无机物微量元素促进骨诱导血管再生作用研究进展

黄祖泰 1 熊龙 1

1 赣南医学院 2018 级硕士研究生 江西赣州 341000 ； 1 江西省人民医院骨科 江西南昌 330000

摘要：偲、硼元素作为人体必需的微量元素，在促进骨血管、成骨作用中起重要作用。本文通过偲激活Wnt / Catenin信号传导增强MSCs（间充质干细胞）的成骨分化，刺激成骨细胞分泌血管内皮生长因子(VEGF)，促进血管形成，硼刺激HUVEC（内皮细胞）的增殖和血管的形成加以论述。

关键词：偲、硼、Wnt / Catenin信号传导、HUVEC（内皮细胞）

Advances in the promotion of bone - induced angiogenesis by inorganic trace elements

ZuTai Huang¹ Long Xiong ¹

（1.Gannan Medical University Postgraduate student，Grade 2018；Ganzhou，Jiangxi 341000 1. Department of Orthopaedics, Jiangxi People’s Hospital,Nanchang Jiang Xi 330000）

Abstract:Sis. boron element is an essential trace element in human body, which plays an important role in promoting bone vasculature and osteogenesis.In this paper, the osteogenic differentiation of MSCs (mesenchymal stem cells) was enhanced by the activation of Wnt/Catenin signal transduction, which stimulated the secretion of vascular endothelial growth factor (VEGF) by osteoblasts, and promoted angiogenesis. Boron stimulated the proliferation and vascular formation of HUVEC (endothelial cells) were discussed.

Keywords：si, boron, Wnt/Catenin signal transduction, HUVEC (endothelial cells

血运差、范围大或成骨能力弱的大段难治性骨缺损一直是骨科医师面临的巨大挑战，患者往往需接受多次手术，且疗效不佳甚至需要截肢，给患者也带来了沉重的经济和心理负担。目前常用外科处理方式可归纳为两种：无骨移植或有骨移植术。无骨移植术是采用Ilizarov技术，即截骨术后缓慢骨牵引激活机体骨再生潜能达到骨修复目的，但长时间的缓慢骨牵引为患者带来很大不适与不便¹。另一种就是通过植入天然骨来加速和简化愈合过程：包括使用自体骨移植，同种或异种骨移植（异种移植）或假体，但自体骨来源有限，且会给患者带来新的创伤、供骨区感染、疼痛等并发症；异体骨来源也不充足，且可能导致艾滋病、梅毒等感染性疾病的传播；异种骨可能引起后果可怕的动物源性病毒传播性疾病；假体寿命有限再翻修带来的风险等后续问题，因此，在很大程度上限制了在临床的广泛应用^2,3。随着骨组织工程的兴起和快速发展，为该技术解决骨组织修复过程的很多难题带来了新的希望。因此，组织工程骨的研发越来越得到重视^4,5。研发具有良好成骨、成血管活性的组织工程骨是解决骨缺损修复难题的关键。

实现优异的成骨效应必须良好的骨诱导活性作保障骨形态发生蛋白(bonemorphorgeneticprotein-2，BMP-2)是目前为止发现的最强骨诱导因子，但和其他BMP一样，rhBMP-2发挥骨诱导作用呈剂量依赖关系，并且副作用大都因为使用剂量大导致，正常骨修复BMP-2生理需求量仅毫微克，但外源性rhBMP-2治疗的有效剂量范围为毫克，超过一百万倍，低剂量低功效，而高剂量的安全性得不到保证，这使获得最佳剂量方案经常面临两难境地^6,7，针对上述情况，研究者一直在寻找合适的手段，旨在减少BMP-2用量或提高其骨诱导效应。近十几年来，尝试了很多方法，如联用其他生物因子旨在发挥生长因子的协同作用⁸，我们前期研究发现，rhCXCL13可增强rhBMP-2的骨诱导效应⁹，然而这些措施仍存在生物因子稳定性差、价格昂贵等缺点。寻找合适、简便可行的措施促进BMP-2骨诱导活性、增强BMP-2骨诱导效应是骨组织工程研究临床应用转化亟待解决的关键问题

¹⁰。

除有机生物因子外，无机物微量元素有助于成骨诱导。化学因子作为一个重要的生理因素，在细胞内环境稳定、细胞间信号传递、创伤愈合等方面发挥关键作用。化学刺激因子主要分为两类：以骨形态蛋白（BMP）、血管生成因子（VEGF） 等为主的有机分子和以硼、锶、 锌、 镁等为代表的微量元素。天然骨组织中包含多种微量元素，这些元素对细胞活性、成骨性能发挥重要作用。

（1）研究表明硼是生物体所必需的微量营养元素，影响人体的微量矿物质代谢、能量代谢、氮代谢以及氧化反应，是人体重要营养元素，缺硼可使生长延缓，适量的硼能刺激细胞因子的分泌，它具有很高的化学反应活性，因此显示出优异的生物活性，最近的研究证实，硼能够促进MSCs成骨分化，刺激骨形成^11,12。适量的硼还能促进成纤维细胞RNA的合成和I、IV型胶原的沉积，加速细胞外基质的循环，从而促进组织的修复。同样，适量的硼能激发机体释放生长因子和细胞因子，加速细胞外基质循环。硼是一种有着自我平衡能力的安全元素，不会在体内累积，半衰期仅为21h。

(2)锶能促进成骨已被公认，锶是人体必需的微量元素，绝大多数锶都存于骨组织中，它可以调节骨组织的结构，改善骨的强度，促进骨细胞的生理活性。研究表明，缺乏锶的饮食会导致异常的骨形成，而补充锶的饮食可以促进骨的生长¹³。研究证实锶具有抗骨吸收和增加骨形成的能力，可以抑制破骨细胞的活性，促进成骨细胞的活性，促进骨盐的沉积。；低含量锶掺杂磷酸钙比纯相磷酸钙对 MSCs 成骨分化行为的促进效果更为明显；低含量锶掺杂HA可以更好地提高HA材料成骨性能¹⁴。锶对MSCs的作用主要是成骨分化而不是细胞增殖¹⁵，掺锶生物活性玻璃纳米颗粒可以调控干细胞成骨分化¹⁶。

(3)硼酸盐生物玻璃作为一种常用生物材料，在降解过程中可释锶、硼，并且生物玻璃有刺激再矿化的性能¹⁷，用于骨骼承重部位，观察到了很好的成骨作用¹⁸。有研究将硼酸盐生物玻璃制成可注射剂型，用于微创骨修复治疗，显示体内良好骨修复作用¹⁹，掺入骨水泥中的生物玻璃微球有可能被用作骨再生应用的可注射骨替代物²⁰。硼酸盐生物玻璃在体液循环中与软组织和骨之间存在着密切的离子交换，通过一系列溶解沉淀反应完全转化为HA，最终导致矿化作用。这些提示硼酸盐生物玻璃及其降解释放的硼、锶作为一种无机物具有良好促进成骨分化作用，在骨缺损治疗领域具有广阔的前景，越来越得到重视^21,22。

无机物微量元素能有机生物因子协同成骨诱导效应。无机物微量元素与生物因子BMP-2产生协同骨诱导效应有相应理论根据。文献研究表明硼酸盐生物玻璃激活BMP/Smad通路调控骨缺损修复²³。（1）锶通过激活Wnt / Catenin信号传导增强MSCs的成骨分化和体内骨形成²⁴，（2）载rhBMP-2中空HA微球壳聚糖复合物激活非Smad依赖的BMP-2/TAK1/p38/Osx信号通路促进骨再生，推测如果硼酸盐生物玻璃联合载rhBMP-2中空HA微球壳聚糖复合物可以激活Wnt / Catenin信号通路、Smad信号通路、非Smad信号通路（图1）。（3）锶通过与骨形态发生蛋白受体IA（BMPR-IA）对rhBMP-2的识别增强以及BMPR-IA的表达增加rhBMP-2成骨分化效应²⁵（图2）。这些提示无机物联合生物因子促进成骨具有很好的理论基础。

图1. 硼酸盐生物玻璃联合载rhBMP-2中空HA微球促进成骨示意图

图2.用CPC / rhBMP-2和5SCPC / rhBMP-2孵育的C2C12细胞中BMPRs识别/表达和信号转导的示意图。对于CPC / rhBMP-2诱导BMPR-IA的正常表达和对BMPR-IA / rhBMP-2的正常识别，然后激活Smad1 / 5/8信号通路。不同的是在5SCPC / rhBMP-2组中，它增强了BMPR-IA的表达并提高了对BMPR-IA / rhBMP-2的识别。随后，两个Smad1 / 5/8信令通路和ERK1 / 2信号通路被激活。结果，在5SCPC / rhBMP-2样品中rhBMP-2的生物活性显着提高。

无机物微量元素有助于血管再生。理想的骨再生材料不仅需要具备优异的成骨性能，还应具备促进新生血管生成的能力。血管再生可以促进成骨，要实现良好骨修复必须有良好血管再生作保障。血管形成是组织工程发展的瓶颈。生长因子高成本、生物活性难保持、超生理剂量使用时的副作用等影响其应用。因低成本，高稳定性，临床安全性，无机血管生成因子受到关注^26,27。微量元素对血管再生有很好作用已获公认²⁸。硼酸盐生物玻璃在骨再生方面研究愈来愈得到广泛关注，它在降解过程中所释放出的锶、硼等离子具有良好的促成血管活性^14,29。

（1）锶元素有利的血管生成也是公认为³⁰，它可调控血管新生能力^13,31,32

，刺激成骨细胞分泌血管内皮生长因子(VEGF) ³¹，上调内皮细胞VEGF的表达¹³，上调血管生成因子血管生成素-1(ANG-1)的表达²⁹，可在体内促进血管内皮细胞的有丝分裂诱导血管新生，通过调节巨噬细胞表型促进体内早期血管生成²⁶。

（2）研究表明硼掺杂BG（B-BG）材料可以刺激细胞HUVEC的增殖，迁移和血管形成和血管生成能力³³。新血管的形成是一个复杂过程，是在促血管生成因子和抗血管生成因子的严格调控下，通过内皮细胞、血管周细胞以及细胞外基质（extracellularmatrix，ECM)之间密切的相互作用形成的。

（3）无机元素可调控内皮细胞从静止期转化为活化的尖端细胞，活化的尖端细胞通过释放基质金属蛋白酶（MMPs）降解细胞外基质并迁移到周围的组织，增值形成内皮细胞茎细胞，形成毛细血管芽，最终血管芽形成血管腔，血管腔相互连接起来，最终形成有血液灌注的微血管，新形成的血管由血管周细胞和平滑肌细胞覆盖，起到稳定血管的作用。

结论与展望

无机微量元素影响成骨、促进血管生成，同时影响促血管生成内皮因子和血管生成素有明显的效果，但还是需要研究。在临床上微量元素可以促进骨愈合、骨血管生成有广阔的应用前景。微量元素促进血管生成、成骨细胞生成的相关信号通路，仍然需要我们更加深入的研究。

当前研究微量元素促进骨血管生成，还处于实验当中，我们应多学科、多领域合作，更好的应用于临床中。

随组织工程技术的兴趣，随着临床需求增加，无机物，如微量元素对骨再生的作用愈来愈得到关注，并且已起得了一定成果，将为临床服务。

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通讯作者：熊龙 男 教授 硕士导师 研究方向：骨科 Email:, [e-mail]