TGF-β对成骨细胞及破骨细胞作用的研究进展

杨 宾 王彬娉

作者单位：570208海口，中南大学湘雅医学院附属海口医院·海南省口腔医学中心综合治疗科（王彬娉为通讯作者）

各种原因造成的骨缺损已成为全球健康问题[1]。研究和探索骨组织缺损的修复机制是众多研究者关注的热点问题。骨组织缺损的修复过程受多种细胞因子的影响调控[3]，常见的有骨形态蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）、血小板衍生因子（platelet derived growth factor，PDGF）、转化生长因子（transforming growth factorβ，TGF-β）、碱性成纤维细胞生长因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）等[4]。其中，TGF-β是目前已知的作用最为复杂和多样的生长因子。此外，成骨细胞及破骨细胞在骨缺损修复过程中也发挥重要作用。本文就TGF-β的生物性，功能及在成骨细胞，破骨细胞中的作用做一综述。

一、TGF-β的生物性及功能

1.TGF-β的生物性

TGF-β于19世纪70年代末首次提出，是一类通过二硫键联结而成的，具有多种功能的蛋白多肽[5]。TGF-β 家族主要包括 TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3三种亚型[6]，每种亚型的编码基因都位于染色体的不同位置，分别位于19号染色体的长臂（19q13.1）、1号染色体的长臂（1q41）及 14号染色体的长臂（14q24）[7]。TGF-β家族还包括抗穆氏管荷尔蒙（Anti-Müllerian hormone，AMH）、生长差异因子、BMP及激活素 A、B、C 等[8，9]。成熟的 TGF-β分泌与多种分子相关，如蛋白酶，血纤维蛋白溶酶、基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMP）-2、MMP-9等，其他分子如血栓黏合素、视黄酸、成纤维细胞生长因子（FGF）-2以及活性氧等，此外，细胞外基质的pH值变化也可影响TGF-β的活化[10]。

2.TGF-β的功能

TGF-β是一个庞大的家族，在人体内具有分布广泛、作用明显等特点。人体内绝大多数细胞可合成TGF-β，其合成机制大致为：在内源性蛋白酶的作用下，含有400个氨基酸残基的TGF-β祖先基因（per-pro-TGF-β）C端发生裂解，随后N端的信号肽被裂解消失，与潜活相关肽（latent associate peptide，LAP）结合，形成的二聚体多肽链，这种多肽链不具备生物学活性，即非活性状态的TGF-β（pro-TGF-β）。然后pro-TGF-β借助N端LAP与其他的pro-TGF-β蛋白结合，形成休眠复合体（LatentTGF-β binding protein，LTBP），储存于血小板α颗粒中或分泌至胞外。pro-TGF-β N端的LAP在细胞内离子浓度改变、pH降低或经蛋白酶水解作用下被切除后，其C端部分形成具有活性的TGF-β，继而发挥其生物学功能[11]。

TGF-β的生物学活性主要包括：调控细胞增殖[12]，促进成纤维细胞[13～15]和巨噬细胞聚集，促进损伤的组织修复[16]，诱导骨组织再生[17]，诱导细胞外基质的合成[19～20]，胚胎发育[21]，免疫抑制，抗炎，抑癌以及趋化作用等。

二、成骨细胞

1.成骨细胞概述

成骨细胞来源于具有分化为成熟成骨细胞潜能的间充质干细胞，其能够合成、分泌组成骨基质的糖蛋白和胶原，并通过钙化基质形成骨组织，是骨发生和骨形成的重要细胞。同时，在骨代谢疾病、生理机制调节和维持机体内环境稳定等方面，成骨细胞也发挥重要作用[22]。成骨细胞在骨形成过程中经历细胞增殖，细胞外基质成熟、细胞外基质矿化和成骨细胞凋亡四个阶段，这几个阶段受到很多因素调节，从而最终调控骨的生成[23]。

2.成骨细胞在骨缺损修复中的作用

成骨细胞在骨缺损修复的过程中主要有两个作用[24]：①骨形成：成骨细胞的主要功能是骨形成，可分为膜内成骨和软骨内成骨两个机制。膜内成骨指由成骨细胞在结缔组织预先留有的纤维层上沉积，并逐渐形成由Ⅰ型胶原蛋白组成的有机基质，接着由磷酸钙填充入基质形成松质骨。而软骨内成骨指先由透明软骨形成未来骨的雏形，接着软骨被血管侵入、分解，与此同时，成骨细胞在此沉积胶原基质并释放包含磷酸钙的小囊泡调节基质的矿化[25]，进一步形成骨。该机制是最常见的一种骨发生形式，能形成绝大部分骨。②调控破骨细胞生成：核因子-KB配体的受体激活剂（receptor activator ofnuclear factor-kappa B ligand，RANKL）是影响破骨细胞分化的主要细胞因子，骨保护素（osteoprotegerin，OPG）作为诱饵受体能控制RANKL激活破骨细胞的数量[26]。成骨细胞能产生巨噬细胞集落刺激因子（macrophagecolonystimulatingfactor， M-CSF），RANKL和OPG等因子，进而调控破骨细胞的形成。

三、破骨细胞

1.破骨细胞概述

破骨细胞是骨组织成分的一种，由造血干细胞在M-CSF、白细胞介素（interleukin，IL）等作用下逐渐发育、分化和融合形成的多核巨细胞[27]，与成骨细胞在功能上相对应，二者协同，在骨缺损的修复过程中发挥重要作用。细胞直径为20～100um，含有2～20个细胞核，胞浆富含线粒体、核糖体及高尔基体等细胞器，有伪足和突起等不规则形态[28，29]。破骨细胞主要分布在骨质的表面和骨内血管通道的周围。其功能状态可分为运动期和重吸收期，细胞在不同的分期可呈现不同的形态。运动期的细胞呈扁平的无极化细胞形态，重吸收期的细胞则呈圆顶状并且伸出板状伪足形态[22]。

2.破骨细胞在骨缺损修复中的作用

骨缺损的修复过程既有再生修复，又有清除破坏，本质就是缺损处发生骨吸收、骨形成与骨重建。骨吸收主要是由破骨细胞来完成的，吸收的过程主要经过下列步骤：破骨细胞附着于缺损处骨表面，接着细胞发生极性化，分泌物质启动破骨作用，启动后的破骨细胞脱离骨表面，转移到新的骨表面进行新的骨吸收，或破骨细胞死亡。当破骨细胞脱离骨表明后，由成骨细胞进入骨面开始成骨作用。除了骨吸收，破骨细胞也有调节成骨细胞生成的作用。破骨细胞在骨重吸收时，能够释放调节成骨细胞骨形成的骨基质衍生因子，包括TGF-β，胰岛素样生长因子（insulin like growth factor system，IGFs）Ⅰ和Ⅱ，以及BMPs等，在骨基质沉积和作用于成骨细胞时，成骨细胞释放这些因子来促进骨形成[30]。同时，破骨细胞能分泌鞘氨醇磷酸酯（sphingosine-1-phosphate，S1P），它与成骨细胞上的受体结合，促进成骨细胞的迁移和活性。

四、TGF-β对成骨细胞的作用

成骨细胞的增殖、分化及凋亡影响骨缺损的修复过程，是体内骨组织生成及形成的主要功能细胞，该细胞受到多种细胞因子的调控，TGF-β是成骨细胞关系较为密切的生长因子之一。一方面，TGF-β不仅能通过对细胞分裂增殖的影响来调节成骨细胞的增殖和分化[31]，还可激活如细胞外信号相关激酶、J-N氨基末端激酶和丝裂原活化蛋白激酶-p38等诱导间充质干细胞向成骨细胞分化和促进成骨细胞增殖、分化的细胞内效应物[32]。同时，还能对成骨细胞的诱导下合成包括各型胶原成分、骨连蛋白及骨桥蛋白纤连蛋白等细胞外基质，并促进基质矿化[33]。另一方面，成骨细胞的细胞膜上有TGF-β的各个亚型的特异性受体，TGF-β1可与成骨细胞的Ⅰ、Ⅱ型受体相结合[34]使I型受体转化形成磷酸化的功能复合物，TGF-β3能与成骨细胞膜上的TGF-β3特异性受体结合并形成磷酸化功能复合物，均能促使R-Smad（Smad2/3）蛋白磷酸化后进入细胞核内，并调节转录因子Runx-2等的合成来影响细胞转录水平来进行相应的调控[35]。TGF-β2能结合于BMMSCs膜上的TpR I、TpR 11并形成复合物[34]，激活后的TpR I能通过Smad蛋白加快成骨细胞的形成。

Kassem等[36]将TGF-β1与人成骨细胞共培养，观察该因子对人成骨细胞的影响。结果表明：TGF-β1既可促进成骨细胞增殖，又可诱导成骨细胞分化、成熟。国内学者石义刚等研究同样表明TGF-β可促进大鼠成骨细胞的增殖分化，同时还认为，TGF-β可能通过影响骨保护素（osteoporotegerin，OPG）而调节成、破骨细胞的增殖分化，使骨重建[37]。张冉等[38]研究表明TGF-β可促进 MC3T3-E1细胞中标志性蛋白 OPG、BMP-2、Runx2、BGPmRNA的表达。以上研究均表明TGF-β能促进成骨细胞的增殖分化。

然而TGF-β的剂量对成骨细胞的增殖和分化具有双重调节作用。在其他条件相同的情况下，浓度较低的TGF-β能够促进成骨细胞的增殖，而浓度较高的TGF-β使细胞的增殖受到抑制[37]。同样，TGF-β对成骨细胞的分化在不同条件下所起得到的结果也是不同的，当TGF-β浓度较高的时候，能够促进成骨细胞的分化[39]，但是在较低浓度的时成骨细胞的分化则受到了抑制[40]。由于使用剂量的不同，所使用及产生的部位不同还有骨组织内环境的不同，会导致TGF-β的调节作用不同。如何控制TGF-β的剂量使其发挥最大作用，是一个值得探讨的问题。

五、TGF-β对破骨细胞的作用

破骨细胞在形成、增殖、分化过程中受多种细胞因子的影响[41]。研究表明，细胞因子RANKL和OPG在调控破骨细胞的激活及分化中起到重要作用，破骨细胞的功能受到RANKL和OPG含量比值的调控。RANKL属于肿瘤坏死因子超家族，能与破骨细胞及破骨细胞的前体细胞表达的膜受体-RANK受体特异性结合，从而诱导前体细胞分化为破骨细胞，促使骨吸收的形成[42]。OPG可作为RANKL的诱导受体并与之相结合，导致其与RANK结合受阻，使前体细胞分化为破骨细胞的激活受阻并抑制破骨细胞的功能表达，从而影响破骨细胞的骨吸收功能[43]。TGF-β可抑制破骨细胞的分化及形成过程，从而抑制骨吸收。另外，TGF-β还可通过超氧化物的产生直接抑制成熟破骨细胞的活性。国外学者Quinn等[44]认为处于骨吸收中的破骨细胞能激活TGF-β，刺激成骨细胞下调RANKL的表达，同时增加OPG的表达，使RANKL/RANK复合体减少，导致破骨细胞的分化与活化降低。代光明等研究表明，下调骨细胞TGF-β/Smad4信号对RANKL的表达无明显影响，但能促进OPG表达，从而抑制骨髓间充质干细胞破骨分化[45]。然而，Asai K等研究表明，TGF-β可协同RANKL和M-CSF诱导骨髓间充质干细胞分化成破骨细胞，同时增强与破骨细胞生成、发育和活性[46]。赵玉鸣等[47]研究同样认为TGF-β能协同RANKL促进破骨细胞的分化，同时增强破骨细胞的骨吸收功能。关于TGF-β对破骨细胞的调节作用，目前的研究一直有争议，因此TGF-β对破骨细胞的调节有待进一步研究。

六、总结与展望

TGF-β对成骨细胞及破骨细胞的作用关系十分复杂，在以往的研究中，有时会出现有一定争议甚至相反的结果。由于TGF-β对成骨细胞，破骨细胞具有双向作用：既能促进成骨、破骨细胞的增殖分化，在某些条件下，又会抑制成骨、破骨细胞的增殖分化。目前，TGF-β对成细胞及破骨细胞的作用研究还不够深入，仍有许多问题尚需进一步研究，对阐明TGF-β的作用机制及以后TGF-β的临床运用都意义重大。