OSM誘導成骨分化及骨形成的研究進展

鄒峰　易志新　彭建強

摘要：抑瘤素M（OSM）是屬于IL-6家族的一類分泌型蛋白因子，在維持慢性炎癥條件下機體內環境穩態中發揮重要作用。它也是gp130膜蛋白家族的一員，在細胞增殖、分化、造血系統功能和炎癥免疫等病理生理過程具有多功能調控作用。過去很多研究報道了OSM在腫瘤、肝細胞再生、心血管疾病等疾病發生、發展中起著重要作用，對類風濕性關節炎、皮膚及肺部感染等炎癥疾病也有重要的調控作用。近年來，越來越多將研究重點聚焦于OSM對成骨分化過程中骨發生和骨成熟的調控。

1 OSM簡介

抑瘤素M（Oncostatin M，OSM）是IL-6家族中的一類蛋白因子，1986年Zarling等[1]首次從PMA活化U937細胞培養上清中分離純化到一種因子，這種因子有明顯抑制A375人黑素瘤細胞生長而命名為抑瘤素。人OSM基因定位于22號染色體，基因組由3個外顯子和2個內含子組成，OSM前體有252個氨基酸[2]。OSM與白血病抑制因子（LIF）、粒細胞集落刺激因子（GM-CSF）、IL-6及睫狀神經營養因子（CNTF）分子之間有一定的同源性和相似的二級結構[3]。在機體細胞微環境內，OSM可通過集落刺激因子、脂多糖（LPS）、Toll樣受體配體（TLR-ligands）、前列腺素E2（PGE2）刺激中性粒細胞、單核巨噬細胞和樹突狀細胞產生，從而參與、調節機體慢性感染性疾病及其他慢性疾病。OSM受體廣泛分布于多種腫瘤細胞、內皮細胞和上皮細胞，在生理和病理過程中OSM具有多種生物活性.細胞表面糖蛋白受體gp130是OSM受體的一個亞單位，是識別OSM的低親和力受體，在組成OSM高親和力受體中，除gp130亞單位外，還有白血病抑制因子受體（LIFR）的參與。OSM與膜蛋白受體gp130結合后，在體內主要通過OSM受體（OSMR）和LIFR介導其生物學功能，其受體復合體gp130/OSMR、gp130/LIFR在多種細胞來源的組織中都有廣泛表達。體內、外試驗中證實人來源OSM（hOSM）與鼠來源OSM（mOSM）作用于同種屬細胞時對各自OSMR、LIFR均可表現出較高的親和性，但是對于小鼠細胞hOSM僅與LIFR結合，而mOSM刺激人細胞時對于兩種受體均未結合，因此OSM與受體結合進而在體內、外發揮調節作用具有種屬選擇差異性。

生理情況下，OSM參與調控多種生物學進程和細胞間反應。根據OSM生物信號轉導傳遞網絡（該信號傳遞網絡涉及超過1000篇科學文獻）提示，OSM信號級聯通路中涉及到78種生物小分子，包含35種蛋白/蛋白反應及54種轉錄后調控反應，調節機體內特異性的322種基因。OSM分別與gp130/OSMR、gp130/LIFR結合通過絡氨酸磷酸化途徑激活Janus kinase（JAK）家族信號轉導因子，活化的JAK因子轉而誘導信號轉導和轉錄活化因子（Signal transduction and activator of transcription，STAT）活性后，選擇性的激活下游轉錄調節因子——促分裂原活化蛋白激酶（mitogen activated protein kinase，MAPK）或磷脂酰肌醇三激酶/蘇氨酸激酶（phosphoinositide 3-kinase/v-akt murine thymoma viral oncogene homolog 1，PI3K/AKT）信號通路，發揮其生物學功能。近年來，越來越多的研究報道提示炎癥因子在修復骨損傷過程中發揮著重要的作用，OSM作為IL-6家族的一種蛋白因子，對成骨分化過程中細胞內、外微環境的調控是不可或缺的。

2 炎癥因子對骨細胞代謝的影響

有效的骨損傷修復和骨質疏松癥的治療需要提升骨骼質量，而骨形成和骨吸收在這過程中發揮重要作用，任何可以影響這兩個過程的因素都可以影響骨的修復。炎癥環境曾被認為是影響骨損傷修復中骨形成和骨吸收進程的重要因素。最新的研究表明炎癥因子在骨形成和骨吸收的過程中發揮著重要的作用，免疫系統與骨組織之間存在著復雜的內部關聯，并且炎癥因子有利于促進骨形成。單核細胞、巨噬細胞及樹突狀細胞都在促進骨形成的過程中發揮著重要的作用。慢性炎癥環境下，活化的T細胞釋放可溶性的炎癥因子，上調堿性磷酸酶ALP活性，并誘導骨髓基質細胞中RUNX2，SP7，BSP以及OC mRNA的高表達，證明T細胞來源的炎癥因子可通過調節破骨細胞和成骨細胞之間的相互作用促進成骨分化促進骨細胞成熟，加快骨形成的進程。Later Bedi B 等認為活化的T細胞可通過Wnt介導的信號通路調節促進成骨分化。由此可見，炎癥因子對成骨分化有著極大的推動作用。在炎癥環境下，多種炎癥介質可刺激免疫細胞分泌、釋放OSM。gp130家族細胞因子已經被證實可以通過調節成骨細胞和破骨細胞的活動而影響骨的新陳代謝。OSM作為gp130類細胞因子的一種，對骨細胞的新陳代謝也有著重要的調控作用。

3 OSM對成骨分化的影響

3.1 OSM對細胞增殖的影響

我們知道誘導干細胞定向分化的首要條件即促進細胞增殖。OSM在腫瘤細胞的發生、發展中主要起著抑制腫瘤細胞增殖的作用，但在正常生理環境和炎癥環境中，OSM可以通過與白細胞介素抑制因子受體（LIFR）結合激活下游STST3或MAPK通路促進多種細胞的增殖、分化。通過體外培養骨肉瘤細胞和人來源骨髓間充質干細胞發現，OSM可通過PKC， ERK1/2及STAT3通路調控成骨基因的表達，并促進骨細胞增殖，抑制骨肉瘤細胞的增殖。Amelia K.Scaffidi等發現OSM在體外培養環境下可通過激活MAPK信號通路增強細胞的有絲分裂活性。Floria beigel等發現在小腸上皮細胞中OSM可以激活STAT3通路促進細胞增殖以修復小腸上皮損傷。Li Q等研究發現體外培養條件下OSM通過激活STAT3調控下游ERK1/2轉錄因子促進人卵巢腫瘤細胞增殖；Hyun Sun Ko等也證實OSM通過STAT3信號通路在早孕期促進絨毛外滋養細胞遷徙和增殖。Nogueira Silva C等提出OSM等gp130家族細胞因子對于促進胎鼠肺組織生長、成熟有著重要作用。Sims Na等發現OSM在生理病理環境下作為一類多功能的轉錄調節因子通過調控成骨細胞和破骨細胞的功能促進骨細胞增殖。

3.2 OSM對成骨分化的影響

當前已有大量的研究證明OSM在體內、外可以促進骨質生長并誘導成骨細胞各階段成骨定向分化。早在2002年，小鼠體內實驗就表明膝關節腔注射Ad-mOSM可誘導骨膜下的骨沉積，同時發現OSM具有獨特的抑制骨硬化蛋白形成的作用以及干擾破骨細胞介導的骨吸收過程。Song HY等指出OSM作用于BMSCs時，促進ALP和OC高表達，礦化結節于2w時開始出現；當培養時間超過3w后一些成骨相關基因表達下降，這與成骨分化的生理變化趨勢相符合。Sims NA等[33]在2010年系統論證了gp130家族轉錄因子在骨修復中的重要地位，并展望OSM在臨床中的實際應用。Walker等發現在敲除OSM受體基因的小鼠中出現骨質疏松的現象。Fumi Sato等提出OSM在骨髓造血微環境中可調節間質細胞成骨定向分化。Celeste Bolin等在2012年報道向Balb/c小鼠脛骨注射OSM可發現明顯的骨沉積和骨礦化形成。2015年Pierre Guihard等在小鼠脛骨損傷模型中通過OSM注射成功實現了骨膜下誘導膜內成骨修復骨損傷。OSM對各種來源的干細胞也有誘導成骨分化的作用。Tania J. Fernandes等[38]指出臍帶血來源巨噬細胞可以通過激活gp130信號轉導通路調控間充質干細胞成骨分化。OSM體外作用于人脂肪源性間充質干細胞可以通過激活ALP活性促進成骨分化及礦化而其抑制成脂分化]。Kakutani Y等發現OSM可以通過STAT3信號通路調控人血管平滑肌細胞向成骨細胞分化，Smyth DC等也證實OSM在體外可以誘導小鼠脂肪來源的間充質干細胞成骨定向分化。Pierre G等證實OSM可以在體外誘導人骨髓間充質干細胞成骨定向分化。此外，OSM因其廣泛表達于機體的各組織器官，在維持機體內環境穩態中發揮著重要的作用，依托其龐大的轉錄調節網絡，在不同的階段通過不同的途徑影響骨細胞的發生和發展。

4 小結與展望

抑瘤素M因其對腫瘤細胞的調控作用而廣受關注，對機體內多系統的生理病理進程都有廣泛的影響。大量研究證實OSM促細胞增殖作用，及其在體內外促進骨細胞生長并誘導不同來源的干細胞成骨定向分化作用。OSM可作為一種理想的成骨誘導因子構建新型的體外成骨分化細胞模型。同時可進一步探討應用重組人OSM制劑治療臨床骨不連以及OSM誘導人類骨髓源性間充質干細胞成骨分化試制生物工程骨用于臨床治療大段骨缺損。

參考文獻：

[1] Zarling JM， Shoyab M， Marquardt H，et al.Oncostatin M： a growth regulator produced by differentiated histiocytic lymphoma cells.Proc Natl Acad Sci USA. 1986 Dec；83（24）：9739-43.

[2] Jay PR， Centrella M， Lorenzo J， Bruce AG， Horowitz MC. Oncostatin-M： a new bone active cytokine that activates osteoblasts and inhibits bone resorption. Endocrinology . 1996 Apr，137（4）：1151-8.