張 勇 秦 晗

骨膜蛋白最早是在1993年于小鼠前成骨細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的,稱(chēng)為成骨細(xì)胞特異性因子2,后來(lái)的研究中發(fā)現(xiàn)人體組織也存在此物質(zhì),與小鼠高度同源,同時(shí)該蛋白在骨膜中表達(dá)水平高,因此被命名為骨膜蛋白[1]。骨膜蛋白作為一種ECM蛋白能夠與干細(xì)胞結(jié)合,在發(fā)育和修復(fù)的過(guò)程發(fā)揮重要作用[2]。最早發(fā)現(xiàn)于成骨細(xì)胞、骨膜、牙周膜等間充質(zhì)細(xì)胞系中,間充質(zhì)細(xì)胞系的細(xì)胞具有干細(xì)胞自我更新和多向分化的能力,在間充質(zhì)細(xì)胞增殖分化期間,骨膜蛋白的含量增高,提示骨膜蛋白在細(xì)胞分化和新生方面的作用[3,4]。Georgia等[5]研究發(fā)現(xiàn),骨膜蛋白在皮膚黏膜損傷中刺激基底層細(xì)胞,促進(jìn)傷口愈合。骨膜蛋白增強(qiáng)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子促進(jìn)形成新生血管,骨膜蛋白在骨重塑過(guò)程中激活成骨細(xì)胞,提示了骨膜蛋白對(duì)各類(lèi)組織重建方面的作用[6,7]。故本文對(duì)骨膜蛋白對(duì)組織修復(fù)的作用進(jìn)行綜述。

一、骨膜蛋白與骨重塑

成骨細(xì)胞是由來(lái)自于骨膜和骨髓基質(zhì)中的間充質(zhì)細(xì)胞分化而來(lái),在骨形成和重建過(guò)程中起重要作用[8]。Soon等[9]研究發(fā)現(xiàn),間充質(zhì)干細(xì)胞可分化為成骨細(xì)胞促進(jìn)骨重塑,另一方面還發(fā)現(xiàn)骨膜蛋白可以加速間充質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的骨愈合,因此研究人員通過(guò)將骨膜蛋白和充質(zhì)干細(xì)胞聯(lián)合移植到骨折部位發(fā)現(xiàn)較僅移植干細(xì)胞到骨折部位,聯(lián)合移植組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積極作用。Merle等[7]研究發(fā)現(xiàn),成骨細(xì)胞分化過(guò)程中骨膜蛋白的表達(dá)在分化結(jié)束時(shí)增加了1.25～3.00倍,結(jié)合成骨細(xì)胞在形成新骨方面的作用,提示骨膜蛋白在骨重塑過(guò)程中起作用。Cai等[10]研究發(fā)現(xiàn),骨膜蛋白和骨重塑過(guò)程中相關(guān)基因Runx2、RANKL也密切相關(guān),Runx2和RANKL相互作用調(diào)控骨代謝,骨膜蛋白低表達(dá)會(huì)導(dǎo)致Runx2的低表達(dá),Runx2低表達(dá)延緩骨折愈合,提示骨膜蛋白會(huì)促進(jìn)骨折的愈合。Yin等[6]通過(guò)分析骨膜蛋白過(guò)表達(dá)后前成骨細(xì)胞的RNA圖譜,提示骨膜蛋白與骨重塑細(xì)胞黏附和遷移以及骨代謝基因相關(guān)。Orange等[11]研究發(fā)現(xiàn),骨膜蛋白缺乏的骨膜不能重建骨膜細(xì)胞池,也就是不能實(shí)現(xiàn)骨損傷后的膜內(nèi)成骨,提示骨膜蛋白是骨膜中骨骼干細(xì)胞的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑。針對(duì)于骨膜蛋白與牙槽骨方面的研究發(fā)現(xiàn),骨膜蛋白對(duì)牙槽骨再生的作用于區(qū)域的炎性環(huán)境的變化有關(guān),這提示骨膜蛋白對(duì)于牙槽骨再生是有一定可能的[12]。這些研究一方面表明了骨膜蛋白與骨重塑基因存在正相關(guān),另一方面無(wú)論是外傷還是炎癥導(dǎo)致的骨損傷,骨膜蛋白都有一定促進(jìn)骨重塑的功能。

二、骨膜蛋白與皮膚黏膜修復(fù)

皮膚的傷口愈合過(guò)程包括止血、炎癥發(fā)生、細(xì)胞增殖和屏障功能重塑[13,14]。Walker等[15]獨(dú)立分析了骨膜蛋白基因敲除和野生型小鼠的傷口處的骨膜蛋白含量,發(fā)現(xiàn)基因敲除小鼠傷口在傷后較野生型小鼠閉合減少。Zhou等[4]研究發(fā)現(xiàn),發(fā)育過(guò)程中骨膜蛋白在真皮-表皮交界處表達(dá),在傷口處,骨膜蛋白同發(fā)育過(guò)程中的皮膚一樣在傷口邊緣的真皮-表皮交界處重新表達(dá),促進(jìn)愈合,在連接處的高度表達(dá)提示了骨膜蛋白在基膜處的生物學(xué)功能,基膜處的基底層細(xì)胞是生發(fā)層,具有增殖分化能力,提示骨膜蛋白參與皮膚損傷后形態(tài)和功能的重建。Elliott等[18]研究發(fā)現(xiàn),用骨膜蛋白/膠原蛋白處理的全層皮膚傷口比不處理和僅用膠原蛋白處理的全層皮膚傷口的閉合率高,提示骨膜蛋白促進(jìn)皮膚傷口閉合。研究表明,骨膜蛋白在皮膚傷口處含量增高,皮膚損傷后骨膜蛋白誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞活化,啟動(dòng)成纖維細(xì)胞的遷移活動(dòng),活化的成纖維細(xì)胞促進(jìn)炎癥期間形成的肉芽組織上皮化,從而逐漸閉合創(chuàng)面,重建皮膚的屏障功能[16,17]。

黏膜和皮膚一般被認(rèn)為是同源的組織。與骨膜蛋白通過(guò)促進(jìn)成纖維細(xì)胞分化來(lái)幫助皮膚損傷愈合不同,骨膜蛋白是通過(guò)促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的形成來(lái)加快黏膜損傷的愈合[19]。Kim等[20]通過(guò)設(shè)計(jì)大鼠的牙齦切除模型,發(fā)現(xiàn)骨膜蛋白的表達(dá)在傷后第3天上調(diào),并在第14天時(shí)達(dá)到峰值,且未在愈合過(guò)程中發(fā)現(xiàn)肌成纖維細(xì)胞,僅觀察到細(xì)胞外基質(zhì)的合成,提示骨膜蛋白加快了黏膜的愈合。

三、骨膜蛋白與血管再生

Soon等[9]研究發(fā)現(xiàn),間充質(zhì)干細(xì)胞和骨膜蛋白均可加速缺血組織的修復(fù),共同植入促進(jìn)血管新生,提示了骨膜蛋白刺激了間充質(zhì)干細(xì)胞介導(dǎo)的血管生成。Zohaib等[21]在體內(nèi)的研究提出骨膜蛋白是血管生成過(guò)程中的重要貢獻(xiàn)者,骨膜蛋白通過(guò)增強(qiáng)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)和基質(zhì)金屬蛋白酶2(matrix metalloproteinase 2,MMP2),促進(jìn)血管生成。VEGF是一種特異性的能促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的因子,VEGF有多種形式,其中VEGF-A能促進(jìn)形成新生血管,增加血管通透性,VEGF-E是潛在的新生血管形成因子[22]。實(shí)驗(yàn)證明,VEGF促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)和誘導(dǎo)血管增生。VEGF誘導(dǎo)膠原酶、組織因子等在血管內(nèi)皮細(xì)胞,激發(fā)能夠改變ECM結(jié)構(gòu)的V3因子釋放,從而使ECM更易于血管生長(zhǎng)。MMP2屬于能夠切分ECM的基質(zhì)金屬蛋白酶,此蛋白酶能夠調(diào)節(jié)血管化。Watanabe等[23]在兩組細(xì)胞中分別置1μg/ml 骨膜蛋白和不做處理,12h后發(fā)現(xiàn)骨膜蛋白處理的PDL細(xì)胞組中的MMP2、VEGF分別較未處理的增加了1.7倍和1.8倍。有研究在測(cè)定用骨膜蛋白處理的體外組織的新生血管發(fā)現(xiàn),骨膜蛋白能夠促進(jìn)毛細(xì)血管的形成[6]。綜合骨膜蛋白對(duì)MMP2、VEGF的作用及MMP2、VEGF對(duì)新生血管的作用,提示骨膜蛋白在形成新生血管中有促進(jìn)作用。

四、骨膜蛋白與牙周組織再生

牙周韌帶(periodontal ligament,PDL)是圍繞牙根連接牙體組織和牙槽骨的致密結(jié)締組織。PDL分為靠近牙槽骨一側(cè)血管豐富的不可移動(dòng)區(qū)和靠近牙齒一側(cè)無(wú)血管的可移動(dòng)區(qū),不可移動(dòng)區(qū)和可移動(dòng)區(qū)之間的部分被稱(chēng)為剪切帶。Kill等[24]通過(guò)研究小鼠牙萌出形成PDL的時(shí)期對(duì)骨膜蛋白的免疫組織學(xué)定位,發(fā)現(xiàn)在牙周韌帶的剪切區(qū)骨膜蛋白的免疫強(qiáng)陽(yáng)性,同時(shí)剪切帶是形成膠原蛋白的重要區(qū)域,提示骨膜蛋白對(duì)PDL形成的作用。前述提到骨膜蛋白處理的MMP2、VEGF水平會(huì)增加,該研究還發(fā)現(xiàn)MMP2和VEGF與PDL細(xì)胞增殖密切相關(guān),提示骨膜蛋白與PDL再生相關(guān)。Padial等[25]設(shè)計(jì)了一項(xiàng)體外實(shí)驗(yàn)研究,通過(guò)讓PDL細(xì)胞分別在對(duì)照組、骨膜蛋白、成纖維細(xì)胞增殖因子中培養(yǎng),分析各組培養(yǎng)細(xì)胞中陽(yáng)性細(xì)胞數(shù),發(fā)現(xiàn)骨膜蛋白培養(yǎng)組的PDL細(xì)胞明顯增加了2倍,此外,該研究還通過(guò)劃痕分析發(fā)現(xiàn)骨膜蛋白會(huì)增加細(xì)胞遷移,綜合骨膜蛋白在PDL細(xì)胞增殖和細(xì)胞遷移中的作用,提示骨膜蛋白促進(jìn)PDL的再生。Choi等[26]研究發(fā)現(xiàn),PDL骨膜蛋白含量下降時(shí),組織學(xué)發(fā)現(xiàn)膠原纖維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)喪失,PDL纖維的數(shù)量、PDL纖維厚度降低,表明骨膜蛋白參與了PDL的形成。

骨膜蛋白具有調(diào)節(jié)組織細(xì)胞遷移、募集、黏附、增殖、附著到各種組織的愈合區(qū)域,其中促進(jìn)成纖維細(xì)胞遷移、附著的功能,提示骨膜蛋白在PDL重塑過(guò)程中發(fā)揮作用。Panchamanon等[27]研究發(fā)現(xiàn),PDL再生對(duì)機(jī)械力生物反應(yīng)與力的大小關(guān)系密切,在機(jī)械力下維持牙周穩(wěn)態(tài),而骨膜蛋白在此過(guò)程中是作為機(jī)械力傳導(dǎo)的調(diào)節(jié)劑,提示在合適機(jī)械力條件下骨膜蛋白對(duì)PDL再生有促進(jìn)作用。

牙骨質(zhì)是一種結(jié)締組織,是覆蓋于牙根表面的硬組織,色淡黃,牙骨質(zhì)既是牙體組織也是牙周組織,同時(shí)牙骨質(zhì)也是維系牙和牙周組織的重要結(jié)構(gòu)。一直以來(lái),人們認(rèn)為牙骨質(zhì)的再生是十分困難的,Liu等[28,29]研究認(rèn)為,存在于PDL、牙齦、牙槽骨中的干細(xì)胞具有能夠分化為成牙骨質(zhì)細(xì)胞的能力,形成牙骨質(zhì)樣組織,有能夠分化為牙骨質(zhì)的干細(xì)胞存在,為牙骨質(zhì)再生提供了可能。Rios等[30]分別用兩組實(shí)驗(yàn)小鼠,其中實(shí)驗(yàn)組設(shè)計(jì)為骨膜蛋白基因敲除小鼠,對(duì)照組為野生型小鼠,在光鏡下觀察兩組小鼠的牙周組織,鏡下觀察到骨膜蛋白基因敲除組小鼠牙周組織的PDL與根面分離,且未在根面發(fā)現(xiàn)成牙骨質(zhì)細(xì)胞,而在野生型的小鼠牙周組織切片中觀察到根面的成牙骨質(zhì)細(xì)胞,該研究驗(yàn)證了骨膜蛋白促進(jìn)成牙骨質(zhì)細(xì)胞募集到根面上,提示骨膜蛋白對(duì)牙骨質(zhì)的形成至關(guān)重要。

綜上所述,骨膜蛋白已經(jīng)被廣泛用于皮膚損傷、骨損傷以及某些病例的牙周組織的修復(fù)[5]。但是多項(xiàng)研究顯示,骨膜蛋白對(duì)于牙周組織修復(fù)的效果不確切,主要是由于炎性水平的變化導(dǎo)致骨膜蛋白表達(dá)水平不穩(wěn)定,綜合上述所提到的骨膜蛋白在骨組織、牙周膜、牙骨質(zhì)、牙齦等部位的修復(fù)作用,這表明骨膜蛋白是對(duì)所有牙周組織組分實(shí)現(xiàn)修復(fù)的能力的,因此對(duì)于牙周病和涉及全部牙周組織組分損傷的牙齒根折等疾病有希望能夠通過(guò)研究骨膜蛋白的作用去實(shí)現(xiàn)這些疾病的治療,從而修復(fù)損傷的相關(guān)組織,達(dá)到理想的愈合效果。