第三節 影響骨形成和骨吸收的局部調節因子及其測定
骨和骨代謝包括骨的形成和吸收兩方麵，從總體上來說維生素D活性代謝產物是起雙向調節作用的，甲狀旁腺激素主要是促進骨吸收，而降鈣素是抑製骨吸收，這三種鈣調節激素是全身性的調節因子，維持體內血鈣的平衡。近年來，對骨轉換及骨重建的正常過程的研究揭示，骨代謝不僅與上述全身性激素有關，而且受多種局部骨代謝因子（見表7-1）的調控，甚至比全身性因素更重要。全身性鈣調節激素可能是通過局部調節因子，而發揮對骨或軟骨的形成和吸收起調節作用的。
一、骨形態發生蛋白
骨形態發生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）為酸性多肽，分子量為18kD。可與羥基磷灰石結合，與骨基質中的膠原結合。可耐受較高溫度（55～75℃）而不失活。溶於中性鹽溶液（pH7.2），可被酸性酒精降解，對胰蛋白酶和糜蛋白酶不穩定，抗核酸酶，抗硫酸軟骨素A、B、C。冷凍和凍幹可明顯保存其活性。BMPs屬TGF－β超家族。目前在BMP家族中，已發現有多達20種被分離，其廣泛的生化作用不僅限於骨的生成，幾乎全身所有係統的胚胎發育、生長及分化均與之有關。
BMP位於骨細胞陷窩壁及舊的骨小管處，其在皮質骨中含量大於骨鬆質（約1mg/kg濕重新鮮骨）。BMP是一種高效的骨誘導物質，將其移植於非骨部位可形成新的軟骨和骨，在促進骨缺損的修複中，BMP的作用幾乎與自體骨移植的效果相同。在體內BMP對未分化的間葉細胞、骨母細胞和軟骨細胞均有促分化作用。在發育早期，BMP作用於未分化的間充質細胞表麵的BMP受體。在一定外界環境影響下，誘導分化為骨譜係細胞，以後在一些生長因子介導下，不斷增殖、分化，由骨及軟骨前體細胞演變為成軟骨細胞和成骨細胞，直至形成軟骨和骨，一旦形成軟骨細胞和骨細胞，BMP即不再起作用。BMP還能抑製破骨細胞生成和其功能，在骨重建中也有一定作用。骨的重建過程是骨吸收先於骨形成，骨吸收與骨形成相互偶聯維持了骨組織的正常功能。骨吸收和骨鹽溶解過程中，破骨細胞產生酸性物質使骨基質中的BMP溶解遊離出來，並使其活化，促進成骨活動，有利於骨重建，使骨吸收和骨形成相偶聯。但BMP對骨細胞分化沒有刺激作用。在臨床上，BMP已用於修複了骨缺損。
在軟骨內成骨過程中，多數BMPs均能啟動新的軟骨和骨形成。BMP-2、BMP-4、BMP-5、BMP-7已證明在活體具有促進骨形成能力，重組BMP-2、BMP-4、BMP-6及BMP-7也顯示能誘導培養軟骨細胞肥大及間充質幹細胞成骨。胚胎小鼠前肢BMPs的暫時和間斷表達支持BMP-2、BMP-4、BMP-6及BMP-7在骨形成的作用。在軟骨內成骨中軟骨細胞也可產生多種BMPs。
放射免疫法可檢測血清中的BMP。生長快的兒童BMP的含量為20～72μg/ml，已停止生長的成人為16μg/ml。Paget's病患者BMP的含量較高（＞250μg/ml），而骨質疏鬆患者低於正常人，此外還發現隨年齡增長，骨中BMP減少，BMP對周圍間葉細胞的反應能力亦減弱。對於血清中BMP的測定不論對骨性疾病還是骨細胞外其他組織一些疾患的診斷和治療都會有一定幫助。
二、轉化生長因子
轉化生長因子（transforming growth factor，TGF）-α為50個氨基酸的單鏈多肽，分子量為6kD，含有3個二硫鍵，對酸、熱穩定、對胰酶及還原劑敏感。TGF-α來源於160個氨基酸組成的前體，為N端糖基化，C端棕櫚酸化的跨膜蛋白質，由3部分組成。其生物學功能為：①TGF-α和EGF均可與TGF-β共同誘導正常指示細胞（NRK）停留在不依賴性生長，二者強度相同。②參與表皮創傷修複，誘導人表皮細胞形成集落。③誘導骨器官培養時的鈣離子釋放。TGF-α的作用明顯強於EGF，此活性可通過骨吸收實驗測定。TGF-α能刺激骨吸收。重組的TGF-α也有很強的骨吸收活性。
TGF-β是一種大分子分裂素，分子量為25kD，主要有TGF－β1和β2兩種形式。TGF-β1是由兩個12kD和5kD的亞單位組成，每個單位的前體由390個氨基酸組成。TGF-β2的前體由414個氨基酸組成，成熟形式為112個氨基酸，其中80個氨基酸與TGF-β2相同。TGF-β廣泛存在於動物正常組織細胞和轉化細胞中，以骨組織和血小板中含量最多。它們所分泌的TGF-β1以沒有生物活性的“潛在形式”存在。TGF-β是骨吸收的抑製劑，在胎鼠長骨培養及人骨髓培養中，TGF-β可抑製新破骨細胞的形成；在骨髓培養中能抑製破骨細胞的形成；而在小鼠頭蓋骨培養中則能抑製因PG增加引起的骨吸收。
TGF-β對前成骨細胞有很強的選擇性，可刺激其增殖、分化，也能誘導軟骨細胞生成，TGF-β局部濃度的變化在調節正常或病理性骨重建方麵有重要作用。TGF D能刺激骨細胞中DNA的合成和重組，增加成骨樣細胞和成纖維樣細胞Ⅰ型膠原的合成，可刺激幾種基質蛋白的產生（如膠原，纖維結合蛋白，蛋白聚糖和骨結合素）。TGF-β有刺激間充質細胞的表達，促進細胞增殖，調節細胞分化，促進細胞外基質合成和調節機體免疫的作用。在成熟牛關節軟骨器官培養中，TGF-β刺激蛋白聚糖的合成，阻止蛋白聚糖的喪失，維持組織中的平衡。
在骨形成及骨折修複中，TGF-β通過促進OB增殖，促進骨和軟骨細胞膠原及基質蛋白的合成並刺激鈣化而促進骨折愈合。動物實驗中，TGF-β與適當載體複合後有修複節段性骨缺損的能力。骨是TGF-β的最大組織來源，TGF-β含量在長骨生長板中最高。TGF-β既影響OC活性又影響OB的活性，在體外濃度為100pg/ml即有影響。所以TGF-β是骨吸收和骨形成之間有力的調節和偶聯因子。
三、胰島素樣生長因子
胰島素樣生長因子（insulin like growth factor，IGF）又稱生長介素（somatomedin，SM），它由生長激素刺激軟骨細胞和骨細胞產生，也來自非骨細胞，被鑒定分離具有IGF活性的肽類有6種，即SM-A，SM-B，SM-C，IGF-Ⅰ，IGF-Ⅱ和增殖刺激活性因子（MSA）。在骨骼細胞合成的許多生長因子中，以IGF-Ⅰ及IGF-Ⅱ最占優勢，為一族依賴生長激素（GH）的多肽，分子量為7.6kD，具有A、B鏈，鏈間有二硫鍵和一連接肽（C肽），C肽結構不隨生物種屬而變異。IGF可刺激、複製骨譜係細胞如前成骨細胞，影響其生長及分化。IGF可刺激膠原合成及基質的添加，還可降低膠原的降解。IGF-Ⅰ可加強骨吸收細胞的募集，為骨重建的主要調整劑以維持骨量，並參與骨折的愈合。IGF可傳遞GH，調節生長激素（GH）活性，延長GH半衰期，其局部作用強於全身作用。