赵亮，汤译博，苏佳灿

（第二军医大学附属长海医院骨科，上海 200433）

1994年Storm等^[1]从四肢短小的bp鼠中分离出来一种新的多肽，成为转化生长因子-β（TGF-β）亚群中的新成员，并将其命名为生长分化因子-5（Growth/Differentiation Factor -5, GDF-5）。同年Chang等^[2]克隆出一种名为软骨源性形态发生蛋白-1（cartilage-derived morphogenetic protein-l, CDMP-1）的多肽，研究证实它们是同一种因子。作为骨形态发生蛋白（BMP）家族中的新亚型，CDMP-1在骨骼系统中发挥多种调节功能，尤其是它特有的促进软骨发育和形成的作用，使其在软骨、骨、关节、肌腱、椎间盘等的治疗中具有广泛的临床应用前景。本文就目前对CDMP-1的研究进展作一综述。

1.CDMP -1的分子结构（图1）

CDMP-1编码基因最早由Hotten等从人胎儿胚胎cDNA 库中克隆获得，定位于20q11.2染色体，全长488 kb。与BMP家族其他因子的结构一样，CDMP-1也是由分子间的二硫键连接的同型二聚体（图1），共含有501个氨基酸，由位于N端的信号肽、中间的前体肽以及C端的成熟肽构成。其中，376个氨基酸组成前区，肽链蛋白水解位置和120个氨基酸组成的C-末端区中含有TGF-β家族成员所特有的7个保守的半胱氨酸残基团^[3]。然而与众不同的是，翻译得到的前体蛋白裂解为成熟肽后，其N端肽链延长，蛋白异型化，从而改变了CDMP-1的分布，使得骨关节处CDMP-1含量增加，进而发挥其诱导软骨生成的特殊生物学作用^[4]。在成熟肽链区域中，CDMP-1与CDMP-2有82 %的同源性。

图1  CDMP-1的分子结构

2.CDMP-1的生物学作用

2.1促进软骨及骨的发育

CDMP-1主要表达于四肢骨肢端、关节区、胚胎发育期骨骼前体及其周围、软骨母细胞聚集区及形成软骨前体的组织周围，是四肢骨发育，尤其是早期软骨化阶段的重要调节因子。CDMP-1在软骨发育早期以剂量依赖的方式促进软骨祖细胞(Chondroprogenitor)在一定部位聚集、粘附，在软骨发育晚期则刺激软骨细胞肥大、增生和成熟^[5]。Takahara等^[6]在研究CDMP-1缺失的bp鼠时发现，其趾骨在发育过程中出现间充质细胞（前软骨细胞）的凋亡以及干细胞聚集、分化方面的延迟，进而认为CDMP-1促进了趾骨的发育。Francis-West等^[7]利用逆转录病毒载体，使CDMP-1过度表达，增加了鸡肢芽的宽度和长度，最初认为直接的原因是软骨细胞数量的增多。进一步观察则发现，用外源CDMP-1刺激软骨发育初期的间充质细胞可显著促进细胞的聚集和软骨的分化，但并不增加细胞的数量。而用脉冲标记实验监测转染CDMP-1基因的软骨祖细胞的软骨后期的作用，结果表明CDMP-1在软骨发育后期能够显著促进软骨细胞的增殖。作为一种生物信号，CDMP-1受到BMP家族其他成员的调节，控制鸡胚肢芽中趾骺区软骨的发育^[8]；并与其他多种信号分子一起，促进胎儿出生后关节软骨培养株和胎儿肢体软骨源性细胞合成蛋白聚糖^[9]。此外，CDMP-1还存在于成年牛和人的健康及有炎症的关节软骨中，参与正常软骨表型的维持以及病变组织的再生反应^[10]。

2.2诱导分化为软骨及骨

CDMP-1作为一种多肽生长因子，具有特异的软骨诱导能力，可在异位诱导软骨形成。国内外大量实验证明CDMP-1能在体外将骨间充质细胞、骨膜源性细胞等诱导成软骨样结构。Spiro等^[11]将含有0.01 mg/ml和0.1 mg/ml两种浓度rhCDMP-1的I型骨胶原/羟基磷灰石载体植入SD大鼠的皮下以及胫骨后肌内，两周后发现，皮下和肌肉内碱性磷酸酶的活性随rhCDMP-1浓度的增加而增加，提示在这些部位异位诱导了软骨和骨的生成。同时他们还证明，在胶原或HA存在的条件下，CDMP-1可诱导体外培养的胎鼠颅顶细胞形成软骨结节。而Kakudo等^[12]也做了类似的实验，他们将含有不同浓度CDMP-1（0，100，300，500 μg）的I型胶原植入24只Wistar鼠的腓肠肌内，3周后通过X射线及组织学分析发现，空白组和100 μg浓度组没有生成软骨组织，植入了300 μg浓度的小鼠诱导出现了大量软骨组织的聚集以及部分骨的形成，而植入了500 μg浓度的小鼠直接诱导形成骨小梁和骨髓，且不含任何软骨成分。吕学敏等^[13]用重组人CDMP-1干预体外培养的鼠肢芽细胞微团，发现CDMP-1促软骨化的作用在100mg/ml时最为强烈，同时一定浓度的CDMP-1可促进肢芽细胞的增殖。提示在肢体形成阶段CDMP-1在体内可能是通过调控细胞增殖和软骨分化来实现对骨骼系统发育的调节。而Gruber等^[14]在骨膜源性细胞诱导分化研究中发现，在体外培养的软骨组织中同时添加最佳浓度的CDMP-1、CDMP-2，并没有出现多糖合成的协同增加作用；CDMP-l浓度为100ng/ml时可达到最大的生物学效能，继续提高CDMP-1浓度并不会增加基质合成的促进作用。以上四组实验均表明，CDMP-1促软骨分化的作用呈剂量依赖效应，且可能存在效应阈值。TGF-β是体外诱导骨髓基质细胞（BMSC）软骨化研究的重点对象，它是软骨形成过程中的必需调节因子，在胚胎发育时有较高的表达。但有研究证明，在无血清培养基中单独使用低剂量TGF-β并不能促进BMSC向软骨细胞转化，而在联合使用BMP-6、胰岛素样生长因子(IGF)-l等其他因子后，其软骨化效应变得十分明显，其中包括Ⅱ型胶原表达和糖胺聚糖（GAG）含量增加。研究表明，高剂量的CDMP-1与TGF-β一样可促进BMSC的软骨化，而二者的联合使用在促进BMSC增殖和软骨化方面也有一定的协同作用^[15]。尹烁等^[16]实验证实，人真皮成纤维细胞在CDMP-1诱导下能向软骨细胞表型分化，并能分泌软骨细胞特异性基质，且CD49介导的细胞-细胞、细胞-基质的相互作用对人真皮成纤维细胞软骨化后表型的维持有一定的效果。

2.3对肌腱/韧带、椎间盘的作用

2.3.1修复肌腱/韧带损伤

早期研究表明肌腱细胞中可检测到CDMP-1，提示该蛋白在肌腱组织胚胎发育中起重要作用。Chhabra等^[17]研究发现，CDMP-1缺失的肌腱损伤老鼠需要更长时间才能达到细胞GAG、胶原浓度的峰值，胶原原纤维改变的时间延迟，血管形成时间推迟近l周；提示CDMP-l在细胞聚集、迁移、分化、增殖和血管形成中起重要作用，其缺陷可导致肌腱愈合延迟。Forslund等^[18]研究发现，CDMP-1、2、3在改善肌腱修复、合成骨方面表现相似，在能力上也没有差别，认为CDMP能够刺激肌腱的修复。Bolt等^[19]通过腺病毒将CDMP-1转导至SD大鼠来治疗Achilles肌腱撕裂的部位，两周后组织学和生物化学分析显示，转导有CDMP-1的肌腱裂隙最小，原来断裂的肌腱被拉长了70%。Dines等^[20]则用不同浓度（0，24，55，556 ng/cm）的rhGDF-5治疗肌腱损伤，发现损伤的肌腱明显肥大，愈合率明显升高。

2.3.2修复椎间盘退变

由于CDMP-1能够促进悬浮培养的软骨细胞增殖，而椎间盘细胞是一种软骨样细胞或纤维软骨样细胞，在大小分布和ECM方面与关节软骨细胞相似，所以通过提高活性细胞的数量和细胞基质合成率，对退行性椎间盘病变（degeneration disc disease，DDD）的修复方面，CDMP-1可能是一种好的选择。Wang等^[21]通过腺病毒载体将CDMP-1及TGF-β分别转染到兔和人椎间盘细胞中发现，过量表达的CDMP-1及TGF-β可促进椎间盘细胞增殖以及髓核和纤维环细胞生长。Li等^[22]研究发现CDMP-1基因敲除的小鼠椎间盘内纤维结构排列紊乱，纤维软骨成分替代了正常的纤维环，Ⅰ型胶原、Ⅱ型胶原及蛋白聚糖基因表达下降。应用不同浓度的重组人CDMP-1体外培养该小鼠椎间盘细胞20周后，发现蛋白聚糖合成、Ⅰ型和Ⅱ型胶原基因表达随CDMP-1剂量呈依赖性增加。Walsh等^[23]对鼠椎间盘压力退变模型的实验发现，将CDMP-1注入退变的活体鼠尾椎间盘内，内侧纤维环软骨细胞可迁入髓核中，并活跃表达蛋白聚糖和Ⅱ型胶原。而Chujo等^[24]运用兔第2腰椎间盘穿刺退变模型进行实验，发现重组人CDMP-1注射能促进椎间隙高度恢复，增加MRI评分，组织学分级有统计学意义（P < 0.05）。由此可见，椎间盘内单一注射重组人CDMP-1对退变椎间盘具有可修复能力。而Maitre等^[25]研究也表明，CDMP-1可促进人缺损椎间盘中蛋白聚糖的合成以及细胞间质的修复。

2.4其他作用

CDMP-1对神经系统具有营养和保护作用。早期的研究表明，CDMP-1可以显著减轻羟基多巴胺对小鼠黑质体的多巴胺能神经原的损害，而Aideen等^[26]研究也发现，CDMP-1可以保护中脑多巴胺能神经元并促进其神经传导功能，提示CDMP-1将来可用于帕金森病等神经退化性疾病的治疗。Zeng等^[27]则发现，CDMP-1不但可以诱导小鼠骨分化，还可以通过增加血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）的表达来促进小鼠间质细胞生成血管。而CDMP-1在调节牙胚发育以及刺激牙龈韧带细胞增殖和基质代谢方面的作用也引起不少人的兴趣。Sumita等^[28]通过实验表明，在牙生成的过程中，CDMP-1可以联合BMP-2等生长因子，促进牙乳头及滤泡的分化。此外，最新的研究还表明，心肌梗死的WT小鼠模型中，心脏的CDMP-1含量明显升高，并伴随梗死周围心肌细胞和成肌纤维细胞表达的增加，提示CDMP-1在心肌梗死后的心脏修复中发挥一定的作用^[29]。

3.CDMP-1的作用机制

人们对CDMP-1作用的受体机制研究较成熟（图2）。目前已知Sox9转录因子是软骨发生的基础，而Runx2转录因子是骨发生的基础。CDMP-1可以诱导间充质干细胞表面的BMP IB型受体（又称ALK-6受体）低聚以及ⅡB型受体的活化，从而导致Smad蛋白磷酸化。磷酸化的Smad蛋白进入细胞核，直接结合DNA或间接结合其他蛋白，从而调控Sox9和Runx2的表达，诱导前成骨细胞以及分泌性成骨细胞的分化，同时，还可以促进碱性磷酸酶（ALP）等成骨相关蛋白的表达^[30]。最新研究表明，CDMP-1和BMP2一样，可以通过活化BMPR2进而稳定XIAP来抑制细胞凋亡，促进生长^[31]。而Liu等^[32]研究发现，在人类风湿性成纤维细胞样的滑膜细胞中，CDMP-1可以被IL-1β抑制，促进TGF-β3介导的软骨分化。

图2  CDMP-1作用的受体机制

CDMP-1信号通路的研究较少，目前研究表明，CDMP-1可以通过p38 MAPK通路来传导信号，上调ALP、骨涎蛋白以及骨桥蛋白等的表达，维持前成骨细胞以及分泌性成骨细胞表型^[33]。然而，p38 MAPK通路只在软骨形成过程中发挥作用，对骨形成的影响还需进一步研究。此外，CDMP-1生物作用除了与其优选特定受体结合关系密切外，还受到细胞外基质的影响, 比例适合的细胞外基质和CDMP-1因子的复合是获得良好的组织修复效果的关键。

4.问题与展望

作为一种新的生长因子，CDMP-1具有多方面的生物学作用，为临床治疗提供了广泛的应用前景。然而，CDMP-1的生物学作用机制尤其是信号机制，仍然不完全清楚。CDMP-1在软骨发育过程、骨折愈合和肌腱修复等方面的作用机制和临床应用，CDMP-1与愈合环境之间的相互作用及生长因子对修复细胞分化调控机制等问题，还有待进一步研究和解决。目前，骨髓间充质干细胞(MSCs)是现代组织工程首选的种子细胞，对其诱导分化机制的研究一直是组织工程学领域的一个热点。然而有关CDMP-1对MSCs刺激诱导作用的报道很少，进一步探讨其对MSCs增殖分化的调节作用以及调控机制是今后的研究方向。相信随着以上问题的逐步解决及组织工程研究的不断发展，CDMP-1会为更多疾病的治疗和预防提供更为广阔的运用前景。

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