当前位置: 首页 > 期刊 > 《中华创伤杂志》 > 2000年第3期
编号:10228373
骨形态发生蛋白和转化生长因子-β及碱性成纤维细胞生长因子在骨折修复中的表达
http://www.100md.com 《中华创伤杂志》 2000年第3期
     作者:张永刚 卢世璧 王继芳 张伯勋 赵斌

    单位:解放军总医院骨科 100853 北京

    关键词:骨折愈合;细胞因子;表达

    中华创伤杂志000313摘 要:目的 观察骨形态发生蛋白(BMP)、转化生长因子-β(TGF-β)、碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)在骨折修复中的表达及分布情况,进而探讨其作用机制。方法 以成年雄性新西兰兔为研究对象,制作桡骨骨折愈合模型。伤后不同时期处死取材,分别进行组织学和BMP、TGF-β和bFGF免疫组化染色观察。结果 (1)伤后3 d开始形成原始骨痂。1周时肉芽组织中的间质细胞开始分化为软骨细胞,软骨形成后再进行软骨内化骨。4周时形成连接骨折端的桥接骨痂。(2)伤后不同时期,血肿中炎性细胞表达bFGF。骨膜增殖细胞、骨端骨细胞以及原始骨痂成骨细胞表达TGF-β。肉芽组织中间质细胞、单核巨噬细胞和多核巨细胞表达TGF-β、bFGF。原始骨痂成骨细胞、骨端骨细胞和软骨细胞表达BMP。表达后BMP、TGF-β较均匀分布于软骨基质以及肉芽组织间质中,bFGF 主要分布于肉芽组织中非活跃的间质细胞周围。结论 BMP、TGF-β和bFGF有着各自的表达和分布特点,并共同调解骨原细胞的增殖和成骨细胞、软骨细胞的分化,最终完成骨折修复。
, 百拇医药
    Experimental study of expression of BMP, TGF-β and bFGF in fracture healing

    ZHANG Yonggang LU Shibi WANG Jifang, et al.

    (Dept. of Orthopedics, General Hospital, PLA, Beijing 100853, China)

    Abstract:Objective To observe the expression and distribution of bone morphogenic protein (BMP), transforming growth factor-β (TGF-β) and basic fibroblast growth factor (bFGF) in fracture healing so as to find out their action mechanism. Methods Adult male New Zealand rabbits were used to make fracture healing model in the experiment. After operation, rats were killed in different time and specimens were possessed for histological observation and immunohistochemical observation on staining of BMP, TGF-β and bFGF. Results (1) Primary callus came into being 3 days after operation. Mesenchymal cells from peripheral tissues around the primary callus were differentiated into chondrocytes 1 week later. Endochondral ossification was going on then. Bridging callus was formed in the fracture sites 4 weeks after operation. (2)In different time after operation, inflammatory cells in hematoma expressed bFGF. Expression of TGF-β was from proliferative cells in periosteum, bone cells in fracture ends and osteoblasts in the primary callus.Expression of TGF-β and bFGF was from mesenchymal cells, macrophages and multinuclear giant cells in the granulation tissue. Osteoblasts in the primary callus, bone cells in fracture ends and chondrocytes expressed BMP. After the expression completed, BMP and TGF-β were distributed in the chondral matrix and granulation tissues. The bFGF was mainly distributed around non-active mesenchymal cells in the granulation tissues. Conclusions BMP, TGF-β and bFGF possessed their own different characteristics of expression and distribution and cooperatively modulated proliferation of osteogenetic cells and differentiation of chondrocytes and osteoblasts for fracture healing.
, 百拇医药
    Key words:Fracture healing; Cell factors; Expression▲

    骨折修复是一个复杂的骨再生过程,其组织学过程伴随着复杂的生物学调节机制。大量细胞因子在不同的骨折修复阶段发挥不同的作用,调控骨再生过程。既要保证骨原细胞(osteogenetic cell)的来源和数量,又要使骨原细胞适时地转化为软骨细胞和成骨细胞,最终完成骨折修复[1]。有关细胞因子的生物学效应的体外实验研究较多,而在原位的研究较少。笔者选择有代表性的细胞因子骨形态发生蛋白(BMP)、转化生长因子-β(TGF-β)、碱性成纤维细胞生长因子(bFGF),观察其在骨折修复中的表达及分布情况,进而探讨其作用机制。

    材料与方法

    1.模型制作:实验对象为雄性成年新西兰兔,体重2.0~3.0 kg。常规手术方法,在一侧桡骨中段用线锯将骨干锯断,制作骨折愈合模型。
, 百拇医药
    2.动物分组:42只兔,随机分为6组,每组7只,分别于伤后1,3 d,1,2,3,4周处死,将骨折端及周围组织一同取材。

    3.主要试剂:BMP单克隆抗体(第四军医大学);TGF-β、bFGF 单克隆抗体和SP试剂盒(Sigma 公司,美国)。

    4.观察方法:取材后标本置入质量浓度为40 g/L的多聚甲醛固定24 h,以质量浓度为200 g/L的乙二胺四乙酸(EDTA)脱钙1~3周,石蜡切片厚8 μm。分别进行常规HE染色和BMP、TGF-β、bFGF单克隆抗体的免疫组化染色。SP方法单克隆抗体免疫组化染色:BMP抗体工作浓度1∶300,TGF-β抗体工作浓度1∶300,bFGF抗体工作浓度1∶500。二氨基联苯胺(DAB)方法显色,阳性为棕色。对照以磷酸缓冲液(PBS)代替I抗。

    结 果

    1.组织学观察:伤后1 d,骨折局部充满血肿,骨端骨膜增厚,细胞增生。3 d时血肿消失,骨膜反应形成原始骨痂,在骨痂外由周围组织向骨折处长入肉芽组织,其中含有大量间质细胞、单核巨噬细胞、多核巨细胞和血管。1周时骨膜反应继续增加,骨内膜也有类似的骨膜反应。在肉芽组织中开始有软骨细胞形成。2周时骨折端骨膜反应停止,骨痂不再增加。软骨组织迅速再生,骨折间隙内也有软骨形成。3周时靠近骨端骨痂处的软骨细胞肥大,并开始出现软骨内骨化。4周时软骨大部分已骨化,形成桥接骨痂(bridge callus)。
, 百拇医药
    2.免疫组化观察:伤后1 d,血肿以及血肿中炎性细胞bFGF呈阳性染色。增生骨膜间质bFGF呈阳性染色。此时,无BMP、TGF-β阳性染色。3 d时增生骨膜细胞及骨膜间质TGF-β呈阳性染色。骨端骨细胞TGF-β呈阳性染色。肉芽组织中单核巨噬细胞、多核巨细胞以及间质细胞bFGF、TGF-β呈阳性染色。肉芽组织间质bFGF、TGF-β呈阳性染色。1周时原始骨痂成骨细胞、骨端骨细胞BMP、TGF-β呈阳性染色,新形成的软骨基质BMP、TGF-β呈阳性染色。肉芽组织中单核巨噬细胞、多核巨细胞以及间质bFGF、TGF-β细胞继续呈阳性染色。肉芽组织间质BMP、TGF-β、bFGF呈阳性染色,BMP、TGF-β肉芽组织中染色较均匀,bFGF则主要在肉芽组织中不活跃的间质细胞周围呈阳性染色。2周时除上述阳性细胞外,新形成的软骨细胞开始出现BMP、TGF-β阳性染色,软骨基质也呈阳性染色。此后,单核巨噬细胞、多核巨噬细胞以及间质细胞明显减少,肥大成熟软骨细胞未见BMP、TGF-β阳性染色。幼稚软骨细胞、骨痂表面成骨细胞BMP、TGF-β继续呈阳性染色。
, 百拇医药
    讨 论

    骨折修复为骨组织完全性再生,而非纤维瘢痕修复。其修复的组织学过程包括血肿、炎症、骨膜反应、软骨形成、软骨内成骨、骨改塑等阶段。本实验的组织学观察与上述组织学过程完全相同。伤后1 d时即可见骨膜增生反应,并在3 d后开始形成原始骨痂,但这种骨痂生长到一定程度即停止,不能连接骨折端。由周围组织伴随血管长入肉芽组织中的间质细胞,1周时开始分化为软骨内细胞,软骨形成后2周时进行软骨内化骨,最终形成连接骨折端的桥接骨痂。

    骨折修复是一个复杂的骨再生过程,其组织学过程伴随着复杂的生物学调节机制,大量细胞因子在不同的骨折修复阶段发挥不同的作用。BMP对骨原细胞的分化起主要的决定性作用,没有BMP的参与,再生的组织只能是结缔组织[2]。其他大量细胞因子也参与调控骨原细胞的增殖和成熟等过程。按照Goldring等[3]的分类,这些细胞因子分为两类,一类是局部产生的内源性细胞因子(endogeneously produced cytokines),它们以“旁分泌”和“自分泌”的形式作用于自身和邻近细胞;另一类是远距离细胞产生的外源性细胞因子(exogeneously produced cytokines),以“内分泌”形式作用于骨再生局部的细胞。前者包括TGF-β、骨源性生长因子(BDGF)、软骨源性生长因子(CDGF)等,其主要功能是使软骨-骨原细胞分化成熟,转化为软骨细胞和成骨细胞,并促进骨基质蛋白的合成,加速软骨内化骨过程。后者包括成纤维细胞生长因子(FGF)、表皮生长因子(EGF)、血小板衍生生长因子(PDGF)等丝裂素(mitogen),其主要功能与各种组织细胞分裂、增殖有关,但不能促进骨基质蛋白的合成。笔者正是在上述理论的前提下,选择了有代表性的细胞因子BMP、TGF-β、bFGF, 观察其在骨折修复中的表达和分布规律。
, 百拇医药
    bFGF对软骨细胞既是丝裂素,又是形态发生因子,培养的软骨细胞在bFGF的作用下,才能保持其分化状态,否则很快变为成纤维样细胞[4]。亦即bFGF对维持软骨细胞的表型也发挥着重要作用。TGF-β从两个方面影响软骨形成,一是促使间质细胞向软骨细胞分化[5,6];另一方面是通过促使软骨细胞成熟来刺激软骨基质的合成[7,8],增加软骨的形成。可见TGF-β既是丝裂素,又是很好的助形态发生因子。BMP是决定间质细胞向软骨细胞分化的决定性因素。有关细胞因子的成骨诱导作用大多为体外实验所发现,而体内原位的研究不多。笔者旨在通过观察BMP、TGF-β、bFGF在骨折修复中的表达和分布,进而探讨其在骨折修复中的作用机制。

    本实验中发现3种细胞因子有着各自的表达顺序和分布规律。首先,最早在(伤后1 d)血肿中炎性细胞表达bFGF,并分布于骨膜中,此时骨膜出现细胞增殖。3 d后骨膜增殖细胞以及骨端骨细胞开始表达TGF-β,肉芽组织中间质细胞、单核巨噬细胞、多核巨细胞开始表达TGF-β、bFGF,合成后分布于骨膜、肉芽组织间质中。至伤后1周时,才发现原始骨痂成骨细胞、骨端骨细胞表达BMP,同时也继续表达TGF-β。肉芽组织中单核巨噬细胞、多核巨细胞以及间质细胞继续表达bFGF、TGF-β。3种因子表达后均分布于新形成的软骨基质以及肉芽组织间质中,BMP、TGF-β分布较均匀。bFGF 主要分布于肉芽组织中非活跃的间质细胞周围。2周时新形成的软骨细胞开始表达BMP、TGF-β。此后,幼稚软骨细胞、骨痂表面成骨细胞继续表达BMP、TGF-β。结果表明BMP、TGF-β、bFGF分别由不同细胞在不同的时间表达,表达后其分布也不完全相同。在表达与分布的同时,也伴随着不同的组织学变化。结合BMP、TGF-β、bFGF的表达时间、表达细胞以及表达后的分布情况,笔者认为,bFGF的主要作用是促使各种细胞分裂、增殖,表现在骨折修复早期能够促进骨膜细胞周围间质细胞增殖,并促进肉芽组织形成,之后,促使肉芽组织中间质细胞不断分裂增殖;TGF-β的作用是促进各种细胞成熟,如促进骨膜细胞成熟,进而形成原始骨痂,并能协助BMP促进间质细胞向软骨细胞分化;BMP的表达才使得间质细胞分化为软骨细胞,导致软骨形成,进而软骨内化骨,形成桥接骨痂连接骨折端。由此,笔者认为,上述细胞因子调控骨再生过程,既保证了骨原细胞的来源和数量,又能使骨原细胞适时地转化为软骨细胞和成骨细胞,最终完成骨折修复。当然,细胞因子的作用是复杂的,并且多因子相互作用,因而仍需进行大量的实验研究。
, 百拇医药
    参考文献:

    [1]张永刚,卢世璧,王继芳.骨引导与骨诱导.中华创伤杂志, 1990,6:332-333.

    [2]Roberts AB,Sporn MB,Assoian RK,et al.Transforming growth factor-β: rapid induction of fibrosis and angiogenesis in vivo and stimulation of collagen formation in vitro.Proc Natl Acad Sci USA,1986,81:4167-4169.

    [3]Goldring MB, Goldring SR. Skeletal tissue response to cytokines. Clin Orthop, 1990,(258):245-249.
, 百拇医药
    [4]Gospodarowicz D,Fenrrara N,Schweigerer L,et al.Structural characterization and biological functions of fibroblast growth factor.Endocrine Rew,1987,8:95-99.

    [5]Chofield JN,Wdpert L.Effect of TGF-β1,TGF-β2 and bFGF on chick cartilage and muscle cell differentiation. Exp Cell Res,1990,191:144-149.

    [6]Osen DM,Stempien SA,Segedin SM,et al.Differenciation of rat mesenchymal cells by cartilage-inducing factor.Exp Cell Res,1986, 165: 127-131.
, http://www.100md.com
    [7]Seyedin SM,Thomas TC,Thompsin AY,et al.Purification and characterization of two cartilage-inducing factors from bovine demineralized bone.Proc Natl Acad Sci USA,1985,82:2267-2271.

    [8]Morales TI,Roberts AB.Transforming growth factor-β regulates the metabolism of proteoglycans in bovine cartilage organ culture. J Biol Chem,1988,263:12828-12831.

    收稿日期:1999-06-17, http://www.100md.com