骨形态发生蛋白

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上述研究显示使用与MSC相关的BMP促进关节 软骨修复带来有限的有利结果。同时，使用其 他软骨形成诱导因子例如TGF-β蛋白或者诸如 PRP或Geraghty等人描述的嵌入新的骨软骨同 种异体移植物中的因子的异质混合物已经证明 了更好的结果。可能是因为这些因素以及包含 BMPs，比单独使用BMPs软骨修复更有希望。 事实上，BMP与MSC一起在体内显示比成软骨 细胞更高的骨诱导能力。
应用BMPS和MSCS进行软骨修复
软骨缺损如椎间盘和膝关节的退化是关节残疾的 常见原因，能够影响世界各地许多人的生活质量。 关节软骨在损伤后自发修复的能力有限。 接种自体软骨细胞以促进软骨再造具有一些优于 同种异体软骨细胞或固体组织移植的好处。但由 于在体外扩张期间软骨细胞去分化以及需要大量 软骨样品，其应用受到限制。 因此，MSC在用于软骨修复有良好的研究前景。 如已经提到的，BMP2和BMP7都具有大量被证明 的增强体内软骨修复的能力以及促进在体外在适 当的诱导培养基中培养的MSC的软骨形成分化的 能力。
• 在最近的一项研究中，Seo等人研究了嵌入有 MSC的双层支架和含有TGF-β1及血小板衍生生 长因子（PDGF）的富血小板血浆（PRP）用于 软骨形成层，以及MSC和BMP2用于成骨层，在 骨软骨马模型中的缺陷。缺陷产生在距骨的外侧 滑车脊处，其中通常发现骨软骨病，并插入双层 支架。然后评价组织修复，显示相对于对照，植 入支架显着改善骨软骨组织再生。 • Geraghty等人最近发表的一项研究描述了一种 新的，可行的骨软骨异体移植物，其包含能够刺 激MSC的细胞外基质（ECM）蛋白和软骨形成 生长因子（即TGF-β1和3，BMP2,4,7，bFGF和 IGF1），完成山羊模型中的体内软骨修复。
研究背景
• 细胞外基质相关的骨形态发生蛋白（BMP）控制 多种生物过程。 • 在多年的研究中，特别是两种BMP，BMP2和 BMP7已经获得了较大的突破，用于治疗各种软骨 和骨缺损。 • 由于BMP在生物医学应用中的潜力，对研究间充 质干细胞（MSC）的生物学，其分化能力下的规 则以及测试其在组织工程中的真实能力的研究逐渐 增多。事实上，MSC的特异性分化为用于移植的 靶向细胞型谱系是再生医学的主要目标。
BMPS
• BMPs在体内诱导软骨形成和异位骨生长，建立， 促进和支持软骨形成和成骨。 • 已知大约20个BMP家族成员。BMP结合两种类型 的丝氨酸/苏氨酸激酶受体，即I型（BMPR-I）和II 型受体（BMPR-II）。在配体结合后，BMP信号通 过Smad依赖性（规范途径）或Smad非依赖性途 径转导到靶基因。 • BMP / Smad信号通路也可以被一组细胞外蛋白拮 抗剂严格调节，它们作为BMP信号传导中的拮抗 剂的基本作用通过在缺乏这些蛋白之一的实验动物 中发生的许多严重或致死缺陷来证明。
Байду номын сангаас
• 在人类骨髓来源（BM）MSCs中，BMP2（在 TGF-β3存在下）是软骨形成最有效的诱导物， 与BMP4和BMP6相比，更能诱导富含蛋白多糖 的软骨的产生，而在滑膜外植体中，BMP7是比 BMP2更有效地引起软骨细胞分化。 • 最新的研究证明BMP4和7诱发人类MSC的体外 显著反应，表明这些因子在体内的使用促进软骨 的损伤修复。 • 使用人重组BMP2，BMP4 ，BMP6或BMP7的早 期实验证明这样的蛋白能够在多种间充质前体细 胞系中单独刺激成骨细胞（或软骨形成）。 • BMP2和BMP7现已被批准用于临床中用于治疗 非联合骨折作为辅助治疗。
• 相关研究数据表明，与单独的MSC或BMP7相 比，两者的缔合提供了更好的骨诱导移植物。 • 最后，Schiavi等人测试了用BMP7纳米储库功 能化并装备有人MSC微组织的新型3D胶原纳 米纤维植入物。植入物被优化用于细胞定植， 分化和生长。该组实验清楚地证明，与单独使 用BMP7或MSC微组织的对照相比，偶联的 BMP7 / MSC微组织的体内异位骨生长的加速。
BMPS在骨形成
• 在脊椎动物中，骨形成可以通过成膜细胞 在膜性骨化中的直接分化来实现，或者在 软骨内骨化中从软骨细胞的分化开始。这 两个过程由BMPs控制，BMP2和BMP4作 为成骨细胞和软骨细胞表型的主分化诱导， 导致骨和软骨形成。 • 已报道BMP2,4,6,7和9诱导人MSC的体外 软骨形成。
结论
BMP已经在再生医学和组织工程领域中展示出巨 大的潜力。它们已经在许多临床前和临床研究中测 试，探索它们在几种动物模型缺陷和人类疾病中的 软骨形成或骨诱导潜能。特别是BMP2和BMP7， 已经被完全用于治疗许多软骨和骨缺损，并且最近 被批准用于不连骨断裂的协议作为辅助治疗。 该领域目前仍是分子细胞研究领域的热门，越来越 多的文献和近年来的研究结果表明，为骨替换生产 理想的移植物这一目标确实可以实现，并且未来的 BMP和MSC将参与特别设计的植入物的生产用于 骨组织工程。
在早期研究中，许多研究人员表明，用BMP2工程 改造的自体或同种异体MSC能够在小鼠，大鼠， 兔子和猪的异位和原位位点的几种动物模型中分化 成成骨细胞谱系并诱导骨形成。因此，得出结论， MSC植入与BMP2基因的组合比单独的MSC植入 更有效地诱导骨形成。 在其他研究中，Chang等人在两种不同的动物模型 中证明了BMP2表达的MSC在大颅骨缺损的骨修复 中的用途：兔模型和猪模型。作者清楚地证明，在 实验的三个月中，在兔子和猪中，相对于对照，通 过包含表达BMP2的MSC的组织工程化的骨几乎完 全修复大颅骨缺损。
MSCS在致癌和生殖细胞分化 中的应用
• 当在一个或多个（转化生长因子-β）TGF-β超家 族成员的存在下将MSC以无血清的3D培养形式 （为细胞提供一个更加接近体内生存条件的微环 境的培养技术）接种时，发生软骨形成分化。在 该条件中，细胞放弃典型的成纤维细胞形态并开 始产生软骨特异性基质组分。细胞通常在不超过 2-3周内分化成分泌蛋白多糖的软骨细胞样细胞。 • 3D培养和伴随的TGF-β的存在是获得真正的软骨 细胞表型所必需的条件。
间充质干细胞（MSC）
• 成骨的修复涉及BMMSCs（人类骨髓来源MSCs） 中，其作为能够侵入骨折部位的骨软骨祖细胞的 来源，增殖并分化成软骨和骨。 MSC是具有自 我更新能力并分化成多个谱系的多潜能成体细胞， 这些细胞在1980年被发现，MSCs最近在再生医 学中的潜力越来越受到关注。 1、由于对调节其活性的因素的理解有限； 2、缺乏对这些细胞和它们的生态微环境的组分之 间的复杂相互作用的了解。 由于以上两个因素，MSC的临床应用受到限制。仍 有待相关研究进一步探索。
有研究探讨使用封装在骨诱导支架或形态生物材 料中的MSCs以增强骨和软骨在体内的自然愈合 过程。结果表明这些多能细胞似乎都能够在支架 内区分自身以及吸引邻近自体祖细胞的因子。这 种行为可以更快地完成骨折愈合，并且所得新骨 的质量优于单独使用的骨诱导或软骨形成的骨架。 因此，这些结果促使进一步研究，探索伴随使用 MSC和BMP家族的最有希望的成员。即，嵌入 合适的支架或载体中的BMP2和7已经用于治疗 实验动物模型中的几种软骨缺陷和骨折，有希望 很快被应用于临床。
• 虽然这些分子在骨折愈合中的使用已经很广泛， 但它的不良作用依然需要引起重视，特别是在高 剂量下，主要有以下几个不良作用： 1、更高的骨折不连续率； 2、局部炎症反应； 3、伤口愈合并发症； 4、血肿形成； 5、异位骨形成。 因此，这些分子的剂量需要在每个临床环境中精细 校准。且主要应用与骨折愈合失败高风险的患者。 这些不良作用仍然需要进一步研究，以期在今后的 临床应用中逐渐减少。
骨密度和MSCS在骨组织修复中 的应用
骨骼疾病，肿瘤切除，创伤和先天性畸形是需要 骨重建的骨缺损的主要原因。几十年来，自体骨 移植已经是临床上治疗骨缺损的金标准。由于自 体骨移植物的有限的可用性和供体位点的发病率， 基于干细胞的组织工程策略作为替代性治疗方法 是非常有希望的。但是，由于：1、免疫排斥；2、 早期再吸收；3、可能的感染传播。限制了同种异 体移植的使用。