充質(zhì)細(xì)胞發(fā)生化學(xué)聚集，然后才會(huì)形成骨及軟骨，最后形成骨髓。因此，我們認(rèn)為BMP的靶細(xì)胞才是一種具有很大成骨潛能的、未經(jīng)分化的間充質(zhì)細(xì)胞。而現(xiàn)在的研究也表明了，無(wú)論是胚胎期還是在成年期，所有的骨組織細(xì)胞都來(lái)源于一種未經(jīng)分化的間充質(zhì)細(xì)胞，并且不僅是軟骨組織、成纖維細(xì)胞、成骨組織細(xì)胞，甚至于肌細(xì)胞、脂肪細(xì)胞等也是由未經(jīng)分化的間充質(zhì)細(xì)胞衍生形成的?，F(xiàn)有的研究證明，成骨細(xì)胞的分化是以兩個(gè)階段來(lái)完成的，首先是由未經(jīng)分化的間充質(zhì)細(xì)胞分化成為了成骨細(xì)胞的前體細(xì)胞；然后，再由成骨細(xì)胞的前體細(xì)胞轉(zhuǎn)化成為成熟的成骨細(xì)胞。因此，我們認(rèn)為BMP的骨誘導(dǎo)作用主要是完成了對(duì)未經(jīng)分化的間充質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化會(huì)成骨細(xì)胞時(shí)的誘導(dǎo)，最終是由成骨細(xì)胞而產(chǎn)生新骨組織的。

3.2 BMP的信息傳導(dǎo)機(jī)制 通過(guò)蘇氨酸或絲氨酸的激酶受體機(jī)制，BMP的生理作用才得以正常發(fā)揮。相關(guān)研究表明，BMP作用方式如下，首先，Ⅱ型、Ⅰ受體依次分別與BMP結(jié)合，其中Ⅰ、Ⅱ兩種受體是信息傳到的重要部分。單純的Ⅰ、Ⅱ受體與BMP的結(jié)合力，相比于其復(fù)合受體與BMP的結(jié)合力較弱。其次，BMP信號(hào)在蘇氨酸或絲氨酸激酶受體上起作用，能夠生成異聚復(fù)合物。同時(shí)，Ⅰ型受體被Ⅱ型受體磷酸化。最后，Ⅰ型受體同其磷酸化結(jié)構(gòu)Smad蛋白相互結(jié)合，充當(dāng)細(xì)胞中第二信使。另外，在BMP行使信息傳導(dǎo)過(guò)程中，不免要受到細(xì)胞漿、細(xì)胞外拮抗劑等微環(huán)境的調(diào)控。

3.3 BMP的誘導(dǎo)成骨機(jī)制 BMP的誘導(dǎo)成骨過(guò)程連續(xù)性高并伴隨一系列復(fù)雜變化，呈現(xiàn)出不同組織化學(xué)、不同時(shí)期的顯著性變化。有研究者做過(guò)實(shí)驗(yàn)，將牛的BMP向小鼠的肌肉細(xì)胞中植入，來(lái)對(duì)誘導(dǎo)成骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)研究，通過(guò)分析組織化學(xué)原理，指出整個(gè)誘導(dǎo)成骨過(guò)程可以概括為4個(gè)時(shí)期：3～5d的間充質(zhì)細(xì)胞增生期、7d的軟骨細(xì)胞分化期、14d新骨的形成期及21d骨細(xì)胞的成熟穩(wěn)定期。這一結(jié)果對(duì)于整個(gè)BMP誘導(dǎo)成骨能夠提供形態(tài)及功能方面的解釋。另有文獻(xiàn)指出誘導(dǎo)成骨的3要素，即誘導(dǎo)因子、能夠提供骨生長(zhǎng)血液供應(yīng)的正常環(huán)境、BMP靶細(xì)胞群。誘導(dǎo)因子能夠在局部的BMP濃度適合的情況下，引發(fā)骨生長(zhǎng)。環(huán)境條件為骨誘導(dǎo)形成提供了生長(zhǎng)基礎(chǔ)。靶細(xì)胞群中的細(xì)胞種類(lèi)有很多，如結(jié)締組織中待分化間充質(zhì)細(xì)胞、骨膜細(xì)胞及骨膜基質(zhì)細(xì)胞等。大致來(lái)講，誘導(dǎo)過(guò)程由2個(gè)部分組成：①骨祖細(xì)胞向骨系細(xì)胞的轉(zhuǎn)化；②骨系細(xì)胞的有絲分裂形成新骨頭。

3.4 BMP的臨床應(yīng)用研究進(jìn)展及其與PVP的聯(lián)合用藥 BMP的高安全性以及高效的誘導(dǎo)成骨活性已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外的諸多的研究與實(shí)驗(yàn)所證明，所以目前眾多的國(guó)家和研究人員開(kāi)始了它在臨床應(yīng)用上的研究。與此同時(shí)，在矯形外科中，骨不連、股骨頭缺損以及病理性骨缺損等疾病的治療中BMP的應(yīng)用也取得了很大的成就。

3.4.1 BMP在骨缺損、骨不連治療上的作用。骨不連以及股缺損尤其是大塊骨缺損一直是臨床上棘手難題，而B(niǎo)MP具有治療大的骨缺損的能力。現(xiàn)有的方法多為骨移植，通常為自體骨移植和異體骨移植，但這樣治療的顯著問(wèn)題是，通過(guò)手術(shù)進(jìn)行移植，患者不僅要身心上經(jīng)手很大的痛苦，同時(shí)移植后還不可避免的會(huì)出現(xiàn)排斥反應(yīng)和炎癥等一系列的問(wèn)題。但現(xiàn)在我們可以將高濃度的重組BMP-2與骨基質(zhì)組成混合物來(lái)實(shí)施治療，這對(duì)于大塊骨缺損的治療具有良好的療效。

3.4.2 BMP在口腔外科中的應(yīng)用。口腔與整形外科中對(duì)BMP的應(yīng)用也比較多，比如說(shuō)BMP填充牙洞可以代替根管治療手術(shù)，重組BMP-2或者是重組BMP-7具有修復(fù)牙本質(zhì)并且替代根管治療手術(shù)的能力。

如今，BMP基因逐漸成為了醫(yī)學(xué)界的關(guān)注熱點(diǎn)，無(wú)論對(duì)于家畜選育、改良還是高準(zhǔn)確度的輔助標(biāo)記選擇均十分有利。BMP對(duì)于生物生長(zhǎng)發(fā)育不同時(shí)期具有重要影響，并在一定程度上存在多態(tài)性，因此增加了研究難度和工作量。本文淺談了BMP的最新研究進(jìn)展與研究，旨在對(duì)相關(guān)BMP多態(tài)性、表達(dá)特征差異性等提供一定的借鑒。

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編輯/哈濤