骨形态发生蛋白2在牙槽骨改建中作用的研究进展

齐鹏鹏，孟 粼，吴梓萁，杨涛源，于士洋，王景云

（1.吉林大学口腔医院VIP科，吉林 长春 130021；2.温州医科大学口腔医学院牙体牙髓病科，浙江 温州 325000）

牙槽骨是一具有高度可塑性的组织，也是人体最活跃的部分。正常生理情况下其处于骨形成与骨吸收的动态平衡中。因此牙槽骨可维持一合适的高度和宽度。牙槽骨改建涉及多种因子，其中骨形态发生蛋白2（bone morphogenetic protein 2，BMP－2）的作用尤为重要。BMP－2不仅可诱导骨形成，而且在骨吸收过程中也发挥着重要作用。因此，合理地利用BMP－2来调控骨的改建过程，对于改善牙槽骨状况有重要的临床意义。本文主要针对BMP－2在牙槽骨改建的两个过程，即骨形成和骨吸收中的作用及机制进行阐述。

1 BMP－2的发现和化学结构

骨形态发生蛋白（bone morphogenetic proteins，BMPs）是1965年美国 Urist［1］教授发现的。Urist将脱钙皮质骨移植到动物肌肉中，1～2周后发现有新骨形成。Urist指出虽然植入的骨无活性，但是其中可能含有某种物质，其可能诱导新骨的形成。Urist从皮质骨中提取了对成骨非常重要的蛋白，命名为BMPs。研究［2－3］发现：BMPs属于转化生长因子β超家族 （transforming growth factorbeta superfamily，TGF－βs）成员，其是一种多功能生长因子，是一组具有类似结构的高度保守的功能蛋白，其相对分子质量为18000～50000。目前已分离的BMPs有47种［4］，包括BMP－1、BMP－2、BMP－4、BMP－6和BMP－9等，其中BMP－2在骨形成和骨吸收过程中均有重要作用。1988年人们首次纯化分离出天然的BMP－2主要以30分子的二聚体形式存在［5］。BMP－2是碱性降解糖蛋白质，其降解产物相对分子质量分别为30000、18000和16000。

2 BMP－2在骨形成中的作用及作用机制

2.1 BMP－2在骨形成中的作用

在参与骨改建的诸多因子中，BMPs诱导骨形成的作用最为突出，成为近年来研究的热点。BMP－2的诱导成骨性在多个领域得到应用，如促进骨折的愈合、修复骨缺损、修复牙槽嵴的缺损、促进种植体周围形成骨组织愈合以提高种植的成功率以及治疗骨质疏松等。张雨洋等［6］通过检测下颌骨骨折愈合过程中BMP－2表达的变化发现：在骨折愈合过程中有新骨形成的第2和3周BMP－2的表达水平明显升高，表明BMP－2在骨折愈合的过程中与新骨的形成有关，其可能通过促进新骨形成进而促进骨折的愈合。然而由于游离的BMPs能很快地被机体吸收，因此极大地限制了其发挥作用的时间，为使BMPs能在体内缓慢、平稳地释放，持续地发挥效能，通常将BMPs结合于生物相容性好的载体上，如羟基磷灰石、聚乳酸等构成缓释系统置于需要成骨的部位诱导成骨。Urist等［7］研究发现：BMPs和磷酸三钙构成的缓释系统植入肌肉内其诱导的新骨量比单用BMPs大12倍，表明该缓释系统缓慢持续地释放BMPs，保证BMPs能够长时间发挥诱导骨形成的作用，增加生成量。杜兵等［8］观察重组人型骨形态发生蛋白2／聚乳酸（rhBMP－2／PLA）生物活性涂层的骨诱导活性及对种植体周骨组织愈合的影响，发现种植体植入4、8和12周后rhBMP－2／PLA组种植体周围编织骨数量、骨钙化程度、骨密度、成骨细胞活性均高于纯钛对照组，由此可知：rhBMP－2／PLA复合涂层具有良好的骨诱导活性，能促进种植体周骨组织的早期愈合。罗菲等［9］将PLA进行接枝聚合反应改性后，用其包裹BMP－2后应用超声乳化法制备成BMP－2－PLA纳米微球 （BMP－2－PLA－Ns）凝胶缓释系统，并研究其在兔下颌骨缺损修复中的作用，研究发现：BMP2－PLA－Ns凝胶缓释系统可以明显加速兔下颌骨缺损区的新骨形成，促进愈合。为了使细胞持续地表达BMPs，还可将BMPs基因与病毒，如腺病毒、慢病毒和噬菌体等质粒重组，形成携带BMPs基因的重组病毒，再利用该重组病毒转染相关细胞以诱导成骨。韩祥祯等［10］利用rhBMP－2重组慢病毒载体转染羊骨髓间充质干细胞 （BMSCs）发现：转染组细胞检测到BMP－2表达，而且转染组骨钙素、骨桥蛋白基因mRNA水平和蛋白水平表达量均高于未经转染的对照组；在细胞形态上，转染组细胞呈长梭型旋涡状排列，且有呈巢状排列的细胞团块形成，细胞密集生长，有类似钙化结节结构形成，与对照组细胞形态有明显差异，这些结果均表明BMP－2转染组细胞有较强的促成骨能力。BMP－2还可与其他细胞因子，如血管内皮生长因子165（VEGF165）、成纤维细胞生长因子 （BFG）协同增加成骨［11－14］。

2.2 BMP－2在骨形成中的作用机制

BMP－2主要在骨形成的早期阶段发挥作用，其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，此外还可通过增加或抑制成纤维细胞、成肌细胞及骨髓基质细胞内的某些特异性蛋白的分泌，使其逆转分化为骨系细胞，如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，并促进基质钙化等。司晓辉等［15］将含有rhBMP－2基因的噬菌体转染人牙周膜成纤维细胞（HPDLFs），发现 HPDLFs转染 BMP－2 基因后，BMP－2能够在细胞中得到表达，体外实验还发现转染BMP－2基因的HPDLFs具备了成骨细胞的表型，碱性磷酸酶 （ALP）活性提高、骨钙素 （OCN）合成增加及矿化能力提高。无菌条件下将转染细胞注射于裸鼠股部肌肉内，21d后取材，苏木精－伊红染色观察到肌肉组织内有明显的骨形成。孙健等［16］研究发现：BMP－2能刺激未分化的BMSCs黏附、增殖及骨向分化，并能增加促进BMSCs的钙结节形成，从而诱导新骨形成和钙化。

BMP－2可使成骨细胞维持其特有细胞表型并通过BMP－2信号通路上调ALP、细胞外基质磷酸化糖蛋白（MEPE）、Ⅰ型胶原 （ColⅠ）、OCN、骨桥蛋白 （OPN）和骨涎蛋白 （BSP）等成骨特异性标志物的表达［17］，促进细胞外基质钙化诱导骨形成。研究［18］表明：BMP－2信号通路 主 要 有 BMP2／smads／runx2／osterix 和 BMP2／smads／msx2／osterix 2个信号通路。成骨细胞表面有BMP－2受体，BMP－2通过其跨膜丝氨酸／苏氨酸受体和下游信号分子Smads发挥作用。BMPs有2种受体，即BMPRⅠ型和Ⅱ型受体，其中BMPRⅠ又包括BMPRⅠA、BMPRⅠB和ACVRI；BMPRⅡ包括BMPRⅡ、ActRⅡA和 ActRⅡB。BMPs与受体结合后形成异聚多亚基蛋白，其中Ⅱ型受体磷酸化Ⅰ型受体的一小段氨基酸片段激活其激酶活性。激活的I型受体通过磷酸化其下游分Smad1／5／8将信号传递至细胞质，这些磷酸化的Smad1／5／8与Smad4相互作用将信号传递至细胞核内［19］。在细胞核内该二聚物上调包括Runx2、Sox9、Msx和Osterix在内的多种因子，或者直接与DNA相结合，激发成骨细胞的活性与功能，促进骨形成［20］。BMP－2通过增强成骨细胞内的下游信号分子Smad1／5和Runx2的表达增加骨形成 。刘玉玲等［21］在对兔下颌骨垂直牵张成骨的过程中发现：BMP－2与Smad1和5的变化一致，均在牵张1周时达到高峰，之后逐渐减弱，说明BMP－2在骨形成的早期发挥骨形成作用并增加其下游信号分子Smad1和Smad5的表达。Yan等［22］在骨折模型中检测BMPs及Smads家族各成员在骨折愈合中也发现BMP－2与Smad1和Smad5的变化一致。Li等［23］研究发现：Runx2是成骨分化和骨骼形态塑型的重要基因，而且在BMP－2参与的情况下，C2C12细胞中Runx2表达增高了6倍。还有研究［24］显示：BMP－2可与经典 Wnt信号通路协同，促进骨形成。经典Wnt信号通路细胞外蛋白有Wntl、Wnt2、Wnt3、Wnt3a、Wnt8和 Wnt8b，通过与膜受体结合激活经典 Wnt／β－catenin信号通路，诱导骨形成。而BMP－2信号通路活化后可以增强Wntl和Wnt3a的蛋白表达，调控经典Wnt通路配体蛋白。该研究也证明：BMP－2信号通路活化后诱导Wnt配体蛋白和受体的表达，增强经典Wnt信号通路活性。

3 BMP－2在骨吸收中的作用及作用机制

3.1 BMP－2在骨吸收中的作用

BMP－2除了在骨形成中发挥重要作用外，在骨吸收中也起重要作用。其主要是通过直接或间接地调控破骨细胞的分化、活性与功能而在骨吸收过程中发挥作用。有研究［25］发现：在骨形成后期，BMP－2作为破骨细胞的分化因子引起破骨细胞的分化。孙首选［26］在BMP－2协同刺激钛颗粒诱导下的破骨细胞生成的实验中发现：加入BMP－2后可以明显刺激c－Fos通路的表达，而该通路是破骨细胞早期形成重要的通路。此外在钛颗粒刺激RAW264.7细胞的模型上，加入 BMP－2后提高了 p－P38、p－IkB和 p－JNK 的表达水平，延长了表达时间。而p－P38、p－IkB和p－JNK信号通路被广泛认为是刺激破骨细胞生成过程中重要的信号通路。孙首选［26］还发现：BMP－2诱导巨噬细胞分化存在剂量依存性，通过定时定量分析耐酒石酸盐酸性磷酸酶（TRAP）基因的表达得知BMP－2在剂量为50mg·L－1时，TRAP的表达达到最大值，并且随着剂量的增加，TRAP的表达出现了递减的趋势。

3.2 BMP－2在骨吸收中的作用机制

关于BMP－2在骨吸收中的作用机制目前的研究认为：BMP－2可能通过间接或直接地影响破骨细胞分化，活化与功能，进而影响骨吸收。

3.2.1 BMP－2对破骨细胞的间接作用 破骨细胞前体向破骨细胞的分化依赖于破骨细胞相关因子，如核因子κB受体活化因子配体 （RANKL）和巨噬细胞集落刺激因子（M－CSF）等。成骨细胞、HPDLFs和BMSCs均可产生破骨细胞相关因子调节破骨细胞的分化。BMP－2不直接作用于破骨细胞前体而是通过影响破骨细胞相关因子的产生或加强这些因子的作用进而影响破骨细胞的分化过程［27］。核因子kB受体活化因子配体 （receptor activator of NF－κB ligand，RANKL）是肿瘤坏死因子 （tumor necrosis factor，TNF）配体超家族成员，成骨细胞、HPDLFs和骨髓基质细胞表面表达的RANKL或分泌到基质中的RANKL与破骨细胞前体表面唯一的受体核因子κB活化因子 （receptor activator of nuclear factor－kappa B，RANK）结合，将信号传入细胞内，引起破骨细胞前体分化［28］。而成骨细胞表达的护骨素 （osteoprotegerin，OPG）作为TNF受体超家族成员，能阻断RANK与RANKL的作用从而抑制破骨细胞分化和骨吸收功能［29］。BMP－2可能通过 RANKL／OPG／RANK系统间接地影响破骨细胞前体向破骨细胞的分化。陈建明［30］在对rhBMP－2对破骨样细胞形成影响的研究中发现：单个核细胞和HPDLFs在共培养组中有破骨样细胞的形成，但是在单个核细胞组中，加入rhBMP2未发现破骨样细胞，说明rhBMP－2并不是直接作用于单个核细胞，而是可能先与HPDLFs作用，活化HPDLFs向成骨样细胞分化，促进其分泌某些活性因子RANKL等，从而间接促进了破骨样细胞形成。还有研究［31］发现：BMPR1a缺失的成骨细胞由于RANKL表达减少，而不能支持破骨的发生。Tachi等［32］发现：仅使用BMP－2时不能诱导破骨细胞前体向破骨细胞的分化，单独使用1，25（OH）2D3诱导破骨细胞前体的分化，1，25 （OH）2D3浓度为10－9mol·L－1时破骨细胞的形成量达到峰值，而当BMP－2存在时1，25 （OH）2D3浓度为10－11mol·L－1时破骨细胞的形成量即可达到峰值，这一研究表明：BMP－2不能直接作用于破骨细胞前体但可增强1，25（OH）2D3介导的破骨细胞的形成过程。

3.2.2 BMP－2对破骨细胞的直接作用 有研究［33］显示：成熟破骨细胞表面同样存在BMP－2受体，BMP－2对破骨细胞的直接作用主要是BMP－2可直接与其受体结合激活破骨细胞，引起骨吸收。Mishina等［34］在体外培养出高纯度兔破骨细胞，再直接加入BMP－2以观察破骨细胞的骨吸收能力，发现骨吸收陷窝随着加入BMP－2量和时间的延长而增加。Mishina等［34］进行下一步研究，将BMP－2的抑制剂Follistatin加入到培养基中，BMP－2的作用受到抑制。

Twisted gastrulation是一种分泌性糖蛋白，其可与BMP－2结 合 而 抑 制 BMP－2 的 功 能。Julio 等［35］通 过 对Twisted gastrulation缺失小鼠 （Twsg1－／－）和正常小鼠（WT）的研究发现：Twsg1－／－小鼠表现出骨质疏松。然而2种鼠体内矿物质沉积率、成骨细胞分化的标志物和RANKL／OPG的表达并无明显区别。相反Twsg1－／－小鼠骨吸收活动却明显增强。这表明Twsg1－／－小鼠BMP－2不是通过成骨细胞间接地发挥作用，而是直接作用于破骨细胞，使其活性增强、骨吸收增加而导致骨质疏松。

4 展 望

BMP－2在牙槽骨的改建过程中具有双向调节的作用，即可诱导骨形成又可引起骨吸收。虽然BMP－2在骨形成中的作用机制较为明确，但是其在骨吸收中的作用机制以及何种情况下BMP－2诱导骨形成的作用占主导地位、何种情况下诱导骨吸收的作用占主导地位尚不十分清楚。此外，在临床工作中如何根据患者牙槽骨的情况合理地利用BMP－2来改善牙槽骨的状况还有待于进一步的研究。

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