骨膜蛋白在组织修复中的作用研究进展

张 勇 秦 晗

骨膜蛋白最早是在1993年于小鼠前成骨细胞中发现的,称为成骨细胞特异性因子2,后来的研究中发现人体组织也存在此物质,与小鼠高度同源,同时该蛋白在骨膜中表达水平高,因此被命名为骨膜蛋白[1]。骨膜蛋白作为一种ECM蛋白能够与干细胞结合,在发育和修复的过程发挥重要作用[2]。最早发现于成骨细胞、骨膜、牙周膜等间充质细胞系中,间充质细胞系的细胞具有干细胞自我更新和多向分化的能力,在间充质细胞增殖分化期间,骨膜蛋白的含量增高,提示骨膜蛋白在细胞分化和新生方面的作用[3,4]。Georgia等[5]研究发现,骨膜蛋白在皮肤黏膜损伤中刺激基底层细胞,促进伤口愈合。骨膜蛋白增强血管内皮生长因子促进形成新生血管,骨膜蛋白在骨重塑过程中激活成骨细胞,提示了骨膜蛋白对各类组织重建方面的作用[6,7]。故本文对骨膜蛋白对组织修复的作用进行综述。

一、骨膜蛋白与骨重塑

成骨细胞是由来自于骨膜和骨髓基质中的间充质细胞分化而来,在骨形成和重建过程中起重要作用[8]。Soon等[9]研究发现,间充质干细胞可分化为成骨细胞促进骨重塑,另一方面还发现骨膜蛋白可以加速间充质细胞介导的骨愈合,因此研究人员通过将骨膜蛋白和充质干细胞联合移植到骨折部位发现较仅移植干细胞到骨折部位,联合移植组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积极作用。Merle等[7]研究发现,成骨细胞分化过程中骨膜蛋白的表达在分化结束时增加了1.25～3.00倍,结合成骨细胞在形成新骨方面的作用,提示骨膜蛋白在骨重塑过程中起作用。Cai等[10]研究发现,骨膜蛋白和骨重塑过程中相关基因Runx2、RANKL也密切相关,Runx2和RANKL相互作用调控骨代谢,骨膜蛋白低表达会导致Runx2的低表达,Runx2低表达延缓骨折愈合,提示骨膜蛋白会促进骨折的愈合。Yin等[6]通过分析骨膜蛋白过表达后前成骨细胞的RNA图谱,提示骨膜蛋白与骨重塑细胞黏附和迁移以及骨代谢基因相关。Orange等[11]研究发现,骨膜蛋白缺乏的骨膜不能重建骨膜细胞池,也就是不能实现骨损伤后的膜内成骨,提示骨膜蛋白是骨膜中骨骼干细胞的关键调节剂。针对于骨膜蛋白与牙槽骨方面的研究发现,骨膜蛋白对牙槽骨再生的作用于区域的炎性环境的变化有关,这提示骨膜蛋白对于牙槽骨再生是有一定可能的[12]。这些研究一方面表明了骨膜蛋白与骨重塑基因存在正相关,另一方面无论是外伤还是炎症导致的骨损伤,骨膜蛋白都有一定促进骨重塑的功能。

二、骨膜蛋白与皮肤黏膜修复

皮肤的伤口愈合过程包括止血、炎症发生、细胞增殖和屏障功能重塑[13,14]。Walker等[15]独立分析了骨膜蛋白基因敲除和野生型小鼠的伤口处的骨膜蛋白含量,发现基因敲除小鼠伤口在伤后较野生型小鼠闭合减少。Zhou等[4]研究发现,发育过程中骨膜蛋白在真皮-表皮交界处表达,在伤口处,骨膜蛋白同发育过程中的皮肤一样在伤口边缘的真皮-表皮交界处重新表达,促进愈合,在连接处的高度表达提示了骨膜蛋白在基膜处的生物学功能,基膜处的基底层细胞是生发层,具有增殖分化能力,提示骨膜蛋白参与皮肤损伤后形态和功能的重建。Elliott等[18]研究发现,用骨膜蛋白/胶原蛋白处理的全层皮肤伤口比不处理和仅用胶原蛋白处理的全层皮肤伤口的闭合率高,提示骨膜蛋白促进皮肤伤口闭合。研究表明,骨膜蛋白在皮肤伤口处含量增高,皮肤损伤后骨膜蛋白诱导成纤维细胞活化,启动成纤维细胞的迁移活动,活化的成纤维细胞促进炎症期间形成的肉芽组织上皮化,从而逐渐闭合创面,重建皮肤的屏障功能[16,17]。

黏膜和皮肤一般被认为是同源的组织。与骨膜蛋白通过促进成纤维细胞分化来帮助皮肤损伤愈合不同,骨膜蛋白是通过促进细胞外基质的形成来加快黏膜损伤的愈合[19]。Kim等[20]通过设计大鼠的牙龈切除模型,发现骨膜蛋白的表达在伤后第3天上调,并在第14天时达到峰值,且未在愈合过程中发现肌成纤维细胞,仅观察到细胞外基质的合成,提示骨膜蛋白加快了黏膜的愈合。

三、骨膜蛋白与血管再生

Soon等[9]研究发现,间充质干细胞和骨膜蛋白均可加速缺血组织的修复,共同植入促进血管新生,提示了骨膜蛋白刺激了间充质干细胞介导的血管生成。Zohaib等[21]在体内的研究提出骨膜蛋白是血管生成过程中的重要贡献者,骨膜蛋白通过增强血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)和基质金属蛋白酶2(matrix metalloproteinase 2,MMP2),促进血管生成。VEGF是一种特异性的能促进内皮细胞的因子,VEGF有多种形式,其中VEGF-A能促进形成新生血管,增加血管通透性,VEGF-E是潜在的新生血管形成因子[22]。实验证明,VEGF促进血管内皮细胞生长和诱导血管增生。VEGF诱导胶原酶、组织因子等在血管内皮细胞,激发能够改变ECM结构的V3因子释放,从而使ECM更易于血管生长。MMP2属于能够切分ECM的基质金属蛋白酶,此蛋白酶能够调节血管化。Watanabe等[23]在两组细胞中分别置1μg/ml 骨膜蛋白和不做处理,12h后发现骨膜蛋白处理的PDL细胞组中的MMP2、VEGF分别较未处理的增加了1.7倍和1.8倍。有研究在测定用骨膜蛋白处理的体外组织的新生血管发现,骨膜蛋白能够促进毛细血管的形成[6]。综合骨膜蛋白对MMP2、VEGF的作用及MMP2、VEGF对新生血管的作用,提示骨膜蛋白在形成新生血管中有促进作用。

四、骨膜蛋白与牙周组织再生

牙周韧带(periodontal ligament,PDL)是围绕牙根连接牙体组织和牙槽骨的致密结缔组织。PDL分为靠近牙槽骨一侧血管丰富的不可移动区和靠近牙齿一侧无血管的可移动区,不可移动区和可移动区之间的部分被称为剪切带。Kill等[24]通过研究小鼠牙萌出形成PDL的时期对骨膜蛋白的免疫组织学定位,发现在牙周韧带的剪切区骨膜蛋白的免疫强阳性,同时剪切带是形成胶原蛋白的重要区域,提示骨膜蛋白对PDL形成的作用。前述提到骨膜蛋白处理的MMP2、VEGF水平会增加,该研究还发现MMP2和VEGF与PDL细胞增殖密切相关,提示骨膜蛋白与PDL再生相关。Padial等[25]设计了一项体外实验研究,通过让PDL细胞分别在对照组、骨膜蛋白、成纤维细胞增殖因子中培养,分析各组培养细胞中阳性细胞数,发现骨膜蛋白培养组的PDL细胞明显增加了2倍,此外,该研究还通过划痕分析发现骨膜蛋白会增加细胞迁移,综合骨膜蛋白在PDL细胞增殖和细胞迁移中的作用,提示骨膜蛋白促进PDL的再生。Choi等[26]研究发现,PDL骨膜蛋白含量下降时,组织学发现胶原纤维的网状结构丧失,PDL纤维的数量、PDL纤维厚度降低,表明骨膜蛋白参与了PDL的形成。

骨膜蛋白具有调节组织细胞迁移、募集、黏附、增殖、附着到各种组织的愈合区域,其中促进成纤维细胞迁移、附着的功能,提示骨膜蛋白在PDL重塑过程中发挥作用。Panchamanon等[27]研究发现,PDL再生对机械力生物反应与力的大小关系密切,在机械力下维持牙周稳态,而骨膜蛋白在此过程中是作为机械力传导的调节剂,提示在合适机械力条件下骨膜蛋白对PDL再生有促进作用。

牙骨质是一种结缔组织,是覆盖于牙根表面的硬组织,色淡黄,牙骨质既是牙体组织也是牙周组织,同时牙骨质也是维系牙和牙周组织的重要结构。一直以来,人们认为牙骨质的再生是十分困难的,Liu等[28,29]研究认为,存在于PDL、牙龈、牙槽骨中的干细胞具有能够分化为成牙骨质细胞的能力,形成牙骨质样组织,有能够分化为牙骨质的干细胞存在,为牙骨质再生提供了可能。Rios等[30]分别用两组实验小鼠,其中实验组设计为骨膜蛋白基因敲除小鼠,对照组为野生型小鼠,在光镜下观察两组小鼠的牙周组织,镜下观察到骨膜蛋白基因敲除组小鼠牙周组织的PDL与根面分离,且未在根面发现成牙骨质细胞,而在野生型的小鼠牙周组织切片中观察到根面的成牙骨质细胞,该研究验证了骨膜蛋白促进成牙骨质细胞募集到根面上,提示骨膜蛋白对牙骨质的形成至关重要。

综上所述,骨膜蛋白已经被广泛用于皮肤损伤、骨损伤以及某些病例的牙周组织的修复[5]。但是多项研究显示,骨膜蛋白对于牙周组织修复的效果不确切,主要是由于炎性水平的变化导致骨膜蛋白表达水平不稳定,综合上述所提到的骨膜蛋白在骨组织、牙周膜、牙骨质、牙龈等部位的修复作用,这表明骨膜蛋白是对所有牙周组织组分实现修复的能力的,因此对于牙周病和涉及全部牙周组织组分损伤的牙齿根折等疾病有希望能够通过研究骨膜蛋白的作用去实现这些疾病的治疗,从而修复损伤的相关组织,达到理想的愈合效果。