靶向整合素对骨形成与修复的影响

　　摘要：骨髓间充质干细胞干细胞（MSC）被广泛应用于骨组织破坏缺损类疾病的治疗，但效果有限，如何使提高其成骨能力是现在的研究热点。目前研究表明，整合素作为存在于MSC细胞膜上的跨膜蛋白家族成员之一，可与胞外基质相互作用，产生胞内信号以促进MSCs向骨归巢并向成骨分化，进而促进骨形成与修复。因此，以整合素为靶点对MSC成骨分化进行调节，可对其骨代谢过程产生积极作用，从而。本综述则对目前靶向整合素及其在骨代谢中的作用和机制进行了总结，并以靶向α5、α4亚基及αVβ3为主阐述了当前整合素靶向制剂的研究进展，以阐明靶向整合素在促骨形成和修复中的重要作用和研究意义。

　　关键词：整合素，骨形成，成骨细胞，骨髓间充质干细胞

　　[中图分类号]R2 [文献标识号]A [文章编号]1061-6035（2015）7-0002-02

　　骨吸收速率大于骨形成速率，将导致骨丧失。目前，因创伤、感染、肿瘤、骨坏死、增龄及先天畸形等多种疾病引起的骨丧失临床常见。然而能促骨形成的药物却有限。近年大量研究表明，骨髓间充质干细胞（MSCs），作为骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞等众多种类细胞的前体细胞，具有多向分化潜能，在骨组织再生中被作为重要的细胞源进行深入广泛研究。

　　1 整合素及其作用机制

　　整合素是一种跨膜蛋白，是由α和β链借助非共价键形成的异源二聚体，与细胞间和细胞表面的黏附有关，并因此促进成骨向分化，调节骨形成过程。目前在人类基因组中，已有至少18种α亚基和8种β亚基被发现，它们可以结合成24种功能的整合素。不同整合素有不同的配体，且与配体结合后通过产生构象变化而发挥功能。

　　整合素可以通过与外源性或内源性配体结合，引起细胞膜上的双向信号传递。如FAK（黏附斑激酶）、Rho、Rac和ILK（整合素相关蛋白激酶）。FAK的激活使许多分子磷酸化，包括Src，PI3K以及丝裂原活化蛋白激酶（MAPKs），促进细胞的增殖分化。另外，机械力的传导也诸如MAPK通路等其它信号通路也共同参与影响整合素活动。生长因子和一些其它分子也能控制信号的传递，通过与细胞粘附分子钙粘素相互作用对Wnt信号通路的下游途径起调控作用。

　　2 靶向整合素在骨代谢中的作用机制

　　2.1 骨吸收相关整合素

　　在破骨活性方面研究最为广泛的是αVβ3，它通过RGD序列在破骨细胞粘附至骨基质蛋白的过程中以及破骨细胞的骨吸收活性中起重要作用。单独使用β3整合素的拮抗剂也可抑制破骨细胞介导的骨吸收，Jung的研究显示，将β3基因敲除后，产生的破骨细胞具有功能。其他的一些整合素亚基也可能与破骨细胞的粘附与功能有关，如β1、β2亚家族及αVβ5，但靶向这些整合素是否能在体内有效抑制破骨细胞活性尚有待进一步研究。

　　2.2 骨形成相关整合素

　　整合素在成骨细胞形成全程过程中起重要作用。在诸多成骨相关的整合素中，α5β1引起了广泛关注。α5β1是一种纤连蛋白的细胞表面受体，前成骨细胞粘附于胞外基质并分化为成熟的成骨细胞的过程中必须由α5β1与纤连蛋白的相互作用来介导。机械力的传导与α5β1与FAK和ERK的相互作用相关：机械力的负载使MSCs表达α5β1并与FAK结合，活化了ERK-1和ERK-2，进使MSCs向成骨的分化。Dufour等通过对Wistar雄性大鼠负载不同的力值的比较研究证明，力的卸载能够显著减少体内β1表达量，导致PI3K–Bcl-2通路的下调，成骨细胞凋亡，骨形成减少。

　　有趣的是，有一些促进成骨的分子，如雌激素、甲状旁腺素、TGF-β1、TGF-β2及Wnt1诱导信号通路蛋白1可以使成骨细胞的α5β1异二聚体中的单个亚基上调，表示α5β1亦受控于成骨细胞形成过程。

　　成骨细胞能够表达al、a2、a3、a4、a5、a6、β1、β3等多种亚基。研究表明，老年骨质疏松患者骨髓间充质干细胞不能向成骨系分化增殖的原因是受到α2/ERK/Runx2通路的调控作用。对于α4亚基的研究表示其不仅具有促进干细胞成骨分化的作用，更有促进干细胞归巢的作用。

　　2.3 骨代谢中整合素信号通路的作用机理

　　MSCs向成骨分化必须有FAK-ERK信号的传递。有一些信号通路是通过胞外基质-整合素之间的相互作用，通过激活ERK下调RhoA–ROCK信号调节成骨分化。如前所述，机械应力的改变也可以激活FAK-ERK信号通路。Zahia的体外研究表明，增加MSCs的α5β1的表达可以激活FAK-ERK信号通路并增加Runx2的表达和活性。在未成熟的成骨细胞中胞外基质和α5β1的相互作用可能介导激活FAK-ERK信号通路并通过激活应答Runx2的成骨细胞基因促进成骨分化，但成熟细胞中FAK介导PI3K-Akt活化增加成骨细胞的成活，从而增加成年鼠中的骨形成。

　　其他整合素也可能在成骨过程中起作用。例如，α2β1诱导ROCK，FAK和ERK信号，这些信号与MSCs的存活和成骨分化均有关系。α2β1和α11β1均不足的鼠会患侏儒症，这是因为肝内胰岛素样生长因子-1的产生不足。

　　3 靶向整合素制剂

　　目前整合素已被作为许多疾病的可能治疗靶点，在许多治疗方案中使用整合素拮抗剂或受体断阻剂、阻止整合素的表达、阻断其信号传递来抑制整合素的功能[20]。例如，miRNA可以调控整合素的表达，调控其信号通路及功能。

　　3.1 特异性激动剂靶向α5亚基

　　Hamidouche通过应用全基因组功能分析发现，在成骨分化过程中α5亚基的表达增加，并且发现沉默α5亚基可以使MSCs的分化完全消失，表明了这一特殊的亚基在这一过程中的重要作用。Humphries通过将α5与抗整合素的单克隆抗体或α5激动剂（仿整合素配体肽）结合，改变亚基构造，发现这样做足以激活FAK和ERK信号，通过IGF2/IGFBP2信号通路，使Runx2磷酸化，成骨基因表达，MSCs成骨分化。而且由于β1亚基可与许多种整合素亚基结合，提示了在有大量β1亚基存在的情况下，α5具有对骨形成细胞的调控作用。研究表明，局部注射α5亚基激动剂不仅可以增加体内MSCs分化成成骨细胞而且可以阻止细胞凋亡。

　　3.2 靶向α4亚基及耦连双磷酸盐的归巢作用

　　体内移植MSCs促骨形成的主要难点是仅有少量细胞可以被注射到所需部位，且全身应用MSCs大部分都由于迁移至骨髓外而失去作用。所以，增加MSCs输送归巢至骨是自体MSCs促骨再生的关键点。值得注意的是，MSCs向成骨细胞分化时常表达α4β1，它与纤连蛋白和血管细胞粘附因子-1结合，介导干细胞的骨髓移植。诱导α4亚基的异位表达并与内源性整合素β1形成异源二聚体能显著增加MSCs的归巢，且可以发现移植处生长区MSCs分化成成骨细胞和骨细胞。

　　为了使全身应用MSCs输送至骨的效率提高，可以使用与骨有高亲和力的试剂：双磷酸盐。Guan等人通过静脉注射一种特异性α4亚基配体(LLP2A)与阿仑膦酸钠的耦连物，将表达α4亚基的MSCs细胞靶向于骨表面，进而形成新骨。

　　3.3 靶向αVβ3制剂

　　大量实验研究表明，αVβ3能够使巨噬细胞活化，产生炎症反应，并促使破骨细胞形成、迁移，导致骨吸收及炎症血管形成。有学者用MEDI-522，一种与αV和β3亚基特异性结合的人IgG1单克隆抗体，对风湿性关节炎动物模型进行了研究，发现MEDI-522的使用阻止了αVβ3与其各种配体结合，如骨桥蛋白和玻连蛋白，进而阻止后续炎症形成及骨吸收。所以治疗性使用αVβ3拮抗剂在治疗骨缺损中进一步探索的必要性与可行性。

　　4.问题

　　4.1 副反应

　　一些整合素的表达与癌细胞的附着、入侵和迁移有关，这一过程将引起其他种类细胞表达出整合素的副作用。值得注意的是，VCAM-1和α4β1的相互作用能够促进肿瘤细胞的远处转移，而且α5β1既可以抑制肿瘤活性又可以有促进肿瘤活性的作用，这与组织的局部环境相关。

　　4.2 机体骨免疫影响药物疗效

　　免疫系统与骨骼系统的相互影响不只体现在细胞因子、化学因子上，还与细胞与细胞间的接触相关，慢性炎症对骨免疫中的骨代谢产生强烈的影响。研究表明，当整合素释放它们的配体和树突细胞内的肌动蛋白细胞骨架时，另一个细胞表面受体gm-csf的活性就会增强，增强的信号导致重组树突状细胞发育成熟并诱发它们转移到淋巴结并激活T细胞。

　　5.展望

　　靶向整合素促使MSCs归巢并向成骨细胞分化以促进骨的形成与修复，对治疗有重要意义，可作为骨缺损疾病的治疗基础，具有广泛的应用前景。为使内源性MSCs向成骨分化，可以应用整合素激动剂与与骨有高亲和力的试剂耦连，也可以获取患者的MSCs，体外用α4亚基或α5亚基激动剂处理，然后重新植入，以期促进全身的骨形成过程。为促进骨缺损患者的骨再生，可以应用肽类物质包裹植入的生物工程支架材料来增加MSC的粘附及成骨分化。

　　参考文献：

　　［1］唐雪莲，耿美玉．整合素与肿瘤转移［J］．中国药理学通报，2005，21(10)：1164－7．

　　［2］Tang X L，Geng M Y．Integrin and tumor metastasis［J］．Chin Pharmacol Bull，2005，21(10)：1164－7．

　　［3］李璘，朱荃，陆茵．黏附分子与肿瘤转移［J］．中国药理学通报，2007，23(5)：568－71．

　　赵菁 翟利云 徐召南 王丽丽 闫胜男 高旭广

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