羟基磷灰石的体内之旅

有证据表明，整合素通过粘附斑激酶的磷酸化转导信号通路，导致ERK1/2的激活。这表明羟基磷灰石具有很强的细胞粘附能力。同时，羟基磷灰石也通过ERK1/2和Akt介导的细胞增殖激活有丝分裂。

羟基磷灰石信号通路的潜在机制：羟基磷灰石晶体可以作为配体激活特定的信号受体并增加成骨的表达，作为激活关节信号受体并增加成骨转录因子表达的配体，表明成骨分化。

Khotib等人研究发现，羟基磷灰石作为骨生物材料的应用取决于成骨细胞。羟基磷灰石能够诱导成骨细胞的活性，这增加了骨缺损中新骨基质的合成（点击阅读：羟基磷灰石与骨生成）。为此，成骨细胞从其前体细胞分化，其前体细胞则为骨髓来源的多能干细胞。

ERK通路：蛋白激酶是催化磷酸基团从 ATP 转移到靶蛋白的一条或多条侧链的蛋白质。蛋白质磷酸化控制蛋白质的酶活性及其与其他蛋白质或分子的相互作用。MAPK是蛋白激酶家族，可控制从增殖到受控细胞死亡的一系列细胞事件ERK1和ERK2（Extracellular Signal-Regulated Kinase）是参与细胞分化的MAPK。涉及ERK的信号通路是由于生长因子、细胞因子、病毒、小化合物等以及生物材料（例如羟基磷灰石）的诱导而产生的。Song等人报道羟基磷灰石能够介导成骨细胞系MC3T3-E1中磷酸化ERK的上调。

在羟基磷灰石盘上接种MC3T3-E1成骨细胞后其磷酸化ERK的水平增加，持续长达1h。表明了羟基磷灰石可以通过上调ERK水平来影响细胞的行为。

SOX9通路：在上面的实验中，通过分析MC3T3-E1细胞的10108个基因可发现，有11个基因水平上调超过了2倍，有6个基因水平下调超过了2倍（如上图所示）。在上调的基因中，一个特别有趣的基因是SOX9，通过qRTPCR分析证实了它的表达。SOX9是一种转录因子，对软骨细胞分化和软骨形成至关重要。qRTPCR分析证实，SOX9是响应羟基磷灰石的高度上调基因之一，相对于对照组，SOX9的表达量增加了约5.7倍。

HAPLN2与FBLN1：上图显示与ECM相关的几个基因也被羟基磷灰石上调了。HAPLN2是脊椎动物透明质酸和蛋白多糖结合连接蛋白基因家族之一，它的上调也反映了透明质酸对成骨细胞组织结构和功能的重要性。Fibulin-1 （FBLN1） 是一种细胞外基质蛋白，通常在体内与纤连蛋白相关，调节纤连蛋白的粘附、扩散和运动促进活性。FBLN1也表明细胞的粘性与成骨的关联性。而羟基磷灰石上调HAPLN2与FBLN1也表明了其作为面部皮肤改善的材质是可行的。

p38通路：p38 是一种激酶，可传递来自细胞因子和免疫系统的信号。p38还在应激反应、细胞生长和存活以及各种细胞类型的分化中发挥作用。p38 在成骨细胞分化中是必不可少的，包括介导ECM矿化。除了在成骨细胞的生理过程中发挥作用外，p38还影响羟基磷灰石调节成骨细胞。羟基磷灰石可通过p38信号通路上调牙周膜细胞的BMP2的表达，但不增加ERK的表达。在成骨细胞的调控方面，p38与其他分子通路（包括ERK信号通路）表现出串扰（crosstalk，即不同信号的相互作用）。这两条通路增加了Runx2、BMP2、BSP和OCN基因的表达。其他纳米材料如纳米生物活性玻璃（20 nm）和金（Au）纳米颗粒（20nm和40nm），也会激活ERK和p38信号通路。这也证明了MAPK通路参与了多种生物材料诱导的成骨细胞的细胞调控。

Wnt通路：Wnt是与七通道跨膜卷曲（FZD）受体结合的蛋白质家族。Wnt信号通路在细胞命运、增殖和分化中很重要。这种信号被分为经典（canonical）和非经典（non-canonical）。其中前者也称为Wnt/β-catenin信号，因为它依赖于β-catenin。在生理学上，Wnt/β-catenin信号转导在促进成骨细胞分化和维持骨量方面起着至关重要的作用。在微纳米级别的羟基磷灰石表面培养牙周膜细胞，通过Wnt信号通路提高了Runx2、ALP、OCN、牙骨质附着蛋白（CAP）、牙骨质蛋白（CEMP）、LRP5和β-catenin的表达。此外，Chen等人发现，使用羟基磷灰石涂层表面（厚度：100μm）可增加MSC中纤连蛋白、β1整合素、vinculin和paxillin的表达，表明细胞能够粘附在生物材料表面。此外，Runx2、Osx、COL1和OCN基因的表达以及ALP活性在MSCs中也有所增加，从而表明成骨分化。

BMP-2：除了Wnt，BMP也是调节成骨细胞分化的通路。BMP是转化生长因子-β（TGF-β）家族的成员，对骨稳态至关重要。超过30个BMP参与经典和非经典BMP信号转导。BMP信号通路在羟基磷灰石诱导的成骨分化中也起作用，特别是在经典型信号中。Tang与和Wang等人的研究发现，用羟基磷灰石（包括纳米级）培养的MSCs显示成骨基因和BMP-2/Smad信号通路相关基因的表达增加，如BMPRI、BMP-2、BMP-4、Smad1、Smad4和Smad5。此外，Nahar-Gohad等人报道了由于羟基磷灰石的存在，血管平滑肌细胞中基因表达发生了变化。血管平滑肌细胞将表型转变为成骨细胞样细胞。

COLIII与FN：Jang等人研究表明，含有纳米羟基磷灰石的蚕丝填充物的基质能够促进MSC细胞的III型胶原（COLIII）、纤连蛋白（FN）、BMP-2的表达增加。上述几个基因都参与了成骨的形成，COLIII与FN也是皮肤细胞外基质（ECM）中的重要组成成分。

这些效应目前也被认为还是由ERK和p38信号通路介导的。据报道，通过ERK磷酸化与ECM（如玻连蛋白Vitronectin）的粘附能够促进MSC的成骨分化。数据表明，ERK信号转导在促进ECM诱导的成骨分化中起着关键作用。成骨分化也受p38 MAPK的调节。研究发现，抑制p38 MAPK阻碍了成骨细胞分化，此外羟基磷灰石生物陶瓷能够显著促进细胞附着，细胞活力，ALP活性，并提升成骨细胞相关基因的mRNA表达水平，包括Runx2，BMP-2，BSP和骨钙素（osteocalcin）。

羟基磷灰石的粒径也会影响细胞增殖。与在较大羟基磷灰石颗粒相比，在较小颗粒培养的MSCs表现出更高的增殖率。不仅细胞增殖，羟基磷灰石还影响细胞粘附。Xia等人报道了具有纳米结构表面的羟基磷灰石在生物材料上具有更好的粘附和扩散。

羟基磷灰石对Wnt信号通路的激活也受颗粒的形状和大小的影响。Zhou等人在具有锶掺杂的纳米棒状（nanorod-patterned，上图MNR）羟基磷灰石涂层表面培养MSC发现，与纳米颗粒状（nanogranule-patterned，上图MNG）的涂层表面相比，MSC的粘附、附着、扩散、增殖和成骨分化更佳，研究表明，Wnt/β-catenin信号通路调控的蛋白质为ALP、OPN、COL1和OCN。

纳米羟基磷灰石也对细胞凋亡有一定的影响（虽然这种影响还有争议）。Remya等人证明纳米羟基磷灰石对成骨细胞无毒。然而，另一项研究表明，纳米羟基磷灰石抑制大鼠成骨细胞的生长并具有剂量依赖性。纳米羟基磷灰石还显著诱导成骨细胞凋亡，并且比表面积越小，细胞凋亡率越低。这种完全两极化的差异可能是由于颗粒形状或者某些被激活的特定信号通路，然而目前还没有明确的结论。

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