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编号:10289043
骨折愈合中转化生长因子β与骨形成的关系
http://www.100md.com 《山西医科大学学报》 2000年第1期
     作者:赵广民 刘强

    单位:赵广民(山西太原二六四医院骨科 太原 030001);刘强(山西医科大学第一临床医学院骨科)

    关键词:骨折愈合;转化生长因子;骨再生

    山西医科大学学报000158 中图分类号: R602 R363.1+3 文献标识码: A

    文章编号: 1007-6611(2000)01-0089-03

    骨折愈合是机体结缔组织的一种再生修复过程,主要涉及两个内容:有关骨折修复的各种细胞的增殖活动;有机基质的形成和无机盐的沉积。随着分子生物学的发展,人们发现多种细胞因子在其中有调节细胞的增殖、分化及基质的合成、钙化的作用。近年来,有关骨愈合的概念,随着分子生物学的发展有所改变。骨愈合过程中,除了成骨细胞和成软骨细胞外,还需要许多的物质参与,特别是全身和局部细胞产生或传递的多种细胞介质的作用[1],这些作用通过自分泌和旁分泌系统促进骨细胞增殖和骨基质的生物合成。在这些细胞因子的作用下,成骨细胞、破骨细胞、骨细胞、成软骨细胞、软骨细胞及成纤维细胞等,可受刺激、诱导而转化、增殖,并可增强它们的活性和功能,对它们产生滋养作用,并在神经和内分泌系统的调节下,影响和调节骨愈合的全过程[2]
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    1 骨折愈合的自然过程

    骨折愈合是一个复杂的组织变化过程,涉及到一系列不同细胞的活动,包括细胞的增殖、分化及细胞外基质的合成等。许多学者根据显微镜下疲劳性骨折愈合过程将骨愈合分为:①骨损伤早期;②血肿形成期;③肉芽组织形成期;④骨痂形成期;⑤骨重建或塑形期[3]

    骨损伤早期 骨折损伤范围包括局部骨髓、骨膜、邻近软组织和骨本身,可导致这些组织细胞部分坏死。骨愈合早期与下列两种情况密切相关,一是局部幸存细胞的激活并担任局部和全身的信使作用传递创伤刺激;二是骨折后局部生物、物理和生物化学改变促进和调节局部细胞反应。局部信使物质包括丝裂原(Mitogens),它可使局部细胞组织增殖及母细胞机化和分化导向物质[4]

    肉芽组织形成期 在局部介质上,原始细胞开始增殖,通过机化和分化形成新生血管、纤维母细胞、细胞间质、支持细胞和其他细胞等。所有这些细胞和细胞间质共同形成肉芽组织,填充骨折、截骨、关节融合和骨移植间隙。
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    骨痂形成期 随着细胞进一步增殖、机化和分化,在肉芽组织内开始生成新生的软骨细胞和成骨细胞,并合成基质,1周后开始钙化,几周后便出现骨折端骨痂。

    骨重建期 在骨重建中发现钙化骨痂的吸收和新骨的形成是成批进行的,即骨痂至少在一种介质的作用下,重组基本多细胞单位(basic multicellularunit,BMU)原始排列。重建有以下四个内容:①编织骨替代钙化的软骨,以形成同一类型的原始海绵状骨;②由新生的板层骨替代重叠的编织骨;③由板层骨组成的Ⅱ期骨单位替代密质骨端的骨痂,使骨小梁排列成直线,并与骨折端纵向压力、张力或应力的合力方向相平行;④消除堵塞髓腔的骨痂,使髓腔再通。基本多细胞单位是指在特殊介质下作用,由许多类型的细胞、细胞间质和毛细血管在一定的空间和时间彼此连接在一起的特异机化组织,它是重建过程中的基本单位,它首先产生破骨细胞,成批吸收早期存在的坚硬组织,然后产生骨细胞,由新骨替代之。骨重建就是以这样的立体形式,经过“激活——吸收——形成”的顺序来完成。
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    骨塑形期 大约在骨痂形成末期,骨吸收和新骨形成的重建过程中,在内层骨皮质表面和外层骨皮质表面就开始塑形,其结果是使骨的形状大致接近正常,骨愈合过程中骨痂的这种改变自身形状和整形的过程称为骨塑形。早期它与重建交叉进行,骨塑形大约需要1年以上,骨塑形使外形接近正常,在成人则不完全。

    过去几十年中,人们已经弄清了人骨损伤肉芽组织形成骨痂生成骨重建骨塑形最终骨愈合5个连续阶段,历时长达5年。1983年,有学者首次描述了阶段性加速现象[5](regional acceleratory phenomenon,RAP)。众所周知,骨的原始损伤具有促进正常骨愈合的作用,这种正常骨愈合促进作用即称为阶段性的加速现象[6]。它可使骨愈合的各个时期缩短,骨愈合加快2~10倍。随着分子生物学的发展,传统的骨愈合概念又增加了新内容即传导成骨和诱导成骨。①传导成骨是指在骨端间建立一个有利于新生毛细血管、血管周围组织和骨组织细胞长入的三维结构。当存在较大骨缺损时,必须选用适当材料桥接于骨端间,否则断端难以连接。除各种植骨外,应用较多的有有机和无机骨基质,骨胶原及各种陶瓷等[7]。②诱导成骨:1934年Lavander引用Speman的胚胎诱导理论,首次提出了骨诱导学说[8]。他将骨的乙醇提取液注入肌肉内观察到成骨现象。1965年Urist等用同种脱钙骨基质(DBM)诱发肌肉异位成骨。再次证实了骨诱导学说。并将骨诱导定义为:在一种可弥散的BMP的作用下,间充质细胞的募集及其向软骨、骨细胞的转化过程[9]。其后由Chalmers[10]提出了诱导成骨三要素:①诱导刺激物;②被诱导靶细胞一间充质细胞;③有利于新骨形成的血液供应环境。这三个要素缺一不可,其中,诱导刺激物即诱导因子成为近年来人们研究的热门课题。转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)是近年来发现的一种极具潜力的诱导因子,它是一种非特异肽类生长因子,存在于骨基质,在骨改建及骨折愈合过程中具重要作用[11]
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    2 TGF-β的一般情况

    转化生长因子-β(TGF-β)是一族具有多种功能的蛋白多肽,广泛存在于动物正常组织细胞以及转化细胞中,以骨组织和血小板中含量最为丰富。TGF-β可刺激骨膜间充质细胞增殖、分化,促进成骨细胞和成软骨细胞增生,刺激Ⅰ型胶原合成,诱导膜内成骨和软骨内成骨过程[12]。目前已鉴定出四种不同分子类型的TGF-β,即TGF-β1~TGF-β4,其氨基酸有64%~82%同序。在整个进化过程中,TGF-β1被高度保留,人、猪、牛、猴、鸡的TGF-β1中氨基酸序列完全相同,与小鼠之间仅相差1个氨基酸,且其前体分子,均含有Arg-Gly-Leu序列。TGF-β在合成初期是一种无活性的大分子复合物,分子量为100 000~250 000。称之潜在性的TGF-β经激活后产生分子量250 000的二聚体,由两条相同的12 500亚单位肽连通过二硫键相连接,每条单链有112个氨基酸。具有生物活性的TGF-β,其性质相对稳定,经酸处理,加热不变性。
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    3 TGF-β对骨形成的作用

    3.1 促进细胞增殖 TGF-β可刺激骨膜间充质细胞增殖分化,促进成骨细胞和软骨细胞增生,刺激Ⅰ型胶原合成,诱导膜内成骨及软骨内成骨过程。在炎症阶段和软骨痂形成期,骨折断端间及附近的膜内骨化区大量成骨细胞增生,TGF-β的 mRNA 大量增加。在体外,低浓度的TGF-β即可促使成骨细胞增殖,并且成骨细胞自身能合成并释放TGF-β,说明骨组织内存在某种自分泌生长调节机制,且可能与骨重建过程有关[13]

    3.2 调节细胞分化 TGF-β在不同条件下,对成骨细胞及成软骨细胞有促进分化和降低分化的双重作用。1~10 mg/L浓度的TGF-β可诱发鼠胚胎肌细胞分化成软骨细胞,合成其特异性的Ⅱ型胶原及硫酸软骨素蛋白多糖;在0.4 mmol浓度下TGF-β的作用相反[14]

    3.3 促进细胞外基质合成 TGF-β 可以直接刺激成纤维细胞外基质的合成,并对其新合成的基质降解有显著抑制作用。对于成骨细胞,TGF-β可促使其合成Ⅰ型胶原、骨连接素(osteonectin)和骨桥蛋白(osteopentin)[15]。研究发现,TGF-β除刺激鼠颅盖骨细胞产生胶原外,还能刺激其产生多种蛋白质,如纤维结合蛋白、基质糖蛋白以及骨连接素。此外TGF-β还可能通过以下两种途径而促进细胞外基质的合成:①刺激成纤维细胞和成骨细胞中蛋白酶抑制剂的产生,如纤维蛋白溶酶原活化剂的抑制剂;②刺激成骨细胞中蛋白酶的产生如纤维蛋白溶酶原活化剂。
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    3.4 对骨组织修复和重建的调节作用 TGF-β参与骨与软骨的形成。骨折24 h 以内,血肿内可见有细胞外TGF-β存在。在骨折炎性期间及软骨痂形成期,骨折线附近的膜内化骨区大量成骨细胞增生,且其中可见TGF-β。随着骨痂的成熟,TGF-β逐渐消失,因此在硬骨痂期及软骨内化骨区,几乎不见有细胞内TGF-β的存在。体外器官观察,伤后第13 d TGF-β可刺激Ⅰ型胶原和骨连接素的合成,但抑制Ⅱ型胶原和蛋白聚糖的基因表达[16]

    在骨折修复过程中,TGF-β最初由血小板释入血肿中,继而在软骨痂中由增生、分化的细胞合成。TGF-β可能通过刺激成骨细胞的活性与增殖直接刺激膜内成骨,并刺激成骨细胞合成Ⅰ型胶原和骨连接素。体外免疫组织化学观察证实软骨痂中TGF-β的存在,表明TGF-β同时还调节软骨细胞的增殖和分化,以及软骨基质的合成,这意味着TGF-β对基因表达的调节作用取决于细胞的成熟状态及分化阶段[17]

, 百拇医药     TGF-β产生于骨组织局部微环境中。骨组织是其中最大的组织来源之一,处于吸收过程中的骨组织释放TGF-β。实验表明,长管状骨骨骺生长板中TGF-β的mRNA含量最高,在骨组织钙化之前的软骨内成骨过程中有大量的TGF-β积聚,TGF-β可直接影响成骨细胞和破骨细胞的活性,TGF-β还影响Ⅰ型胶原、硷性磷酸酶以及多种骨基质蛋白的表达,根据不同的细胞群体,TGF-β或起抑制生长作用,或起致有丝分裂作用[18]

    综上所述,TGF-β在创伤愈合、新骨形成、骨组织修复与重建过程中都起重要作用,如果能解决了TGF-β的来源问题,并应用于临床,必将发挥其应有的作用。

    作者简介: 赵广民,男,1967年5月生,硕士,主治医师

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    [收稿日期: 1999-07-20], 百拇医药