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编号:10216242
转化生长因子β的生物学效应及其在骨折愈合过程中的作用
http://www.100md.com 《中华外科杂志》 1998年第8期
     作者:姬洪全 党耕町

    单位:100083 北京医科大学第三医院骨科

    关键词:

    中华外科杂志/980818

    近年来, 随着分子生物学的发展,对转化生长因子β(transforming growth factor β,TGF-β)的研究逐步深入。现就TGF-β的分子生物学、对骨组织相关细胞的生物效应及其在骨折愈合过程中的作用综述如下。

    一、TGF-β的分子生物学

    TGF-β是一种由两条相同肽链组成的多肽,分子量为25kDa。现已发现5种异构体,最早从血小板中提纯了TGF-β1,后来又从猪血小板、牛骨和人胶质细胞瘤中纯化了TGF-β2,这两种多肽的基因均已被克隆。TGF-β1和TGF-β2基因编码的前体分别含有390个和412个氨基酸,在N端二者均有20~23个氨基酸组成的信号肽,经过加工后具有生物活性的TGF-β来自其前体的羧基端,其每条肽链中含有112个氨基酸,其中包括9个保守的半胱氨酸残基。通过筛选cDNA文库确定了其它三种形式的TGF-β,即TGF-β3、TGF-β4、TGF-β5。尽管用RNA印迹杂交法在相关组织中检测到上述三种形式的TGF-β的mRNA的表达,但尚未从自然状态中分离得到这些多肽。推测它们也有一个较大的前体,经加工后保留112个氨基酸,而TGF-β4成熟肽含有114个氨基酸。经加工后的各型TGF-β的氨基酸序列有60%~80%彼此相同,而超基因家族中的其它成员,如哺乳动物的抑制素、激活素、缪勒氏管抑制物、骨形态发生蛋白等,与TGF-β的同源性常低于40%。TGF-β的成熟肽链在种属间的差异很小,基因克隆和测序表明小鼠、牛、猪、猴、鸡的TGF-β与人的TGF-β具有高度的同源性,加工后的成熟肽链基本是相同的,仅小鼠的TGF-β1在75位以丝氨酸代替丙氨酸[1]。研究已表明分泌到细胞外的TGF-β是以潜活状态存在的,不能与细胞膜受体结合,在体外可被酸、碱试剂激活。通过对血小板中潜活形态TGF-β1复合体的研究,发现该复合体中有三种组分:调节蛋白、潜活蛋白和成熟TGF-β1双聚体。调节蛋白属于表皮生长因子样蛋白家族,可能对TGF-β前体的剪切发挥作用,潜活蛋白是TGF-β前体的剩余部分,也是由二巯键联接的双聚体。在CHO细胞中表达的重组TGF-β也是潜活形式的,但这种复合体中不含有调节蛋白,表明它并不是保持TGF-β潜活形式所必需的。潜活状态的TGF-β的激活机理尚不清楚,有研究表明唾液酸酶、蛋白酶能激活潜活状态的TGF-β,在体外酸化激活重组的潜活状态的TGF-β复合体时,其活性是可逆的,说明激活并不导致组分亚单位结构的修饰,而是弱化了稳定复合体的非共价键作用。在血浆中,α2巨球蛋白与成熟TGF-β形成的复合体也是潜活的。在体内许多肽类因子的作用是短暂的,原因是没有结合蛋白的保护作用,TGF-β能以潜活状态存在,因此在局部可持续发挥作用,局部过剩的成熟TGF-β可通过与α2巨球蛋白结合得以清除,限制TGF-β在局部的过度刺激作用[2]
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    二、TGF-β对成骨细胞、破骨细胞和软骨细胞代谢的调节作用

    TGF-β是一种多功能生长因子,对特定靶细胞的作用取决于许多因素,包括细胞类型、分化状态、生长条件及其它生长因子的存在以及TGF-β的作用浓度和时间等。

    TGF-β对成骨细胞的作用研究较多,用不同来源的组织在体外培养成骨样细胞,并用以检测TGF-β的生物效应,检测的内容主要包括受刺激的细胞DNA的合成,Ⅰ型胶原蛋白和碱性磷酸酶(ALP)表达量的变化。对胚胎来源的成骨样细胞,TGF-β刺激其分裂增殖,抑制Ⅰ型胶原和ALP的产生,对分化较成熟的成骨样细胞的作用则相反,对同一细胞群,TGF-β在低浓度时产生刺激作用,高浓度时则产生抑制作用。因此,TGF-β对成骨样细胞的作用不能一概而论,而要视细胞的分化状态和周围环境而定[2,3]。TGF-β作用于成骨细胞能诱导白细胞介素和集落刺激因子的产生,还能趋化成骨细胞和成骨前细胞到达成骨部位[4]。体外培养的成骨样细胞受TGF-β作用后能产生前列腺素E2(PGE2),而PGE2本身是局部骨形成和骨吸收的有效刺激因子,这可进一步解释TGF-β调节骨基质合成和细胞增殖的机理[5]
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    TGF-β对破骨细胞的作用研究较少,已有资料表明TGF-β抑制破骨细胞的形成和活化,还能诱导骨髓单核系细胞向粒系转化[5]。TGF-β调节破骨细胞发育的机制有前列腺素依赖性和非前列腺素依赖两种[6]。破骨细胞在进行骨吸收时,能活化基质中潜活的TGF-β,局部的成骨细胞和破骨细胞在TGF-β的调节下,使骨吸收和骨形成协调进行。TGF-β对破骨样细胞的作用是双相的,高浓度时表现为抑制作用,低浓度时为刺激作用[7]

    在软骨细胞发育过程中,TGF-β有不同的作用,它能促进未分化和分化早期的软骨细胞增殖,促进间质细胞向软骨细胞转化,增加Ⅱ型胶原和蛋白多糖的合成,对分化末期的软骨细胞,TGF-β则具有抑制作用,表现在抑制Ⅱ型、Ⅹ型胶原和蛋白多糖的合成,抑制ALP的活性。在体外培养的软骨细胞受TGF-β作用后,能产生Ⅰ型胶原,因此TGF-β对软骨细胞的作用与细胞的来源和分化状态密切相关[2,3]
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    综上所述,TGF-β对同一细胞群的作用可表现为双相效应,也可因环境条件的不同而变化,对不同的细胞群其作用则显著不同。TGF-β能刺激细胞增殖、分化和间质合成,还能协调诸多细胞因子的作用,它是局部细胞活动的协调者。

    三、TGF-β在骨折愈合过程中的作用

    骨组织是TGF-β最丰富的组织之一,其含量为0.3 mg/kg,是血小板含量的十分之一,而软组织中含量约为3~5 μg/kg,血小板源性TGF-β在软组织创伤修复过程中发挥重要作用,骨组织中的TGF-β在骨形成和重建过程中协调间质细胞、成骨细胞和破骨细胞的活动,对骨折修复也发挥重要作用,参与骨折修复的细胞及其活动包括成纤维细胞增殖和炎性细胞浸润,这与软组织创伤修复时类似,另外尚有软骨细胞和成骨细胞、破骨细胞的增殖分化。在骨折修复的不同阶段,TGF-β的表达情况是不同的。在损伤反应期,骨折部位血肿形成,并沿骨膜外间隙延伸,骨膜的生发层细胞和周围组织中的间质细胞增殖,并有炎性细胞浸润。免疫组化染色可见骨折后24小时细胞外TGF-β在血肿内出现,染色持续数天,而且染色范围与骨膜增生和膜内成骨的范围一致,增生的骨膜细胞中可见细胞内TGF-β染色,用印迹杂交法未能检出TGF-β基因表达,这说明骨折早期TGF-β主要来源于血小板,局部血液凝固,血小板脱颗粒释放TGF-β并刺激修复细胞增殖,启动修复过程。在膜内骨形成期,骨折邻近的骨膜内层细胞增殖并分化为成骨细胞,以膜内成骨方式形成骨膜下骨痂,免疫组化染色可见成骨细胞内有TGF-β着色,印迹杂交显示TGF-β的mRNA表达量低。说明修复过程进展到膜内成骨阶段,血小板源TGF-β仍起主要作用,修复细胞本身也开始产生TGF-β。在软骨形成期,连接骨折端的肉芽组织中的间质细胞向软骨细胞分化,并合成无血管嗜碱性的软骨基质,逐渐取代纤维肉芽组织连接于骨断端,组化染色显示间质细胞和未分化的软骨细胞内有TGF-β着色,其周围基质中有细胞外TGF-β显色,成熟软骨细胞内TGF-β染色深,周围基质中无TGF-β显色,印迹杂交可见此期内 TGF-β基因表达量最高。这说明修复过程进展到软骨形成阶段,修复细胞自身产生的TGF-β起主要作用。在软骨内成骨期,软骨与膜内成骨的交界区的软骨细胞肥大,基质钙化并有新生血管长入,以软骨内成骨方式逐渐形成骨性骨痂,骨断端间的软骨逐渐由初级松质骨取代,再经过塑建和重建过程恢复原有的骨结构。组化染色可见钙化缘的肥大软骨细胞内很少或不含TGF-β,基质中含大量细胞外TGF-β,成骨细胞内有TGF-β显色,钙化缘附近的骨基质中无细胞外TGF-β显色, 印迹杂交显示此期内TGF-β基因表达量也较多。这说明软骨细胞合成的TGF-β释放到钙化的基质中,破骨细胞在进行吸收时可激活基质中的TGF-β,参与修复的成骨细胞在TGF-β作用下产生骨基质的同时也产生TGF-β,整个修复过程始终有TGF-β参与调节。
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    综上所述,TGF-β在骨折愈合的不同时期表达量不同,组织学定位也不同。TGF-β表达量和定位的改变与组织学变化密切相关,因此,TGF-β是参与调节骨折愈合过程的重要因子[7,8]。近年来的研究结果也证明这一点。体内长期抗凝治疗时,骨折愈合延迟,局部血肿不能凝固,则血小板脱颗粒释放TGF-β的过程受损,导致修复过程延迟[8]。Joyce等[9]在大鼠骨膜下注射外源性TGF-β可诱导局部软骨和骨形成,这一过程与骨折修复的过程类似。Seyedin等[10]证明TGF-β有诱导软骨形成的作用,外源性TGF-β可诱导间质细胞向软骨细胞分化。

    随着分子生物学技术的发展,用基因工程的方法可得到重组的TGF-β,尽管尚未见其临床应用的报道,但动物实验结果令人鼓舞。Lind等[11]在兔腓骨骨折局部应用TGF-β 6周,局部骨痂形成量和抗折弯能力明显加强。Nielsen等[12]在大鼠胫骨骨折部位应用外源性TGF-β,40天后检测到与上述同样的结果。在假体表面涂上重组的TGF-β能促进骨组织长入,加强骨与假体的结合,为预防假体松动提供了新的方法[13]。近年来,国内已从牛血小板中分离出高纯度TGF-β[14],并经动物实验证实了其高效生物活性,且具有修复大块节段性骨缺损能力[15]。生长因子的研究和应用,将为有关疾病的治疗提供新途径,体内实验证明生长因子能促进骨形成和骨修复,这些结果将会使外科治疗更完美,生长因子用于骨缺损修复和脊柱融合的临床试验已开始,不远的将来,其临床应用将成为现实[16]
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    参 考 文 献

    1Sporn MB,Robert AB.Peptide growth factors and their receptors.New York:Springer Verlag,1991.419-456.

    2Centrella M,McCarthy TL,Canalis E.Transforming growthfactor β and remodeling of bone.J Bone Joint Surg,1991,73A:1418.

    3Bonewald LF,Mundy GR.Role of Transforming growth factor beta in bone remodeling.Clin Orthop Relat Res,1990,250:261.

    4Centrella M, Horowitz MC, Wozney JM,et al.Transforming gowth foctor β gene family member and bone.Endoc Rev,1994,15:27.
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    5Sporn MB,Robert AB.Peptide growth factors and their receptors.New York:Springer Verlag,1991.371-388.

    6Hattersley G,Chamber JJ.Effects of transforming growth factor β on the regulation of osteoclastic development and function.J Bone Miner Res,1991,6:165.

    7Centrella M,McCathy TL,Canalis E.Transfouming growth factor β and remodeling of bone.J Bone Joint Surg,1991,73:1418-1428.

    8Joyce ME,Jingushi S,Bolander ME.Transforming growth factor β in the regulation of fracture repair.Orthop Clin North Am,1990,21:199.
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    9Joyce ME,Robert AB,Sporn AB,et al.Transforming growth factor β and the initiation of chondrogenesis and osteogenesis in the rat femur.J Cell Biol,1990,110:2195.

    10Seyedin SM,Thomas TC,Thsmpson AY,et al.Purification and characterization of two cartilage-inducing factors from bovine demineralized bone.Proc Natl Acad Sci USA,1985,82:2267.

    11Lind M,Schumacher B,Soballe K,et al.Transforming growth factor beta enhances fracture healing in rabit tibiae.Acta Orthop Scand,1993,64:553.
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    12Nielsen HM,Andreassen TT,Ledet T,et al.Local injection of TGF-beta increases the strength of tibial fractures in the rat.Acta Orthop Scand,1994,65:37.

    13Lind M,Overgaard S,Ongpipattanakul B,et al.Transforming growth factor beta 1 simulates bone on growth to weight-loaded tricalcium phosphate coated implants:an experimental study in dogs.J Bone Joint Surg,1996,78:377-382.

    14孙玉鹏,陆裕朴,胡蕴玉,等.牛血小板TGF-β提取、纯化及其诱导小鼠股骨成骨作用.中华骨科杂志,1995,15:610-613.

    15Sun YP,Zhang WQ,Lu YP,et al.Role of transforming growth factorβ in repairing of bone defects.Chin Med Sci J,1996,11:209-212.

    16Lind M. Growth factors: possible new clinical tools:a review.Acta Orthop Scand,1996,67:407-417., 百拇医药