影响骨折愈合的细胞内信号通路研究进展

影响骨折愈合的细胞内信号通路研究进展
发布时间：2021-06-07T06:58:17.283Z 来源：《中国医学人文》(学术版)2021年4月4期作者：崔宏宇[导读] 细胞的各种生物学过程，包括增殖、分化、凋亡等均受到多条信号通路控制，机体维持稳态依赖信号通路地精准调控。

本文系统、深入地概述了参与骨折愈合的多条重要细胞内信号通路及其作用机制，为临床治疗提供理论依据，并为药物研发提供新思路。

崔宏宇
广州市番禺区中心医院创伤骨科广东广州 511400【摘要】细胞的各种生物学过程，包括增殖、分化、凋亡等均受到多条信号通路控制，机体维持稳态依赖信号通路地精准调控。

本文系统、深入地概述了参与骨折愈合的多条重要细胞内信号通路及其作用机制，为临床治疗提供理论依据，并为药物研发提供新思路。

【关键词】骨折愈合；信号通路；研究进展
Research progress of cellular signaling pathways involving in fracture healing CUI Hongyu
（Department of Traumatic Orthopaedics，Guangzhou Panyu District Central Hospital，Guangzhou 511400，Guangdong，China） Abstract：Multiple signaling pathways regulate cellular biology progress，including proliferation，differentiation and apoptosis.To maintain homeostasis depends on precise regulation of signaling pathways.This review summarized the mechanism of cellular signaling pathways involving in fracture healing systematically and thoroughly，providing theoretical basis for clinical application，and novel perspectives for drug development.
Keywords：fracture healing；signaling pathways；research progress 骨折是现代骨外科的常见疾病，骨科手术的新技术及药物治疗等联合应用极大程度地促进骨折愈合，但是仍有约5%-10%的骨折因各种
因素导致骨折不愈合或延迟愈合[1]。

骨折愈合是一个复杂的生理过程，多种信号分子以其特定的方式参与其中，通过调控基因表达等方式诱导血管形成或骨形成。

本文综述了国内外相关文献，详细、系统地阐释了不同细胞内信号通路在骨折愈合过程中的作用机制，以期为临床应用及药物研发提供理论依据。

1 调控成骨细胞和软骨细胞的增殖、分化及功能
骨折后首先炎性细胞浸润破损组织，形成血肿。

随后骨髓来源的间充质干细胞（MSC）被招募到创口处，并增殖、分化为软骨细胞和成骨细胞，合成并矿化新的骨骼基质。

最后，由破骨细胞和成骨细胞重塑骨组织。

促进MSC向软骨细胞和成骨细胞分化，即可增加骨量和骨密度，帮助骨折愈合。

1.1 骨形态发生蛋白（BMP）
BMP属于转化生长因子-β（TGF-β）家族，在胚胎发生过程中为骨骼发育提供形态发生信号。

BMP与其Ⅰ/Ⅱ型受体结合后，激活经典的Smad信号通路与非经典Smad信号通路（如MAPK），诱导MSC迁移与增殖，分化为成骨细胞和软骨细胞，合成胶原蛋白，形成钙化的骨组织，促进骨组织修复。

BMP-2与细胞膜上受体结合后，激活Smad信号通路，迁移入核，调控下游靶基因表达。

在骨折修复的早期阶段，BMP-2、4、7及其Ⅱ型受体表达显著增强。

骨折发生后24h，BMP-2 mRNA的表达水平达到峰值。

BMP-2可参与介导成骨细胞之间的黏附功能并可促进纤维肌动蛋白形成，促进成骨细胞胞外基质矿化，调控成骨细胞晚期分化速度。

目前，临床上使用脉冲电磁场（PEMF）在治疗骨折愈合方面获得十分良好的效果，其机制为PEMF可增强BMP-2的成骨活性，有效促进MSC的成骨分化[2]。

除BMP-2外，BMP-6、9也是MSC分化为成骨细胞的强诱导剂，而其他BMP主要刺激成骨细胞成熟。

BMP可能成为骨折愈合不良或延缓的治疗靶点。

1.2 Wnt信号通路
经典Wnt通路中，Wnt蛋白与受体Frizzled蛋白结合后激活Dsh蛋白，抑制糖原合成酶激酶3β活性，使胞浆中β-catenin蛋白大量聚集。

β-catenin转移入核，调控下游靶基因表达，包括成骨相关转录因子2（Runx-2）和Osterix等。

Runx-2通过与DNA上特定的序列结合，促使成骨细胞增殖分化的基因转录。

Runx-2还可通过诱导成纤维细胞生长因子（FGF）基因表达，参与骨祖细胞增殖，促进成骨细胞生成。

Osterix 也是一种成骨转录相关因子，敲除小鼠的Osterix基因后，可观察到小鼠骨皮质和骨小梁发育成熟受到抑制，I型纤维胶原蛋白及其他成骨标志蛋白表达降低。

作为Runx-2的下游信号分子，Osterix与Runx-2共同参与调节成骨增殖与分化，诱使成骨细胞发育和成熟[3]。

1.3 丝裂原活化的蛋白激酶（MAPK）信号通路
MAPK是一种丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶，通过三级酶促级联反应，促进成骨细胞分化。

细胞外信号调节激酶1/2（ERK1/2）活化后激活Runx-2，使下游Osterix蛋白发生磷酸化，促进成骨细胞分化。

MAPK通路还参与了调控人工骨生物材料介导的基因表达过程，促进成骨基因和蛋白表达。

总之，MAPK通路为设计和制造生物材料提供新的思路，为骨再生医学提供研究线索。

1.4 PI3K/Akt/mTOR信号通路
PI3K/Akt信号通路在骨形成和重塑过程中也发挥作用调控功能。

敲除Akt1/2基因的小鼠会出现骨化延迟，敲除成骨细胞Pten（PI3K信号通路的负调控因子）基因的小鼠，其骨密度显著增加。

这些结果说明PI3K/Akt信号通路可促进成骨细胞增殖与分化及骨形成。

另外，PI3K/Akt信号通路还可与其他信号通路共同作用促进骨形成。

例如，碱性成纤维细胞生长因子（b-FGF）可通过激活PI3K/Akt信号通路，促进骨保护素（OPG）、Runx-2、p-Akt和BMP-2生成。

除上述细胞内信号通路外，血小板源性生长因子、FGF、表皮生长因子受体等均可调控MSC的增殖和分化，影响软骨细胞和成骨细胞的生成，促进或抑制骨折愈合。

2 调控破骨细胞功能
破骨细胞是人体内唯一具有骨吸收功能的细胞，是骨重塑阶段的重要作用细胞。

参与破骨细胞形成的细胞因子包括核因子κB配体（RANKL）和巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF）。

M-CSF可控制破骨细胞前体的存活和增殖，RANKL通过激活RANK或与OPG结合，调节破骨细胞的形成。

RANKL/RANK/OPG调控下游信号转导，如NF-κB、MAPK等。

BMP信号通路除诱导成骨细胞外，也可调控破骨细胞。

Kaneko等[4]报道BMP-2和BMP-4以剂量依赖的方式，刺激离体大鼠破骨细胞对骨的吸收。

BMP-2通过RANKL信号通路，控制小鼠破骨细胞前体细胞的存活、扩增及分化。

BMP-4体外刺激破骨细胞形成，且当BMP-4在破骨细胞或肝脏中高表达时，破骨细胞数量显著增加，骨损失增加。

总之，BMP配体可增加破骨细胞的形成和活性，同时阻止破骨细胞的凋亡。

Wnt信号通路中的关键蛋白β-catenin，在破骨细胞中持续活化，可阻断破骨细胞分化，使骨量增加；但是当破骨细胞中β-catenin被抑制时，破骨细胞增殖减少，骨量同样增加。

3 控制血管生长、内皮细胞增殖
3.1 环氧化酶（Cox）/前列腺素E2（PGE2）信号途径
受外界刺激，机体内Cox-2表达上调，催化PGE2生成。

Cox-2/PGE2通过与细胞膜受体结合，高表达血管内皮生长因子（VEGF）。

骨折后，VEGF由各种炎症细胞和MSC分泌产生，促进血管内皮细胞增殖，生成新的血管。

新生血管给创口提供营养物质并排泄代谢产物，为骨再生提供必要条件及微环境。

一些药物如非甾体抗炎药，降低PGE2的合成，抑制骨折端血供情况，对骨折愈合产生不良影响。

同理，使用针对VEGF受体的抗体阻断VEGF活性，可导致血管体积降低、组织形成减少、血管形成延迟。

3.2 基质金属蛋白酶（MMP）
在软骨内骨化和重塑阶段，MMP降解软骨和骨骼的细胞外基质，使血管侵入到新生成的骨骼中。

敲除MMP-13的小鼠中，破骨细胞向骨折骨痂的募集受到干扰，减慢了软骨的吸收。

敲除MMP-9后的小鼠中也观察到了类似的现象。

这些研究表明，MMP-13和MMP-9影响了软骨和骨的重塑。

目前临床上通过检测患者血清中MMP的水平可用于评估骨折患者愈合不良的风险。

4 炎症相关信号通路
急性促炎反应对启动骨折愈合至关重要。

骨折后，骨骼结构和血管供应受到破坏，导致骨机械稳定性丧失、组织营养和氧供应不足。

骨折部位形成的血凝块，既可止血，又能释放多种细胞因子，招募淋巴细胞、巨噬细胞、中性粒细胞和嗜酸性粒细胞等炎症细胞。

这些炎症细胞不仅可以清除受损和失活组织，还可以分泌各种细胞因子，促进或抑制骨折愈合。

例如，肿瘤坏死因子α（TNF-α）可诱导肥大软骨细胞凋亡并募集破骨细胞，调节软骨吸收。

在敲除TNF-α的转基因小鼠中，软骨细胞分化受到抑制，软骨骨化发生延迟。

在损伤后24h内局部应用小剂量TNF-α，可通过刺激天然免疫反应促进骨折愈合。

IL-6可调节MSC的募集、增殖，并刺激其向成骨细胞分化。

IL-6还可诱导外周血单核细胞分化为破骨细胞。

敲除IL-6的小鼠，早期骨折愈合的愈伤组织强度降低，愈伤组织矿化和重塑延迟。

炎症细胞因子激活NF-κB 信号通路，促进骨髓来源的MSC使骨基质矿化，推动骨再生。

炎症细胞因子还可通过分泌生长因子，促进细胞增殖和分化，协助骨组织修复。

5 展望
骨折愈合是一个复杂且受到精密调控的过程，目前对影响骨折愈合的细胞内信号通路已经深入到了基因和分子水平，但是各条通路之间的相互作用错综复杂，这种联系将会直接或间接影响骨折的愈合，因此到目前为止，我们仍不能清晰、完整地描述骨折愈合各个阶段不同分子及信号通路产生的作用。

综上所述，为了给临床治疗骨折愈合提供更多理论依据，开创新药及组织工程构建物的研发和临床实践思路，对于骨折后各组织细胞内的信号转导机制还需要更加深入的研究和分析。

参考文献：
[1]Poorman GW，Segreto FA，Beaubrun BM，et al.Traumatic Fracture of the Pediatric Cervical Spine：Etiology，Epidemiology，Concurrent Injuries，and an Analysis of Perioperative Outcomes Using the Kids' Inpatient Database [J].Int J Spine Surg，2019，13（1）：68-78.
[2]Okada M，Kim JH，Yoon ST，et al.Pulsed Electromagnetic Field（PEMF）plus BMP-2 upregulates intervertebral disc-cell matrix synthesis more than either BMP-2 alone or PEMF alone [J].J Spinal Disord Tech，2013，26（6）：E221-226.
[3]吴钰坤，韩杰，温帅波.骨折愈合过程中Runx2基因的作用机制[J].中国组织工程研究，2021，25（14）：2274-2279.
[4]Kaneko H，Arakawa T，Mano H，et al.Direct stimulation of osteoclastic bone resorption by bone morphogenetic protein（BMP）-2 and expression of BMP receptors in mature osteoclasts [J].Bone，2000，27（4）：479-486.。