Морфогенетические белки кости (BMPs)

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 3Следующая ⇒

В настоящее время в мире активно проводятся работы, направленные на создание остеоиндуктивных материалов нового поколения, в которых применяются морфогенетические белки кости (BMPs), в первую очередь ВМР-2. Белки семейства ВМР являются одними из ключевых факторов в ремоделировании и регенерации костной ткани. Эти белки обладают мощным остеоиндуктивным действием и способны стимулировать образование новой костной ткани путем индукции дифференцировки мезенхимальных клеток в функционально активные остеобласты [24].

По современным научным представлениям, BMP — это многофункциональные ростовые факторы, принадлежащие к суперсемейству В-трансформирующего фактора роста. BMP действуют на рецепторы клеточной мембраны и играют значительную роль в регулировании роста, дифференцирования и апоптоза различных типов клеток включая остеобласты, хондробласты, нервные и эпителиальные клетки.

BMP являются трансмембранными димерными белками. Димеры BMP стабилизированы дисульфидными связями (по три связи внутри каждого мономера и одна — между мономерами), что служит предпосылкой для остеоиндуктивности белка. Потеря одной из этих связей приводит к потере возможности стимулировать костеобразование. Молекула BMP состоит из 110-140 аминокислотных остатков. К настоящему времени идентифицировано 20 видов BMP. Наиболее полно изученными применительно к регенерации кости и хряща являются ВМР-2, BMP-6, BMP-9 и ВМР-7, однако есть сообщения об активном участии в остеогенезе и хондрогенезе и других видов BMP [7].

В раннем эмбриогенезе для образования хрящевой модели кости из мезенхимных клеток необходим BMP-4, затем подключаются BMP-2 и BMP-6. Причем последний фактор определяется в кальцифицированной зоне, а BMP-2 – в периостальной. Для образования небольших костей (ребра, стопа, кисть) важная роль принадлежит BMP-5. Он принимает участие в регуляции механизма конденсации мезенхимальных стволовых клеток в местах их роста [Lyons K.M., Pelton R.W., Hogan B.L.M. Organogenesis and pattern formation in the mouse RNA distribution patterns suggest a role for bone morphogenetic protein-2A // Development. - 1990. - Vol. 109. - P. 833-844].

BMP синтезируются скелетными клетками и одновременно их активизируют. Источник BMP — остеопрогениторные и мезенхимные стволовые клетки, а также остеобласты и хондроциты. После синтеза, распространяясь через градиент концентрации, BMP локально проявляют свою активность в следующих вариантах: взаимодействуют с рецепторами на мембране клеток-мишеней, формируя белковый комплекс; вступают в контакт с внеклеточными белками-антагонистами, прекращая при этом свою активность. На сигналы BMP могут отвечать: клетки-мишени — плюрипотентные мезенхимные стволовые клетки, остеобласты, миобласты, фибробласты, нервные клетки; маркеры метаболизма кости — щелочная фосфатаза, остеокальцин, остеопонин, остеонектин [19].

Для передачи сигнала димерной молекулы BMP в клетку-мишень необходимо ее связывание с рецепторами клеточной мембраны, представляющими собой серин-треониновые киназы, двух типов (BMPR-I и BMPR-II), которые слабо взаимодействуют с BMP поодиночке. Для устойчивого связывания и инициации передачи сигнала необходимо формирование комплекса лиганд-рецептор с участием рецепторов обоих типов. После первичного связывания димерной молекулы белка BMPR-II фосфорилирует BMPR-I, который, в свою очередь, приводит к фосфорилированию С-терминального домена рецептор-активируемых белков Smad (R-Smads: Smad1, Smad5 или Smad8). R-Smads образуют гетеромерные комплексы со Smad4 (Co-Smad) и перемещаются в ядро, где оказывают влияние на транскрипцию гена-мишени. Регуляция сигнального каскада опосредуется I-Smads (Smad6 и Smad7), а также Smad6 за счет ингибирования им взаимодействия Smad4 и Smad1 по механизму конкурентного связывания [7].

BMP стимулируют увеличение числа клеток; вызывают ускоренную дифференцировку мезенхимных стволовых клеток в хондробласты и остеобласты; усиливают синтез коллагена; повышают активность щелочной фосфатазы; увеличивают синтез остеокальцина; стимулируют синтез внеклеточного матрикса и его последующую минерализацию. Участвуя в хондрогенезе и остеогенезе, BMP стимулируют костеобразование в последовательности, подобной эмбриональному морфогенезу. Остеогенез с помощью BMP — это последовательный каскад событий со следующими главными фазами: хемотаксис; быстрое деление мезенхимных остеопрогениторных клеток; дифференцировка мезенхимных стволовых клеток в хондробласты и формирование хряща; синтез внеклеточного матрикса; замена хряща на костную ткань. Все типы клеток, участвующих в процессе костеобразования, являются клетками-мишенями для BMP. BMP совместно с компонентами матрикса (при использовании биологического или синтетического носителя) активизируют процесс, приводящий к дифференцировке в зоне имплантации остеопрогениторных клеток с последующим формированием кости [24].

Следует отметить, что морфогенетические протеины оказывают влияние и на формирование нервных волокон, сосудов, зубов, сердца, лимфатической, кроветворной тканей, часто в кооперации с другими регуляторными макромолекулами типа FGFs. Это свойство придает BMPs черты мультифакторного цитокина. BMP является единственным из всех известных фактором, обладающим истинными остеоиндуктивными свойствами [Reddi A.H. New biomaterials, stem cells and morphogens for tissue engineering // Bioceramics. - 2001. - Vol. 13. - P. 459-461].

Функции BMP в организме строго отрегулированы. Взаимодействие BMP с рецепторами на мембране клеток-мишеней может тормозиться внеклеточными белками-антагонистами, которые связывают BMP и предотвращают их последующую активность. Этот механизм, возможно, является реакцией защиты организма от чрезмерной активности BMP при остеогенезе [27].

Морфогенетический белок кости 2

BMP-2 (костный морфогенетический белок) – это белок, стимулирующий стволовые клетки к размножению и дифференцировке в зрелые клетки, ткани и органы. Этот белок вырабатывается из стволовых клеток в период эмбриогенеза, послеродовой период роста и взрослой жизни.

Среди BMP-2 выделяют две формы – BMP-2α и BMP-2β (ранее идентифицированный как BMP-4), гены которых расположены в 20 и 14 хромосомах человека соответственно [Reddi A.H. New biomaterials, stem cells and morphogens for tissue engineering // Bioceramics. - 2001. - Vol. 13. - P. 459-461.].

BMP-2 синтезируются в виде пре-про-пептидов длиной 400-525 аминокислотных остатков, которые состоят из N-концевого сигнального пептида, про-домена и С- концевого зрелого белка. До образования активной формы белка BMP-2 пре-про-пептид претерпевает несколько посттрансляционных модификаций. Ген BMP-2 расположен в 20 хромосоме и содержит 3 экзона [25].

Сначала происходит отщепление сигнальной последовательности с образованием молекулы про-BMP-2. Далее два мономера подвергаются димеризации в эндоплазматическом ретикулуме клетки, после чего димер транспортируется в аппарат Гольджи. В транс-отделе комплекса Гольджи под действием ферментов, например, фурина, происходит отщепление про- доменов, что приводит к образованию зрелого димера BMP-2. По окончании биосинтеза молекула белка в биологически активной димерной форме секретируется во внеклеточное пространство [7].

Каждый димер состоит из двух полипептидных цепей, соединенных дисульфидными связями. В первичной структуре зрелого димера содержится по 7 цистеиновых остатков, причем 6 из них формируют 3 дисульфидные связи, образующие консервативный структурный мотив – «цистеиновый узел», а седьмой остаток цистеина участвует в формировании SS связи между мономерами в структуре димера BMP-2 [25].

Факторы роста

Факторы роста – полипептиды с молекулярной массой 5-50 кДа, объединенные в группу трофических регуляторных субстанций. Подобно гормонам, эти факторы обладают широким спектром биологического действия на многие клетки – стимулируют или ингибируют митогенез, хемотаксис, дифференцировку. Факторы роста, как правило, продуцируются неспециализированными клетками, находящимися во всех тканях, и обладают эндокринным, паракринным и аутокринным действием.

Эндокринные факторы вырабатываются и транспортируются к удаленным клеткам-мишеням через кровоток. Достигая своей «цели», они взаимодействуют со специализированными высокоаффинными рецепторами клеток-мишеней. Паракринные факторы отличаются тем, что распространяются путем диффузии. Рецепторы клеток-мишеней обычно расположены вблизи клеток-продуцентов. Аутокринные факторы оказывают воздействие на клетки, являющиеся непосредственным источником этих факторов. Большинство полипептидных факторов роста действует по паракринному или аутокринному типу [Ворона Ю. С. Применение мембран аутоплазмы, обо- гащенной тромбоцитами, с целью направленной ре- генерации тканей в области глоточных швов после операций на гортани, глотке и полости рта: дис. канд. мед. наук. / Ю. С. Ворона. — Курск, 2014. – 143 с.].

В настоящее время определение фактора роста подвергается многочисленным корректировкам и уточнениям, связанными с открытием новых свойств и характеристик этих факторов. Согласно современным представлениям факторы роста — это естественные вещества полипептидного строения, с молекулярной массой 5–50 кДа, вырабатываемые организмом, являющиеся полифункциональными регуляторами и принадлежащие к классу цитокинов. [Tischler M. Platelet Rich Plasma: The use of autologus growth factors to enhance bone and soft tissue grafts/ M. Tischler // N. Y. State Dent. J. – 2002. – N. 68. – P. 22.].

Цитокины – различные белки, осуществляющие передачу сигналов между различными клетками организма. Цитокины являются наиболее универсальным классом внутри- и межтканевых регуляторных веществ.

Для того, чтобы классифицировать факторы роста, предложено их разделение на две большие группы:

1) с широким диапазоном клеточной и тканевой специфичности;

2) специфичные для определенной группы клеток.

Однако на данный момент научные данные, получаемые о результатах выделения, идентификации, взаимодействия и практического применения различных факторов роста лавинообразно нарастают, и количество идентифицированных соединений определяемых как ростовые факторы увеличивается с каждым годом.

С одной стороны факторы роста обладают свойствами, сходными с гормонами: белковая структура, участие в регуляции органов и тканей. Подобно гормонам эти факторы обладают широким спектром биологического воздействия на многие клетки — стимулируют или ингибируют митогенез, хемотаксис, дифференцировку. С другой стороны, они во многом отличаются от них по важным аспектам. Их первичный эффект заключается в стимуляции роста клеток, но они не влияют на функционирование последних. Последнее, но не менее важное отличие между гормонами и факторами роста – это временной фактор. Гормоны проявляют свое действие в сравнительно отдаленном периоде, нежеле факторы роста [Levi-Montalcini R., Hamburger V. Selective growth stimulating effect of mouse sarcoma on the sensory and sympathetic nervous system of the chick embryo / R. Levi-Montalcini, V. Hamburger // J. Exp. Zool. – 1951. – Vol. 116. – P. 321–362.].

Факторы роста играют важнейшую роль в механизмах регуляции роста клеток. Факторы роста активируют процессы деления, миграции, дифференциации клеток, экспрессии белка и продуцирования ферментов. Помимо этого факторы роста влияют на воспалительные, пролиферативные процессы и течение раневого процесса [Cytocompatibility of regenerated silk fibroin film: a medical biomaterial applicable to wound healing / T. L. Liu, J. C. Maio, W. H. Sheng [et al.] // J. Zhejiang Univ. Sci. B. – 2010. – N. 116 (1). – P. 10–16.].

⇐ Предыдущая 123 Следующая ⇒