候选基因修饰骨种子干细胞成骨的研究进展

候选基因修饰骨种子干细胞成骨的研究进展

方彦艳马建

方彦艳马建（同济大学口腔医学院附属口腔医院口腔基础医学200072）

【中图分类号】R68【文献标识码】A【文章编号】1672-5085(2010)4-0021-03

【摘要】应用组织工程与基因工程联合，将促进成骨的细胞因子转染入种子干细胞，不仅克服了局部注射细胞因子价格昂贵，成骨效率低，也弥补了成骨细胞中细胞因子合成和释放的不可控制等缺点，还进一步提高了成骨效率。本文就目前部分细胞因子的特性作一综述。

【关键词】牙槽骨缺损种子细胞转染细胞因子

在口腔医学范畴中，牙槽骨是牙齿周围的主要的悬挂组织，支持牙齿承担咬合力，满足人一生咀嚼的需要牙槽骨自身的代谢和改建是全身骨骼系统中最活跃的部分。由于牙槽骨相对突出各种外伤容易造成牙槽骨缺损，常见的炎症性口腔疾患如慢性根尖炎、牙周病和牙用种植体炎均导致多种牙槽骨萎缩，肿瘤导致牙槽吸收或行预防性骨切除，这些均导致不同程度的牙槽骨缺损。直到上个世纪80年代，临床疗效最佳的是自体骨移植治疗，能完全融入移植区，但需要增加第二手术区，如取髂骨等势必会给患者带来额外的痛苦[1]。如应用同种异体骨移植，存在术后排异反应，增加了移植骨的感染机会，在应力集中区异体骨会导致发生病理性骨折，即使在术后一至两年内也存在诸多的并发症如骨巨细胞瘤，软骨肉瘤等[2]。如何完好地修复缺失的牙槽骨一直是口腔临床治疗难题和理想。

近十余年来，基因工程和组织工程有了飞速地发展，为临床医学上治疗骨缺损带来了希望。即应用细胞生物学、生物材料和工程学的原理，修复病损的人体组织或器官被称为“再生医学”。它涉及与对应组织相似的支架材料，种子细胞及稳定地生长环境中诸多生长因子水平等相互关联的三大研究领域。

如果仅仅应用组织工程即种子细胞与支架复合进行成骨，其成骨疗效获得了一定的实验和临床肯定，但存在缺乏其种子细胞所需的各种诱导细胞因子，延缓了相应的定向分化及疗效；或将已知所需诱导的细胞因子复合于支架，主要缺点是外源性因子的半衰期短，价格昂贵[3]，抑制了其广泛地推广和应用，尤其是发展中国家。如将所需的主要细胞因子基因转染种子细胞后，在植入骨缺损来修复，种子细胞不但可增殖分化、合成细胞外基质；又可以利用移植的种子细胞长期高效分泌细胞因子，是部分种子细胞向成骨细胞定向转化，促进骨损伤修复。该设想是通过基因修饰，克服了种子细胞缺乏其分化所需生长因子缺点，更好地调控移植细胞的生物学活性，有利于骨缺损修复，是最有效的临床治疗途径之一，现将作为基因修饰骨种子细胞的候选成骨的生长因子综述。

1骨形态发生蛋白(BMP)基因修饰

骨形态发生蛋白属于TGF-β家族，除BMP-1外已发现BMP家族至少有16个成员。骨折愈合过程中局部BMP的表达水平明显增高，主要集中于骨折的骨痂形成区[5]。均可以刺激并促进维持骨的形成，已证明BMP-2，BMP-4，BMP-7有较强的成骨能力[10]。其原理是通过BMP信号转导的受体I型，II型丝氨酸/苏氨酸激酶诱导，其中I型受体主要激活细胞内受体蛋白，哺乳动物体内，8种Smad(smallmotheragainstdecapentaplegic)蛋白对此信号通路也起重要调节作用，在BMP通路中，Smad1，5，8被I型受体激活[4]。

近来BMP被发现能诱导机体内的间充质细胞以不可逆的方式分化为软骨和骨细胞，如将BMP联合间充质细胞植入软组织内，可异位诱导新骨的形成。将BMP-2基因导入骨髓基质干细胞(BMSCs)，与合适的载体支架复合植入骨缺损部位，可持续而有效地表达细胞因子，并以自分泌和旁分泌的方式诱导BMSCs向成骨细胞分化，加速促进骨愈合[6]。

另外，研究发现在骨形成和愈合过程中，VEGF和BMP-2的表达过程是一对偶联过程，二者相互促进，起偶联放大效应。BMP-2可以使成骨样细胞高效表达而刺激骨块的血管生成，并VEGF的产生与微环境中BMP-2的浓度呈正相关。这种影响是BMP特异的，其他TGF-β转化生长因子则无此作用[7]。

在成骨细胞分化过程中，BMP-2信号转导Osterix中发现，过量的Osterix可以促进碱性磷酸酶活性及骨钙素增加，Osterix在骨形成和成骨细胞骨分化过程中起着至关重要重要的作用，所以BMP-2对成骨细胞分化也是必不可少的[8]。

如将BMP-2与TGF-β联合应用，发现成骨效果不如单用BMP-2的作用效果明显，所以，在一定条件下BMP-2是促进间充质干细胞的首选[9]。

2血管内皮生长因子(VEGF)基因修饰

血管内皮细胞生长因子(Vascularendothelialgrowthfactor)是1989年Ferrara等经牛垂体星状细胞体外培养而分离出的一种糖蛋白，其在体内外均表现促进血管内皮细胞的生长和诱导血管生成的特异作用，随后VEGF家族扩大为血管内皮生长因子A，B，C，D，和E。血管内皮细胞生长因子受体主要有血管内皮细胞生长因子受体I(Flt-1)，血管内皮细胞生长因子受体II(KDR/FIK1)，血管内皮细胞生长因子受体III(Fit-4)，具有促血管生成，促进细胞分化，扩增等作用[11]。

在研究应用rhVEGF对骨缺损进行修复过程中，骨形成晚于血管生成，骨量随着新生血管的增多逐渐递增，Kleinheinz等推测VEGF不仅能促血管形成，还有促进成骨细胞的分化的功能[12]。血管内皮生长因子165是血管内皮生长因子家族中促进血管再生能力最强的亚型[13]。利用腺病毒转染血管内皮生长因子165基因促进骨髓间充质干细胞促进成骨的特点可能存在的原理：第一，血管内皮生长因子直接作用于骨髓干细胞，调节其分化增殖。第二，它能诱导部分骨髓干细胞形成内皮样细胞，形成的内皮样细胞通过分泌内皮生长因子和骨形态发生蛋白来调节骨髓干细胞的分化增殖[14]。

3碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)基因修饰

碱性成纤维细胞生长因子(basicFibroblastgrowthfactor)多来源于垂体腺泡的分泌，bFGF是一个有效的有丝分裂原，可以诱导新生血管化，促进骨形成，并诱导神经再生[15]。成骨早期阶段，bFGF刺激纤维fibronectin的表达，通过phospholipaseCgamma参与成骨，bFGF作为成骨的重要因素，还通过一系列的信号传导通路，促进Fn的表达，共同促进成骨[16]。在成骨过程，bFGF通过促进mRNA成骨信号的表达，来促进成骨[17]，在体外动物实验中充分证实了应用基因工程与组织工程结合的方法，即将bFGF基因转染入间充质干细胞中，该实验证明bFGF具有局部促进成骨作用。

4血小板演化生长因子(PDGF)基因修饰

血小板演化生长因子属于多功能生长因子家族，由A、B、C、D多肽链组成不同的同种异构体，受酪氨酸激酶受体(PDGF-RαandPDGF-Rβ)调控，是骨重建，骨折愈合，及骨移植过程中有促进因素之一[18]，根据Hollinger等的研究PDGF是作为成骨及促进血管形成的化学诱导物，且针对PDGF的研究已经进入临床前的实验过程[19]。PDGF-BB是PDGF家族中主要的趋化因子和组织重建的成员[20]，Rosa在其实验中通过阻断PDGF-BB的表达，观察骨外板受损伤的鼠，骨愈合，形成情况，表明抑制PDGF-BB可抑制骨外板伤愈合的初级阶段就开始起作用，所以可以推论PDGF-BB对骨外板伤的修复，愈合起重要作用[21]。

生长因子的种类繁多，例如还有胰岛素样生长因子(IGF),表皮生长因子(EGF)等多种生长因子，它们多样化的作用，为成骨的研究带来希望的同时，还有很多作用我们现在尚且未知，例如，在何种浓度下，细胞因子才能对成骨起促进作用[22]，利用基因工程转染入种子细胞的细胞因子，则它们之间的关系又如何[23]，实验研究发现TGF为成骨促进因子的同时，又会间接抑制某些成骨促进的其他基因，从而抑制成骨细胞分化，及骨钙素表达[24]。所以，这就为应用这些生长因子与种子干细胞复合时，因子能否按我们实验预想的那样，能够很有效的诱导种子干细胞分化为成骨细胞，并且在成骨中发挥积极作用，还需要进一步深入研究。

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基金项目：上海市浦江人才计划资助[07PJ00363]