TGFβ在骨组织中作用的研究进展
发表时间：2011-12-31 浏览次数：485次
作者：吴巍,姚欣欣,朱辛奕 作者单位：1.吉林医药学院附属医院口腔科，吉林 吉林;2.阜新矿务局总医院病理科，辽宁 阜新
【摘要】转化生长因子β(TGFβ)是一族广泛存在、结构相关、功能相似的多功能活性肽。在细胞分化的所有阶段很多的细胞及组织都会产生TGFβ，其中血小板和骨组织中TGFβ含量最丰富。TGFβ可促进细胞增殖与分化，促进细胞外基质合成，促进胶原产生，也是多种免疫细胞的自分泌或旁分泌调节因子。
【关键词】 转化生长因子β;牵张成骨;成骨细胞;破骨细胞
转化生长因子β(transforming growth factorβ，TGFβ)是一族广泛存在、结构相关、功能相似的多功能活性肽，除包括TGFβ原型外，还有骨形成蛋白(BMPs)、生长分化因子(GDFS)、活化素、抑制素、缪勒氏管抑制物质(MIS)等[1]。它最初以无活性的潜活性形式LTGFβ(Latement TGFβ)储存于基质(ECM)中，但骨折发生时由于活化的破骨细胞产生低PH值的微环境，以及类似于纤维蛋白溶解酶的蛋白酶激活LTGFβ，从而使TGFβ从ECM中释放出来，并开始发挥其生物学效应。
1 TGFβ的来源、种类和结构
TGFβ来源广泛，在细胞分化的所有阶段很多的细胞及组织都会产生TGFβ，其中血小板和骨组织中TGFβ含量最丰富[2]。骨组织中TGFβ主要由骨细胞、成骨细胞、破骨细胞、软骨细胞及骨髓细胞等通过自分泌和旁分泌途径合成[3]，在骨组织中TGFβ的浓度是其他组织的100倍，浓度远远高于其他组织。TGFβ至少有6种异构体，在哺乳动物体内只发现3种形式，TGFβ1、TGFβ2和TGFβ3，而且结构相关，有60%～80%的序列同源。各种异构体在许多生物反应中表现出相似的作用，其中TGFβ1最为重要。所有TGFβ家族成员都具有高度保守的7个半胱氨酸残基(cys)，第7个cys则形成链间二硫键，将2个单体连接在一起，形成具有生物活性的二聚体，分子量为25 kDa。
2 TGFβ的生物学特性
TGFβ是一种具有多种功能的多肽生长因子，可促进细胞增殖与分化，促进细胞外基质合成，促进胶原产生，也是多种免疫细胞的自分泌或旁分泌调节因子[4]。TGFβ作为参与体内生理生化、信号转导与调控的重要因子，既具有促进成骨细胞分化增殖、刺激骨形成，又具有支持破骨细胞形成、刺激骨吸收的双重作用，是骨形成和与骨吸收之间重要的偶联调节因子[5]。既往的实验研究表明TGFβ能促进骨膜间充质细胞增殖和分化，促进骨细胞增殖;此外，TGFβ还能增加成骨细胞定向迁移能力，这在骨再建过程中有重要的趋化作用。在体外实验中发现，TGFβ可以诱导成纤维细胞合成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ型胶原纤维连接素、骨连接素、糖蛋白和ALP，而且可以抑制金属蛋白酶的活性，使细胞周围的蛋白溶解受到抑制，促进细胞黏附分子受体和结合素的合成，增加骨和软骨组织量[6]。但在骨牵引术的实验中，却得出不同的结论。Sciadini等[7]在对狗胫骨节段性缺损性骨牵引术的研究中发现，rhTGFβ组随剂量增加，软骨和软骨细胞数目减少，而空白对照组和注入生理盐水组成骨明显均匀。Rauch等[8]注入兔肢体延长TGFβ，未发现促成骨作用，仅发现骨痂区纤维组织增加。
3 TGFβ的分布与作用
TGFβ在正常骨组织中主要分布于骨细胞、肌细胞和外周骨膜内。牵张成骨术中TGFβ在延迟期主要分布于骨折血肿中的炎性细胞及血肿基质内;在牵张早期集中分布在成骨细胞、前间充质细胞和逐渐吸收的骨折血肿内;在牵张期结束时主要局限于骨皮质切开表面的成骨细胞和在牵张间隙内新形成的胶原束周围，同时牵张间隙内的血管壁上亦有集中分布;在固定两周后，有类似于牵张早期的TGFβ分布。
TGFβ在骨损伤中作用主要是促进成骨细胞分化、增殖，刺激骨细胞和软骨细胞合成与分泌细胞外基质蛋白。成骨细胞受到机械力刺激时细胞数目增加，同时TGFβ的表达亦增加。因此，TGFβ在牵张成骨过程中对于骨的生成是一重要的驱动因素。早期大量研究表明，TGFβ最初从血小板释放至骨折血肿中，随后在骨折愈合过程中由增殖活跃的成骨细胞合成并释放[9]。Richards等[10]发现，在实验兔胫骨上进行的牵张，可使牵张区中的成骨细胞增殖活跃，成骨能力增强。对成骨样细胞的培养发现TGFβ对成骨样细胞具有直接的、强有力的趋化作用，因此，在牵张成骨过程中TGFβ的增加对于间充质细胞和成骨细胞的迁移可能是一个重要的调节因素。同时，TGFβ是一种强有力的有丝分裂剂，能强烈刺激成骨细胞及软骨细胞的增殖，促进间充质细胞向成骨细胞及软骨细胞分化，使细胞外基质蛋白和胶原合成增加并抑制其降解。因此，在牵张成骨过程中TGFβ可能在早期引起间充质细胞到达损伤部位，而持续的TGFβ刺激可能导致这些细胞分化、增殖为具有分泌骨细胞外基质蛋白和胶原功能的前成骨细胞和成骨细胞，并和其它细胞因子相互作用而导致成骨细胞成熟，最终使骨再生与改建。实验表明，TGFβ在血管壁上有强烈的表达，通过上调VEGF和FGF的合成而促使新血管的生成，并能持续保持血管壁的完整性，而在骨折愈合中并没有发现血管壁上有TGFβ的强烈表达，这可能反映了牵张成骨与骨折愈合过程中血管再生的不同。
TGFβ在骨生长和修复中的生物学功能呈双向调节作用，既能刺激细胞的增殖分化作用，也能进行抑制作用。根据细胞周围环境如细胞群分化状态和生长条件不同，TGFβ对细胞群的作用显著不同，一般来说，低浓度TGFβ起刺激作用，促进成骨作用;高浓度起抑制成骨作用[11]。徐虎等[12]在注射TGFβ 3 d后骨膜下有大量成纤维细胞、间充质细胞增生;7 d时有大量软骨细胞增生，周围出现膜内成骨现象，为同一时间出现的两种效应，其原因可能是TGFβ对间充质细胞的诱导分化趋向软骨细胞、骨细胞两个方向。14 d和21 d原始骨小梁形成，出现原始骨髓腔，髓腔内已有红细胞，说明TGFβ启动了骨生成过程。卢卫忠等[13]局部注射外源性TGFβ治疗兔尺骨骨折，结果显示其可促进骨痂形成，增加抗弯强度。而王志国等[14]在兔下颌牵张成骨动物模型中导入外源性TGFβ，以观察其对新骨生成的影响，结果显示外源性TGFβ在牵张成骨中更多诱导软骨内成骨而非膜内成骨，延长了牵张成骨时间。唐康来等[15]研究TGFβ在早期(3～7 d)无论是高剂量还是低剂量均促进了ALP活性，而在晚期(21 d)除了低剂量对骨形成有轻微的促进作用，大多表现为抑制作用。
4 TGFβ与其他生长因子的关系
除TGF外，骨组织中还含有多种细胞因子，如胰岛素样生长因子、骨形态发生蛋白、碱性成纤维细胞生长因子、血小板衍生生长因子等。大量研究表明，TGFβ与多种调节生长因子一起协同参与对细胞分化的调节。骨形态发生蛋白是公认的诱骨分化因子，而TGFβ、胰岛素样生长因子、碱性成纤维细胞生长因子等主要在愈合后期调节成骨细胞的增殖，促进骨质的形成和成熟。
骨形态发生蛋白是一类酸性多肽，是TGF超家族成员。虽然和TGFβ属于同一超家族，二者的生物学作用却不完全一样。研究证实[16]，血管周围的未分化间充质细胞在内源性或外源性骨形态发生蛋白的诱导下不可逆地分化成骨，在骨生长愈合早期的骨诱导过程中发挥作用。TGFβ可使分化的成骨细胞聚集，并在其他因子的协同作用下使这些细胞活化，从而加速骨的修复和再生。骨缺损修复实验证实[17]，缺损区植入TGFβ/骨形态发生蛋白复合物的骨诱导作用明显优于单纯TGFβ组或单纯骨形态发生蛋白组。这提示在骨整合过程中，二者互为补充，从而使骨生成作用得到加强。然而也有研究表明[18]，骨形态发生蛋白2/TGFβ同时应用时，刺激成骨样细胞增殖、分化的能力尚不及二者单独应用的效果，这可能是因为二者在同时应用时作用部分或完全抵消，具体机制尚未明确。另外，碱性成纤维细胞生长因子能促进软骨细胞TGFβ的表达，表明其成骨作用部分是通过TGFβ介导的[19]。碱性成纤维细胞生长因子与TGFβ也具有协同作用[20]，刺激骨吸收的甲状旁腺素、白细胞介素1可以增加TGFβ的活性，而抑制骨吸收的降钙素能减少TGFβ的活性。
总之，TGFβ对骨形成的基本作用是补充其他细胞因子激活的已分化细胞。为了更好地达到骨整合，必须弄清楚愈合过程中各个环节的各种生长因子，包括TGFβ本身的复杂的网络关系，这将是今后的发展方向。
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