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文檔簡介

1、成骨細(xì)胞骨形成機(jī)制 1成骨細(xì)胞的起源 成骨細(xì)胞起源于多能的骨髓基質(zhì)的間質(zhì)細(xì)胞,除成骨細(xì)胞外,基質(zhì)細(xì)胞還可分化成軟骨細(xì)胞,成纖維細(xì)胞,脂肪細(xì)胞或肌細(xì)胞。成骨細(xì)胞來源譜系有以下幾種: (1)骨髓克隆形成單位(成纖維細(xì)胞集落形成單位,cfu-f);(2)骨祖細(xì)胞,可分化成前成骨細(xì)胞和前軟骨細(xì)胞譜系,常位于骨髓腔中,有很強(qiáng)的自身增殖能力;(3)前成骨細(xì)胞,即最近的成骨前體,能定向分化成成骨細(xì)胞,具有合成和增殖能力1,2。成骨細(xì)胞由多能的間質(zhì)干細(xì)胞在體內(nèi)的各種調(diào)控因素的調(diào)節(jié)下發(fā)展而來,調(diào)控因素主要有bmp-2,bmp-2能誘導(dǎo)基質(zhì)細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化,具體就是誘導(dǎo)間質(zhì)干細(xì)胞分化形成骨祖細(xì)胞進(jìn)而形成前成骨細(xì)

2、胞3。 2成骨細(xì)胞發(fā)展階段及骨形成機(jī)制 成骨細(xì)胞在骨形成過程中要經(jīng)歷成骨細(xì)胞增殖,細(xì)胞外基質(zhì)成熟、細(xì)胞外基質(zhì)礦化和成骨細(xì)胞凋亡四個階段。很多因素可調(diào)節(jié)這幾個階段,從而最終調(diào)控骨形成。 成骨細(xì)胞增殖期成骨細(xì)胞數(shù)量增加,以形成多層細(xì)胞,并合成、分泌型膠原以便最終可以礦化形成骨結(jié)節(jié)。對成骨細(xì)胞增殖的調(diào)控具體說來即是對細(xì)胞周期的調(diào)控,后者包括細(xì)胞在有絲分裂原作用下復(fù)制dna和細(xì)胞分裂的調(diào)節(jié)機(jī)制,典型的成骨細(xì)胞細(xì)胞周期時間為2024小時4。抑制與細(xì)胞周期調(diào)節(jié)相關(guān)的基因會導(dǎo)致增殖的停止。與增殖激活有關(guān)的基因有c-myc、c-fos、c-jun;與細(xì)胞周期有關(guān)的基因有組蛋白、細(xì)胞周期素基因。在顱蓋骨分骨細(xì)胞

3、培養(yǎng)中觀察到細(xì)胞從顱蓋骨中分離后很快即出現(xiàn)最高水平的c-fosmrna表達(dá),比c-myc和h4組蛋白基因表達(dá)早許多。c-mycmrna常在1天后表達(dá)達(dá)到高峰,h4組蛋白基因表達(dá)伴隨細(xì)胞內(nèi)dna合成,與增殖密切相關(guān)5。c-fos、c-jun基因表達(dá)在增殖晚期明顯下調(diào),同時伴隨成骨細(xì)胞增殖減慢,細(xì)胞由增殖期進(jìn)入分化期。c-fos對成骨細(xì)胞增殖的作用在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中也得到證實(shí),如在人的長骨與胚胎骨生長旺盛的區(qū)域c-fos原癌基因高表達(dá)。另有報(bào)道,c-fos高表達(dá)的小鼠中骨形成也會增加,這些均證明c-fos與成骨細(xì)胞增殖有關(guān)。而且c-fos與c-jun編碼的蛋白質(zhì)c-fos,c-jun能形成異二聚體,作為

4、轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合到基因啟動子區(qū)的ap-1位點(diǎn),已觀察到在增殖的成骨細(xì)胞中有很高的ap-1結(jié)合活性,而在增殖下調(diào)后,這種高活性也明顯改變,這說明原癌基因可能通過c-fos/c-jun復(fù)合物來調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖2。在成骨細(xì)胞增殖期,同時還能表達(dá)的基因有表皮生長因子(fgf)、胰島素樣生長因子(igf)、轉(zhuǎn)化生長因子(tgf)、型膠原、纖維連接素(fibronectin)等基因6。 在細(xì)胞增殖晚期,與細(xì)胞周期與細(xì)胞增殖相關(guān)的基因表達(dá)下降,而編碼細(xì)胞外基質(zhì)成熟的蛋白的基因開始表達(dá),在分化早期主要是堿性磷酸酶表達(dá),因此堿性磷酸酶被認(rèn)為是細(xì)胞外基質(zhì)成熟的早期標(biāo)志,akpmrna表達(dá)此時可增加10倍以上。有學(xué)者用羥基

5、脲抑制成骨細(xì)胞增殖,加入羥基脲1小時后觀察到dna合成和h4組蛋白mrna下降90%,與此同時,akpmrna增加4倍,證明增殖下調(diào)可提前誘導(dǎo)akpmrna表達(dá)5,7。成骨細(xì)胞分泌akp和鈣鹽結(jié)晶體至細(xì)胞外基質(zhì)中,akp使局部磷酸含量增高,促使基質(zhì)礦化。在細(xì)胞外基質(zhì)成熟期,膠原繼續(xù)合成并相互交聯(lián)、成熟。 在成骨細(xì)胞分化晚期,當(dāng)培養(yǎng)細(xì)胞進(jìn)入礦化期,細(xì)胞內(nèi)的akp活性下降,而與細(xì)胞外基質(zhì)中羥磷灰石沉積相關(guān)的基因表達(dá)達(dá)到高峰,如骨橋蛋白(osteopontin)、骨鈣素、骨唾液酸蛋白(bonesialoprotein)基因。骨鈣素等非膠原蛋白分泌至細(xì)胞外基質(zhì)中,與鈣、磷結(jié)合,然后,沿膠原分子的長軸,

6、鈣和磷結(jié)合到膠原分子的側(cè)鏈的膠原氨基酸殘基上,形成羥磷灰石結(jié)晶。在用羥基脲抑制增殖的實(shí)驗(yàn)中同時可觀察到,與akp不同,骨鈣素,骨橋蛋白的mrna表達(dá)不因增殖抑制而增加,證明它們與增殖無關(guān)而可能與礦化基質(zhì)中成骨細(xì)胞分化有關(guān)。owen在體外實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步觀察-磷酸甘油(-gp)對骨鈣素產(chǎn)生的影響,-gp是羥磷灰石形成的原料,能被akp迅速水解,釋放出無機(jī)磷。如果培養(yǎng)中沒有-gp時,即使細(xì)胞通過細(xì)胞外基質(zhì)成熟期進(jìn)入礦化階段,骨鈣素基因也不能表達(dá),說明在沒有礦物質(zhì)沉積時不能表達(dá)礦化階段的基因5。 體外培養(yǎng)的成骨細(xì)胞在骨礦化期骨鈣素高度增加,此后,骨鈣素逐漸降低,與此同時,可觀察到膠原酶增加,成骨細(xì)胞開始

7、凋亡,并出現(xiàn)代償性細(xì)胞增殖和膠原合成8。 3成骨細(xì)胞性骨形成的調(diào)控機(jī)制 成骨細(xì)胞在產(chǎn)生、發(fā)展的各個階段均需借助于精細(xì)的調(diào)控,以最終完成正常的骨形成。已知很多全身激素和骨組織局部調(diào)節(jié)因子都對成骨細(xì)胞發(fā)揮作用并影響成骨細(xì)胞發(fā)展的各個階段,調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞功能。已知的全身激素如甲狀旁腺激素(pth)、甲狀旁腺激素相關(guān)肽(pthrp)、1,25-二羥維生素d31,25(oh)2d3、降鈣素(ct)、糖皮質(zhì)激素、生長激素、甲狀腺激素、性激素等對骨形成均有影響。而近年來,骨組織局部調(diào)節(jié)因子對骨形成所起的作用尤受重視。 3.1胰島素樣生長因子(igfs) igfs是骨細(xì)胞中含量最豐富的生長因子,對成骨細(xì)胞功能起

8、重要的調(diào)節(jié)作用,目前已知的igf主要為igf-和igf-,igf-、igf-由骨細(xì)胞生成并儲存于骨中,在骨吸收時從骨中釋放出來;成骨細(xì)胞在骨吸收時也能分泌增加量的igfs,以自分泌方式發(fā)揮作用,刺激成骨細(xì)胞增殖和分化;另外由破骨細(xì)胞產(chǎn)生的igfs以旁分泌方式作用于成骨細(xì)胞。因?yàn)閕gf對骨形成有很強(qiáng)的促進(jìn)作用,因此igfs在骨吸收時大量增加介導(dǎo)了骨吸收和骨形成之間的偶聯(lián)作用,使骨吸收后骨形成增加9,有利于骨重建的正常進(jìn)行。igf-、igf-對成骨細(xì)胞的作用基本相似,但igf-作用較igf-弱。igf-、在成骨細(xì)胞培養(yǎng)中均可刺激成骨細(xì)胞的增殖和型膠原的生成,且與劑量有相關(guān)性,同時igfs還可刺激堿

9、性磷酸酶活性以及骨鈣素的產(chǎn)生10。離體實(shí)驗(yàn)顯示igf-、igf-促進(jìn)鼠成骨細(xì)胞原癌基因c-fos的表達(dá),后者可能在誘導(dǎo)成骨細(xì)胞增殖中起重要作用。不僅如此,igfs還能介導(dǎo)全身激素如糖皮質(zhì)激素、pth、1,25(oh)2d3、雌激素及機(jī)械壓力對成骨細(xì)胞增殖和分化的作用。另外igfs與其他生長因子產(chǎn)生協(xié)同作用,共同刺激成骨細(xì)胞增殖和分化。骨組織中igf受其自身合成,igf受體數(shù)目及其親和力、igfbps等調(diào)節(jié)9,11。tgf也能調(diào)節(jié)igf-表達(dá),tgf增加人成骨細(xì)胞igf-表達(dá),而抑制鼠成骨細(xì)胞的igf-表達(dá)。 igfs為小蛋白,在血循環(huán)中半衰期很短,igfs在體內(nèi)與胰島素樣生長因子結(jié)合蛋白(ig

10、fbps)結(jié)合后半衰期延長很多。骨組織中共存在6種結(jié)構(gòu)相關(guān)的igfbps,igfbps可調(diào)節(jié)igf作用。骨中igfbp1-6除igfbp-1外,其余均由成骨細(xì)胞產(chǎn)生,igfbp-3、igfbp-5可促進(jìn)igf對成骨細(xì)胞的刺激作用。而其他igfbps尤其是igfbp-4阻止igfs結(jié)合到胰島素樣生長因子受體(igfr)上,抑制igf活性。很多因素可調(diào)節(jié)igfbps產(chǎn)生,從而影響骨形成。骨細(xì)胞中,igfs能調(diào)節(jié)igfbps水平,使igfbp-4減少而igfbp-5增加。tgf減少igfbp-4mrna表達(dá),同時顯著增加igfbp-4蛋白分解。在saos-2細(xì)胞系中,pth增強(qiáng)igfbp-4的結(jié)合活

11、性及抑制igfbp-4蛋白酶活性,從而對成骨細(xì)胞產(chǎn)生抑制作用,而雌二醇可以消除pth的這些作用。此外,皮質(zhì)激素能抑制igfbp-5表達(dá)而1,25(oh)2d3刺激igfbp-4表達(dá)從而二者均抑制成骨細(xì)胞增殖9,12。 3.2轉(zhuǎn)化生長因子(tgf) tgf超家族包括tgfs,骨形態(tài)蛋白2-7(bmps2-7),肌動蛋白(actin),抑制素(inhibitin)。tgf合成初期是一種無活性的大分子復(fù)合物。骨基質(zhì)中有大量的無活性tgf,當(dāng)ph降低或纖溶酶及組織蛋白酶激活時,可使無活性的tgf活化。骨組織中骨吸收區(qū)ph值較低,可使tgf活化,因?yàn)閠gf對成骨細(xì)胞骨形成產(chǎn)生重要影響,因此tgf可以調(diào)節(jié)

12、骨吸收區(qū)新骨的形成。tgf對骨形成作用很復(fù)雜。在體外培養(yǎng)中tgf可以抑制或刺激成骨細(xì)胞增殖。這些矛盾的結(jié)果部分由于各個實(shí)驗(yàn)中所使用的tgf濃度,細(xì)胞密度,細(xì)胞來源不同13。tgf刺激非轉(zhuǎn)化的成骨細(xì)胞dna合成及細(xì)胞增殖,同時,tgf誘導(dǎo)c-fos原癌基因表達(dá),而用c-fos反義mrna能阻斷tgf的致有絲分裂作用,證明c-fos表達(dá)在tgf誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞增殖中有重要意義。目前,對tgf對成骨細(xì)胞分化功能的影響存在不同的結(jié)論,有報(bào)道,在原代成骨細(xì)胞培養(yǎng)中,tgf抑制akp和骨鈣素的合成。但另有學(xué)者報(bào)道,tgf可以明顯促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的合成,刺激膠原、骨連接素(osteonectin)和骨橋蛋白合成

13、,增加骨基質(zhì)沉積率14。另外,tgf1減少膠原酶轉(zhuǎn)錄并加速膠原酶mrna降解,這有利于維持骨中的膠原基質(zhì)。在體實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)動物接受tgf2系統(tǒng)性治療能使其小梁骨的形成增加,并且在鼠股骨骨膜下注射tgf1和tgf2也能促使骨發(fā)生15。這些均證明tgf對骨形成起重要作用。tgf在人骨中的量隨年齡增加而下降。體外研究中發(fā)現(xiàn)1,25(oh)2d3、e2可以增加鼠成骨細(xì)胞tgf產(chǎn)量。1,25(oh)2d3并能調(diào)節(jié)tgf受體表達(dá)。在人成骨細(xì)胞中,睪酮和pth同樣能增加tgf產(chǎn)量,除此之外,bmp-2也能增加tgf表達(dá),而且tgf可自身誘導(dǎo)tgf表達(dá)9。 3.3骨形態(tài)蛋白(bmps) bmps是tgf超家族

14、成員,具有刺激成骨的作用。bmp可由成骨細(xì)胞產(chǎn)生,產(chǎn)生的bmp主要與骨基質(zhì)結(jié)合,很少釋放到骨外。bmp的主要生物學(xué)作用是誘導(dǎo)未分化的間質(zhì)細(xì)胞分化形成軟骨和新生骨,前面已提到,bmp-2誘導(dǎo)成骨細(xì)胞的前體細(xì)胞分化成成骨細(xì)胞。在mc3t3-e1小鼠成骨樣細(xì)胞培養(yǎng)中,bmp能增加akp活性和膠原合成,但對成骨細(xì)胞增殖不起作用2。在鼠骨肉瘤ros17/2.8細(xì)胞系培養(yǎng)中,bmp-7抑制細(xì)胞增殖,而在人成骨細(xì)胞培養(yǎng)中,bmp-7刺激細(xì)胞增殖。bmps與其他生長因子相互作用,共同誘導(dǎo)新骨形成,如tgf、vitd可使bmp-2增加。糖皮質(zhì)激素促進(jìn)bmp-2、bmp-4對成骨細(xì)胞分化的誘導(dǎo)作用并在分化早期促進(jìn)

15、bmp-6合成,bmp-6在成骨細(xì)胞分化早期有重要作用,它介導(dǎo)糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞分化。bmps對其他生長因子的影響表現(xiàn)在bmp-2增加大鼠成骨細(xì)胞igf-、igf-,bmp-4增加單核細(xì)胞tgf,而bmp-7能增加igf-型受體的數(shù)量和減少igfbp-4的產(chǎn)生及增加igfbp-3、-5的產(chǎn)生。bmps通過調(diào)節(jié)這些生長因子而誘導(dǎo)成骨作用9,16,17。 3.4白細(xì)胞介素1(il-1) il-1由單核巨噬細(xì)胞和骨髓基質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生,可自分泌、旁分泌發(fā)揮作用。現(xiàn)已證明,它不僅對破骨細(xì)胞性骨吸收有明顯促進(jìn)作用,而且它還能影響成骨細(xì)胞性骨形成。il-1對成骨細(xì)胞增殖有促進(jìn)作用,而它對成骨細(xì)胞分化的作用

16、比較復(fù)雜,不同的研究結(jié)果顯示,il-1可以刺激或抑制膠原合成、akp活性和骨鈣素合成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不同是由于實(shí)驗(yàn)中所采用成骨細(xì)胞培養(yǎng)方法、細(xì)胞密度、il-1劑量和il-1處理時間、方式的不同2。最近,shadman用大鼠骨髓基質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn),觀察到il-1短暫作用于成骨細(xì)胞時,骨結(jié)節(jié)形成增加且呈劑量依賴性;而il-1較長時間作用于成骨細(xì)胞時可產(chǎn)生雙向作用,低劑量增加骨結(jié)節(jié)形成,而較高劑量對骨結(jié)節(jié)形成不產(chǎn)生影響或產(chǎn)生抑制作用。不僅如此,il-1對骨形成的作用也與細(xì)胞密度有關(guān),抑制作用只在采用最高的細(xì)胞密度接種時出現(xiàn)。在體實(shí)驗(yàn)研究表明,間斷注射il-1導(dǎo)致骨吸收的短暫增加,而隨后伴隨較長時間的骨形成增加2,6,18。 il-1的產(chǎn)生受全身激素的調(diào)控,雌激素能抑制成骨細(xì)胞分泌il-1,而1,25(oh)2d3作用于成骨細(xì)胞使其產(chǎn)生il-1增加19。 3.5腫瘤壞死因子(tnf) tnf是17kda的細(xì)胞因子,由破骨細(xì)胞樣細(xì)胞及成骨細(xì)胞合成。現(xiàn)已證明tnf可以直接作用于成骨細(xì)胞,對其增殖、分化產(chǎn)生影響。tnf對成骨細(xì)胞的作用較復(fù)雜,tnf在非轉(zhuǎn)化的成骨細(xì)胞系中能刺激dna合成,而在大鼠骨肉瘤細(xì)胞系(ros17/2.8)培養(yǎng)中,tnf不影響dna合成或在低劑量時抑制dna合成。最近,frost在人成骨細(xì)胞(hobs)培養(yǎng)中發(fā)

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