IJO：获得性异位骨化发病机制研究进展

异位骨化(HO)指软组织中出现成熟骨组织的病理现象。HO骨组织具备骨形成和重构能力、微循环体系以及接受神经一内分泌调节功能，与钙化有着本质的区别。

HO包括获得性异位骨化(AHO)和遗传性异位骨化(GHO)两种类型。GHO指基因突变导致机体骨形成系统失衡，进而能在外伤等因素激发下，在软组织内形成骨组织。

GHO主要包括进行性肌肉骨化症(FOP，又称进行性骨化性肌炎)和进行性骨发育异常(POH)，基因组学研究发现其主要与激活素A受体(ACVR)1和G蛋白调控亚基编码序列甲状腺刺激性G蛋白a亚基(GNAS)基因突变有关。

AHO则主要指严重创伤、战伤、神经系统损伤、烧伤、人工关节置换术等诱发的病理性软骨内骨化过程，16％～53％脊髓损伤和颅脑外伤会出现AHO，人工关节置换术诱发AH()可达4()％～50％；

组织学上，AHO经历经典的软骨内骨化过程；散射电子显微镜观察HO微观构造发现，AHO是皮质骨和松质骨混合结构(包含明显的纤维软骨区)，在体内经历持续的重构过程，甚至会持续数年。

AHO临床表现主要包括疼痛和邻近关节活动范围受限，是导致严重创伤、战伤、神经系统损伤、烧伤和人工关节置换术后功能不满意的最常见原因之一。

非类固醇类抗炎镇痛药(NSAID)治疗和放射治疗曾被认为是预防AHO的有效办法，但近年来出现与之相悖的研究结论，正挑战着这两种经典的预防手段。目前对AHO发病机制仍缺乏深入了解，是不能获得确切有效预防手段的根本原因。

研究发现，AHO发生至少取决于3个因素作为基础，即AHO发生所需的前体细胞、信号转导通路和局部微环境。AHO从本质上看，是软组织内炎症反应过程，尚有神经一内分泌因素参与AHO发生、进展和转归。

此外，AHO动物模型拓展和GH()研究进展也为深入理解该疾病的发病机制提供了新的研究思路和借鉴。AHO发病机制研究是开发新型、高效、靶向防治措施的前提。

1 AHO发生过程中前体细胞研究

软组织或循环中存在的各种类型前体细胞是AHO形成的基本条件之一，这些前体细胞发挥着“种子”的功能，一旦条件成熟，它就被募集、诱导并经最终信号转导通路分化成为(软)骨细胞，建成相对独立的骨形成和重构系统。

在各种前体细胞分化成为骨细胞的同时，破骨细胞和血管内皮细胞也同时参与该系统的构成。AHO发生过程中前体细胞研究是最热点问题，如谁是(软)骨细胞的前体细胞研究、前体细胞失调控研究、骨前体细胞与血管内皮细胞间转化研究等。经典理论认为，单纯植入骨髓于软组织内不能构建HO动物模型，然而这一理论也有争议。

Zotz等利用注射骨髓方法构建AH0大鼠模型并比较不同剂量骨髓悬液诱导HO的效价关系，研究发现单次注射0．35 ml骨髓于Wistar大鼠股四头肌中可诱导HO产生，同时实验动物没有死亡。

然而Toom等先前研究提示，骨髓在AHO发生过程中并未发挥中心性作用。因此对骨髓细胞在AHO发生，尤其是严重创伤性骨折发生过程中的角色，仍需进一步深入研究。骨髓组织来源的间充质干细胞(MSC)及间充质前体细胞(MPC)也可能在HO发生过程中发挥种子细胞功能。

Jackson等研究发现，尽管MPC与MSC基因表达谱不同，但损伤肌肉组织来源的MPC具有与MSC相同的诱导成骨分化能力和基因表达谱，提示损伤肌肉组织来源的MPC可能是HO的前体细胞。循环中的前体细胞在局部微环境改变时可能被募集至特定部位，发挥HO种子功能。

Suda等报道对FOP和HO发生过程中循环成骨前体细胞(COP)的功能进行研究，发现COP中I型胶原和CD45为阳性，FOP活动期患者和HO小鼠动物模型COP数量显著增加，非FOP患者COP可导致易感者发生HO；认为循环中造血来源、具有成骨分化能力的前体细胞可担当HO种子细胞的功能，并非只能由MSC参与。

分布于全身的组织特异性干细胞可能也是HO的来源。Wosczyna等研究发现，存留在骨骼肌间膜的多能前体细胞具备强大的成骨分化能力，可能介导了HO的产生。血管内皮细胞向问充质细胞转换(EndMT)是近年来发现的一种细胞性质变化现象。

在研究HO发病机制时发现，新生软骨具有内皮源性。据推测，EndMT发生过程是内皮细胞经历成纤维细胞的中间过程。也有研究认为内皮细胞去分化为干细胞，再重新分化为骨细胞系。

EndMT现象为HO骨形成和血管发生过程的偶联，提供了新的研究方向。基因谱系示踪技术为HO种子细胞的追踪提供了有力的研究手段。

Kan等采用Cre-loxP基因谱系示踪技术分析HO前体细胞的来源，虽然Glast和FoxDl前体细胞均参与生理性骨发生，但只有Glast前体细胞参与HO形成的所有阶段，而FoxDl前体细胞可能没有参与病理性HO。这为靶向性预防和治疗HO研究提供了新的参考依据。

2 信号转导通路中细胞因子和趋化因子的作用

前体细胞是HO产生过程中最基本的元素之一，但就前体细胞、信号转导因子和局部微环境而言，谁发挥了扳机的核心功能仍有争议。有研究认为，信号转导因子的异常发生于前体细胞异动之前，进而才能募集、诱导前体细胞定向分化。

近年研究主要集中在ACVRl/活化素受体样激酶(ALK)2/骨形态发生蛋白(BMP)信号转导通路与HO的发病关系上。ACVRl/ALK2编码序列位于染色体2q 23～24区，其编码蛋白为BMP的I型受体。

2个I型和2个Ⅱ型精氨酸-苏氨酸激酶复合体构成了BMP受体的核心单元，当配体结合时Ⅱ型受体促使I型受体胞质内GS区域发生磷酸化，进而激活下游Smad蛋白和丝裂原激活蛋白激酶(MAPK)信号转导通路。

ACVRl/ALK2突变可造成BMP生理功能放大，表现为成软骨功能异常。近年研究发现，虽然BMP 2和BMP-9均可诱导H0，但BMP-9仅在损伤的肌肉组织内才有诱导HO的功能；BMP-9/ALKl/2功能研究多为体外实验，其体内功能还需进一步深入研究发现。

BMP在HO发生过程中起主要作用，已受到越来越多研究证实。Toom等经动物试验研究发现，髋关节周围HO形成过程中股骨髓腔前体细胞并未发挥核心作用；

将经rh_BMP2浸泡的β磷酸三钙植入髋关节周围损伤的肌肉组织，同时将生理盐水浸泡的β磷酸三钙结合股骨钻孔释放骨髓作为对照，结果发现rh-BMP2浸泡组HO形成显著高于对照组，提示BMP-2在HO发生过程中的重要性要高于股骨髓腔中的骨髓组织。

血管发生途径及相关信号转导通路激活，也是HO发生早期的重要过程。诸多病理性因素诱导局部微环境出现低氧状态，进而诱导低氧诱导因子(HIF)及下游信号通路。

Dilling等通过腺病毒转染细胞表达BMP-2构建HO动物模型，发现新生血管形成先于软骨出现，即实验开始后48 h，能够表达血管内皮细胞生长因子(VEGF)的褐色脂肪组织和血管内皮细胞复制同时出现，这早于早期软骨形成3 d；

血管发生和成熟可能对HO形成具有重要作用。采用干扰HIF或VEGF的方法能有效抑制HO，也可证实血管发生在HO中发挥重要的介导作用。

3 微环境研究

微环境是影响HO形成的另一个核心要素，是局部肌肉、血管、神经及其形成所有分子网络构成的细胞生存动态内环境的总和。微环境因素改变在严重创伤、战伤或烧伤中对局部组织的直接影响最为突出。

上述外界因素可直接造成局部微环境缺血和缺氧，进而引发一系列炎症反应和修复过程，涉及募集前体细胞、调节细胞增殖分化及血管发生等过程。

正常组织和损伤组织对于诱发H0具有不同的土壤作用，如BMP-9在损伤肌肉组织中可诱导肌肉内留存的间充质细胞形成异位骨，但在正常肌肉组织中却不具备此作用；而BMP-2在正常和受损骨骼肌中均可促进HO。

采用ALK-1蛋白封闭BMP-9受体，则BMP-9诱导过程受到明显抑制。在小鼠HO动物模型中，BMP-9可作为早期诊断HO的标志物，对于早期干预具有一定意义。

微环境、信号转导通路分子与HO种子细胞之间互相调节、修饰过程，也就是HO发生过程，三者缺一不可。虽然目前诸多研究证实各单个因素在HO发生过程中发挥了重要的参与性作用，但仍缺乏综合性研究体系能将该三要素包含在内，这意味着HO研究从理论到临床，仍有漫长的路要走。

4 AHO炎症反应本质

越来越多研究认为，AHO发生过程是一种典型的局部软组织内炎症反应过程，不仅有大量炎症反应分子参与AHO发生过程，而且有周围神经系统、中枢神经系统和内分泌系统参与此过程。

Salisbury等研究发现周围神经系统参与了HO诱导发生过程，创伤可以激发一系列神经源性炎症反应，神经肽(如P物质、降钙素基因相关肽)释放，可以募集激活的血小板、肥大细胞和中性粒细胞至损伤部位；其次，感觉神经元将损伤部位炎症刺激发送至大脑，随即激活神经内分泌信号系统组织损伤修复过程。

Kan等研究发现，FOP、AHO患者和实验动物HO模型早期病灶组织中P物质水平均显著上升，神经元特异性烯醇酶(NSE)-BMP4转基因动物模型中诱导P物质编码片段失义突变可阻抑HO产生，P物质受体之神经激肽1受体(NKlR)拮抗剂、NKlR基因敲除或使得NKIR表达下调，均可抑制H0产生研究证实，P物质在BMP介导的HO发生过程中具有重要作用。

Gurkan等采用蛋白质组学和生物信息学方法研究骨髓骨化过程中早期和晚期特征性蛋白及其涉及的信号转导通路，发现大量免疫和炎症介质信号通路参与了骨髓成骨钙化过程。

5 结语

AHO是一个多因素参与的病理性骨形成过程。AHO发生的个体差异性和易感性提示，遗传因素在AHO发生过程中也扮演着重要作用。

如Mitchll等对1095例骨折患者发生HO的遗传易感性进行研究，通过对61个位点的单核苷酸多态性(SNP)序列进行DNA测序发现，胆肾上腺素受体、1b11样受体4和补体因子H与HO发生有关。

目前尚无理想的动物模型能够完全模拟AHO病理性发生过程，对AHO发病机制的深入研究有赖于，也有助于未来合理动物模型的建立。

对AHO发病机制进行深入研究，旨在探索更加合理、有效，甚至是靶向性的预防和治疗方法；此外，若能巧妙地将AHO发病机制应用于骨折不愈合或延迟愈合的治疗，则临床应用前景更加广阔。