OSM诱导成骨分化及骨形成的研究进展

邹峰　易志新　彭建强

摘要：抑瘤素M（OSM）是屬于IL-6家族的一类分泌型蛋白因子，在维持慢性炎症条件下机体内环境稳态中发挥重要作用。它也是gp130膜蛋白家族的一员，在细胞增殖、分化、造血系统功能和炎症免疫等病理生理过程具有多功能调控作用。过去很多研究报道了OSM在肿瘤、肝细胞再生、心血管疾病等疾病发生、发展中起着重要作用，对类风湿性关节炎、皮肤及肺部感染等炎症疾病也有重要的调控作用。近年来，越来越多将研究重点聚焦于OSM对成骨分化过程中骨发生和骨成熟的调控。

1 OSM简介

抑瘤素M（Oncostatin M，OSM）是IL-6家族中的一类蛋白因子，1986年Zarling等[1]首次从PMA活化U937细胞培养上清中分离纯化到一种因子，这种因子有明显抑制A375人黑素瘤细胞生长而命名为抑瘤素。人OSM基因定位于22号染色体，基因组由3个外显子和2个内含子组成，OSM前体有252个氨基酸[2]。OSM与白血病抑制因子（LIF）、粒细胞集落刺激因子（GM-CSF）、IL-6及睫状神经营养因子（CNTF）分子之间有一定的同源性和相似的二级结构[3]。在机体细胞微环境内，OSM可通过集落刺激因子、脂多糖（LPS）、Toll样受体配体（TLR-ligands）、前列腺素E2（PGE2）刺激中性粒细胞、单核巨噬细胞和树突状细胞产生，从而参与、调节机体慢性感染性疾病及其他慢性疾病。OSM受体广泛分布于多种肿瘤细胞、内皮细胞和上皮细胞，在生理和病理过程中OSM具有多种生物活性.细胞表面糖蛋白受体gp130是OSM受体的一个亚单位，是识别OSM的低亲和力受体，在组成OSM高亲和力受体中，除gp130亚单位外，还有白血病抑制因子受体（LIFR）的参与。OSM与膜蛋白受体gp130结合后，在体内主要通过OSM受体（OSMR）和LIFR介导其生物学功能，其受体复合体gp130/OSMR、gp130/LIFR在多种细胞来源的组织中都有广泛表达。体内、外试验中证实人来源OSM（hOSM）与鼠来源OSM（mOSM）作用于同种属细胞时对各自OSMR、LIFR均可表现出较高的亲和性，但是对于小鼠细胞hOSM仅与LIFR结合，而mOSM刺激人细胞时对于两种受体均未结合，因此OSM与受体结合进而在体内、外发挥调节作用具有种属选择差异性。

生理情况下，OSM参与调控多种生物学进程和细胞间反应。根据OSM生物信号转导传递网络（该信号传递网络涉及超过1000篇科学文献）提示，OSM信号级联通路中涉及到78种生物小分子，包含35种蛋白/蛋白反应及54种转录后调控反应，调节机体内特异性的322种基因。OSM分别与gp130/OSMR、gp130/LIFR结合通过络氨酸磷酸化途径激活Janus kinase（JAK）家族信号转导因子，活化的JAK因子转而诱导信号转导和转录活化因子（Signal transduction and activator of transcription，STAT）活性后，选择性的激活下游转录调节因子——促分裂原活化蛋白激酶（mitogen activated protein kinase，MAPK）或磷脂酰肌醇三激酶/苏氨酸激酶（phosphoinositide 3-kinase/v-akt murine thymoma viral oncogene homolog 1，PI3K/AKT）信号通路，发挥其生物学功能。近年来，越来越多的研究报道提示炎症因子在修复骨损伤过程中发挥着重要的作用，OSM作为IL-6家族的一种蛋白因子，对成骨分化过程中细胞内、外微环境的调控是不可或缺的。

2 炎症因子对骨细胞代谢的影响

有效的骨损伤修复和骨质疏松症的治疗需要提升骨骼质量，而骨形成和骨吸收在这过程中发挥重要作用，任何可以影响这两个过程的因素都可以影响骨的修复。炎症环境曾被认为是影响骨损伤修复中骨形成和骨吸收进程的重要因素。最新的研究表明炎症因子在骨形成和骨吸收的过程中发挥着重要的作用，免疫系统与骨组织之间存在着复杂的内部关联，并且炎症因子有利于促进骨形成。单核细胞、巨噬细胞及树突状细胞都在促进骨形成的过程中发挥着重要的作用。慢性炎症环境下，活化的T细胞释放可溶性的炎症因子，上调碱性磷酸酶ALP活性，并诱导骨髓基质细胞中RUNX2，SP7，BSP以及OC mRNA的高表达，证明T细胞来源的炎症因子可通过调节破骨细胞和成骨细胞之间的相互作用促进成骨分化促进骨细胞成熟，加快骨形成的进程。Later Bedi B 等认为活化的T细胞可通过Wnt介导的信号通路调节促进成骨分化。由此可见，炎症因子对成骨分化有着极大的推动作用。在炎症环境下，多种炎症介质可刺激免疫细胞分泌、释放OSM。gp130家族细胞因子已经被证实可以通过调节成骨细胞和破骨细胞的活动而影响骨的新陈代谢。OSM作为gp130类细胞因子的一种，对骨细胞的新陈代谢也有着重要的调控作用。

3 OSM对成骨分化的影响

3.1 OSM对细胞增殖的影响

我们知道诱导干细胞定向分化的首要条件即促进细胞增殖。OSM在肿瘤细胞的发生、发展中主要起着抑制肿瘤细胞增殖的作用，但在正常生理环境和炎症环境中，OSM可以通过与白细胞介素抑制因子受体（LIFR）结合激活下游STST3或MAPK通路促进多种细胞的增殖、分化。通过体外培养骨肉瘤细胞和人来源骨髓间充质干细胞发现，OSM可通过PKC， ERK1/2及STAT3通路调控成骨基因的表达，并促进骨细胞增殖，抑制骨肉瘤细胞的增殖。Amelia K.Scaffidi等发现OSM在体外培养环境下可通过激活MAPK信号通路增强细胞的有丝分裂活性。Floria beigel等发现在小肠上皮细胞中OSM可以激活STAT3通路促进细胞增殖以修复小肠上皮损伤。Li Q等研究发现体外培养条件下OSM通过激活STAT3调控下游ERK1/2转录因子促进人卵巢肿瘤细胞增殖；Hyun Sun Ko等也证实OSM通过STAT3信号通路在早孕期促进绒毛外滋养细胞迁徙和增殖。Nogueira Silva C等提出OSM等gp130家族细胞因子对于促进胎鼠肺组织生长、成熟有着重要作用。Sims Na等发现OSM在生理病理环境下作为一类多功能的转录调节因子通过调控成骨细胞和破骨细胞的功能促进骨细胞增殖。

3.2 OSM对成骨分化的影响

当前已有大量的研究证明OSM在体内、外可以促进骨质生长并诱导成骨细胞各阶段成骨定向分化。早在2002年，小鼠体内实验就表明膝关节腔注射Ad-mOSM可诱导骨膜下的骨沉积，同时发现OSM具有独特的抑制骨硬化蛋白形成的作用以及干扰破骨细胞介导的骨吸收过程。Song HY等指出OSM作用于BMSCs时，促进ALP和OC高表达，矿化结节于2w时开始出现；当培养时间超过3w后一些成骨相关基因表达下降，这与成骨分化的生理变化趋势相符合。Sims NA等[33]在2010年系统论证了gp130家族转录因子在骨修复中的重要地位，并展望OSM在临床中的实际应用。Walker等发现在敲除OSM受体基因的小鼠中出现骨质疏松的现象。Fumi Sato等提出OSM在骨髓造血微环境中可调节间质细胞成骨定向分化。Celeste Bolin等在2012年报道向Balb/c小鼠胫骨注射OSM可发现明显的骨沉积和骨矿化形成。2015年Pierre Guihard等在小鼠胫骨损伤模型中通过OSM注射成功实现了骨膜下诱导膜内成骨修复骨损伤。OSM对各种来源的干细胞也有诱导成骨分化的作用。Tania J. Fernandes等[38]指出臍带血来源巨噬细胞可以通过激活gp130信号转导通路调控间充质干细胞成骨分化。OSM体外作用于人脂肪源性间充质干细胞可以通过激活ALP活性促进成骨分化及矿化而其抑制成脂分化]。Kakutani Y等发现OSM可以通过STAT3信号通路调控人血管平滑肌细胞向成骨细胞分化，Smyth DC等也证实OSM在体外可以诱导小鼠脂肪来源的间充质干细胞成骨定向分化。Pierre G等证实OSM可以在体外诱导人骨髓间充质干细胞成骨定向分化。此外，OSM因其广泛表达于机体的各组织器官，在维持机体内环境稳态中发挥着重要的作用，依托其庞大的转录调节网络，在不同的阶段通过不同的途径影响骨细胞的发生和发展。

4 小结与展望

抑瘤素M因其对肿瘤细胞的调控作用而广受关注，对机体内多系统的生理病理进程都有广泛的影响。大量研究证实OSM促细胞增殖作用，及其在体内外促进骨细胞生长并诱导不同来源的干细胞成骨定向分化作用。OSM可作为一种理想的成骨诱导因子构建新型的体外成骨分化细胞模型。同时可进一步探讨应用重组人OSM制剂治疗临床骨不连以及OSM诱导人类骨髓源性间充质干细胞成骨分化试制生物工程骨用于临床治疗大段骨缺损。

参考文献：

[1] Zarling JM， Shoyab M， Marquardt H，et al.Oncostatin M： a growth regulator produced by differentiated histiocytic lymphoma cells.Proc Natl Acad Sci USA. 1986 Dec；83（24）：9739-43.

[2] Jay PR， Centrella M， Lorenzo J， Bruce AG， Horowitz MC. Oncostatin-M： a new bone active cytokine that activates osteoblasts and inhibits bone resorption. Endocrinology . 1996 Apr，137（4）：1151-8.