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编号:10228044
骨基质蛋白基因在骨折愈合过程中的表达
http://www.100md.com 《中华创伤杂志》 1998年第1期
     作者:史炜镔 柴本甫

    单位:200025 上海第二医科大学附属瑞金医院(史炜镔);上海市伤骨科研究所(柴本甫)

    关键词:

    中华创伤杂志980135 在整个骨折愈合过程中,不断有新的细胞外基质蛋白合成,这些蛋白被认为对骨折愈合具有重要的调控作用。现就目前骨折愈合过程中有关细胞外基质蛋白mRNA表达变化方面的研究作一综述,通过对这种骨(软骨)源系细胞表型表达变化与骨折愈合过程间关系的分析,试图探究骨折愈合的一些调控机制。

    一、胶原

    骨折愈合从骨组织的发生看,又可分为膜内化骨与软骨内化骨,因而Ⅰ型胶原在其间占有同样重要的地位。

    Ⅰ型胶原:在骨折后第3天就有表达,至第5天达最大表达量的10%,第7天达最大表达量的50%,继而逐渐下降,软骨内化骨和骨再塑时,继续增加(第9天),至15天,在软骨内化骨、再建的硬骨痂(hard callus)中达高峰;在软骨骨痂中,第9天可测得其表达,在13天便达高峰,此时,大部分软骨细胞已肥大。
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    Ⅱ型胶原:第7天在软骨骨痂中可测得其表达,至第9天达高峰,此时软骨细胞的增殖处主导地位,随之又逐渐下降[1]

    Ⅰ型和Ⅱ型胶原这种在软骨骨痂中此消彼长的表达变化表明,软骨细胞在经历静止、增殖和肥大的过程中,其基因的表达也发生了变化,这与其他一些作者的原位杂交的结果是一致的。Sandberg等[2]认为,由于前胶原mRNA的“半衰期”比较长(大约5~10小时),而软骨形成如此迅速,在早期软骨细胞中的Ⅰ型胶原mRNA很可能是该细胞先前表达型遗留的产物。当时,虽然在软骨细胞中已检测到Ⅰ型胶原mRNA的存在,但在软骨细胞中没发现有此类胶原的合成。他承认软骨细胞在发生分化过程中,几乎在同时经历了不同的表现型。其实,这两种表现型完全可能在某一特定时期内同时出现于软骨细胞。Hughes等[3]的研究显示,在SD大鼠骨折后第8天,具有软骨细胞形态的细胞中有Ⅰ型胶原和骨钙蛋白基因表达,免疫组化也证实了细胞内骨钙蛋白的存在[4]。说明在成骨细胞与软骨细胞之间,此时存在着共有或重迭的表型表达,也可以说,软骨细胞这种表型表达的改变,先于细胞形态的改变,所以会得出共有表型表达(shared phenotype expression)的结论。因为传统上,以细胞形态识别细胞,其实此时能表达Ⅰ型胶原的肥大软骨细胞可能已走向成骨细胞的一面,即反分化,或走向凋亡,而被新生血管中分化的成骨细胞所取代。这种反分化究竟存在与否、成骨细胞的最终归宿及其调控机制如何,还有待进一步研究。
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    Ⅱ型胶原也同样可由软骨细胞和成骨细胞共同表达,它在成骨细胞的表达,主要表现在与软骨内化骨区相邻的未充分分化的编织骨组织中。这种共同表型表达同时也表现在一些非胶原蛋白上,如骨钙蛋白(bone Gla protein, BGP)、骨连接蛋白(osteonectin ON)和骨桥蛋白(osteopontin, OPN)等。一般认为,它们均由成骨细胞合成分泌,但原位杂交结果显示,它们在软骨细胞中同样也有表达[3,5]

    Bolander等[6]的研究表明,骨连接蛋白与骨桥蛋白的早期表达,可能归功于早期肉芽组织中的成纤维细胞和内皮细胞,虽然在表达量上有所差异。随着骨痂的成熟(第21天),这种共有表型表达便逐渐消失[3]

    Sandell等[7]运用横跨特异外显子[外显子2,编码Ⅱ型胶原α1链N端前肽(propeptide)的一部分]交界的寡核苷酸探针,还发现了Ⅱ型胶原B与Ⅱ型胶原A(由两种不同的Ⅱ型胶原α1链基因的剪接形式所致,其中Ⅱ型胶原B不含有外显子2)在骨组织中的不同表达模式:Ⅱ型胶原B在成熟的软骨细胞中表达,而Ⅱ型胶原A则在前软骨细胞、成纤维细胞样细胞中表达。同时,有研究发现,其在胚胎神经细胞及另一些未分化的间充质细胞中也有表达,这与胚胎组织骨骼发育过程中此类胶原的表达模式相仿。然而,Hughes等[3]的研究表明,在软骨细胞与成骨细胞中同样有Ⅱ型胶原A基因的表达,这进一步证实了前述共有表型表达的存在及两种细胞的同源性,同时也对寻找一种骨或软骨组织绝对特异的表型指标的企图,提出了有力的质疑。
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    二、骨连接蛋白

    ON是最丰富的非胶原性骨基质蛋白,一般认为是由成骨细胞所合成、分泌。但新近的一些研究发现,在成骨细胞、软骨细胞和成牙质细胞间存在ON的共有表达[8]

    在骨折后第3天时,ON便在膜内化骨区有表达,第5天达最大表达量的55%(在软骨骨痂中,为最大表达量的50%),继而逐渐下剑⒃诘9天继续增加,至第11天达高峰(在软骨骨痂中,第9天达高峰)[1]。Hirakawa等[5]的原位杂交研究则显示:术后第1天在大鼠股骨骨折处增殖的骨膜就有此mRNA的表达,第3天出现于编织骨中,第5天出现于未成熟的软骨细胞中,第7天出现于骨内膜新形成的小梁骨中的成骨细胞中,第14天起,它又在骨外膜新形成的小梁骨中的成骨细胞中表达。这一切说明,ON在骨折愈合过程中,除可调节骨与软骨形成、矿化及骨再塑外,对成骨细胞和软骨细胞的分化、增殖及成熟可能也具有重要的调节作用。
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    三、骨钙蛋白

    一般认为,它由骨细胞、成骨细胞合成、分泌,在钙盐沉积、骨吸收或再塑中担任重要角色,是反映成骨细胞活性、骨质形成的重要指标。

    在骨折愈合早期(膜内化骨),BGP只表达最大表达量的2%,但在第9天继续增高,第15天达峰值。在软骨骨痂中,未测得BGP基因的表达[1]。Hirakawa等[5]通过原位杂交研究发现,其表达最早定位于膜内化骨的编织骨郑前述相仿,然后与ON及BGP一起表达于骨内膜新形成的小梁骨中的成骨细胞中(第7天)、第14天的骨外膜新形成的小梁骨中的成骨细胞中。BGP在早期膜内骨化时无显著表达,在矿化与再塑时出现表达高峰,且更主要与骨吸收、再塑有关。原位杂交结果显示,早期成骨细胞表达BGP基因的能力并不低下,它早期表达的不显郑可能与表达此mRNA的细胞的数量较少有关,因为早期增殖中的软骨细胞占主导地位,而成骨细胞与肥大的软骨细胞则较少。先前的研究认为,在胚胎肢体长骨干发育过程中,OPN的表达先于BGP,而从Hirakawa等[5]的研究结果分析,两者几乎同时出现。提示在骨折这样的应激条件下,这些mRNA的表达调控机制在时间上发生了变化,BGP在骨折愈合过程中的较早表达[9,10],对骨折的愈合是有利的。
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    四、骨桥蛋白

    OPN为骨涎蛋白(bone sialoprotein),也能与羟磷灰石结合,在骨细胞与细胞外基质、无机盐之间起桥梁作用。

    Hirakawa等[5]的研究表明,OPN除未能在第一天表达外,基本与BGP同步出现于相似的组织、细胞中。在第14天,OPN还与基质Gla蛋白一起表达于新形成的骨外膜肥大的软骨细胞中。在骨折愈合后期,它的表达明显下降,这种时间上的变化,与先前研究结果[11]相仿,也与它目前公认的功能相符。

    五、基质Gla蛋白(matrix Gla protein, MGP)

    也是一种维生素K依赖蛋白,在胚胎发育过程中,它的表达早于BGP。

    Hirakawa等[5]的研究表明,在骨折愈合过程郑琈GP除与OPN共同表达于新形成的骨外膜肥大的软骨细胞中外,自第5天始,它还表达于未成熟的软骨细胞中。这一结果提示,它的表达与软骨细胞的分化发育有关。然叮煌谂咛发育,它的表达晚于BGP,这可能与BGP在骨折愈合过程中的地位有关。因为骨折愈合最终是骨的形成,而非软骨的形成,GBP的较早出现有利于骨折愈合。
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    六、蛋白聚糖核心蛋白(proteoglycan core protein, PCP)

    PCP是软骨的结构成分,对软骨组织的不可压缩性起重要作用,它还可能在软内化骨过程中调节软骨矿化,在骨折愈合过程中,在软骨骨痂,于骨折后第9天软骨细胞大量增殖时达高峰,它对软骨增殖、成熟与肥大及软骨形成的质量起调节作用[1]。

    七、碱性磷酸酶(alkaline phosphatase, ALP)

    ALP是一个成骨性指标,也在骨矿化中起重要作用。它在骨折后第3天便有表达,第5天达高峰量的45%,继而下降,第9天回升,第15天达峰值(在软骨骨痂中,于第13天,大部分软骨细胞肥大时,达峰值)[1]。综合BGP及Ⅰ型胶原的表达模式分析,BGP在膜内化骨时仅有少量表达,而在软骨内化骨时,随着ALP在Ⅰ型胶原中的分泌,其表达量显著增加。这不仅提示BGP在两种化骨形式中的地位,也显示了ALP对BGP的表达和两种化骨形式具有调节作用。 另外,在研究骨折愈合调控机制时,同时应进行一些细胞因子的检测。通过先进的分子生物学技术,已经确认一些生长因子,如胰岛素样生长因子(IGF)[12,13]、转移生长因子β(TGFβ)[14,15]、骨形态发生蛋白(BMP)[11]、酸性成纤维细胞生长因子(aFGF)[16],以及血小板衍化生长因子(PDGF)[17]等对骨折愈合起重要的调节作用。这些因子与基质蛋白的相关性研究,有助于深刻揭示骨折愈合乃至骨、软骨形态发生的确切机制,为骨折及一些骨病的治疗提供理论依据。
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    参 考 文 献

    1 Jingushi S, Joyce ME, Bolander ME. Genetic expression of extracellular matrix proteins correlates with histologic changes during fracture repair. J Bone Miner Res, 1992, 7∶1045-1055.

    2 Sandberg M, Aro H, Multimaki P, et al. In situ localization of collagen production by chondrocytes and osteoblasts in fracture callus. JBJS(Am), 1989, 71∶69-77.

    3 Hughes SS, Hicks DG, O'Keefe RJ, et al. Shared phenotypic expression of osteoblasts and chondrocytes in fracture callus. J Bone Miner Res, 1995, 10∶523-544.
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    4 Stafford HJ, Roberts MT, Oni OOA, et al. Localization of bone-forming cells during fracture healing by osteocalcin immunocytochemistry: An experimental study of the rabbit tibia. J Orthop Res, 1994, 12∶29-39.

    5 Hirakawa K, Hirota S, Ikeda T, et al. Localization of the mRNA for bone matrix proteins during fracture healing as determined by in situ hybridization. J Bone Miner Res, 1994, 9∶1551-1557.

    6 Bolander ME, Young MF, Fisher LW, et al. Osteonectin cDNA sequence reveals potential binding regions for calcium and hydroxyapatite and shows homologies with both abasement membrane protein (SPARC) and a serine proteinase inhibitor (Ovomucoid). Pro Natl Acad Sci USA. 1988, 85∶2919-2923.
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    7 Sandell LJ, Morris N, Robbins JR, et al. Alternatively spliced type Ⅱ procollagen mRNAs define distinct populations of cells during vertebral development: Differential expression of the amino-propeptide. The Journal of Cell Biology, 1991, 114∶1307-1319.

    8 Sommer B, Bickel M, Hofstetter W, et al. Expression of matrix proteins during the development of mineralized tissues. Bone, 1996, 19∶371-380.

    9 Weinreb M, Shinar D, Rodan GA. Different pattern of alkaline phosphatase, ostteopontin and osteocalcin expression in developing rat bone visualized by in situ hybridization. J Bone Miner Res, 1990, 5∶831-842.
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    10 Ikeda T, Nomura S, Yamagushi A, et al. In situ hybridization of bone matrix proteins in undecalcified adult rat bone section. J Histochem Cytochem, 1992, 40∶1079-1088.

    11 Alberius P, Johnell O. Repair of intramembranous bone fractures and defect in rats. J Craniomaxillofac Surg, 1991, 19∶15.

    12 Linkhart TA, Mohan S, Baylink DJ. Growth factors for bone growth and repair: IGF, TGF-β and BMP. Bone, 1996, 19(1s)∶1s-12s.
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    13 Andrew JG, Hoyland J, Freemont AJ, et al. Insulin-like growth factor gene expression in human fracture callus. Calcif Tissue Int, 1993, 53∶97-102.

    14 Joyce ME, Jingushi S, Bolander ME. Transforming growth factor-β in the regulation of fracture repair. Orthop Clin North Am, 1990, 21∶199.

    15 Andrew JG, Hoyland J, Andrew SM, et al. Demonstration of TGF-β mRNA by in situ hybridization in normal human fracture healing. Calcif Tissue Int, 1993, 52∶74-78.
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    16 Jingushi S, Heydemann A, Kana SK, et al. Acidic fibroblast growth factor (aFGF) injection stimulates cartilage enlargement and inhibits cartilage gene expression in rat fracture healing. J Orthop Res, 1990, 8∶364-371.

    17 Andrew JG, Hoyland JA, Freemont AJ, et al. Platelet-derived growth factor expression in normally healing human fractures. Bone, 1995, 16∶455-460.

    (收稿:1996-12-19 修回:1997-10-08)

    (本文编辑:向勇), http://www.100md.com