如何促进成骨细胞胞受什么调控?

  • 作者:philippe.clezardin 里昂大学医学院 谢菲尔德大学肿瘤和代谢学系

总共分成了11个小结,每一个小结下面又有很多内容,包括会发生骨转移的癌症,骨转移的详细三步骤讨论,骨转移的症状,骨转移的治疗方法等等各个方面。

一、实体肿瘤骨转移的模式

下面是伴有溶骨性(白色箭头)或成骨细胞(黑色箭头)病变的骨转移的代表性x线片和组织学显示:

  • 对于骨肿瘤切片,矿化骨染为绿色,而骨髓和肿瘤细胞染为红色;
  • 值得注意的是:在成骨细胞病变中,可以观察到广泛的新编织骨woven bone(染成暗红色),导致新的骨小梁骨 trabecular bone的形成,填充骨髓腔bone marrow cavity(白色箭头)

肿瘤细胞的骨定植是一个系列的事件,包括:

  • 1)形成一个转移前的生态位,以吸引骨中的循环肿瘤细胞(ctc)
  • 2)ctc在转移前生态位内的外渗和归巢,在那里它们与骨细胞外基质蛋白结合
  • 3)维持肿瘤细胞在血管生态位和成骨细胞生态位的位置,肿瘤细胞通过与宿主细胞的特定粘附作用变得静止

三、参与骨转移形成的趋化因子及其受体

为了应对转移前生态位产生的促迁移和促炎分子,循环肿瘤细胞(ctc)穿过血管内皮细胞屏障和基底膜(这个过程称为外渗),进入新入侵的实质,在那里它们与特定的细胞外基质成分相互作用,促进它们的生存。

首先是肿瘤细胞外渗(Tumor cell extravasation)机制:在骨髓中,构成血管的血管内皮(称为血窦细胞)主要是不连续的和开窗的,这促进了造血干细胞的移植。因此,窦状窦可能对ctc更宽松,提示肿瘤细胞入侵骨髓对外渗机制的需求有限。事实上,肿瘤细胞劫持了造血干细胞所使用的分子机制。

涉及到的相关重要分子如下:

四、骨常驻肿瘤细胞的命运

骨驻留肿瘤细胞的命运是由多种激活蛋白激酶(MAPK) ERK1/2和p38活性之间的平衡决定的,其中ERK1/2磷酸化的转换有利于增殖,而p38的激活则导致沉默。

ERK1/2和p38活性之间的这种平衡是由几个因素控制的,这些因素要么促进休眠(绿色框),帮助肿瘤细胞在血管和成骨细胞龛中生存,要么增强肿瘤细胞的活化和增殖(红色框)。

增殖的肿瘤细胞容易受到免疫监视,导致肿瘤细胞被CD8+ T细胞NK cell杀死。骨微环境还含有免疫支持加压细胞[骨髓源性抑制细胞(MDSCs),调节性T细胞(Treg),浆细胞样树突状细胞(pDC)],帮助肿瘤细胞逃避适应性免疫。

五、溶骨性骨转移的形成机制

肿瘤细胞分泌的多种因子可直接或间接地通过刺激核因子κ b受体激活剂的分泌抑制成骨细胞Osteoblast产生骨保护素来促进破骨细胞osteoclast介导的骨吸收。

  • 成骨细胞:是骨形成的主要功能细胞,负责骨基质的合成、分泌和矿化。 人类及动物体骨组织不断地进行着重建,骨重建过程包括骨的分解吸收与新骨的形成
  • 破骨细胞:负责骨分解与吸收,而成骨细胞负责新骨形成

六、成骨细胞骨转移形成的调控机制

肿瘤细胞分泌的几种因子可直接促进成骨细胞分化:内皮素-1 (ET-1),骨形态发生蛋白(BMP-2, BMP-6, Wnts

  • 成骨细胞分化的刺激与骨保护素(OPG)产生的增加,核因子-kappaB(RANK)配体(RANK-L)的分泌减少有关
  • 肿瘤来源的ET-1直接作用于成熟的破骨细胞,抑制破骨细胞的活性

因此,骨形成和骨吸收之间存在着强烈的不平衡,导致骨形成异常。

七、免疫细胞对骨转移形成的贡献

骨组织微环境中的先天免疫细胞和适应性免疫细胞同时具有促进肿瘤和抑制肿瘤的活性。

  • CD8+T细胞和自然杀伤细胞(NK)细胞通过产生干扰素 (IFN)-r或trail/FASL诱导的细胞凋亡来消除肿瘤细胞
  • 另一方面:肿瘤细胞可能通过诱导募集骨髓源性抑制细胞(MDSCs)、浆细胞样树突状细胞(pDC)和调节性T细胞(Treg)来逃避免疫细胞(如CD8+T细胞)的细胞毒性活动,从而在骨组织微环境中诱导免疫抑制状态
  • 除了具有抑制肿瘤的活性外,MDSCs还能分化为功能性破骨细胞
  • 肿瘤相关的巨噬细胞和一群被称为骨瘤的专业骨组织巨噬细胞促进骨转移的形成

八、与骨转移进展相关的代谢途径

  • 为了增加葡萄糖摄取,癌细胞上调葡萄糖转运体,特别是葡萄糖转运体1(GLUT1)
  • 葡萄糖通过乳酸生产(有氧糖酵解)、葡萄糖-6-磷酸(G6P)和磷酸戊糖途径(PPP)进行核苷酸合成,并通过三羧酸(TCA)循环进行脂质生物合成和蛋白质乙酰化
  • 乳酸通过单羧酸转运体(MCT)4从肿瘤细胞中释放出来,然后通过转运体MCT1被破骨细胞吸收
  • 乳酸刺激破骨细胞介导的骨吸收,而脂肪酸、胆固醇和核苷酸则刺激肿瘤细胞增殖

九、左图:乳腺癌患者单发无症状骨转移的临床表现 右图:前列腺癌患者的孤立性无症状骨转移的临床表现

目前和新兴的骨靶向疗法

骨转换生物标志物的潜在临床应用价值

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CDfal与成骨细胞分化和骨发育
  国外医学儿科学分册2000年1月第27卷期
重庆医科大学儿童医院(400014)
王华(综述) 黎海芪(审校)
  摘 要 成骨细胞系是由起源于中胚层的间充质细胞逐步分化而形成的终末细胞系,分化转录因子Cbfal在该过程中发挥着重要作用。它通过调节生长因子和骨特异性细胞外基质蛋白的基因表达而参与成骨细胞分化和骨发育过程。其表达异常可阻碍内成骨和软骨内成骨,影响胚胎期、胎儿期和出生后骨组织生长。Cbfal基因的突变可导致锁骨颅骨发育异常。
  关键词:转录因子 成骨细胞 骨发育 锁骨颅骨发育异常

  成骨细胞又称为骨形成细胞,由具有多向分化潜能的间充质细胞原细胞、前成细胞分化而来,它一旦终末分化以后就分泌产生各种骨细胞外基质蛋白(extracellular matrix protein,Eedf ECMP)并控制骨基质的矿化过程。因此,成骨细胞的发生、增殖、分化和成熟与骨骼的正常生长发育密切相关,如其中任何一个环节遭到破坏都会导致骨生长障碍。近年的研究发现,核心结合因子al(core-binding factor αl,Cbfal)决定着成骨细胞的发生与分化,并证实Cbfal基因是骨形成的关键基因,它在维持政治的骨骼生长发育中起着重要作用。本文就目前该领域的新的研究进展作一简要综述。
  1 骨骼的正常发育过程
  人体骨骼系统的发生在胚胎早期就已开始,但要持续到20~25岁才能完成,而且在此以后的一生中还不断进行更新和改建[1]。骨骼的发育经历了多步过程,它包括早期骨的图式形成(patterning)、间充质细胞分化成骨细胞和成软骨细胞系、造血干细胞分化为破骨细胞系,以及前体细胞终未分化为三种特殊类型的细胞,即软骨细胞、成骨细胞和破骨细胞。人体骨骼形成的基本方式可归纳为两类[2],即软骨内成骨和膜内成骨。不论那一类方式,在它们的发生和生成过程中都包括了骨组织的形成和骨组织吸收两种基本过程。在骨组织的形成过程中,成骨细胞先合成骨胶纤维和有机骨基质,内含唾液蛋白、硫酸软骨素、类脂等,因尚无骨盐沉积而称类骨质,类骨质逐渐将成骨细胞包埋,埋人类骨质的成骨细胞则成为骨细胞。类骨质形成后不久即在羟基磷灰石沉积,此时便成为骨组织。以后在形成的骨组织表面又有新的成骨细胞继续形成类骨质,并沉积钙盐,这样不断进行,使胚胎期和出生后生长发育时期的骨组织不断增长。
  间充质细胞是多能性的,在特定转录因子的诱导下可向不同的方向分化(见图1)[3,4]。如在肌特异性转录因子MyoD的作用下间充质细胞分化为肌细胞系,而在过氧化物酶体增生物激活受体γ2(peroxisome proliferaor-activated receptor γ2,PpARγ2)的作用下则分化为脂肪细胞系。因此,人们一直推测在间充质细胞向成骨细胞系的分化过程中存在一种骨特异性的转录因子来决定这一分化过程。直到较近才证实,这种转录因子是Cbfal[4]
图1 间充质细胞多向分化及决定分化的转录因子
  2 Cbfal在成骨细胞分化和骨发育中的作用
3,AML3),属于runt结构域基因家族的转录因子。迄今已发现家族有三个成员,即Cbfal/Pebp2aA/ML3、Cbfa1/pebp2aB/AML1和Cbfa3/Pebp2aC/AML2,它们共同的特点是其分子结构中含有一氨基酸组成相同的DNA结合区,该结合区由128个氨基酸组成并与果蝇属的分节基因runt同源,由此而被称为runt结构域。它介导runt家族的转录因子与Cbfb/Pebp2β结合形成导二聚体,并因此获得更强的与DNA结合的能力,同时runt结构域选择性地识别靶基因上PyGRyGGTRy序列(Py代表嘧啶)[4],该序列较初被发现在多瘤病毒和鼠白血病病毒的增强子上,后来发现它还广泛存在于T细胞行特异性基因(如T细胞受体α、β、δ、γ及CD3ε)和编码某些酶、细胞因子及受体的基因(粒细胞巨噬细胞集落刺激因子、白介素-3、粒细胞刺激因子1),当runt家族的转录因子与该序列结合以后,调节多种细胞和组织特异性的T、B细胞,骨髓细胞的基因表达(见图2)[5]
图2 runt 结构域基因家族的染色体定位与疾病的关系
dysplasia,CCD)和敲除Cbfal基因小鼠骨骼的研究才得以深入的。大量的研究结果证实,Cbfal是成骨细胞分化和骨发育的重要调控因子[7]
  2.2 Cbfal对成骨细胞分化和骨发育的调节
  komori[8]及Otto等[9]应用靶基因阻断或定点突变技术,成功的制造出了Cbfal基因缺失或突变小鼠,并对其胚胎骨骼的发育过程进行了研究。结果发现Cbfal基因缺失的纯合子(Cbfal-/-)出生后因没有肋骨导致呼吸困难而很快死亡,身材矮小且肢体短。X线和组织切片检查显示完全没有骨化组织和成骨细胞形成,软骨膜区无血管和间充质细胞的侵入,因此整个软骨内皮骨和膜内成骨过程均被终止。而杂合子(Cbfal+/-)小鼠的骨发育延迟,颅骨骨化的延迟导致前、后囱持续开放等,类似于人的CCD综合征。由于Cbfal基因缺失的小鼠出生后极易死亡,这说限制了对Cbfal在生后影响骨骼生长发育作用的研究。但Ducy等[10]较近利用只有出生以后分化的成骨细胞中过度表达Cbfal DNA结合区的转基因小鼠,证明Cbfal除调节成骨细胞外,还调节已分化成骨细胞的功能和其它ECMP的基因表达,从而控制出生后骨骼形成和发育的生理过程。
  骨ECMP对骨骼的形成十分重要,而骨钙素是其中含量较丰富的一种,也是迄今被证明的唯一只有由成骨细胞产生的ECMP,并被认为是成骨细胞分化和成熟的标志[11]。近年来对肌钙素基因结构及转录调节的研究不断深入,在小鼠和大鼠骨钙素基因的启动子区又发现了一新的成骨细胞特异性的任作用元件OSE2(osteoblast-specific cis-acting

纳米羟基磷灰石nanohydroxyapatitenHAP)是骨骼的天然组分之一,因其具有独特的生物学活性,骨诱导能力强,体内可降解等特点,被广泛应用于各种生物支架材料及材料改良涂层中,是目前骨修复领域中应用最为广泛的材料之一。

但对于nHAP颗粒本身对细胞的调控作用以及何种形式应用的nHAP更利于干细胞成骨分化尚研究较少,因此探究不同应用形式下的nHAP对细胞的调控作用及其机制对指导nHAP在临床骨科修复中的应用有重要意义。

基于此背景,浙江大学周婧/欧阳宏伟课题组比较了两种状态下(游离态和固定态),三种不同应用形式freecoating3D)的nHAP细胞形态和分化的影响。发现nHAP在游离态和固定态下对细胞的形态、成骨分化相关的蛋白表达和信号通路方面都有不同程度影响,甚至出现完全相反的表达和激活趋势(图1)。同时,团队首次发现了整合素α亚基7Integrin α7, ITGA7)在调控细胞成骨方面发挥关键作用。研究于20224月在学术期刊Bioactive

1. nHAP在不同应用形式下对细胞调控的机制图

首先,本研究对nHAP的不同应用形式进行了物理化学表征。在体外的细胞培养实验中发现hBMSCs3D固定态的nHAP微环境中表现出良好的成骨分化能力并且细胞体积增大,而在游离态的nHAP微环境中细胞成骨分化受到抑制并伴随着细胞铺展面积减小及形态更加细长的现象(图2-3)。

 2. 在不同nHAP应用形式下细胞形态变化

 3. 游离态nHAP抑制细胞成骨分化,而固定态nHAP促进细胞成骨分化

进而,测序分析及基因沉默等实验发现了nHAP微环境下调控细胞形态和分化命运的关键分子ITGA7。在三维培养条件下,降低ITGA7的表达可以逆转nHAP引起的细胞体积增大和成骨分化能力增强,并且ITGA7通过PI3K-AKT信号通路发挥调控作用(图4)。

4. ITGA7调控细胞形态及分化

最后,通过裸鼠皮下异位成骨实验进一步验证了固定态的nHAP与游离态的nHAP相比具有更好的促进细胞成骨分化和ITGA7表达的能力(图5)。

5. 体内验证游离态和固定态nHAP调控细胞作用

综上,本研究对于纳米羟基磷灰石在骨组织工程中的应用具有借鉴意义,并且发现ITGA7可能会成为骨组织工程中新的治疗靶点。

浙江大学基础医学院2019级硕士生鲍方圆为本文的第一作者,2019级博士生易俊志和博士后刘怡孝为共同一作,通讯作者为浙江大学基础医学院周婧副教授和欧阳宏伟教授。本研究得到国家重点研发计划(2018YFC1105100)和国家自然科学基金(NO.

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