从骨形态发生蛋白-7探讨肾藏精理论的物质基础

陈立，王小琴

（1.湖北中医药大学，湖北武汉　430061；2.湖北文理学院附属医院，湖北襄阳　441021；3.湖北省中医院，湖北武汉　430061）

·中医药理论探讨·

从骨形态发生蛋白-7探讨肾藏精理论的物质基础

陈立1，2，王小琴3

（1.湖北中医药大学，湖北武汉430061；2.湖北文理学院附属医院，湖北襄阳441021；3.湖北省中医院，湖北武汉430061）

采用文献整理与理论评述相结合的方法，对骨形态发生蛋白7（bone morphogenetic protein-7，BMP-7）的特性与中医肾藏精理论进行相关性分析，从现代分子生物学角度探讨肾藏精理论的物质基础。BMP-7主要由肾脏和骨骼分泌，对于肾脏的发育及正常功能的维持必不可少，并具有抗纤维化及强大的成骨作用，与中医肾藏精主骨等功能关系密切；BMP-7能抑制血管钙化，维持脉道通利。认为BMP-7多项生物学功能与肾藏象中肾的生理功能存在一定相关性，初步具备了成为肾藏精实质的现代物质基础的可能。

骨形态发生蛋白7（BMP-7）；肾藏精；肾藏象

《黄帝内经》首先提出肾藏精理论。《素问·六节藏象论》载：“肾者主蛰，封藏之本，精之处也”，乃指肾具有贮存、封藏肾精的生理功能。肾藏精在肾藏象理论中占有重要的地位，其功能广泛，作用特殊，被认为是人体生命活动的根本物质，它与人体生、长、壮、老、已的生命过程密切相关。因此，从现代分子生物学角度探寻肾藏精理论的本质对于丰富中医肾藏象理论具有十分重要的意义。虽然中医学中“肾”的内涵与外延远比西医学中肾的功能概念要广泛，但从肾脏本身寻找肾藏精的可能物质基础更容易被现代医学所接受。骨形态发生蛋白-7 （bone morphogenetic protein-7，BMP-7）主要在肾脏合成并进入血液而发挥作用，具有多种生物学功能。以下试通过对BMP-7的特性与中医肾藏精理论进行关联性分析，探讨肾藏精理论的物质基础。

1　肾藏精理论的物质基础研究概况

肾精作用广泛。因现代学者视角及研究角度不同，对肾藏精的本质也有不同认识，目前尚未能有一种物质、一类物质或一种功能系统能完全涵盖肾精的所有功能。沈自尹［1］最早开展肾本质研究工作，其认为肾藏精本质在于对下丘脑—垂体—靶腺轴的平衡调节。郑洪新等［2］则认为“从肾论治”的作用机制之一是动员“肾藏精”的生理功能而激活内源性干细胞和发挥微环境作用，同时调控神经—内分泌—免疫网络动态平衡。陈云志等［3］从肾主骨、主生殖及肾与他脏的关系探讨了维生素D为中医“肾藏精”的物质基础。王岚等［4］认为抗衰老基因Klotho在肾脏表达丰富，参与调节钙磷和骨代谢，具备了成为肾中所藏之精物质基础的潜能。

2　从BMP-7探讨肾藏精理论的物质基础

BMP-7是骨形态发生蛋白家族中的一员，属于转化生长因子β（transforming growth factor-β，TGF-β）超家族，是1990年Ozkaynak等［5］从牛成骨蛋白提取物中分离出的一种新的蛋白，又称成骨蛋白-1。BMP-7主要由肾脏和骨骼分泌，对于肾脏的发育及正常功能的维持必不可少，并具有强大的成骨作用，因而与“肾主骨”关系密切。此外BMP-7尚能抑制血管钙化，维持脉道通利，故认为BMP-7具有成为肾藏精理论物质基础的特性。

2.1BMP-7主要来源于肾脏肾脏是分泌BMP-7的主要器官。Simon等［6］应用BMP-7抗体检测成年SD大鼠肾组织后发现，BMP-7主要表达于集合管及远端小管，近端小管仅有少量分布，肾小球中则未见表达。人类BMP-7基因位于第2号染色体，BMP-7的编码cDNA全长1 293 bp，转录后翻译成431个氨基酸组成的BMP-7前体蛋白，由N端信号肽、前体肽和C端成熟肽3部分组成。在蛋白水解酶的作用下，此前体蛋白翻译分泌后可在体内被剪切加工为成熟二聚体分子BMP-7蛋白，含139个氨基酸［7］。人类出生后，BMP-7在其他器官组织的表达明显减少或消失。原位杂交检测法显示，BMP-7主要分布在肾小管和肾间质，在髓质肾小管表达较高，尤其是集合管；此外，BMP-7在肾动脉的外膜、肾小球毛细血管周围、肾盂和输尿管的上皮细胞也有较高表达［8］。肾脏不仅高表达BMP-7，也存在BMP-7受体。BMP-7受体包括丝氨酸/苏氨酸激酶受体I型和Ⅱ型。I型受体为活化素受体样激酶，有ALK2（ActRI）、ALK3（BMPRIA）和ALK6（BMPR-IB）这3种亚型。Ⅱ型受体分为BMPR-Ⅱ、ActRIⅡ和ActRⅡB［9］。BMP-7引起的信号转导首先要结合Ⅱ型受体，Ⅱ型受体使I型受体的丝氨酸/甘氨酸结构域磷酸化，形成I型及Ⅱ型受体复合物，然后磷酸化Smad蛋白中的Smad1或Smad5羧基端末端的2个丝氨酸，使之磷酸化，随后Smad1或Smad5再与Smad4结合成复合体，移位到细胞核内，再作用于特定基因的启子，引起相应生物学效应［10-11］。说明BMP-7在肾脏表达具有细胞特异性，其作用可通过自分泌和旁分泌的方式进行［12］。

2.2BMP-7对于肾脏发育及功能维持必不可少BMP-7在肾脏的发育中起至关重要的作用［13］，其在肾脏和骨骼正常生理功能以及修复和再生过程中发挥重要作用［14］。BMP-7对于调控和维持肾脏组织结构的形成是必须的［15］。胚胎期，BMP-7广泛表达于心、肾、脑、骨骼等组织中，与多种器官与组织的发育密切相关。在小鼠肾发育过程中，BMP-7首先表达于11 d胎龄小鼠的输尿管芽中，输尿管芽和后肾间充质接触后导致间充质细胞浓缩和聚集，经历由BMP-7调节的间充质向上皮转化形成comma型小体，后者延长形成S型管上皮结构。随后，S型管发生形态转变和分化形成成熟肾单位的结构，产生肾小球和肾小管大部分结构的后肾间充质，最终分化并形成肾小管和肾小球［16］。BMP-7缺如时，发育中的肾出现严重缺陷。BMP-7缺陷的胚胎中，输尿管的分支、后肾间充质的聚集及上皮结构的分化将受损，BMP-7缺陷的小鼠会出现肾和骨的发育不良，与正常小鼠相比，肾脏体积明显缩小，存在严重的肾发育不良和肾单位减少，纯合子在出生后48 h因尿毒症死亡［17］。

2.3BMP-7具备抗肾纤维化的作用肾为五脏之一，为精的载体。肾与精之间也必定存在交互作用。精作为构成人体、促进发育、抗病修复的基本物质，其必对肾脏本身也具有保护作用。《内经》云：“人过五八，肾气半衰”，人随着年龄增长，逐渐出现肾精亏虚症状；正常人若因先天不足、后天失养、长期劳累、生活紧张、纵欲过度或久病失治等原因也会伤及肾脏，从而过早出现肾虚症状。而早在《难经·十四难》中就有记载：“损其肾者，益其精”，此时通过补肾益精法可恢复肾脏功能。

而BMP-7同时也是一个对肾脏有保护作用的重要因子。在肾脏疾病过程中，BMP-7可通过多条通路在肾脏纤维化、糖尿病肾病、缺血/再灌注肾损伤过程中发挥重要的肾脏保护作用。在多种急性和慢性肾损伤的动物模型中，均发现BMP-7表达减少或消失［18-19］。研究［20］表明，通过TGF-β1/Smads信号通路调节基因转录在肾间质导致TGF-β1高表达是致肾纤维化的中心环节。动物实验研究［21］表明，BMP-7蛋白可抑制由TGF-β1引起的Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ型胶原、纤维连接素等ECM蛋白的升高，主要机制为BMP-7抑制了Smad2/3依赖的TGF-β1信号途径。研究［22］发现BMP-7可促使近端小管上皮细胞外信号调节激酶迅速磷酸化，进而抑制Smad2、Smad3的核内转，阻断TGF-β1/Smads信号途径。其次，BMP-7可使近端小管上皮Smad6表达增加，而Smad6对TGF-β1/Smads信号途径具有抑制作用。BMP-7还可直接通过抵消或阻碍TGF-β1/Smads信号途径，抑制或逆转上皮细胞分化为间充质细胞，发挥抗纤维化作用。系膜细胞分泌的基质金属蛋白酶（matrix metallo-proteinases，MMP）-2是细胞外基质（extracellular matrix，ECM）的降解过程中的关键因子，BMP-7可通过抑制TGF-β1诱导的纤溶酶原活化抑制因子1的表达，增加MMP-2的表达及活性，从而减轻肾纤维化［23］。此外，BMP-7还可降低TGF-β1诱导分泌的炎性因子、趋化因子及单核细胞趋化蛋白，在系膜细胞及足细胞中还可以抑制TGF-β1、醛固酮、高糖等诱导的损伤作用。在糖尿病肾病致肾纤维化动物模型中，BMP-7能拮抗TGF-β1和结缔组织生长因子的致肾纤维化作用，阻止或延缓糖尿病肾病的发生、发展［24］。研究［25］表明在糖尿病肾病患者外周循环TGF-β1的水平明显上调，而BMP-7的水平明显下调，提示BMP-7可能成为新的糖尿病患者肾脏损伤标志物和治疗靶点。以上分析提示BMP-7可能为中医药补肾益精法的作用靶点之一。

2.4BMP-7具有强大的成骨作用肾主骨理论是中医肾藏象学说的重要理论之一，“肾藏精，精生髓，髓养骨”是该理论的经典概括。“肾生骨髓，其充在骨，肾主身之骨髓”，均说明只有肾中精气充足才能充养骨髓，促进骨的生长发育。《素问·上古天真论》记载，女子七岁“齿更”，三七“真牙生而长极”，四七“筋骨坚，身体盛壮”；男子八岁“齿更”，三八“筋骨强劲故真牙生而长极”，四八“筋骨隆盛”。随着肾精渐衰，肾气渐弱，女子七七而“形坏”，男子五八“齿槁”，八八“形体皆极”，最后“五脏皆衰，筋骨懈堕”。精辟地描述了肾对牙齿、骨骼生长发育的影响，阐述了肾与骨在生理上的密切联系。《医科发挥》说：“肾气不足则骨软”，肾中精气不足，则骨髓空虚，生化无源，骨骼失养，骨软无力，骨质脆弱，骨折难以愈合等。

骨形态发生蛋白是目前最重要的新骨形成及成年骨修复调控因子，其中研究最多、成骨活性最强的是BMP-2和BMP-7。BMP-2只是骨生成的启动因子，对已分化的成骨细胞无进一步的促增殖作用。而BMP-7除了具有维持软骨细胞表型、促进细胞增殖、促进细胞外基质如蛋白多糖和Ⅱ型胶原合成的能力外，还具有较强的骨诱导能力，能有效地刺激骨成骨细胞的分化，其在体内可通过膜内成骨和软骨内化骨两种方式诱导成骨，软骨内化骨为其主要成骨方式。经检测，BMP-7在骨发育和骨折愈合过程中高表达，从而促进骨折的愈合［26］。Cook等［27］在灵长类动物尺骨缺损模型中发现外源性重组人BMP-7能治愈自体骨不能愈合的缺损，一般认为是BMP-7诱导骨折周围未分化的间充质细胞分化为成软骨细胞及成骨细胞，通过钙盐沉积而形成新骨，从而使骨组织修复，表现为软骨内成骨过程。BMP-7是间充质细胞向骨细胞系分化的最初信号分子，随着成骨细胞在向成熟骨细胞逐渐分化，其合成BMP-7的能力逐渐降低［28］。Hidaka等［29］发现外源性重组人BMP-7修饰的骨髓细胞能增强同种异体移植物的脊柱融合作用。Gonzalez等［30］发现慢性肾病由于继发性甲状旁腺功能亢进导致高转换性骨营养不良，病理上可见成骨前体细胞呈成纤维细胞表型，导致骨小梁周围纤维化病变。通过每日应用BMP-7对慢性肾病模型小鼠进行腹腔内注射，6周后治疗组成骨细胞数目明显增加，骨重吸收降低，骨小梁周围纤维化得以缓解，提示BMP-7可能通过以上机制在肾性骨病的治疗中发挥重要作用。鉴于BMP-7促进成骨的明确作用，BMP-7已成为自体骨移植、异体骨移植和组织工程骨研究的热点，有望在多种骨科疾病的治疗中发挥重要的作用。

出生后，肾与骨均为分泌BMP-7的重要组织，而BMP-7对骨发育及骨修复具有十分重要的作用。故是否存在将中医“肾藏精”与“主骨”相联系的“肾—BMP-7—骨”的交互作用轴，且该轴的枢纽之一即为BMP-7，有待进一步验证。

2.5BMP-7具有抑制血管钙化的作用血管钙化分为内膜钙化和中膜钙化，其中内膜钙化多为动脉粥样硬化，中膜钙化主要发生在血管中膜层，钙化物质呈连续性分布，导致血管顺应性降低及血流动力学异常。血管钙化属中医“脉道不利”，多因痰瘀互结，脉道不通。中医认为，肾藏精与脉道不利亦有联系。《医林改错》曰：“元气既虚，必不达于血管，血管无气，必停留而为瘀”。肾藏精功能异常，表现为肾阳虚则气化不利，津液滞留变为膏脂，或火不暖土，水湿痰浊内生，或心失温煦，寒凝血脉；表现为肾阴不足则虚火灼津，或津亏失濡，脉失所养；表现为肾虚则精气不足，脉失濡养，推动无力，均可致血脉为病。

近年来有关血管钙化的细胞分子机制研究结果表明，血管钙化形成过程是一个与骨发育相似的、主动的、可预防和可逆转的高度可调控的生物学过程［31］。肾脏表达骨形态发生蛋白，可通过血液循环对远隔组织发生作用。骨形成蛋白家族中重要成员BMP-2有强大的诱导成骨能力，但它同时也是一个血管钙化促进因子［32］。但骨形态发生蛋白家族中同样重要的成骨诱导因子BMP-7却对血管钙化具有显著的抑制作用。研究［33］表明BMP-7在正常血管发生中起重要作用，其能够抑制血管平滑肌细胞增殖和维持血管平滑肌细胞的表型。研究［34］表明，血管钙化的血管壁平滑肌细胞表型为成骨细胞样表型，BMP-7可维持血管内皮的正常分化，抑制血管平滑肌细胞向成骨细胞的转分化。在低密度脂蛋白基因敲除小鼠的动物模型中发现，模型组血管壁细胞呈成骨样表型，血管明显钙化，而应用BMP-7治疗15周能够抑制血管钙化，提示BMP-7具有改善血管钙化的潜能［35］。应用BMP-7治疗动脉粥样硬化和血管钙化模型可以纠正骨代谢紊乱和降低高磷酸盐血症从而减轻血管钙化［36］。虽然BMP-7抑制血管钙化的具体机制尚未十分明了，但目前研究已证明其防治血管钙化的作用是明确的，而其表达减少则是血管钙化的一个重要原因。新近Freedman等［37］利用SNP技术对762例欧美2型糖尿病患者的BMP-7多态性进行了检测分析，发现BMP-7与骨的矿化及血管钙化有明显的相关性。故推测肾藏精维持血脉通利机制之一可能与肾脏分泌BMP-7抑制血管钙化有关。

中医理论中肾的含义有狭义和广义之分，中医肾作为一个系统功能体系远比西医肾结构功能体系更为广泛。本课题组致力于肾藏精研究，从肾脏本身出发寻找肾藏精的物质基础，认为BMP-7主要在肾脏合成并进入血液而发挥作用，其多项生物学功能与肾藏象中肾的生理功能存在一定相关性，初步具备了肾中所藏之精物质基础的潜能，值得在中医理论指引下进行深入研究。

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【责任编辑：贺小英】

R223.1

A

1007-3213（2016）05-0736-05

10．13359/j．cnki．gzxbtcm．2016．05．027

2016-03-07

陈立（1980-），男，主治医师；E-mail:187356205@qq.com

王小琴（1963-），女，主任医师，教授，博士研究生导师；E-mail:wangxiao773@hotmail.com

国家自然科学基金资助项目（编号:81573907）