Runx2在下頜髁突軟骨發(fā)育、改建中的作用研究進(jìn)展

杜昳陽，馮劍穎

下頜髁突軟骨(mandibular condylar cartilage，MCC)來源于未分化的間充質(zhì)干細(xì)胞，屬繼發(fā)性纖維軟骨，具有獨(dú)特的生物學(xué)特征[1]。MCC的正常生長發(fā)育、改建受多種因子的作用，其中Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(Runx2)就是關(guān)鍵調(diào)控因子之一。Runx2，也稱AML3、Cbfa1 或Pep2αA，是Runt家族的一份子，位于人類6號染色體(6p21)和小鼠17號染色體上，通過與啟動區(qū)域結(jié)合來影響靶基因，已知的成骨特異性基因有Ⅰ型膠原、骨鈣素、骨唾液蛋白或骨橋蛋白等[2]。目前，Runx2在骨和軟骨中的作用已有廣泛的研究，但對Runx2在MCC中的作用及機(jī)制仍有待深入開展。現(xiàn)通過回顧文獻(xiàn)，圍繞Runx2在MCC生長發(fā)育、改建中的作用及Runx2的臨床應(yīng)用前景進(jìn)行綜述。

1 Runx2與髁突軟骨的生長發(fā)育

1.1 Runx2在髁突軟骨發(fā)育中的時空表達(dá)

MCC的生長發(fā)育受基因和關(guān)節(jié)局部理化因素調(diào)控，Runx2就是關(guān)鍵調(diào)控因子之一。張淵岫等[3]研究Runx2在不同時期小鼠髁突中的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)胚胎14.5 d(E14.5)～胚胎15.5 d(E15.5)Runx2開始表達(dá)，出生后下降，出生1.5 d(P1.5)上升，后復(fù)下降，表達(dá)曲線表明Runx2在髁突生長發(fā)育過程中的不同階段發(fā)揮不同的調(diào)節(jié)作用。

Runx2的表達(dá)有時間依從性。通過大鼠胚胎研究發(fā)現(xiàn)，Runx2 mRNA首先在E11.5的下頜血管中表達(dá)，隨后在E13.5的髁突后緣檢測到[4]。Shimizu等[5]發(fā)現(xiàn)在E14、E15軟骨細(xì)胞的胞質(zhì)中出現(xiàn)Runx2 mRNA，E16～E18幾乎所有的胞質(zhì)中都能檢測到Runx2 mRNA。Runx2在軟骨細(xì)胞中的表達(dá)隨著軟骨細(xì)胞的成熟而增加，在E13.5肥大軟骨細(xì)胞中檢測到，E14.5～E16.5表達(dá)最突出[6]，并在終末肥大軟骨細(xì)胞中廣泛表達(dá)。在出生后4～12周齡兔髁突明顯增大，Runx2的蛋白質(zhì)表達(dá)也維持在高水平[7]。以上都提示Runx2在MCC發(fā)育特定時期發(fā)揮作用。Rabie等[8]也發(fā)現(xiàn)在MCC的自然發(fā)育過程中，Runx2表達(dá)水平峰值與軟骨細(xì)胞肥大和基質(zhì)礦化相吻合。

Runx2的分布也有一定的空間依從性。在大鼠出生后一周，在髁突增殖層、前肥大軟骨細(xì)胞層及肥大層細(xì)胞都能觀察到Runx2陽性信號[3]，這表明Runx2在髁突早期生長過程中發(fā)揮作用。Runx2在髁突前、后部的表達(dá)較上部高[9]，正常情況下髁突前斜面不斷吸收，后斜面增生，前、后部的生長發(fā)育活動活躍，這表明Runx2的分布規(guī)律與髁突的正常生長發(fā)育規(guī)律相符合。

1.2 Runx2在髁突軟骨發(fā)育中的作用

Runx2對MCC軟骨細(xì)胞增殖、成熟和分化至關(guān)重要。Runx2直接誘導(dǎo)印度刺猬蛋白(Indianhedgehog，Ihh)表達(dá)，從而促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖。Ihh是調(diào)控軟骨細(xì)胞活躍的機(jī)械反應(yīng)性因子，是軟骨細(xì)胞增殖、肥大、分化和凋亡的關(guān)鍵性因子，也是MCC機(jī)械力學(xué)傳導(dǎo)的重要蛋白[10]。Ihh對下頜髁突生長和關(guān)節(jié)盤形成至關(guān)重要，缺乏會引起髁突紊亂和生長遲緩[11]，幼年小鼠剔除Ihh會損害MCC形成與功能[12]。

高表達(dá)的Ihh有效誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞分泌甲狀旁腺激素相關(guān)蛋白(parathyroid hormone-related protein, PTHrP)，形成Ihh-PTHrP負(fù)反饋環(huán)路[13]，Ihh位于環(huán)路上游，PTHrP位于環(huán)路下游[14]。PTHrP進(jìn)而抑制Runx2的表達(dá)，并將軟骨細(xì)胞維持在增殖狀態(tài)[15]，減少軟骨細(xì)胞向肥大軟骨細(xì)胞的分化，負(fù)反饋環(huán)路控制著生長板中增殖軟骨細(xì)胞和肥大軟骨細(xì)胞的相對比例[16]，從而影響軟骨細(xì)胞成熟、分化過程。此外，Runx2調(diào)節(jié)肥大軟骨細(xì)胞Col10a1、 Spp1、IBSP和VEGF-A的表達(dá)[13]，從而影響軟骨細(xì)胞成熟分化和血管侵入過程。(圖1)

圖1 Runx2對軟骨細(xì)胞的調(diào)節(jié)Fig.1 Regulation of Runx2 on chondrocytes

Runx2也參與了Wnt/β-catenin 信號通路，該通路激活Runx2介導(dǎo)軟骨細(xì)胞肥大，進(jìn)而誘導(dǎo)Col10a1的表達(dá)[17]，也通過抑制PTHrP信號傳導(dǎo)活性來調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞肥大過程[18]。軟骨細(xì)胞肥大是由Wnt/β-catenin和Ihh/PTHrP信號通路差異調(diào)節(jié)，肥大軟骨細(xì)胞的終末成熟由Wnt/β-catenin信號傳導(dǎo)控制。

此外，在成年大鼠髁突軟骨骨化區(qū)成骨細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、血管周細(xì)胞中均可發(fā)現(xiàn)Runx2的陽性信號，這說明Runx2在髁突軟骨內(nèi)骨化過程中的鈣化和血管侵入發(fā)揮作用[9]。 Runx2是軟骨內(nèi)骨化過程中成骨細(xì)胞分化和骨沉積必不可少因素[19]。MCC軟骨細(xì)胞可在生長發(fā)育過程中直接轉(zhuǎn)化為骨細(xì)胞從而參與軟骨內(nèi)骨化[20]，Runx2可以正向調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞成熟分化和軟骨內(nèi)骨化進(jìn)程[21]，體外實驗表明，Runx2的過表達(dá)會導(dǎo)致軟骨細(xì)胞過早成熟而引起軟骨內(nèi)骨化的加速，相反Runx2功能的干擾會抑制軟骨細(xì)胞的成熟并延遲軟骨內(nèi)骨化[22]。

1.3 Runx2缺陷對髁突軟骨生長發(fā)育的影響

Runx2缺陷小鼠，MCC完全消失而原發(fā)性軟骨未受明顯影響[23]。Runx2缺陷小鼠的整個骨骼由軟骨組成，軟骨細(xì)胞成熟紊亂，且也未能通過Runx2誘導(dǎo)軟骨血管形成和浸潤。肥大軟骨細(xì)胞依舊表達(dá)Col10a1、BMP6和Ihh，但未見骨橋蛋白、骨唾液蛋白和MMP13表達(dá)[6]，說明以上因子在終末肥大軟骨細(xì)胞中直接受Runx2調(diào)控。使用骨形態(tài)發(fā)生蛋白2(BMP2)在Runx2缺陷小鼠的下頜外植體進(jìn)行器官培養(yǎng)，并未發(fā)現(xiàn)MCC軟骨細(xì)胞肥大[24]。剔除產(chǎn)后小鼠軟骨細(xì)胞中的Runx2，評估其對MCC生長和重塑的影響，結(jié)果顯示Runx2缺乏會引起髁突組織紊亂，包括肥大軟骨細(xì)胞缺乏、增殖軟骨細(xì)胞減少和軟骨基質(zhì)生成減少，Col10a1、MMP13、Col2a1和Ihh的表達(dá)也明顯降低[25]。以上均表明Runx2是MCC中軟骨細(xì)胞增殖、肥大以及產(chǎn)后顳下頜關(guān)節(jié)(TMJ)生長和體內(nèi)穩(wěn)態(tài)所必需的。

2 Runx2與髁突軟骨改建、病變

MCC通過提供抗張強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度[26]，表現(xiàn)出對生物力學(xué)刺激較強(qiáng)的適應(yīng)性能力[1]。下頜前移會導(dǎo)致MCC胞外基質(zhì)中的細(xì)胞發(fā)生應(yīng)變排列，Tang等[27]在大鼠口內(nèi)安裝功能矯治器模擬下頜前移，實驗發(fā)現(xiàn)Runx2介導(dǎo)其髁突軟骨內(nèi)成骨過程。下頜前移上調(diào)MCC中Runx2的表達(dá)，促進(jìn)軟骨細(xì)胞肥大和終末成熟，促進(jìn)Col10a1的合成和VEGF的表達(dá)，從而介導(dǎo)軟骨內(nèi)成骨過程。不同作用方式及作用時間的下頜前伸力也可以差異性調(diào)節(jié)MCC軟骨細(xì)胞Runx2的表達(dá)水平[28]。Runx2是機(jī)械信號的靶標(biāo)，機(jī)械負(fù)荷通過誘導(dǎo)軟骨下成骨細(xì)胞中Runx2的表達(dá)來發(fā)生應(yīng)變反應(yīng)[29]。MCC軟骨細(xì)胞在100 kPa靜壓力下暴露3至4 h，可檢測到Runx2顯著增加，激活I(lǐng)hh和PTHrP的表達(dá)[30]，這表明關(guān)節(jié)內(nèi)壓力負(fù)荷可通過Runx2信號通路調(diào)節(jié)MCC軟骨分化和軟骨內(nèi)成骨進(jìn)程。

Runx2對 MCC具有雙重作用，Runx2會通過調(diào)控細(xì)胞粘合素的表達(dá)影響病理性軟骨細(xì)胞的增生，誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞中Col10a1，MMP13和Adamts5的表達(dá)降解關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)，參與骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis，OA)進(jìn)程[13]。機(jī)械不穩(wěn)定性也會誘導(dǎo)Runx2表達(dá)從而引起MCC軟骨細(xì)胞的病理性肥厚，激活MMP13，引起OA[31]。MMP13在OA軟骨中表達(dá)增強(qiáng)，而且在活動狀態(tài)時MMP13的過表達(dá)會導(dǎo)致OA樣改變，下調(diào)MMP13可以延遲實驗性O(shè)A的發(fā)展[32]。此外，Runx2基因中的兩位點(diǎn)也已被證實為OA發(fā)展的易感位點(diǎn)[32]。

3 Runx2的應(yīng)用與前景

Runx2在髁突增生和髁突軟骨瘤標(biāo)本的鑒別診斷中很有價值，盡管兩者都可以檢測到Runx2的高度表達(dá)，但在髁突增生標(biāo)本中表達(dá)明顯更高[33]。研究發(fā)現(xiàn)Ihh信號與異常機(jī)械負(fù)荷相結(jié)合可加速TMJ病理進(jìn)展[34]。對Runx2介導(dǎo)信號通路的研究有助于為髁突發(fā)育、改建和軟骨瘤診治提供新的思路。

在椎間盤(IVD)變性的小鼠模型中可檢測到Runx2的過表達(dá)，IVD變性的人類患者中Runx2的表達(dá)也明顯上調(diào)，這證實了Runx2通過誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞肥大而有助于IVD變性的發(fā)病機(jī)制[21]，考慮到IVD變性的發(fā)病率，對Runx2或其下游基因的活性、表達(dá)進(jìn)行控制可能可以作為針對此類型疾病的新型療法[21]。目前也有研究成功通過抑制軟骨細(xì)胞中的Runx2表達(dá)來挽救成年小鼠內(nèi)側(cè)半月板誘導(dǎo)的OA樣缺陷[35]，Runx2慢病毒轉(zhuǎn)染間充質(zhì)干細(xì)胞也能促進(jìn)OA關(guān)節(jié)損傷修復(fù)[36]，這都為臨床治療提供新的方向。

4 結(jié) 語

綜上所述 ，Runx2調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞增殖、成熟分化和軟骨內(nèi)骨化過程，是MCC生長發(fā)育、改建的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。Runx2也是參與下頜髁突軟骨病理改建中的重要因子，和Ihh、PTHrP、Wnt、TGF-β、MMP13等一起發(fā)揮作用，影響顳下頜關(guān)節(jié)病的病程轉(zhuǎn)歸。但Runx2應(yīng)用于臨床髁突軟骨修復(fù)的相關(guān)研究還有待深入。