牵拉成骨技术中骨髓细胞的作用机制探析

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牵拉成骨技术中骨髓细胞的作用机制探析

来源：河北医科大学学报作者：方均,张一,王斌

发布于：2021-04-09 共9679 字

　　摘　　　　要：牵拉成骨技术广泛应用于骨科、修复重建外科、口腔颌面外科、神经外科、下

肢血管病科等多学科，其作用机制纷繁复杂。骨髓系统是牵拉成骨中必要组分之一，骨髓细胞

则是骨髓系统的主体成分。尽管如此，并未见系统性骨髓细胞在牵拉成骨中作用机制的报道。

本文对骨髓中多种与牵拉成骨有关的细胞(如骨髓间充质干细胞、内皮祖细胞、成骨细胞、破

骨细胞等)进行归纳总结，发现其各自分工的同时又通过细胞间相互作用、通过不同的信号通

路共同调控延长区新血管、新骨的形成，且临床中应用移植骨髓细胞促进牵拉成骨愈合证实了

骨髓细胞重要的作用。虽然骨髓细胞在促进牵拉成骨愈合中扮演了重要角色，但仍需进一步研

究其细胞间相互作用。

　　　关键词：骨髓细胞; 骨髓; 牵拉成骨;

牵拉成骨(distraction osteogenesis, DO)是在截骨的两端安装牵拉装置，然后以适当的速率牵拉截

骨端，激发体内组织再生能力，在延长区内诱导新骨形成的过程，目前已广泛应用于骨缺损、

骨延长、骨感染、肢体矫形、下肢慢性缺血性疾病[1]等。成骨的作用离不开骨髓与骨膜的共同

作用。骨髓中含有多种细胞成分，这些细胞是 DO 过程中形成新血管及骨组织的重要来源之

一。从骨髓中分离的成人间充质干细胞(bone mesenchymal stem cells, MSCs)具有多种潜能，可

分化为骨、软骨、肌肉和脂肪等组织。骨髓中同时含有丰富的生长因子，这些生长因子为在

DO 中新骨形成中起到重要的调节作用。在 DO 中，血管再生是新骨生成的基本保证，而骨髓

中富饶的血管系统，为 DO 提供了充足的营养与支持作用。既往有学者以骨膜为入手点综述其

在DO 中的作用机制[2],故本文以骨髓细胞为入手点综述其对 DO 的作用机制。

　 1 　、DO 相关的骨髓细胞成分及其发生

骨髓位于髓腔及松质骨间隙中，是一种近似海绵状、胶冻状或脂肪性的柔软组织，由血管、网

状组织和各种基质组成，富含多种细胞成分。骨髓促进牵张成骨的作用与其细胞成分密切相

关，主要包括骨髓间充质干细胞(bone mesenchymal stem cells, BMSCs)[3]、内皮祖细胞

(endothelial progenitor cells, EPCs)[4]、成骨细胞(osteoblasts, OBs)[5]、破骨细胞(osteoclasts, OCs)

[5]等。

BMSCs 是一种来源于中胚层的非造血性多能干细胞，存在于髓腔骨内膜、基质以及血管周

围，具有极强的成骨能力。Pittenger 等[6]对BMSCs 的诱导分化实验中证明，在 BMSCs 的培养

基中加入不同的诱导剂可诱导形成脂肪细胞、软骨细胞、成骨细胞等。来源于髓系血细胞的单

核巨噬细胞所融合而成的破骨细胞，则具有吸收骨质的能力。成骨细胞的生成骨质能力与破骨

细胞的骨质吸收能力共同作用，参与骨质的改建与塑形。因此，骨髓间充质干细胞、成骨细

胞、破骨细胞等在 DO 中起到重要的成骨塑形作用。

EPCs 起源于胚胎发育早起的中胚层，主要来源于骨髓，是一种能直接分化为血管内皮细胞

(endothelial cells, ECs)的前体细胞，可促进血管的修复与再生[7]。Lee 等[8]在DO 过程中检测到

EPCs 分泌的细胞动员因子如血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)、超化

因子 1(stromal cell-derived factor-1,SDF-1)增加，证明了DO 过程中 EPCs 的动员。SDF-1 可促进

DO 中延长区新骨矿化。Lee 等[9]的另一DO 实验，在大鼠DO 模型中测量血流量及EPCs 分

布，证明了EPCs 的动员以及归巢有助于DO 中新血管的生成。Jia 等[4]与Lee 等[9]分别在大鼠

实验与临床研究中证明了骨髓细胞中的内皮祖细胞通过刺激血管形成加快了DO 的骨矿化过

程。由此看来，EPCs 分化为 ECs 促进血管形成，对于 DO 中髓腔的循环起到了至关重要的作

用，众所周知循环系统可发挥营养支持作用；同时 EPCs 分泌的SDF-1 促进了 DO 的骨矿化。

因此 EPCs 也是DO 中不可或缺的细胞之一。

　 2　、DO 中重要骨髓细胞间相互作用

复杂的生物学效应并不是由某种细胞单独发挥作用，而是多种细胞之间通过相互作用来表达。

BMSCs 和EPCs 作为 DO 中两种重要的细胞，各司其职的同时又互相影响。有研究表明，当

BMSCs 与EPCs 共同培养相比单独培养时，VEGF Ⅰ、型胶原蛋白(type-Ⅰ collagen)、骨桥蛋白

(osteopontin, OPN)、骨结核素(osteonectin, OCN)的mRNA 表达明显上调，说明 BMSCs 与EPCs

相互作用既可以促进成骨也可以促进成血管[10]。EPCs 已被证实可以通过分泌某些因子分化为

血管内皮细胞，Qin 等[11]对EPCs 与BMSCs 研究指出，EPCs 通过分泌细胞外小泡(endothelial

progenitor cells extracellularvesicles, EPC-EVs)来调节 BMSCs 的增殖与分化。Yu 等[12]的研究中

表明，当 BMSCs 与EPCs 共同培养时，不仅相互促进增殖，而且提高了抗凋亡蛋白 Bcl-2 的表

达以及降低了促凋亡蛋白 Bax 和Caspase3 的表达，因此两种细胞共同培养时具有互相抑制凋亡

的作用，同时也证明了BMSCs 与EPCs 两者通过 PI3K/Akt/Cox2 轴来介导上述作用。因

此，DO 中的 BMSCs 与EPCs 共存时相互提高活性，不仅促进各自独有的作用，而且共同促进

成骨塑形与成血管作用。

骨的动态平衡由OCs 与OBs 共同作用，前者移除旧的骨质，后者形成新的骨质。当这种动态

平衡被打破时，会导致骨质疏松症或骨硬化症。成骨细胞可分泌多种细胞因子，如核因子 κ B

受体活化因子配体(receptor activator of nuclear factor-κB ligand, RANKL)、巨噬细胞集落刺激因

子(macrophage-stimulating factor, M-CSF)、单核细胞趋化蛋白 1(monocyte chemoattractant

protein-1,MCP-1)等[13]。M-CSF 上调破骨细胞前体细胞膜上RANK 的表达，加强RANK 的配

体RANKL 与其结合，促进破骨细胞的分化以及骨质的吸收[14]。MCP-1 与破骨细胞前体细胞

表达的MCP-1 受体特异性结合，RANKL 调控前体破骨细胞向破骨细胞分化的过程[15]。破骨

细胞也可分泌多种细胞因子影响成骨细胞的发生与其成骨作用，如肝配蛋白、臂板蛋白和丛状

蛋白等[16]。总的来说，DO 中新骨的改建与塑形离不开 OBs 与OCs 的相互作用。

各种骨髓细胞在 DO 过程中发挥不同的作用，相互影响共同调控 DO 过程，简要作用见表1。

表1 骨髓细胞在牵拉成骨中的作用

　 3 　、DO 中骨髓重要细胞的信号通路

　　 3.1　、经典 BMP 信号通路

骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein, BMP)属于转化生长因子 β(transforming growth

factor-β,TGF-β)超家族的一类多功能生长因子，目前对其研究及应用最为广泛，BMP 的信号传

导既有典型的依赖 Samd 途径[17],也有非典型的不依赖 Samd 途径(如p38 丝裂原活化蛋白激

酶，p38-MAPK)[18]。

BMP 在DO 中具有极强的成骨作用[19,20]。DO 中，经典的级联反应BMP-Samd 信号通

路，BMP2、BMP4 等首先与细胞膜上具有丝氨酸/苏氨酸激酶活性的受体BMPR Ⅱ 结合并使其

磷酸化，然后激活受体BMPR Ⅰ,BMPR Ⅰ 进一步磷酸化Smad1、Smad5 和Smad8,磷酸化后的

Smad1、5、8与Smad4 在细胞质中形成复合物，转位到细胞核后，复合物与成骨细胞中的其他

转录因子如 Runx2 相互作用使靶基因翻译及表达相关蛋白[18],促进 BMSCs 向前体成骨细胞分

化[21]。Khanal 等[22]用免疫组织化学方法的对 DO 中的 BMP2、BMP4 和

Smad1、Smad5、Smad8 进行检测，这些因子首先出现在截骨边缘的间充质细胞与成骨细胞

中，随着延长的进行这些细胞高度表达，牵拉结束后相关因子随着时间的推移逐渐表达降

低。Li 等[23]在兔DO 的模型中指出，应用 rhBMP-2 和rhBMP-2 联合纤维蛋白的实验组无论在

放射学、Micro-CT、组织学还是弯曲力学检查上，均优于空白组及对照组，说明了rhBMP-2 对

DO 具有较强的成骨作用。

3.2　、p38/MMP-2 信号通路

DO 稳定、持续、缓慢的牵拉提供了一个几乎静态的机械应变力，BMSCs 感知静态应变力后，

被血管基底膜(vessel of basilar membrane, VBM)释放并迁移到延长区促进骨的再生与修复。p38

蛋白作为丝裂原活化蛋白激酶超家族的成员之一，可调节细胞对机械信号的反应及促进细胞迁

移。Yang 等[24]团队的一项实验中证实了实验组(DO 组)大鼠的延长区骨痂中Nestin+/p38+细胞

数明显高于对照组(非DO 组),且体外实验中具有活性的 p38 可促进 BMSCs 的迁移及应用 p38 的

阻断剂后阻断了p38 的活化及 MMP-2 的表达，首次揭示了静态应变通过 p38/MMP-2 信号通路

促进 BMSCs 迁移。

3.3　、FGF/FGFR 信号通路

成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor, FGF)在胞膜上与具有酪氨酸激酶活性的受体

FGFR(FGFR1、FGFR2、FGFR3、FGFR4)特异性结合后，引起细胞内信号传导级联反应，其中

对DO 中成骨细胞具有重要影响。Haque 等[25]采用兔胫骨的 DO 模型分析了

FGF1,FGF2,FGF18,IGF1,IGF2,TGFβ1 的时间与空间上的分布，结果显示延长期的成骨细胞明显

表达 FGF2,且FGF18 不同于其他影响因子，其在牵拉各个时期均显着表达，提示FGF18 对DO

的作用尤为显着。Fang 等[26]对小鼠下颌骨 DO 的研究中表明，在截骨后第13 天(延长期),正常

牵拉组小鼠的FGF2 水平是急性延长组小鼠 FGF2 水平的4倍，正常牵拉组小鼠均获得骨性愈

合，而急性延长组小鼠则出现纤维性骨不连的情况，表明 FGF2 对DO 具有重要的成骨作用。

　 3.4 　、SDF-1/CXCR4 轴-PI3K/Akt 信号通路

细胞基质衍生因子(stromal cell derived factor-1,SDF-1)与G蛋白偶联受体C-X-C 基序趋化因子受

体(C-X-C motif receptor 4,CXCR4)特异性结合后，PI3K(磷脂酰肌醇3激酶)再被偶联受体上的

Gβγ 亚基结合，使PIP2 磷酸化成 PIP3,PIP3 作为细胞内重要的第二信使可磷酸化Akt(蛋白激酶

B)从而发挥下游的生物学效应。SDF-1/CXCR4 轴-PI3K/Akt 信号通路作为人体中一条重要的信

号通路，有研究表明其不仅对EPCs 募集、分化、迁移、抗凋亡具有关键的作用[27,28],也有研

究表明其同时对 BMSCs 具有分化、迁移作用[29,30]。

Fujio 等[31]对小鼠 DO 的实验中证明快速DO 组(H-DO)的小鼠局部应用 SDF-1 后，可募集骨髓

的内皮细胞与 EPCs 加速血管生成从而促进延长区的矿化。Xu 等[32]在大鼠DO 与骨折的模型

中证明，DO 组SDF-1 和成骨相关基因的表达水平均高于骨折组，SDF-1 的峰值出现在牵张期

结束时，且在大鼠BMSCs 的培养中，应用 CXCR4 拮抗剂 AMD3100 后，碱性磷酸酶与早期成

骨相关基因表达明显降低。

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牵拉成骨技术中骨髓细胞的作用机制探析来源：河北医科大学学报作者：方均,张一,王斌发布于：2021-04-09共9679字　　摘　　　　要：牵拉成骨技术广泛应用于骨科、修复重建外科、口腔颌面外科、神经外科、下肢血管病科等多学科，其作用机制纷繁复杂。骨髓系统是牵拉成骨中必要组分之一，骨髓细胞则是骨髓系统的主体成分。尽管如此，并未见系统性骨髓细胞在牵拉成骨中作用机制的报道。本文对骨髓中多种与牵拉成骨有关的细胞(如骨髓间充质干细胞、内皮祖细胞、成骨细胞、破骨细胞等)进行归纳总结，发现其各自分工的同时又通过细胞间相互作用、通过不同的信号通路共同调控延长区新血管、新骨的形成，且临床中应用移植骨髓细胞促进牵...

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