骨膜蛋白在組織修復中的作用研究進展

張 勇 秦 晗

骨膜蛋白最早是在1993年于小鼠前成骨細胞中發現的,稱為成骨細胞特異性因子2,后來的研究中發現人體組織也存在此物質,與小鼠高度同源,同時該蛋白在骨膜中表達水平高,因此被命名為骨膜蛋白[1]。骨膜蛋白作為一種ECM蛋白能夠與干細胞結合,在發育和修復的過程發揮重要作用[2]。最早發現于成骨細胞、骨膜、牙周膜等間充質細胞系中,間充質細胞系的細胞具有干細胞自我更新和多向分化的能力,在間充質細胞增殖分化期間,骨膜蛋白的含量增高,提示骨膜蛋白在細胞分化和新生方面的作用[3,4]。Georgia等[5]研究發現,骨膜蛋白在皮膚黏膜損傷中刺激基底層細胞,促進傷口愈合。骨膜蛋白增強血管內皮生長因子促進形成新生血管,骨膜蛋白在骨重塑過程中激活成骨細胞,提示了骨膜蛋白對各類組織重建方面的作用[6,7]。故本文對骨膜蛋白對組織修復的作用進行綜述。

一、骨膜蛋白與骨重塑

成骨細胞是由來自于骨膜和骨髓基質中的間充質細胞分化而來,在骨形成和重建過程中起重要作用[8]。Soon等[9]研究發現,間充質干細胞可分化為成骨細胞促進骨重塑,另一方面還發現骨膜蛋白可以加速間充質細胞介導的骨愈合,因此研究人員通過將骨膜蛋白和充質干細胞聯合移植到骨折部位發現較僅移植干細胞到骨折部位,聯合移植組的骨折愈合速度加快,提示骨膜蛋白在加快骨折愈合方面有積極作用。Merle等[7]研究發現,成骨細胞分化過程中骨膜蛋白的表達在分化結束時增加了1.25～3.00倍,結合成骨細胞在形成新骨方面的作用,提示骨膜蛋白在骨重塑過程中起作用。Cai等[10]研究發現,骨膜蛋白和骨重塑過程中相關基因Runx2、RANKL也密切相關,Runx2和RANKL相互作用調控骨代謝,骨膜蛋白低表達會導致Runx2的低表達,Runx2低表達延緩骨折愈合,提示骨膜蛋白會促進骨折的愈合。Yin等[6]通過分析骨膜蛋白過表達后前成骨細胞的RNA圖譜,提示骨膜蛋白與骨重塑細胞黏附和遷移以及骨代謝基因相關。Orange等[11]研究發現,骨膜蛋白缺乏的骨膜不能重建骨膜細胞池,也就是不能實現骨損傷后的膜內成骨,提示骨膜蛋白是骨膜中骨骼干細胞的關鍵調節劑。針對于骨膜蛋白與牙槽骨方面的研究發現,骨膜蛋白對牙槽骨再生的作用于區域的炎性環境的變化有關,這提示骨膜蛋白對于牙槽骨再生是有一定可能的[12]。這些研究一方面表明了骨膜蛋白與骨重塑基因存在正相關,另一方面無論是外傷還是炎癥導致的骨損傷,骨膜蛋白都有一定促進骨重塑的功能。

二、骨膜蛋白與皮膚黏膜修復

皮膚的傷口愈合過程包括止血、炎癥發生、細胞增殖和屏障功能重塑[13,14]。Walker等[15]獨立分析了骨膜蛋白基因敲除和野生型小鼠的傷口處的骨膜蛋白含量,發現基因敲除小鼠傷口在傷后較野生型小鼠閉合減少。Zhou等[4]研究發現,發育過程中骨膜蛋白在真皮-表皮交界處表達,在傷口處,骨膜蛋白同發育過程中的皮膚一樣在傷口邊緣的真皮-表皮交界處重新表達,促進愈合,在連接處的高度表達提示了骨膜蛋白在基膜處的生物學功能,基膜處的基底層細胞是生發層,具有增殖分化能力,提示骨膜蛋白參與皮膚損傷后形態和功能的重建。Elliott等[18]研究發現,用骨膜蛋白/膠原蛋白處理的全層皮膚傷口比不處理和僅用膠原蛋白處理的全層皮膚傷口的閉合率高,提示骨膜蛋白促進皮膚傷口閉合。研究表明,骨膜蛋白在皮膚傷口處含量增高,皮膚損傷后骨膜蛋白誘導成纖維細胞活化,啟動成纖維細胞的遷移活動,活化的成纖維細胞促進炎癥期間形成的肉芽組織上皮化,從而逐漸閉合創面,重建皮膚的屏障功能[16,17]。

黏膜和皮膚一般被認為是同源的組織。與骨膜蛋白通過促進成纖維細胞分化來幫助皮膚損傷愈合不同,骨膜蛋白是通過促進細胞外基質的形成來加快黏膜損傷的愈合[19]。Kim等[20]通過設計大鼠的牙齦切除模型,發現骨膜蛋白的表達在傷后第3天上調,并在第14天時達到峰值,且未在愈合過程中發現肌成纖維細胞,僅觀察到細胞外基質的合成,提示骨膜蛋白加快了黏膜的愈合。

三、骨膜蛋白與血管再生

Soon等[9]研究發現,間充質干細胞和骨膜蛋白均可加速缺血組織的修復,共同植入促進血管新生,提示了骨膜蛋白刺激了間充質干細胞介導的血管生成。Zohaib等[21]在體內的研究提出骨膜蛋白是血管生成過程中的重要貢獻者,骨膜蛋白通過增強血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)和基質金屬蛋白酶2(matrix metalloproteinase 2,MMP2),促進血管生成。VEGF是一種特異性的能促進內皮細胞的因子,VEGF有多種形式,其中VEGF-A能促進形成新生血管,增加血管通透性,VEGF-E是潛在的新生血管形成因子[22]。實驗證明,VEGF促進血管內皮細胞生長和誘導血管增生。VEGF誘導膠原酶、組織因子等在血管內皮細胞,激發能夠改變ECM結構的V3因子釋放,從而使ECM更易于血管生長。MMP2屬于能夠切分ECM的基質金屬蛋白酶,此蛋白酶能夠調節血管化。Watanabe等[23]在兩組細胞中分別置1μg/ml 骨膜蛋白和不做處理,12h后發現骨膜蛋白處理的PDL細胞組中的MMP2、VEGF分別較未處理的增加了1.7倍和1.8倍。有研究在測定用骨膜蛋白處理的體外組織的新生血管發現,骨膜蛋白能夠促進毛細血管的形成[6]。綜合骨膜蛋白對MMP2、VEGF的作用及MMP2、VEGF對新生血管的作用,提示骨膜蛋白在形成新生血管中有促進作用。

四、骨膜蛋白與牙周組織再生

牙周韌帶(periodontal ligament,PDL)是圍繞牙根連接牙體組織和牙槽骨的致密結締組織。PDL分為靠近牙槽骨一側血管豐富的不可移動區和靠近牙齒一側無血管的可移動區,不可移動區和可移動區之間的部分被稱為剪切帶。Kill等[24]通過研究小鼠牙萌出形成PDL的時期對骨膜蛋白的免疫組織學定位,發現在牙周韌帶的剪切區骨膜蛋白的免疫強陽性,同時剪切帶是形成膠原蛋白的重要區域,提示骨膜蛋白對PDL形成的作用。前述提到骨膜蛋白處理的MMP2、VEGF水平會增加,該研究還發現MMP2和VEGF與PDL細胞增殖密切相關,提示骨膜蛋白與PDL再生相關。Padial等[25]設計了一項體外實驗研究,通過讓PDL細胞分別在對照組、骨膜蛋白、成纖維細胞增殖因子中培養,分析各組培養細胞中陽性細胞數,發現骨膜蛋白培養組的PDL細胞明顯增加了2倍,此外,該研究還通過劃痕分析發現骨膜蛋白會增加細胞遷移,綜合骨膜蛋白在PDL細胞增殖和細胞遷移中的作用,提示骨膜蛋白促進PDL的再生。Choi等[26]研究發現,PDL骨膜蛋白含量下降時,組織學發現膠原纖維的網狀結構喪失,PDL纖維的數量、PDL纖維厚度降低,表明骨膜蛋白參與了PDL的形成。

骨膜蛋白具有調節組織細胞遷移、募集、黏附、增殖、附著到各種組織的愈合區域,其中促進成纖維細胞遷移、附著的功能,提示骨膜蛋白在PDL重塑過程中發揮作用。Panchamanon等[27]研究發現,PDL再生對機械力生物反應與力的大小關系密切,在機械力下維持牙周穩態,而骨膜蛋白在此過程中是作為機械力傳導的調節劑,提示在合適機械力條件下骨膜蛋白對PDL再生有促進作用。

牙骨質是一種結締組織,是覆蓋于牙根表面的硬組織,色淡黃,牙骨質既是牙體組織也是牙周組織,同時牙骨質也是維系牙和牙周組織的重要結構。一直以來,人們認為牙骨質的再生是十分困難的,Liu等[28,29]研究認為,存在于PDL、牙齦、牙槽骨中的干細胞具有能夠分化為成牙骨質細胞的能力,形成牙骨質樣組織,有能夠分化為牙骨質的干細胞存在,為牙骨質再生提供了可能。Rios等[30]分別用兩組實驗小鼠,其中實驗組設計為骨膜蛋白基因敲除小鼠,對照組為野生型小鼠,在光鏡下觀察兩組小鼠的牙周組織,鏡下觀察到骨膜蛋白基因敲除組小鼠牙周組織的PDL與根面分離,且未在根面發現成牙骨質細胞,而在野生型的小鼠牙周組織切片中觀察到根面的成牙骨質細胞,該研究驗證了骨膜蛋白促進成牙骨質細胞募集到根面上,提示骨膜蛋白對牙骨質的形成至關重要。

綜上所述,骨膜蛋白已經被廣泛用于皮膚損傷、骨損傷以及某些病例的牙周組織的修復[5]。但是多項研究顯示,骨膜蛋白對于牙周組織修復的效果不確切,主要是由于炎性水平的變化導致骨膜蛋白表達水平不穩定,綜合上述所提到的骨膜蛋白在骨組織、牙周膜、牙骨質、牙齦等部位的修復作用,這表明骨膜蛋白是對所有牙周組織組分實現修復的能力的,因此對于牙周病和涉及全部牙周組織組分損傷的牙齒根折等疾病有希望能夠通過研究骨膜蛋白的作用去實現這些疾病的治療,從而修復損傷的相關組織,達到理想的愈合效果。