骨形态发生蛋白

骨形态发生蛋白在间充质干细胞刺激软骨和骨修复中的应用 2017.01.13,研究背景,细胞外基质相关的骨形态发生蛋白（BMP）控制多种生物过程。在多年的研究中，特别是两种BMP，BMP2和BMP7已经获得了较大的突破，用于治疗各种软骨和骨缺损。由于BMP在生物医学应用中的潜力，对研究间充质干细胞（MSC）的生物学，其分化能力下的规则以及测试其在组织工程中的真实能力的研究逐渐增多。事实上，MSC的特异性分化为用于移植的靶向细胞型谱系是再生医学的主要目标。,BMPS,BMPs在体内诱导软骨形成和异位骨生长，建立，促进和支持软骨形成和成骨。已知大约20个BMP家族成员。BMP结合两种类型的丝氨酸/苏氨酸激酶受体，即I型（BMPR-I）和II型受体（BMPR-II）。在配体结合后，BMP信号通过Smad依赖性（规范途径）或Smad非依赖性途径转导到靶基因。BMP / Smad信号通路也可以被一组细胞外蛋白拮抗剂严格调节，它们作为BMP信号传导中的拮抗剂的基本作用通过在缺乏这些蛋白之一的实验动物中发生的许多严重或致死缺陷来证明。,BMPS在骨形成,在脊椎动物中，骨形成可以通过成膜细胞在膜性骨化中的直接分化来实现，或者在软骨内骨化中从软骨细胞的分化开始。这两个过程由BMPs控制，BMP2和BMP4作为成骨细胞和软骨细胞表型的主分化诱导，导致骨和软骨形成。已报道BMP2,4,6,7和9诱导人MSC的体外软骨形成。,在人类骨髓来源（BM）MSCs中，BMP2（在TGF-3存在下）是软骨形成最有效的诱导物，与BMP4和BMP6相比，更能诱导富含蛋白多糖的软骨的产生，而在滑膜外植体中，BMP7是比BMP2更有效地引起软骨细胞分化。最新的研究证明BMP4和7诱发人类MSC的体外显著反应，表明这些因子在体内的使用促进软骨的损伤修复。使用人重组BMP2，BMP4 ，BMP6或BMP7的早期实验证明这样的蛋白能够在多种间充质前体细胞系中单独刺激成骨细胞（或软骨形成）。 BMP2和BMP7现已被批准用于临床中用于治疗非联合骨折作为辅助治疗。,虽然这些分子在骨折愈合中的使用已经很广泛，但它的不良作用依然需要引起重视，特别是在高剂量下，主要有以下几个不良作用：1、更高的骨折不连续率；2、局部炎症反应；3、伤口愈合并发症；4、血肿形成；5、异位骨形成。因此，这些分子的剂量需要在每个临床环境中精细校准。且主要应用与骨折愈合失败高风险的患者。这些不良作用仍然需要进一步研究，以期在今后的临床应用中逐渐减少。,间充质干细胞（MSC）,成骨的修复涉及BMMSCs（人类骨髓来源MSCs）中，其作为能够侵入骨折部位的骨软骨祖细胞的来源，增殖并分化成软骨和骨。 MSC是具有自我更新能力并分化成多个谱系的多潜能成体细胞，这些细胞在1980年被发现，MSCs最近在再生医学中的潜力越来越受到关注。1、由于对调节其活性的因素的理解有限；2、缺乏对这些细胞和它们的生态微环境的组分之间的复杂相互作用的了解。由于以上两个因素，MSC的临床应用受到限制。仍有待相关研究进一步探索。,MSCS在致癌和生殖细胞分化中的应用,当在一个或多个（转化生长因子-）TGF-超家族成员的存在下将MSC以无血清的3D培养形式（为细胞提供一个更加接近体内生存条件的微环境的培养技术）接种时，发生软骨形成分化。在该条件中，细胞放弃典型的成纤维细胞形态并开始产生软骨特异性基质组分。细胞通常在不超过2-3周内分化成分泌蛋白多糖的软骨细胞样细胞。3D培养和伴随的TGF-的存在是获得真正的软骨细胞表型所必需的条件。,有研究探讨使用封装在骨诱导支架或形态生物材料中的MSCs以增强骨和软骨在体内的自然愈合过程。结果表明这些多能细胞似乎都能够在支架内区分自身以及吸引邻近自体祖细胞的因子。这种行为可以更快地完成骨折愈合，并且所得新骨的质量优于单独使用的骨诱导或软骨形成的骨架。因此，这些结果促使进一步研究，探索伴随使用MSC和BMP家族的最有希望的成员。即，嵌入合适的支架或载体中的BMP2和7已经用于治疗实验动物模型中的几种软骨缺陷和骨折，有希望很快被应用于临床。,应用BMPS和MSCS进行软骨修复,软骨缺损如椎间盘和膝关节的退化是关节残疾的常见原因，能够影响世界各地许多人的生活质量。关节软骨在损伤后自发修复的能力有限。接种自体软骨细胞以促进软骨再造具有一些优于同种异体软骨细胞或固体组织移植的好处。但由于在体外扩张期间软骨细胞去分化以及需要大量软骨样品，其应用受到限制。因此，MSC在用于软骨修复有良好的研究前景。如已经提到的，BMP2和BMP7都具有大量被证明的增强体内软骨修复的能力以及促进在体外在适当的诱导培养基中培养的MSC的软骨形成分化的能力。,在最近的一项研究中，Seo等人研究了嵌入有MSC的双层支架和含有TGF-1及血小板衍生生长因子（PDGF）的富血小板血浆（PRP）用于软骨形成层，以及MSC和BMP2用于成骨层，在骨软骨马模型中的缺陷。缺陷产生在距骨的外侧滑车脊处，其中通常发现骨软骨病，并插入双层支架。然后评价组织修复，显示相对于对照，植入支架显着改善骨软骨组织再生。Geraghty等人最近发表的一项研究描述了一种新的，可行的骨软骨异体移植物，其包含能够刺激MSC的细胞外基质（ECM）蛋白和软骨形成生长因子（即TGF-1和3，BMP2,4,7，bFGF和IGF1），完成山羊模型中的体内软骨修复。,上述研究显示使用与MSC相关的BMP促进关节软骨修复带来有限的有利结果。同时，使用其他软骨形成诱导因子例如TGF-蛋白或者诸如PRP或Geraghty等人描述的嵌入新的骨软骨同种异体移植物中的因子的异质混合物已经证明了更好的结果。可能是因为这些因素以及包含BMPs，比单独使用BMPs软骨修复更有希望。事实上，BMP与MSC一起在体内显示比成软骨细胞更高的骨诱导能力。,骨密度和MSCS在骨组织修复中的应用,骨骼疾病，肿瘤切除，创伤和先天性畸形是需要骨重建的骨缺损的主要原因。几十年来，自体骨移植已经是临床上治疗骨缺损的金标准。由于自体骨移植物的有限的可用性和供体位点的发病率，基于干细胞的组织工程策略作为替代性治疗方法是非常有希望的。但是，由于：1、免疫排斥；2、早期再吸收；3、可能的感染传播。限制了同种异体移植的使用。,在早期研究中，许多研究人员表明，用BMP2工程改造的自体或同种异体MSC能够在小鼠，大鼠，兔子和猪的异位和原位位点的几种动物模型中分化成成骨细胞谱系并诱导骨形成。因此，得出结论，MSC植入与BMP2基因的组合比单独的MSC植入更有效地诱导骨形成。在其他研究中，Chang等人在两种不同的动物模型中证明了BMP2表达的MSC在大颅骨缺损的骨修复中的用途：兔模型和猪模型。作者清楚地证明，在实验的三个月中，在兔子和猪中，相对于对照，通过包含表达BMP2的MSC的组织工程化的骨几乎完全修复大颅骨缺损。,相关研究数据表明，与单独的MSC或BMP7相比，两者的缔合提供了更好的骨诱导移植物。最后，Schiavi等人测试了用BMP7纳米储库功能化并装备有人MSC微组织的新型3D胶原纳米纤维植入物。植入物被优化用于细胞定植，分化和生长。该组实验清楚地证明，与单独使用BMP7或MSC微组织的对照相比，偶联的BMP7 / MSC微组织的体内异位骨生长的加速。,结论,BMP已经在再生医学和组织工程领域中展示出巨大的潜力。它们已经在许多临床前和临床研究中测试，探索它们在几种动物模型缺陷和人类疾病中的软骨形