骨髓间充质干细胞软骨成骨机制的影响因子的研究进展

王晶 ¹ ，买买提吐逊·吐尔地^△2   

（1，新疆医科大学，新疆乌鲁木齐，830000。2，新疆医科大学第一附属医院颌面部创伤正颌外科，新疆乌鲁木齐830000。）

基金项目：新疆维吾尔自治区自然科学基金：2016D01C249

关键词：骨髓间充质干细胞，因子，损伤

颞下颌关节由下颌骨髁突、颞骨关节面、居于二者之间的关节盘、关节周围的关节囊和关节韧带组成。下颌骨髁状突略呈椭圆形，由一横嵴把髁状突顶分为前后两个斜面，前斜面覆盖着较厚的纤维软骨，是关节的功能区，很多关节病最早破坏此区。 关节软骨是构成滑膜关节的重要组成部分，具有低摩擦、富弹性和高渗透性的特性，其主要功能特征为缓冲承受人体压力，为软骨组织提供抗压和减少关节运动时的摩擦阻力，对维持关节运动具有重要意义^[1]。正常软骨组织在急危重性的创伤（包括重度的冲击负荷）作用下即可导致关节软骨基质发生变化，即蛋白多糖含量减少和胶原纤维网络（其中Ⅱ型胶原占80%-90%）发生破坏，软骨细胞表型去分化。因此，软骨损伤修复的关键在于受损区域软骨表型恢复，增加软骨增殖及基质合成。主要由于关节软骨具有无直接的血液供应、无神经支配及淋巴组织的解剖结构特征，关节腔又是一个缺血、缺氧的环境，只能依靠关节液营养，所以一旦损伤，关节软骨很难自身修复，甚至发生严重的功能障碍，导致骨关节炎的发生，严重影响关节功能，甚至生活质量^[2]。目前国内外较为成熟的软骨修复技术主要有关节镜下关节腔冲洗、骨膜移植、软骨清理成形、自体或异体骨软骨移植、钻孔微骨折、软骨细胞移植、关节成形及关节融合等。这些治疗方案虽然各有不同，但在一定程度上拓展了关节软骨损伤的治疗途径^[3]。无论是自体移植还是异体移植都存在着许多问题^[4]。虽然自体骨移植是骨缺损治疗的金标准，但其供给量有限，而且供区存在发生感染等并发症的风险。而同种异体骨和异种骨治疗有传播传染性疾病和排斥反应的潜在危险。随着组织工程技术的迅速发展，组织工程学成为一门将生命科学和工程学原理相结合的新兴学科，软骨组织工程的基本原理是将种子细胞分离，经过体外培养扩增诱导后，将种子细胞接种到合适的载体上，移植到体内修复软骨缺损，随着载体的吸收，细胞增殖而形成新的有生命力的软骨组织，从而达到修复重建的目的^[5]。软骨成骨的相关因素：种子细胞，支架材料，生物活性因子和相关的微环境^[6]。关节软骨自身修复能力差，其损伤后的有效治疗成为临床难题。体内软骨生长的微环境中含有多种生物活性因子，各因子间相互影响构成纵横交错的关系网。本文主要针对下颌骨髁状突囊内骨折的不同类型骨折中软骨细胞增值和成骨过程以及骨髓间充质干细胞在各因子的影响下软骨成骨机制的的研究进展作一综述。

1.下颌骨髁状突囊内骨折的类型

囊内骨折占髁突骨折的65.6%^[7]，髁状突骨折的分类，被广泛应用于临床，Ⅰ型：髁状突颈部骨折，骨折断端间无显著错位；Ⅱ型：低位髁突骨折有移位； Ⅲ型：高位髁突骨折有移位；Ⅳ型：低位髁突骨折有脱位；Ⅴ型：高位髁突骨折有脱位；Ⅵ型：髁突囊内骨折，然而这种分类也有其不足，如囊内骨折分类不全以及没有给出髁突高位与低位骨折区分的标志^[8]，在Splessl，Schroll髁状突骨折分类的基础上提出了依据骨折线在髁状突头部的走行进行髁状突囊内骨折的三分类，ⅥA：A型骨折，断端近中移位，下颌骨升支高度不变；ⅥB：B型骨折，断端侧向移位，下颌骨升支高度降低；ⅥC：C型骨折，断端完全脱位，下颌骨升支高度降低。Rass，Neff等认为ⅥA 型骨折即髁状突A型骨折因下颌骨升支高度不变，无需行手术切开复位。在开放性复位患者中，Hlawitschka 等人^[9]，发现骨折线在下颌骨髁状突的位置决定了长期的影像学和功能方面的随访结果。 B型和M型骨折类型的预后不如A型骨折类型。髁状突高位囊内骨折69.52%及粉碎性骨折多采用手术摘除骨折块，基于Sanders的观点：囊内髁头粉碎性骨折可能发生因软骨细胞活性差，破骨细胞活跃，局部血运不佳等致无菌性骨炎或骨坏死。故刘昌奎等人^[10]认为需采取早期手术治疗，不然易发生关节强直^[11]杨驰^[7]，等通过长期临床实践发现了Neff囊内骨折分型的不足，进行了改良，提出了一种新的骨折类型，即髁状突骨折线经过髁突头的中1/3。

2.骨髓间充质干细胞在各因子的影响下软骨成骨机制

2.1干细胞（stem cells）是一类具有自我复制能力、未充分分化、尚不成熟的可诱导分化成各种组织和器官的潜能细胞。根据干细胞所处的发育阶段将其分为两类：胚胎干细胞（embryonic stem cells，ESC）和成体干细胞（somatic stem cells  SSC)^[12]。胚胎干细胞系胚胎来源的未分化（原始）细胞，因具有分化为所有类型细胞的潜能，故称为全能干细胞，由于涉及伦理问题，其推广应用受到明显限制。间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSC）是成体干细胞的一种，来源于发育早期的中胚层和外胚层，属于多能干细胞、最初由 Friedenstein 等^[13]发现，在胚胎形成过程中，中胚层细胞最终分化为骨、软骨、滑膜、肌腱、肌肉、脂肪和髓基质等多种组织。近年来，深入研究发现 MSC 在体外仍然具有多向分化能力及强大的增殖能力，具有取材范围广、免疫原性低、自体移植易、涉及伦理少等优点，给软骨缺损修复等临床难题带来一定的希望。根据来源的不同，MSC可以分为骨髓间充质干细胞(BMSC)，脂肪干细胞（ADSC)^[14] 滑膜间充质干细胞及脐带血间充质干细胞^[15]等。骨髓间充质干细胞在体内定向成软骨的能力早已被证明，可通过取自自体且体外扩增的骨髓间充质干细胞植入体内修复重建软骨组织损伤^[16]。

2.2骨髓间充质干细胞向软骨细胞分化是个非常复杂的过程，许多学者在实验中证实多种细胞因子具有诱导骨髓间充质干细胞向软骨细胞分化的能力^[17]。骨诱导生长因子^[18-19]，促进骨形成^[20-21]和骨愈合^[22-23]。大体说来，骨髓间充质干细胞向软骨细胞分化的主要影响因子有骨形成发生蛋白、地塞米松、转化生长因子、维生素C、中药^[24]、胰岛素样生长因子及成纤维细胞生长因子等。这些因子能增强骨髓间充质干细胞在体外向软骨表型的表达，还对基于骨髓间充质干细胞来源的软骨修复有着积极的促进作用。

2.2.1骨形态发生蛋白

骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP) 是一种存在于骨基质中的糖蛋白多肽，在生物体内的一项重要生物学作用是诱导未分化的间质细胞分化成为软骨和骨，它是唯一能够单独诱导骨组织形成的局部生长因子^[25]。BMP各成员的诱导成骨能力不同，其中以BMP-2的成骨能力最强，目前被广泛研究^[26-28]。 BMP-2有促进成骨细胞分化和诱导体外成骨的能力，同时具有使成骨细胞的前体细胞定向分化为成骨细胞的能力^[29-31]。BMP-2诱导成骨的机制是促进骨髓间充质干细胞分化为成骨样细胞，并促进成骨细胞增殖，从而诱导成骨。BMP-2是促进骨形成以及诱导成骨分化的最重要细胞外信号分子之一，其通过激活SMADs信号通路的传导和调节成骨相关基因的转录而发挥成骨作用^[32]。BMP-2还能诱导滑膜源祖细胞成软骨细胞分化，上调Ⅱ型胶原、Ⅹ型胶原及蛋白聚糖水平，调控非肥厚性软骨形成^[33]。因此，在骨形成的过程中补充足量的BMP-2，在局部造成高浓度对骨的形成是十分有利的。在骨缺损修复过程中，BMP-2可由成骨细胞分泌，或由机体其他区域分泌到达创区，但量很少不能满足修复需要。另外，BMP-2 体内半衰期较短，直接植入体内易被稀释和水解^[34]。因此将外源性 BMP-2 合并支架材料如珍珠层、壳聚糖等^[35]，植入骨缺损区域是目前多采用的提高骨缺损的修复效果的手段。

2.2.2 其他生长因子的共同作用

转化生长因子(TGF)-β 参与调控软骨细胞中胶原和蛋白聚糖mRNA的转录，提高Ⅱ型胶原和蛋白聚糖含量，从而促进软骨样组织形成^[36]。江潮^[37]等运用针刺法建立SD大鼠关节盘退变模型，体外培养BMSC,实验组A组使用碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）+转化生长因子-β1（TGF-β1）+BMSCs+温敏性壳聚糖（TCH）凝胶移植入退变的关节盘中，B组和C组分别使用BMSCs+TCH凝胶和bFGF+TGF-β1+TCH凝胶，对照组D组使用PBS缓冲液。培养4周后，bFGF+TGF-β1+BMSCs+TCH凝胶复合体对退变的关节盘具有明显修复作用。BMSCs+TCH凝胶治疗退变关节盘效果优于bFGF+TGF-β1+TCH凝胶但低于bFGF+TGF-β1+BMSCs+TCH凝胶复合体。研究表明该联合应用较单一因子的效果更好，可构建无支架的新生软骨。Murphy等^[38]研究发现转化生长因子β1、骨形态发生蛋白2β和GDF-5联合应用可诱导软骨形成，刺激人关节软骨细胞和骨髓间充质干细胞增殖。研究发现关节腔内注射转化生长因子β1可促进软骨基质的分泌及软骨细胞再生，有望用于研发成为延缓骨性关节炎发病进程的新型药物。富血小板血浆富含多种生长因子，当由激动剂如凝血酶激活，富血小板血浆释放包括血小板衍生的生长因子、表皮生长因子、碱性成纤维生长因子、纤连蛋白和胰岛素样生长因子1等，已经被成功用于骨性关节炎，以促进软骨修复^[39-40]。胰岛素样生长因子(IGF-1)可促进成软骨种子细胞增殖， 还可刺激软骨细胞Ⅱ型胶原的合成并维持软骨细胞生长。研究显示^[41],将转染TGF-β1基因的人软骨细胞与正常软骨细胞共培养，转基因细胞持续合成的TGF-β1以旁分泌方式作用于正常软骨细胞，诱导Ⅱ型胶原和糖胺聚糖合成。过表达的胰岛素样生长因子（IGF-1)能显著促进软骨修复，降低骨关节炎损伤区周围软骨退化^[42]。白细胞介素（IL-1）对关节软骨细胞的作用主要表现在抑制Ⅱ型胶原蛋白聚糖表达及软骨细胞增殖促进基质水解酶合成及增加其活性。抗炎因子IL-1受体拮抗剂（IL-1RA)能与IL-1受体结合，阻断IL-1的上述作用。损伤关节的关节腔内保持一定浓度的IL-1RA能显著降低软骨退变和滑膜炎病变程度，抑制骨关节炎的发展^[43]。Ca2+是普遍存在于细胞内的重要信号物质，对细胞的增殖具有重要的调控作用。有研究显示：胞外钙离子（[Ca2+]o）剂量依赖性促进BMSCs增殖，且[Ca2+]o显著促进BMSCs增殖过程中CaSR的mRNA和蛋白表达；[Ca2+]o能够升高pBMSCs增殖过程中[Ca2+]i浓度，促进pBMSCs增殖过程中S期的细胞分布比例和细胞增殖指数（PI）。

展望

下颌骨是颌面部体积最大，位置较突出的骨骼，因而容易受到损伤，其损伤的发生率居颌面部骨折的首位，由于生物力学原因，髁突又是下颌骨骨折的好发部位之一，其占下颌骨骨折的比例各家报道有一定差异，约7%-35%。髁突骨折对牙合、颌存在重大影响，髁突囊内骨折有时虽然不直接影响咬合关系但是作为下颌骨发育中心之一的髁突损伤后对发育期儿童面部生长发育有直接影响，从而导致颜面部不对称畸形、并有发生颞下颌关节强直的潜在危险。另外，诸多实验表明，细胞因子对体外培养的骨髓间充质干细胞有着强大的诱导分化能力，其中尤以转化生长因子效能最强^[43]。但是一些因子的作用机制及细胞在分子水平的诱导机制还不明确，需要进一步的研究与验证。如何有效的组配各种诱导因子，促使骨髓间充质干细胞在体外大量扩增尚需进一步摸索^[44]。BMP-2促进细胞趋化，增殖和向成骨途径分化以及细胞外基质产生，蛋白质分泌和矿化。在bmp家族的20个蛋白质中，bmp-2似乎是最相关的^[45]此外，bmp-2对骨折愈合的有益作用已经确立^[46]，释放bmp-2的医疗设备已经通过食品和药物管理局的设计和批准^[47-48]。特别是脊柱融合和开放性胫骨骨折。所以，我们在以上基础上建立动物模型以研究在髁状突囊内骨折的情况下，BMP-2对BMPS软骨成骨的机制。

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