作者：李政堂，张春阳，内蒙古科技大学包头医学院第一附属医院神经外科；邵国，深圳市龙岗区第三人民医院转化医学中心

1.BMP2 对颅骨缺损修复的作用

骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein， BMP）是转化生长因子-β（transforming growth factor-β， TGFR-β）家族中一组蛋白，在骨生长发育和损伤修复过程中起重要的调控作用。在BMP家族中，骨形态发生蛋白2（BMP2）是第1个被发现的BMP，是目前研究靠前的几个BMP之一。BMP2在胚胎发育、骨塑形和成骨破骨动态平衡过程中发挥着重要作用。

BMP2是由二硫键连接2条氨基酸排列顺序相同的肽链构成。BMP2通过与靶细胞上的I 型和Ⅱ型丝氨酸/苏氨酸激酶受体结合，激活Smad和非Smad信号通路。当BMP受体Ia（BMPRIa）和BMPRIb 磷酸化下游蛋白，即Smad1/5/8时，Smad 途径被激活。磷酸化的Smad招募Smad4，形成复合体，该复合体移位到细胞核中，最终激活成骨基因，如核心结合因子α1（Cbfα1）、成骨特异性转录因子2（Runx2）和成骨细胞特异性转录因子Osterix（OSX）。

在已有实验中发现，BMP2在幼龄动物的骨缺损中上调。幼龄动物头盖骨中骨分化标志物Op的转录水平增加。表明BMP2有助于提高幼年动物修复颅骨缺损的能力。同时也表明BMP2在颅骨缺损中具有重要作用。

2.BMP2 与未成熟硬脑膜的相互作用

硬脑膜，特别是未成熟硬脑膜，已被证明是颅骨骨化和颅骨缺损修复的重要因素之一。细胞外基质蛋白、成骨细胞分化标志物、生长因子和破骨细胞标志物在未成熟硬脑膜中的表达升高。BMP2蛋白在未成熟硬脑膜中的表达高于成熟硬脑膜（约3.6倍）。BMP2在成骨细胞中可上调成骨特异性转录因子2/核心结合因子α1（Runx2/Cbfa1）基因的表达，使Runx2在未成熟硬脑膜中的表达上调了8.3倍。

这表明未成熟硬脑膜能够分泌成骨细胞因子来促进颅骨缺损修复。其他几种成骨细胞分化的标志在未成熟硬脑膜中的表达也高于成熟硬脑膜。成纤维细胞生长因子1（fibroblast growth factor 1， FGFR1）是4种成纤维细胞生长因子受体亚型之一，与成骨前体细胞分化增殖有关，这说明FGFR1可能促进骨再生。

相关研究显示，幼年小鼠硬脑膜中的FGFR1转录上调；成骨细胞在骨形成中的标志性基因整合膜蛋白2A（ITM2a）和成骨细胞分化的中间标志物Op也同样上调。表明未成熟硬脑膜在幼龄颅骨缺损修复中可能发挥重要作用，可以通过促进BMP2蛋白的表达或者外源补充BMP2蛋白来促进颅骨缺损修复。

3.BMP2 对间充质干细胞的作用

颅骨缺损修复依赖于3个基本要素：干细胞、生长因子（骨诱导）和血管微环境。缺损延迟愈合甚至不愈合的原因可能是缺乏骨祖干细胞，骨诱导生长因子不足和血

管微环境的缺失。在颅骨缺损修复过程中，干细胞（stem cell， SC）以其独特的自我更新能力和多向分化的潜能成为研究的热门。骨髓间充质干细胞（bone marrowmesenchymal stem cells， BMSC）和牙髓间充质干细胞（dental pulp stem cells， DPSCs）在以往实验中可促进骨缺损修复。

BMP2对骨缺损修复有重要作用，其在成骨细胞分化过程中调节成骨细胞特异性转录因子OSX的表达。OSX可作用于Runx2基因的下游序列，通过激活COLlα1启动子的方式来促进骨形成。Runx2是成骨细胞分化的重要转录因子，因此，Runx2蛋白表达的缺失会影响骨再生。到目前为止，促进骨再生的生物学方法主要集中在通过输送BMP2促进成骨诱导。表明BMP2可能诱导间充质干细胞成骨分化，加快小儿颅骨缺损修复过程。

4.BMP2 对骨再生中新生血管的作用

骨是一种血管丰富的结缔组织。血管是重要的营养物质输送通道，给新生骨组织运输氧气、营养物质、激素、神经递质和生长因子等，血管对于骨生长发育和骨损伤修复是不可或缺的。有研究表明，血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor， VEGF）对骨生长发育有重要作用。

BMP2与配体结合时，拥有GS结构域高度保守的Ⅰ型受体激活Ⅱ型受体并使之磷酸化，磷酸化的受体与Smad转录因子结合来调节血管内皮生长因子的表达。Ⅰ 型受体包括ALK3（BMPR1a）、ALK6（BMPR1b）、ALK2 或ALK1；Ⅱ型受体包括BMPRII、ActRIIa或ActRIIb。Ⅲ型受体，又称辅助受体，可调节与Ⅰ型和Ⅱ型受体结合的配体亲和力。

BMP2蛋白与Ⅰ、Ⅱ型受体结合后使下游的Smad1/5/8蛋白磷酸化，磷酸化的Smad1/5/8蛋白与Smad4蛋白结合进入细胞核，使血管内皮生长因子的表达上调。VEGF可促进血管生成和间充质干细胞（MSC）向骨缺损处移动，BMP2蛋白促进MSC分化为成骨细胞。只有当BMP2和MSC存在时，骨缺损才会明显缩小。表明BMP2可能会促进新生血管的形成，为颅骨缺损处提供氧气、血管内皮细胞生长因子等骨再生必要条件；VEGF也会促进新骨的形成，以及间充质干细胞向成骨分化。

5.BMP2 与其他信号通路的联系

5.1　RANKL/RANK/OPG 信号通路

BMP2蛋白可直接作用于成骨细胞和破骨细胞，使两者处于动态平衡，维持骨稳态，修复骨损伤。它们通过旁分泌方式来运输细胞因子，细胞因子与膜配体结合发挥生理作用。

骨髓间充质干细胞是一种具有多系分化潜能的细胞，可以分化为成骨细胞，分泌许多与破骨细胞相关的细胞因子，如巨噬细胞集落刺激因子（macrophage colony stimulating factor， M-CSF）、核因子κB受体激活物配基（receptor activator of nuclear factor ⁃ κB ligand，RANKL）和骨保护素（Osteoprotegerin， OPG）。

BMP2可在M-CSF的调控下作用于破骨前体细胞，表明BMP2在骨稳态中发挥重要作用。RANKL是一种骨吸收激活剂，可结合破骨细胞膜上的RANK受体，增强破骨细胞活性。OPG通过竞争性抑制，干扰RANKL-RANK结合，抑制破骨细胞的生成。OPG 可使RANK 基因的表达下降，使破骨细胞的数量更少、活性更低，表明BMP2可调控破骨前体细胞的形成。

在颅骨缺损修复中，成骨细胞和破骨细胞的动态平衡有助于骨缺损修复，BMP2在维持成骨细胞和破骨细胞的平衡中具有重要作用。

5.2　Wnt/β-catenin 信号通路

Wnt/β-连锁蛋白（β-catenin）信号通路中Wnt蛋白可与7 次跨膜的分泌型糖蛋白Wnt 的细胞膜上受体（Frizzled型受体）通道结合，使该通路下游的β-连环蛋白（β-catenin）激活并发挥作用，在细胞增殖、分化、生长发育、再生、自我更新和衰老方面有重要作用。

Wnt蛋白在成骨方面有重要作用，Wnt的蛋白可能参与骨缺损修复过程。研究表明，T 细胞因子/淋巴增强因子（Tcf/Lef）可与BMP2的启动子结合，促进成骨细胞中BMP2蛋白的表达。之前相关研究显示：定量聚合酶链式反应证实Wnt3a 促进BMP2 蛋白在小鼠成肌细胞（C2C12）和小鼠成骨细胞（2T3）中的表达；Wnt3a 通过增强BMP2启动子活性的方式来提高BMP2基因的mRNA表达水平。这些结果表明β-连环蛋白可促进BMP2蛋白的表达。进而促进颅骨缺损修复。

5.3　MAPK 信号通路

丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated proteinkinase， MAPK）通路有4种作用方式：细胞外信号相关蛋白激酶/ERK1/2通路、Jun氨基末端激酶/JNK（MAPK8）通路、p38MAPK通路和ERK5（MAPK7）通路，这些通路中的每1条都由线性的3层激酶组成，称为MAPK、MAPKKK（MAPK3 或MKK）、MAPK/MAPKK（MAPK2 或MEK）和MAPK。MAPK参与细胞的生长、发育、分化、凋亡等一系列基础生理活动。

研究发现，牛磺酸通过MAPK促进成骨生长因子的表达，如BMP2、Runx2、Smad1/5/8、Wnt3a和1型胶原（Col-1）等。研究表明，曲普地尔可诱导Smad1/5/9 和MAPK 的磷酸化，使成骨转录因子Runx2基因的表达增强。以上研究表明BMP2可调控MAPK来促进成骨基因的表达来参与颅骨缺损修复，还可与MAPK共同激活Smad信号通路来促进成骨基因的表达。

5.4　Notch 信号通路

Notch 信号通路可调控多种生理过程，包括细胞生长、发育、代谢和凋亡等。哺乳动物Notch信号通路由4个受体（Notch1、2、3、4）组成，通过旁分泌与5个配体结合发挥作用。BMP2可使Notch受体蛋白、Notch靶基因和Notch配体Jagged1基因的表达上调。Notch信号主要影响BMP2 诱导成骨细胞分化的过程。实验证明BMP2可促进Notch基因，包括促进Notch基因配体和受体的表达上调。在BMP2 介导的颅骨缺损修复中，抑制Notch信号会减少骨再生；Notch和BMP蛋白可与Runx2蛋白相互作用，促进成骨细胞的分化。表明Notch信号是BMP2促进骨再生的重要影响因素之一。

5.5　低氧信号通路

在颅骨缺损修复过程中可能会出现细胞增殖等局部高代谢生理状态，造成局部缺氧情况。先前实验结果表明，缺氧可促进成纤维细胞中BMP2基因的表达，也可通过促进缺氧诱导因子-1α（hypoxia inducible factor-1 α，HIF-1α）基因的表达来促进成纤维细胞的成骨分化。BMP2可提升成纤维细胞在缺氧状态下的成骨能力。BMP 信号可促进软骨细胞中的西罗莫司靶点复合物（mTORC1）和HIF⁃1α 的表达来促进葡萄糖转运蛋白1（Glut1）的表达，该研究揭示了新的BMP信号通路和软骨发育调节中的葡萄糖代谢之间的联系。表明BMP2与低氧信号通路有密切关系，但其中机制尚未完全明确，有待进一步研究。

6.总体与展望

小儿外伤导致的颅骨缺损是临床常见的并发症。不同于成人的颅骨缺损“条件成熟，尽早修复”的原则，小儿颅骨缺损修补的难题在于不当的修补（如覆盖式或镶嵌式等）可能导致处于快速生长期的小儿颅骨出现畸形。0~3岁小儿颅骨生长迅速，1岁以内是颅骨生长最快的时期，生长速度在1~3年期间稍缓，3岁及以上儿童颅骨的各项指标已接近成人的90%左右。

患儿颅骨缺损范围小于3 cm可以自愈，而大于3 cm一般不能自愈，需进行颅骨缺损修补手术。因此小儿颅骨生长高峰期（0~3岁）大于3 cm的缺损修补是临床上的难题，需要广泛深入的研究。明确小儿（0~3岁）颅骨生长发育和颅骨缺损修复机制，对指导临床有重大意义。

目前已经证实，BMP2在小儿颅骨缺损修复过程中关键步骤有重要作用，尤其是未成熟硬脑膜对颅骨缺损修复有关键作用；从现有实验结果来看，在修复的不同阶段，整合多个信号与转录因子的顺序激活是正确驱动成骨细胞发生的关键，而BMP2在成骨过程中发挥着关键作用。

若BMP2在颅骨缺损修复中表达较少，或未能在小儿颅骨缺损自行修复的时间窗内完成修复，则会导致颅骨缺失影响患儿以后正常生活。因此在未来临床治疗中，我们可以在骨组织工程例如羟基磷酸石中搭载BMP2因子，或通过可溶性因子修饰修补材料调节成骨的速度，加快颅骨缺损自然修复进程。避免因BMP2分泌不足导致的颅骨缺失。从而实现更精准的小儿颅骨修补，并为小儿颅骨缺损自然修复治疗提供新的解决方案。

来源：李政堂,郭雅鑫,邵国,等. 骨形态发生蛋白2在小儿颅骨缺损自行修复中的作用[J]. 国际神经病学神经外科学杂志,2024,51(2):85-90. 

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