藥學畢業論文：成骨細胞骨形成機制研究

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骨不斷地進行著重建，骨重建過程包括破骨細胞貼附在舊骨區域，分泌酸性物

質溶解礦物質，分泌蛋白酶消化骨基質，形成骨吸收陷窩；其后，成骨細胞移行至

被吸收部位，分泌骨基質，骨基質礦化而形成新骨。破骨與成骨過程的平衡是維持

正常骨量的關鍵。成骨細胞是骨形成的主要功能細胞，負責骨基質的合成、分泌和

礦化。目前，隨著研究的不斷深入，在骨形成過程中，成骨細胞發展及其調控的分

子機制也逐漸得以揭示。

1成骨細胞的起源

成骨細胞起源于多能的骨髓基質的間質細胞，除成骨細胞外，基質細胞還可分

化成軟骨細胞，成纖維細胞，脂肪細胞或肌細胞。成骨細胞來源譜系有以下幾種：

(1)骨髓克隆形成單位(成纖維細胞集落形成單位，CFU-F)；(2)骨祖細胞，可分化

成前成骨細胞和前軟骨細胞譜系，常位于骨髓腔中，有很強的自身增殖能力；(3)

前成骨細胞，即最近的成骨前體，能定向分化成成骨細胞，具有合成和增殖能力［

1，2］。成骨細胞由多能的間質干細胞在體內的各種調控因素的調節下發展而來，

調控因素主要有BMP-2，BMP-2能誘導基質細胞向成骨細胞分化，具體就是誘導間質

干細胞分化形成骨祖細胞進而形成前成骨細胞［3］。

2成骨細胞發展階段及骨形成機制

成骨細胞在骨形成過程中要經歷成骨細胞增殖，細胞外基質成熟、細胞外基質

礦化和成骨細胞凋亡四個階段。很多因素可調節這幾個階段，從而最終調控骨形成

。

成骨細胞增殖期成骨細胞數量增加，以形成多層細胞，并合成、分泌Ⅰ型膠原

以便最終可以礦化形成骨結節。對成骨細胞增殖的調控具體說來即是對細胞周期的

調控，后者包括細胞在有絲分裂原作用下復制DNA和細胞分裂的調節機制，典型的

成骨細胞細胞周期時間為20～24小時［4］。抑制與細胞周期調節相關的基因會導

致增殖的停止。與增殖激活有關的基因有c-myc、c-fos、c-jun；與細胞周期有關

的基因有組蛋白、細胞周期素基因。在顱蓋骨分骨細胞培養中觀察到細胞從顱蓋骨

中分離后很快即出現最高水平的c-fosmRNA表達，比c-myc和H4組蛋白基因表達早

許多。c-mycmRNA常在1天后表達達到高峰，H4組蛋白基因表達伴隨細胞內DNA合成

，與增殖密切相關［5］。c-fos、c-jun基因表達在增殖晚期明顯下調，同時伴隨

成骨細胞增殖減慢，細胞由增殖期進入分化期。c-fos對成骨細胞增殖的作用在體

內實驗中也得到證實，如在人的長骨與胚胎骨生長旺盛的區域c-fos原癌基因高表

達。另有報道，c-fos高表達的小鼠中骨形成也會增加，這些均證明c-fos與成骨細

胞增殖有關。而且c-fos與c-jun編碼的蛋白質c-fos,C-jun能形成異二聚體，作為

轉錄因子結合到基因啟動子區的AP-1位點，已觀察到在增殖的成骨細胞中有很高的

AP-1結合活性，而在增殖下調后，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復合物來調節細胞增殖［2］。在成骨細胞增殖期，同時還能表達的

基因有表皮生長因子(FGF)、胰島素樣生長因子(IGF)、轉化生長因子β(TGFβ)、

Ⅰ型膠原、纖維連接素(fibronectin)等基因［6］。

在細胞增殖晚期，與細胞周期與細胞增殖相關的基因表達下降，而編碼細胞外

基質成熟的蛋白的基因開始表達，在分化早期主要是堿性磷酸酶表達，因此堿性磷

酸酶被認為是細胞外基質成熟的早期標志，AKPmRNA表達此時可增加10倍以上。有

學者用羥基脲抑制成骨細胞增殖，加入羥基脲1小時后觀察到DNA合成和H4組蛋白m

RNA下降90%，與此同時，AKPmRNA增加4倍，證明增殖下調可提前誘導AKPmRNA表達

［5，7］。成骨細胞分泌AKP和鈣鹽結晶體至細胞外基質中，AKP使局部磷酸含量增

高，促使基質礦化。在細胞外基質成熟期，膠原繼續合成并相互交聯、成熟。

在成骨細胞分化晚期，當培養細胞進入礦化期，細胞內的AKP活性下降，而與

細胞外基質中羥磷灰石沉積相關的基因表達達到高峰，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

細胞外基質中，與鈣、磷結合，然后，沿膠原分子的長軸，鈣和磷結合到膠原分子

的側鏈的膠原氨基酸殘基上，形成羥磷灰石結晶。在用羥基脲抑制增殖的實驗中同

時可觀察到，與AKP不同，骨鈣素，骨橋蛋白的mRNA表達不因增殖抑制而增加，證

明它們與增殖無關而可能與礦化基質中成骨細胞分化有關。Owen在體外實驗中進一

步觀察β-磷酸甘油(β-GP)對骨鈣素產生的影響，β-GP是羥磷灰石形成的原料，

能被AKP迅速水解，釋放出無機磷。如果培養中沒有β-GP時，即使細胞通過細胞外

基質成熟期進入礦化階段，骨鈣素基因也不能表達，說明在沒有礦物質沉積時不能

表達礦化階段的基因［5］。

體外培養的成骨細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，成骨細胞開始凋亡，并出現代償性細胞增殖和膠原

合成［8］。

3成骨細胞性骨形成的調控機制

成骨細胞在產生、發展的各個階段均需借助于精細的調控，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節因子都對成骨細胞發揮作用并影響成

骨細胞發展的各個階段，調節成骨細胞功能。已知的全身激素如甲狀旁腺激素(PT

H)、甲狀旁腺激素相關肽(PTHrp)、1，25-二羥維生素D3［1，25(OH)2D3］、降鈣

素(CT)、糖皮質激素、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，骨組織局部調節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是骨細胞中含量最豐富的生長因子，對成骨細胞功能起重要的調節作用，

目前已知的IGF主要為IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ，IGF-Ⅰ、IGF-Ⅱ由骨細胞生成并儲存于骨

中，在骨吸收時從骨中釋放出來；成骨細胞在骨吸收時也能分泌增加量的IGFs，以

自分泌方式發揮作用，刺激成骨細胞增殖和分化；另外由破骨細胞產生的IGFs以旁

分泌方式作用于成骨細胞。因為IGF對骨形成有很強的促進作用，因此IGFs在骨吸

收時大量增加介導了骨吸收和骨形成之間的偶聯作用，使骨吸收后骨形成增加［9

］，有利于骨重建的正常進行。IGF-Ⅰ、IGF-Ⅱ對成骨細胞的作用基本相似，但I

GF-Ⅱ作用較IGF-Ⅰ弱。IGF-Ⅰ、Ⅱ在成骨細胞培養中均可刺激成骨細胞的增殖和

Ⅰ型膠原的生成，且與劑量有相關性，同時IGFs還可刺激堿性磷酸酶活性以及骨鈣

素的產生［10］。離體實驗顯示IGF-Ⅰ、IGF-Ⅱ促進鼠成骨細胞原癌基因c-fos的

表達，后者可能在誘導成骨細胞增殖中起重要作用。不僅如此，IGFs還能介導全身

激素如糖皮質激素、PTH、1，25(OH)2D3、雌激素及機械壓力對成骨細胞增殖和分

化的作用。另外IGFs與其他生長因子產生協同作用，共同刺激成骨細胞增殖和分化

。骨組織中IGF受其自身合成，IGF受體數目及其親和力、IGFBPs等調節［9，11］

。TGFβ也能調節IGF-Ⅰ表達，TGFβ增加人成骨細胞IGF-Ⅰ表達，而抑制鼠成骨細

胞的IGF-Ⅰ表達。

IGFs為小蛋白，在血循環中半衰期很短，IGFs在體內與胰島素樣生長因子結合

蛋白(IGFBPs)結合后半衰期延長很多。骨組織中共存在6種結構相關的IGFBPs，IG

FBPs可調節IGF作用。骨中IGFBP1-6除IGFBP-1外，其余均由成骨細胞產生，IGFBP

-3、IGFBP-5可促進IGF對成骨細胞的刺激作用。而其他IGFBPs尤其是IGFBP-4阻止

IGFs結合到胰島素樣生長因子受體(IGFR)上，抑制IGF活性。很多因素可調節IGFB

Ps產生，從而影響骨形成。骨細胞中，IGFs能調節IGFBps水平，使IGFBP-4減少而

IGFBP-5增加。TGFβ減少IGFBP-4mRNA表達，同時顯著增加IGFBP-4蛋白分解。在S

aOS-2細胞系中，PTH增強IGFBP-4的結合活性及抑制IGFBP-4蛋白酶活性，從而對成

骨細胞產生抑制作用，而雌二醇可以消除PTH的這些作用。此外，皮質激素能抑制

IGFBP-5表達而1，25(OH)2D3刺激IGFBP-4表達從而二者均抑制成骨細胞增殖［9，

12］。

3.2轉化生長因子(TGFβ)

TGFβ超家族包括TGFβs，骨形態蛋白2-7(BMPs2-7)，肌動蛋白(actin)，抑制

素(inhibitin)。TGFβ合成初期是一種無活性的大分子復合物。骨基質中有大量的

無活性TGFβ，當pH降低或纖溶酶及組織蛋白酶激活時，可使無活性的TGFβ活化。

骨組織中骨吸收區pH值較低，可使TGFβ活化，因為TGFβ對成骨細胞骨形成產生重

要影響，因此TGFβ可以調節骨吸收區新骨的形成。TGFβ對骨形成作用很復雜。在

體外培養中TGFβ可以抑制或刺激成骨細胞增殖。這些矛盾的結果部分由于各個實

驗中所使用的TGFβ濃度，細胞密度，細胞來源不同［13］。TGFβ刺激非轉化的成

骨細胞DNA合成及細胞增殖，同時，TGFβ誘導c-fos原癌基因表達，而用c-fos反義

mRNA能阻斷TGFβ的致有絲分裂作用，證明c-fos表達在TGFβ誘導的成骨細胞增殖

中有重要意義。目前，對TGFβ對成骨細胞分化功能的影響存在不同的結論，有報

道，在原代成骨細胞培養中，TGFβ抑制AKP和骨鈣素的合成。但另有學者報道，T

GFβ可以明顯促進細胞外基質的合成，刺激膠原、骨連接素(osteonectin)和骨橋

蛋白合成，增加骨基質沉積率［14］。另外，TGFβ1減少膠原酶轉錄并加速膠原酶

mRNA降解，這有利于維持骨中的膠原基質。在體實驗中，實驗動物接受TGFβ2系統

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TGFβ1和TGFβ2也能促

使骨發生［15］。這些均證明TGFβ對骨形成起重要作用。TGFβ在人骨中的量隨年

齡增加而下降。體外研究中發現1，25(OH)2D3、E2可以增加鼠成骨細胞TGFβ產量

。1，25(OH)2D3并能調節TGFβ受體表達。在人成骨細胞中，睪酮和PTH同樣能增加

TGFβ產量，除此之外，BMP-2也能增加TGFβ表達，而且TGFβ可自身誘導TGFβ表

達［9］。

3.3骨形態蛋白(BMPs)

BMPs是TGFβ超家族成員，具有刺激成骨的作用。BMP可由成骨細胞產生，產生

的BMP主要與骨基質結合，很少釋放到骨外。BMP的主要生物學作用是誘導未分化的

間質細胞分化形成軟骨和新生骨，前面已提到，BMP-2誘導成骨細胞的前體細胞分

化成成骨細胞。在MC3T3-E1小鼠成骨樣細胞培養中，BMP能增加AKP活性和膠原合成

，但對成骨細胞增殖不起作用［2］。在鼠骨肉瘤ROS17/2.8細胞系培養中，BMP-7

抑制細胞增殖，而在人成骨細胞培養中，BMP-7刺激細胞增殖。BMPs與其他生長因

子相互作用，共同誘導新骨形成，如TGFβ、VitD可使BMP-2增加。糖皮質激素促進

BMP-2、BMP-4對成骨細胞分化的誘導作用并在分化早期促進BMP-6合成，BMP-6在成

骨細胞分化早期有重要作用，它介導糖皮質激素誘導的成骨細胞分化。BMPs對其他

生長因子的影響表現在BMP-2增加大鼠成骨細胞IGF-Ⅰ、IGF-Ⅱ，BMP-4增加單核細

胞TGFβ，而BMP-7能增加IGF-Ⅱ型受體的數量和減少IGFBP-4的產生及增加IGFBP-

3、-5的產生。BMPs通過調節這些生長因子而誘導成骨作用［9，16，17］。

3.4白細胞介素1(IL-1)

IL-1由單核巨噬細胞和骨髓基質細胞產生，可自分泌、旁分泌發揮作用。現已

證明，它不僅對破骨細胞性骨吸收有明顯促進作用，而且它還能影響成骨細胞性骨

形成。IL-1對成骨細胞增殖有促進作用，而它對成骨細胞分化的作用比較復雜，不

同的研究結果顯示，IL-1可以刺激或抑制膠原合成、AKP活性和骨鈣素合成。實驗

結果的不同是由于實驗中所采用成骨細胞培養方法、細胞密度、IL-1劑量和IL-1處

理時間、方式的不同［2］。最近，Shadman用大鼠骨髓基質細胞進行實驗，觀察到

IL-1短暫作用于成骨細胞時，骨結節形成增加且呈劑量依賴性；而IL-1較長時間作

用于成骨細胞時可產生雙向作用，低劑量增加骨結節形成，而較高劑量對骨結節形

成不產生影響或產生抑制作用。不僅如此，IL-1對骨形成的作用也與細胞密度有關

，抑制作用只在采用最高的細胞密度接種時出現。在體實驗研究表明，間斷注射I

L-1導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的產生受全身激素的調控，雌激素能抑制成骨細胞分泌IL-1，而1，25(O

H)2D3作用于成骨細胞使其產生IL-1增加［19］。

3.5腫瘤壞死因子α(TNFα)

TNFα是17KDa的細胞因子，由破骨細胞樣細胞及成骨細胞合成?，F已證明TNF

α可以直接作用于成骨細胞，對其增殖、分化產生影響。TNFα對成骨細胞的作用

較復雜，TNFα在非轉化的成骨細胞系中能刺激DNA合成，而在大鼠骨肉瘤細胞系(

ROS17/2.8)培養中，TNFα不影響DNA合成或在低劑量時抑制DNA合成。最近，Fro

st在人成骨細胞(hOBs)培養中發現，TNFα低劑量時刺激成骨細胞增殖，而在高劑

量時抑制增殖?，F在，學者們在TNFα對成骨細胞分化的作用的研究結果比較統一

，均認為TNFα抑制膠原合成、AKP活性和骨鈣素合成［2，19，20］。

TNFα在骨組織中產生的調控也與IL-1有相似之處。E2可抑制TNFα的產生，而

1，25(OH)2D3則促進TNFα基因轉錄，增加TNFα形成［19］。這些全身激素常通過

調控骨組織中的細胞因子產生從而調節骨形成。

除以上局部因子外，其他因子如表皮生長因子(EGF)、TGFα、血小板源性生長

因子(PDGF)及一氧化氮等均對骨形成有明顯作用。

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