骨组织血管系统中血管形成与骨形成的偶联效应

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.36.020

中国组织工程研究 ›› 2017, Vol. 21 ›› Issue (36): 5855-5861.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2017.36.020

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骨组织血管系统中血管形成与骨形成的偶联效应

杨瑾廷，韩向龙

口腔疾病研究国家重点实验室，四川大学华西口腔医院正畸科，四川省成都市 610041

收稿日期:2017-09-23 出版日期:2017-12-28 发布日期:2018-01-04
通讯作者: 韩向龙，博士，副教授，硕士生导师，口腔疾病研究国家重点实验室，四川大学华西口腔医院正畸科，四川省成都市 610041
作者简介:杨瑾廷，女，1990年生，四川省人，汉族，四川大学硕士，主要从事错牙合畸形的矫治与机制研究。
基金资助:
国家自然科学基金(81371172，81671024)

Coupling of osteogenesis and angiogenesis in bones

Yang Jin-ting, Han Xiang-long

State Key Laboratory for Oral Diseases, Department of Orthodontics, West China School of Stomatology, Sichuan University, Chengdu 610041, Sichuan Province, China

Received:2017-09-23 Online:2017-12-28 Published:2018-01-04
Contact: Han Xiang-long, M.D., Associate professor, Master’s supervisor, State Key Laboratory for Oral Diseases, Department of Orthodontics, West China School of Stomatology, Sichuan University, Chengdu 610041, Sichuan Province, China
About author:Yang Jin-ting, Master, State Key Laboratory for Oral Diseases, Department of Orthodontics, West China School of Stomatology, Sichuan University, Chengdu 610041, Sichuan Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China,No. 81371172 and 81671024

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：
血管新生：包括血管发生和血管形成。早期胚胎发育中，中胚层细胞祖细胞分化出的血管内皮祖细胞经募集、增殖、分化和迁移，形成功能尚不成熟的初级血管丛，此过程称为血管发生。而血管形成是指已存在的血管网的扩张延展，微血管以出芽或分裂的方式从已存在的血管床长出，并形成新的血管分支及毛细血管丛，这一系列过程包括内皮细胞出芽、迁移、增殖、管腔吻合和血管修整。
软骨内成骨：骨形成的方式之一，由矿化的骨取代软骨，这是一个复杂的过程，由软骨间叶原基增殖的软骨细胞向非增殖的肥大状态分化而启动。脊椎动物骨骼系统的大部分骨以软骨内成骨的方式形成，在此过程中，间充质细胞分化为软骨细胞，生成软骨单元，血管入侵和软骨细胞增殖相互协调，并带来血管周围的骨祖细胞、募集破骨细胞，最终导致软骨单元被吸收并逐渐被骨组织所替代，进而延长骨。

摘要
背景：骨组织中的血管系统除了是运载氧气、营养、代谢废物的管道系统以外，还调控着骨形成的多个方面，并为骨髓内造血干细胞提供细胞来源。在骨发育、骨成熟、骨老化和骨疾病的发生和发展中，血管形成和骨形成偶联，起着十分重要作用。
目的：对骨组织中血管构成及形成过程及影响骨血管的相关因素作一综述。
方法：电子检索CBM和PubMed数据库，中英文检索词分别为“骨形成；血管系统；血管形成”和“osteogenesis；blood vasculature；angiogenesis”。选择性地纳入有关骨组织血管系统和血管形成的高质量文献，排除重复发表文献。共纳入65篇文献，探讨二者间的偶联关系。
结果与结论：①骨骼系统的形成和稳定依靠几种不同类型的细胞活性的相互协调，尤其是内皮细胞作为信号的重要来源，调控软骨细胞和成骨相关细胞，因而使得在发育和再生中血管形成和骨形成发生偶联；②和其他器官一样，骨组织中的血管系统表现出典型的层次结构，动脉干分支流入广泛的毛细血管网，然后汇入骨干中心的大静脉；③影响骨血管形成的因素主要有血管内皮生长因子、成纤维细胞生长因子2、血小板衍化生长因子、基质金属蛋白酶、低氧状态、Notch信号通路等；④血管形成和骨形成的偶联作用提示，调控骨形成和调控血管形成的某一过程或相关细胞分子，将可能为未来治疗骨质疏松、骨肿瘤、骨折修复、骨再生提供新的思路和治疗手段。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程
ORCID: 0000-0003-1567-908X(杨瑾廷)

关键词: 组织构建, 骨组织工程, 骨形成, 血管系统, 血管形成, 内皮细胞, 软骨细胞, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: In addition to a conduit system for oxygen, nutrients and waste products, blood vessels in bones manipulate multiple aspects of bone formation and provide niches for bone marrow hematopoietic stem cells. Coupling of osteogenesis and angiogenesis plays a crucial role in bone development, maturation, ageing and diseases.
OBJECTIVE: To review the architecture of bone vasculature and process of angiogenesis, and then discuss the factors regulating coupling of osteogenesis and angiogenesis.
METHODS: CBM and PubMed databases were retrieved using the keywords of “osteogenesis, blood vasculature, angiogenesis” in Chinese and English, respectively. High-quality articles related to the blood vasculature and angiogenesis in bones were included, and the repetitive studies were excluded. Finally 65 eligible articles were included to explore the coupling of osteogenesis and angiogenesis.
RESULTS AND CONCLUSION: The formation and stabilization of the skeletal system rely on the coordination of several different types of cellular activities, especially endothelial cells as an important source of signals that regulate chondrocytes and osteogenesis-related cells, thus allowing the coupling of angiogenesis and osteogenesis during development and regeneration. Like other organs, the vascular system in the bones exhibits a typical hierarchy; the arterial trunk branches flow into the capillary network and then converge into the large veins in the center of the bone. Vascular endothelial growth factor, fibroblast growth factor 2, platelet-derived growth factor, matrix metalloproteinases, hypoxia, and Notch signaling pathway are involved in the angiogenesis in bones. The signaling pathways and related cytokines regulating the coupling of osteogenesis and angiogenesis will provide a new treatment strategy to battle bone diseases such as osteoporosis, bone tumor, bone fracture and bone repair.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

Key words: Osteogenesis, Blood Vessels, Endothelial Cells, Chondrycytes, Tissue

中图分类号:

R318

杨瑾廷，韩向龙. 骨组织血管系统中血管形成与骨形成的偶联效应[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(36): 5855-5861.

Yang Jin-ting, Han Xiang-long. Coupling of osteogenesis and angiogenesis in bones[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(36): 5855-5861.

图/表（结果） 2

2.1 血管及血管形成血管是生物运送血液、营养、氧、代谢产物、细胞因子以及细胞源等的管道，由几种不同的细胞构成，内层为内皮细胞，周围覆盖管周细胞(或称壁细胞)，这些壁细胞又根据其形态及表面标志物的不同，被分为周细胞和血管平滑肌细胞。周细胞嵌入内皮细胞基底膜下，与毛细血管内皮细胞发生直接接触；血管平滑肌细胞主要覆盖较大的血管，静脉和动脉，与内皮细胞没有直接接触^[2]。

血管的新生包括血管发生和血管形成两个过程。早期胚胎发育中，中胚层细胞祖细胞分化出的血管内皮祖细胞经募集、增殖、分化和迁移，形成功能尚不成熟的初级血管丛，此过程称为血管发生。而血管形成是指已存在的血管网的扩张延展，微血管以出芽或分裂的方式从已存在的血管床长出，并形成新的血管分支及毛细血管丛，这一系列过程包括内皮细胞出芽、迁移、增殖、管腔吻合和血管修整^[3-6]。血管形成的实现要求不同血管细胞间的广泛性协调，保证新生血管具备完全的功能和稳定。例如，毛细血管床的扩张过程涉及内皮细胞向动、静脉方向特异性分化，使其形成动脉或静脉。周细胞和平滑肌细胞在血管重塑、稳定、成熟中也是必须的^[6-7]。越来越多的证据表明血管形成和器官特异性分化，受到局部微环境的调控，形成特异性的内皮细胞^[8-10]。这种特异性分化的机制也体现在骨组织的血管结构中，下文将进一步阐述。

2.2 骨组织的血管结构骨骼系统是一个适应性反馈调控系统，与机械信号、生化信号、神经信号持续性整合^[11]。高度钙化，基质丰富的骨组织，骨髓中含有造血细胞，其功能不仅涉及钙磷代谢和转移，还与能量代谢和造血生成相关，并且各功能间存在相互联系。对一些功能来说，这些联系的基本要素就是骨血管化。骨作为一个高度血管化的组织，又存在一些与其他器官血管不一致的地方如生长板和关节软骨。和其他器官一样，骨组织中的血管系统表现出典型的层次结构，动脉干分支流入广泛的毛细血管网，然后汇入骨干中心的大静脉。骨干是骨含骨髓的主要部位^[12]。

基于标志物表达和功能特征，骨组织的毛细血管可分为H和L两个亚类^[12]，而H型和L型毛细血管相互交联。H型毛细血管在骨骺端，即无血管生长板区域。骨骺端H型毛细血管呈管束状排列，在远端近生长板的区域相互交联。此外，H型毛细血管还分布在骨干段靠近密质骨的骨内膜区域。H型毛细血管与血管周围表达Osterix的骨祖细胞相联系，且高表达连接蛋白CD31(或PECAM1)和唾液酸糖蛋白endomucin(EMCN)。从长骨远端横截面上观察，H型血管分布致密，且倾向于在生长板附近发生交联。相反地，L型血管在骨干骨髓腔内形成致密且高度分支的毛细血管网，类似窦状毛细血管网^[13-14]。与H型毛细血管相反，L型血管表达低水平的CD31和EMCN。窦状L型毛细血管周围包绕着致密的造血细胞，与中心静脉相连。在这种组织结构下，动脉和远端小动脉不直接将血液运送至窦状L型毛细血管，而是动脉仅与骨骺和骨内膜的H型血管相连。由于骨组织中这种特殊结构的血管系统，血液流经动脉分布至H型毛细血管，再经骨干和骨骺端交界面的窦状L型毛细血管网，最终汇入大的中央静脉。因此，在出生后的小鼠长骨中可检测到不同的代谢环境：骨干由于缺乏动脉的直接供氧和缺乏造血细胞而处于高度缺氧状态，而骨骺相对来说含氧丰富^[15]。

此外，骨组织的血管系统含有各类壁细胞。骨髓中，两种管周细胞包绕着窦状L型毛细血管——即瘦素受体阳性细胞(leptin receptor⁺ cell，LEPR⁺ cell)和CXCL12丰富的网状细胞(CXCL12-abundant reticular cell，CAR cell)^[16-17]。大量证据显示，这些管周细胞在调节造血作用中起着重要作用，它们分泌分子信号如干细胞因子，趋化因子CXCL12和促血管生成素。LEPR⁺细胞还表达血小板衍生生长受体α(platelet-derived growth factor receptor α，PDGFRα)，但不表达血小板衍生生长受体β(platelet-derived growth factor receptor β，PDGFRβ)和神经胶质抗原2(neural/glial antigen2，NG2)^[17-18]。这些细胞低表达巢蛋白绿色免疫荧光(nestin-GFP)，能分化为不同的间充质细胞系如骨、软骨、脂肪细胞^[19]。同软组织一样，骨组织中的动脉被α-平滑肌肌动蛋白阳性(alpha smooth muscle actin-positive，αSMA⁺ )平滑肌细胞覆盖，并且这些平滑肌细胞也表达NG2^[20]。小动脉管周细胞表达NG2和nestin-GFP^high，也具有能分化为不同的间充质细胞系的潜力^[21-22]。骨骺H型毛细血管束也被血小板衍化生长因子Rβ⁺和NG2⁺管周细胞包绕，由H型毛细血管的内皮细胞分泌的血小板衍化生长因子B(platelet derived growth factor-B，PDGFB)调控^[20]。

2.3 骨组织中的血管形成骨形成有两种方式即软骨内成骨和膜内成骨。在颅骨和面骨发育过程或骨修复过程中，膜内成骨骨化部位的间充质细胞先分化为成骨细胞，形成骨化点，产生骨组织的纤维和有机基质。钙盐渐次与基质结合分化成骨质，其外围的间充质分化为骨膜。在骨膜下的成骨细胞和破骨细胞的相互作用下，骨即从骨化点逐渐扩展，这一过程称为膜内成骨。这种成骨形式主要发生在扁骨如颅顶骨和面颅诸骨以及部分锁骨。另一种方式，软骨内成骨是由矿化的骨取代软骨，这是一个复杂的过程，由软骨间叶原基增殖的软骨细胞向非增殖的肥大状态分化而启动。在此过程中，间充质细胞分化为软骨细胞。血管入侵和软骨细胞增殖相互协调，进而延长骨。软骨内成骨主要发生在长骨^[23-24]。骨组织中的血管系统似乎大部分，甚至可能全部由血管形成生成^[25]。

2.3.1 软骨内成血管脊椎动物骨骼系统的大部分骨以软骨内成骨的方式形成，胚胎期间充质细胞凝聚引发软骨内成骨，生成软骨单元，血管随之入侵软骨，并带来血管周围的骨祖细胞、募集破骨细胞，最终导致软骨单元被吸收并逐渐被骨组织所替代。在鼠科动物的长骨中，在胚胎13.5-14.5 d时血管开始入侵软骨板，血管形成大部分在青春期或发育时期完成。软骨内成血管的过程涉及一系列的事件。首先，未来初级骨化中心(primary ossification center，POC)位点的软骨细胞停止增殖，变肥大，分泌促血管生长因子，刺激血管形成；位于初级骨化中心的骨祖细胞也是促血管生长因子的来源。接着，血管入侵肥大的软骨细胞，形成最初的血管网，并伴随骨化过程。长骨两端的成熟和肥大生长板软骨细胞释放信号，进一步促进血管形成和沿长轴的骨化，最终导致骨单位的扩张延伸。这一过程同时涉及不同的骨骺和骨干毛细血管网的形成。在随后的发育中，血管入侵长骨两端骨骺的软骨细胞，进而启动次级骨化中心(secondary ossification center，SOC)形成^[25]，见图1。

2.3.2 膜内成血管通过膜内成骨形成的骨不具有软骨板。但是，和长骨一样，扁骨也是高度血管化的。相较于软骨内成骨和软骨内成血管的研究，膜内成血管却鲜有研究，因而膜内成骨和血管形成的相互作用目前尚不清楚^[26-27]。

2.4 影响骨血管形成的因素提炼简表见表1。

2.4.1 血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF) 近30年来，血管内皮生长因子已成为众多研究的焦点。科学家们发现了内皮细胞上的血管内皮生长因子受体——生理和病理性血管生成的关键因子^[28-29]。血管内皮生长因子A是调控成血管的主要因子，在肥大软骨细胞中高表达和分泌^[30-31]。血管内皮生长因子R2是血管内皮生长因子A的主要受体，二者结合后产

生的信号可促发一系列反应如内皮细胞迁徙、增殖、存活^[32]。血管内皮生长因子A一旦释放，血管侵入软骨，促进骨形成。抑制血管内皮生长因子活性的实验显示血管侵入受到抑制、生长板结构发生改变如肥大软骨细胞区的扩大。进一步实验表明终止对血管内皮生长因子的抑制可逆转这些效应。尤其是血管入侵和肥大软骨的吸收得以恢复，生长板结构恢复正常^[31]。血管内皮生长因子A有3种主要的亚型：血管内皮生长因子A¹²⁰，可溶性，不与细胞外基质结合；血管内皮生长因子A¹⁶⁴，可溶性，能与细胞外基质结合；血管内皮生长因子A¹⁸⁸，溶解度低，与细胞外基质高度结合。这些亚型引起不同的生物学反应。比如，仅表达血管内皮生长因子A¹²⁰的老鼠表现出软骨内成血管和软骨内矿化减少，骨化中心区域的成骨标志物表达减少。与之相比，发育中的初级骨化中心区域的血管内皮生长因子A¹⁶⁴，血管内皮生长因子A¹⁸⁸的表达量对于成血管是足够的。进一步研究表明成骨细胞系中血管内皮生长因子A¹⁶⁴的过表达通过激活β-catenin信号，进而导致骨组织血管形成和骨形成均增多。然而，与基质高度结合的血管内皮生长因子A¹⁸⁸仅导致次级骨化中心血管化，表明可溶性血管内皮生长因子A的扩散对于血管的募集和血管形成是必需的。

随后，血管内皮生长因子的治疗应用被证实加强软骨内钙化和膜内成骨。研究表明血管内皮生长因子治疗可加速骨再生和血管化^[33]，抑制血管内皮生长因子的实验中没有新结合说明血管内皮生长因子在愈合过程中的重要作用^[33]。血管内皮生长因子也被认为能提高受损或病理性骨组织招募干细胞^[33-34]。可是，新西兰白兔骨缺损治疗分别应用血管内皮生长因子和血小板丰富的基质的结果表明，单独应用血管内皮生长因子没有获得最佳的骨再生^[35]。血小板丰富的基质中含有血管内皮生长因子和很多其他的生长因子包括血小板衍化生长因子、转化生长因子β1、转化生长因子β2、胰岛素样生长因子(insulin-like growth factor，IGF)、表皮生长因子、内皮细胞生长因子^[35]。该实验结论为当血管内皮生长因子足够提高血管再生时，其他生长因子的结合将导致更好的骨修复。

2.4.2 成纤维细胞生长因子2(fibroblast growth factor-2，FGF-2) 成纤维生长因子家族拥有18个不同的配体，能够通过4种不同的成纤维细胞生长因子R1-4受体产生一系列反应如细胞存活、增殖、分化，其中成纤维细胞生长因子2被广泛研究，认为在血管诱导，间充质前体细胞和成骨细胞的有丝分裂中都扮演着重要作用^[36]。Hankenson等^[37]实施临床前研究证实了成纤维细胞生长因子2促进血管生成和骨折愈合的能力。成纤维细胞生长因子R1和成纤维细胞生长因子R2受体在骨血管系统中表达，而软骨内细胞和成骨细胞都分泌成纤维细胞生长因子^[38-39]。全身性注射成纤维细胞生长因子2可增加血管内皮细胞黏附分子VE-cadherin和紧密连接蛋白ZO-1的水平，从而刺激骨组织动脉的扩展^[40]。此外，松质骨骨量、矿化沉积率、骨形成率在缺乏成纤维细胞生长因子2的转基因小鼠中均明显降低。综合这些实验研究表明成纤维细胞生长因子信号通路是血管生长和骨形成的重要调节因子。

2.4.3 血小板衍化生长因子(Platelet derived growth factor，PDGF) 血小板衍化生长因子临床应用证实有效，市面上可以买到凝胶形式的血小板衍化生长因子，用以治疗糖尿病患者的慢性足部溃疡。血小板衍化生长因子同样具有促进血管化骨再生的潜力。除了其具有趋化成骨细胞和刺激成骨细胞增殖以外，血小板衍化生长因子被发现可增加内皮细胞血管内皮生长因子的表达。全身应用人重组血小板衍化生长因子BB(recombinant human platelet derived growth factor-BB，rhPDGF-BB)证实其能促进骨质疏松大鼠模型的骨密度和强度，促进骨折愈合。在人类临床试验研究中，人重组血小板衍化生长因子BB与异体骨基质联合局部应用，治疗牙周病变和促进牙槽骨生成^[41-43]。

2.4.4 基质金属蛋白酶(matrix metalloproteases，MMPs) 基质金属蛋白酶主要由破骨细胞和血管细胞分泌，尤其是基质金属蛋白酶9和基质金属蛋白酶13在骨血管形成和骨重建中有着重要的作用。尽管骨骼系统是高度矿化，且含有丰富的细胞外基质，但在骨生长和骨稳态中一直处于重建的状态，保留着修复的能力^[44]。软骨细胞和成骨细胞分泌的基质分子对矿化十分重要^[45]。在血管入侵初级骨化中心的过程中，基质金属蛋白酶诱导细胞外基质蛋白水解，引起基质重建，支持内皮细胞的迁移和增殖。

细胞外基质能通过整合素家族异二聚体受体诱导细胞内信号，这个基质-整合素信号是血管形成和血管完整性的关键。如，基质结合血管内皮生长因子可诱导血管内皮生长因子R2发生持续性激活。基质结合血管内皮生长因子还能引起整合素β1、血管内皮生长因子R2和粘着斑激酶(focal adhesion kinase，FAK)的结合^[46]。基质金属蛋白酶9缺失小鼠表现出血管化减少。应用血管内皮生长因子能挽救基质金属蛋白酶9敲除小鼠的软骨内成骨缺陷，表明该软骨缺陷与血管内皮生长因子的生物活性不足有关。基质金属蛋白酶13突变小鼠表现出生长板和板状骨增加，但未见明显的血管系统的变化。相较之下，基质金属蛋白酶9和基质金属蛋白酶13双敲除的小鼠表现出减弱的软骨内成血管、细胞外基质重建以及各种骨形成缺陷^[47]。以上结果强调了基质金属蛋白酶的重要性，表明基质金属蛋白酶通过细胞基质和生长因子信号控制成血管和成骨的许多方面。

2.4.5 低氧状态低氧可激活多种细胞内信号通路，通过低氧诱导因子(hypoxia inducible factor，HIF)调控目的基因表达。低氧诱导因子异源二聚体由一个α亚单位(低氧诱导因子1α、低氧诱导因子2α、低氧诱导因子3α之一)和一个β亚单位(低氧诱导因子1β)构成。低氧诱导因子1α和低氧诱导因子2α在低氧状态下(氧浓度小于5%)无处不在且性质稳定。低氧诱导因子的靶基因涉及许多生物学过程，如厌氧代谢和血管形成。尤其是，软骨细胞利用低氧诱导因子厌氧代谢机制，在低氧环境中得以存活。低氧诱导因子1α能调控许多代谢基因，在这一过程中发挥非常重要的作用^[48-49]。因此，条件性敲除小鼠低氧诱导因子1α将引起生长板内部的低氧区域内大量细胞死亡^[50]。

此外，低氧还能调节血管内皮生长因子的表达，进而调控成血管。实际上，低氧诱导因子在表达血管内皮生长因子的成骨相关细胞中表达。因此，特异性敲除成骨细胞中的Hif1α可引起骨血管形成和骨形成减少。相反地，成骨细胞特异性过表达低氧诱导因子1α或丢失Von Hippel-Lindau (VHL)蛋白，导致骨血管形成和骨形成均增加。低氧诱导因子1α和低氧诱导因子2α在转录水平调控细胞外基质基因的表达，它们的缺失引起细胞外基质分泌减少，进而影响软骨形成和骨形成^[48]。低氧信号的激活还能引起H型毛细血管增多，以及软骨内成骨和血管形成增多^[12]。总之，现已有大量证据表明低氧状态和血管内皮生长因子信号有助于血管形成和骨形成的偶联^[51-53]。

2.4.6 Notch信号通路 Notch信号通路是一条在进化上高度保守、影响细胞命运、增殖、分化和凋亡的信号转导途径，可通过介导细胞间相互作用调控胚胎发育与组织更新，肿瘤的发生和转移等^[54]。此外，Notch信号通路在骨形成和骨血管形成过程中也发挥着重要的作用。众所周知Notch信号通路调节内皮细胞中血管内皮生长因子信号的促血管作用，抑制内皮细胞Notch信号的激活引起内皮细胞增殖和大量出芽，导致软组织的过度血管化^[55-56]。然而，令人惊奇的是，近期研究发现激活骨组织中的Notch信号却能促进长骨内皮细胞的增殖和生长，促进局部血管形成和骨形成。在小鼠内皮细胞特异性敲除Notch信号不仅引起骨组织血管形态发生紊乱和生长受阻，还导致骨形成减少，长骨长度不足，软骨细胞发生缺陷，形成不规则且更大的生长板，骨小梁丢失，骨量减少，血管内皮生长因子表达不足。进一步研究发现这些骨骼缺陷与内皮细胞Noggin自分泌不足有关。Noggin作为骨形态发生蛋白的抑制剂，由Notch信号调控内皮细胞分泌，能促进肥大软骨细胞的生成^[15]。

2.4.7 其他影响因素研究发现音猥因子(Sonic hedgehog，SHH)等，也与血管形成和骨形成相关^[56]。音猥因子也被证实可增加新生血管。Pola等^[57]采用缺血性后肢大鼠模型发现音猥因子引起明显的血管新生。音猥因子可能激活血管内皮生长因子、血管生成素1，血管生成素2、血小板衍化生长因子B、转化生长因子β等对血管稳定和成熟重要的生长因子，从而间接诱导血管形成。采用人原代成骨细胞和外向生长内皮细胞(outgrowth endothelial cells)共培养发现音猥因子可能为血管内皮生长因子提供优势，在24 h时血管内皮生长因子的作用开始显现，提示音猥因子可能有利于加速血管化^[58]。音猥因子也可能促进骨生成。Dohle等^[58]一系列共培养研究显示音猥因子提高了很多成骨分化相关标志物的表达，促进骨组织矿化，增强碱性磷酸酶的活性^[59]。相似地，也发现共价音猥因子足以刺激骨髓来源的间充质干细胞向成骨系有丝分裂和分化。

其他生长因子如结缔组织生长因子(connective tissue growth factor，CTGF或CCN2)和c-RAF (RAF1)，与血管内皮生长因子A表达调控相关，因而与骨组织血管形成有关。结缔组织生长因子是分泌基质细胞蛋白CNN家族中的一员，与生长因子和整合素相互作用^[60]。结缔组织生长因子在软骨膜和软骨成血管肥大软骨细胞中高表达。结缔组织生长因子不仅对破骨细胞的募集很重要，还对肥大软骨细胞表达血管内皮生长因子A、正常细胞外基质的产生和骨发育是必需的^[61]。c-RAF是MEK1/2激酶上游的激活剂，能控制MAP酶的信号活性。c-RAF在肥大软骨细胞中高表达，肥大软骨细胞中c-RAF缺失会导致肥大细胞凋亡减少。软骨细胞特异性缺乏c-RAF功能的转基因小鼠在胚胎15.5 d初级骨化中心血管话，以及出生后35 d干骺血管化都减少^[62]。如前所述，肥大软骨细胞分泌促进成血管因子，促进血管形成，但是令人疑惑的是，增殖的肥大细胞含氧量低，实际上抑制血管生长。体内外研究表明增殖的肥大细胞通过分泌如chondromodulin 1(LECT1)从而抑制生长板和软骨的血管化^[63]。此外抑制SOX9基因(调控软骨分化肥大和存活的转录因子)的激活引起成血管障碍和血管内皮生长因子A表达降低，而广泛的SOX9表达不足以引起血管内皮生长因子A的异位表达^[64-65]。基于肥大细胞的过表达实验，表明SOX9抑制血管内皮生长因子A的表达，引起成血管和成骨的减少。

参考文献

[1] Steiner D, Lampert F, Stark GB, et al. Effects of endothelial cells on proliferation and survival of human mesenchymal stem cells and primary osteoblasts. J Orthop Res.2012; 30(10): 1682-1689.

[2] Armulik A,Genove G,Betsholtz C. Pericytes: developmental, physiological, and pathological perspectives, problems, and promises. Dev Cell. 2011; 21(2):193-215.

[3] Adams RH, Alitalo K. Molecular regulation of angiogenesis and lymphangiogenesis. Nat Rev Mol Cell Biol. 2007; 8(6): 464-478.

[4] Geudens I, Gerhardt H. Coordinating cell behaviour during blood vessel formation. Development. 2011; 138(21): 4569-4583.

[5] Herbert SP, Stainier DY. Molecular control of endothelial cell behaviour during blood vessel morphogenesis. Nat Rev Mol Cell Biol. 2011;12(9): 551-564.

[6] Potente M, Gerhardt H, Carmeliet P. Basic and therapeutic aspects of angiogenesis. Cell. 2011; 146(6): 873-887.

[7] Carmeliet P, Jain RK. Molecular mechanisms and clinical applications of angiogenesis. Nature. 2011; 473(7347): 298-307.

[8] Kuhnert F, Mancuso MR, Shamloo A, et al. Essential regulation of CNS angiogenesis by the orphan G protein-coupled receptor GPR124. Science. 2010; 330(6006): 985-989.

[9] Ramasamy SK, Kusumbe AP, Adams RH. Regulation of tissue morphogenesis by endothelial cell-derived signals. Trends Cell Biol. 2015;25(3):148-157.

[10] Rafii S, Butler JM, Ding BS. Angiocrine functions of organ-specific endothelial cells. Nature. 2016; 529(7586): 316-325.

[11] Harada S, Rodan GA. Control of osteoblast function and regulation of bone mass. Nature. 2003;423(6937):349-355.

[12] Kusumbe AP, Ramasamy SK, Adams RH. Coupling of angiogenesis and osteogenesis by a specific vessel subtype in bone. Nature. 2014;507(7492): 323-328.

[13] Aird WC. Phenotypic heterogeneity of the endothelium: II. Representative vascular beds. Circ Res. 2007;100(2):174-190.

[14] Kopp HG, Avecilla ST, Hooper AT, et al. The bone marrow vascular niche: home of HSC differentiation and mobilization. Physiology. 2005; 20: 349-356.

[15] Ramasamy SK, Kusumbe AP, Wang L, et al. Endothelial Notch activity promotes angiogenesis and osteogenesis in bone. Nature. 2014; 507(7492): 376-80.

[16] Ding L, Saunders TL, Enikolopov G, et al. Endothelial and perivascular cells maintain haematopoietic stem cells. Nature. 2012; 481(7382): 457-462.

[17] Sugiyama T, Kohara H, Noda M, et al. Maintenance of the hematopoietic stem cell pool by CXCL12-CXCR4 chemokine signaling in bone marrow stromal cell niches. Immunity. 2006; 25(6):977-988.

[18] Ugarte F, Forsberg EC. Haematopoietic stem cell niches: new insights inspire new questions. Embo J. 2013; 32(19): 2535-2547.

[19] Zhou BO, Yue R, Murphy MM, et al. Leptin-receptor-expressing mesenchymal stromal cells represent the main source of bone formed by adult bone marrow. Cell Stem Cell. 2014;15(2):154-168.

[20] Kusumbe AP, Ramasamy SK, Itkin T, et al. Age-dependent modulation of vascular niches for haematopoietic stem cells. Nature. 2016; 532(7599): 380-384.

[21] Kunisaki Y, Bruns I, Scheiermann C, et al. Arteriolar niches maintain haematopoietic stem cell quiescence. Nature. 2013; 502(7473): 637-643.

[22] Mendez-Ferrer S, Michurina TV, Ferraro F, et al. Mesenchymal and haematopoietic stem cells form a unique bone marrow niche. Nature. 2010; 466(7308): 829-834.

[23] Kanczler JM, Oreffo RO. Osteogenesis and angiogenesis: the potential for engineering bone. Eur Cell Mater. 2008;15:100-114.

[24] Long F, Ornitz DM. Development of the endochondral skeleton. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2013; 5(1). a008334.

[25] Sivaraj KK, Adams RH. Blood vessel formation and function in bone. Development. 2016; 143(15): 2706-2715.

[26] Percival CJ, Richtsmeier JT. Angiogenesis and intramembranous osteogenesis. Dev Dyn. 2013; 242(8): 909-922.

[27] Abzhanov A, Rodda SJ, McMahon AP, et al. Regulation of skeletogenic differentiation in cranial dermal bone. Development. 2007; 134(17): 3133-3144.

[28] Carmeliet P. Mechanisms of angiogenesis and arteriogenesis. Nat Med. 2000; 6(4): 389-395.

[29] Ferrara N, Gerber HP, LeCouter J. The biology of VEGF and its receptors. Nature medicine. 2003; 9(6): 669-676.

[30] Harper J, Klagsbrun M. Cartilage to bone--angiogenesis leads the way. Nature medicine. 1999; 5(6): 617-618.

[31] Gerber HP,Vu TH,Ryan AM,et al.VEGF couples hypertrophic cartilage remodeling, ossification and angiogenesis during endochondral bone formation. Nature Med.1999; 5(6): 623-628.

[32] Olsson AK, Dimberg A, Kreuger J, et al. VEGF receptor signalling - in control of vascular function. Nat Rev Mol Cell Biol. 2006; 7(5): 359-371.

[33] Geiger F, Lorenz H, Xu W, et al. VEGF producing bone marrow stromal cells (BMSC) enhance vascularization and resorption of a natural coral bone substitute. Bone. 2007; 41(4): 516-522.

[34] Keramaris NC, Calori GM, Nikolaou VS, et al. Fracture vascularity and bone healing: a systematic review of the role of VEGF. Injury. 2008; 39 Suppl 2: S45-57.

[35] Kasten P,Beverungen M,Lorenz H,et al.Comparison of platelet-rich plasma and VEGF-transfected mesenchymal stem cells on vascularization and bone formation in a critical-size bone defect. Cells Tissues Organs. 2012;196(6): 523-533.

[36] Turner N, Grose R. Fibroblast growth factor signalling: from development to cancer. Nat Rev Cancer. 2010; 10(2): 116-129.

[37] Hankenson KD, Dishowitz M, Gray C, et al. Angiogenesis in bone regeneration. Injury. 2011; 42(6): 556-561.

[38] Kozhemyakina E,Lassar AB,Zelzer E.A pathway to bone: signaling molecules and transcription factors involved in chondrocyte development and maturation. Development. 2015; 142(5): 817-831.

[39] Ornitz DM, Marie PJ. Fibroblast growth factor signaling in skeletal development and disease. Genes Dev. 2015; 29(14): 1463-1486.

[40] Itkin T, Gur-Cohen S, Spencer JA, et al. Distinct bone marrow blood vessels differentially regulate haematopoiesis. Nature. 2016; 532(7599): 323-328.

[41] Camelo M, Nevins ML, Schenk RK, et al. Periodontal regeneration in human Class II furcations using purified recombinant human platelet-derived growth factor-BB (rhPDGF-BB) with bone allograft. Int J Periodontics Restorative Dent. 2003; 23(3): 213-225.

[42] Nevins M,Camelo M,Nevins ML,et al.Periodontal regeneration in humans using recombinant human platelet-derived growth factor-BB (rhPDGF-BB) and allogenic bone. J Periodontol. 2003; 74(9): 1282-1292.

[43] Guo P, Hu B, Gu W, et al. Platelet-derived growth factor-B enhances glioma angiogenesis by stimulating vascular endothelial growth factor expression in tumor endothelia and by promoting pericyte recruitment. Am J Pathol.2003; 162(4): 1083-1093.

[44] Bonnans C, Chou J, Werb Z. Remodelling the extracellular matrix in development and disease. Nat Rev Mol Cell Biol. 2014; 15(12): 786-801.

[45] Lu P, Takai K, Weaver VM, et al. Extracellular matrix degradation and remodeling in development and disease. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2011; 3(12). pii: a005058.

[46] Chen TT, Luque A, Lee S, et al. Anchorage of VEGF to the extracellular matrix conveys differential signaling responses to endothelial cells. J Cell Biol. 2010; 188(4): 595-609.

[47] Stickens D, Behonick DJ, Ortega N, et al. Altered endochondral bone development in matrix metalloproteinase 13-deficient mice. Development. 2004;131(23): 5883-5895.

[48] Bentovim L,Amarilio R, Zelzer E. HIF1alpha is a central regulator of collagen hydroxylation and secretion under hypoxia during bone development. Development. 2012; 139(23): 4473-4483.

[49] Dunwoodie SL.The role of hypoxia in development of the Mammalian embryo. Developmental Cell. 2009; 17(6): 755-773.

[50] Schipani E, Ryan HE, Didrickson S, et al. Hypoxia in cartilage: HIF-1alpha is essential for chondrocyte growth arrest and survival. Genes Dev. 2001; 15(21): 2865-2876.

[51] Maes C,Clemens TL.Angiogenic-osteogenic coupling: the endothelial perspective. Bonekey Rep. 2014; 3: 578.

[52] Riddle RC,Khatri R,Schipani E,et al.Role of hypoxia-inducible factor-1alpha in angiogenic-osteogenic coupling. J Mol Med (Berl). 2009; 87(6): 583-590.

[53] Schipani E, Maes C, Carmeliet G, et al. Regulation of osteogenesis-angiogenesis coupling by HIFs and VEGF. J Bone Miner Res. 2009; 24(8):1347-1353.

[54] Engin F, Lee B. NOTCHing the bone: insights into multi-functionality. Bone. 2010; 46(2): 274-280.

[55] Roca C, Adams RH. Regulation of vascular morphogenesis by Notch signaling. Genes Dev. 2007; 21(20): 2511-2524.

[56] Jakobsson L, Bentley K, Gerhardt H. VEGFRs and Notch: a dynamic collaboration in vascular patterning. Biochem Soc Trans. 2009; 37(Pt 6): 1233-1236.

[57] Pola R, Ling LE, Silver M, et al. The morphogen Sonic hedgehog is an indirect angiogenic agent upregulating two families of angiogenic growth factors. Nature Med. 2001; 7(6): 706-711.

[58] Dohle E, Fuchs S, Kolbe M, et al. Comparative study assessing effects of sonic hedgehog and VEGF in a human co-culture model for bone vascularisation strategies. Eur Cell Mater. 2011; 21: 144-156.

[59] Ho JE, Chung EH, Wall S, et al. Immobilized sonic hedgehog N-terminal signaling domain enhances differentiation of bone marrow-derived mesenchymal stem cells. J Biomed Mater Res A. 2007; 83(4):1200-1208.

[60] Jun JI, Lau LF. Taking aim at the extracellular matrix: CCN proteins as emerging therapeutic targets. Nat Rev Drug Discov. 2011; 10(12): 945-963.

[61] Ivkovic S, Yoon BS, Popoff SN, et al. Connective tissue growth factor coordinates chondrogenesis and angiogenesis during skeletal development. Development. 2003; 130(12): 2779-2791.

[62] Liu ES, Raimann A, Chae BT, et al. c-Raf promotes angiogenesis during normal growth plate maturation. Development. 2016; 143(2): 348-355.

[63] Hiraki Y, Shukunami C. Angiogenesis inhibitors localized in hypovascular mesenchymal tissues: chondromodulin-I and tenomodulin. Connect Tissue Res. 2005; 46(1): 3-11.

[64] Ikegami D, Akiyama H, Suzuki A, et al. Sox9 sustains chondrocyte survival and hypertrophy in part through Pik3ca-Akt pathways. Development. 2011; 138(8): 1507-1519.

[65] Eshkar-Oren I, Viukov SV, Salameh S, et al. The forming limb skeleton serves as a signaling center for limb vasculature patterning via regulation of Vegf. Development. 2009; 136(8): 1263-1272.

骨组织血管系统中血管形成与骨形成的偶联效应

Coupling of osteogenesis and angiogenesis in bones

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[1]	张立创, 徐浩, 马迎辉, 熊梦婷, 韩海慧, 鲍嘉敏, 翟伟韬, 梁倩倩. 免疫调控淋巴回流功能治疗类风湿关节炎的机制及前景[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1459-1466.
[2]	姚晓玲, 彭建城, 许岳荣, 杨志东, 张顺聪. 可变角度零切迹前路椎间融合内固定系统治疗脊髓型颈椎病：30个月随访[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1377-1382.
[3]	吴聪, 贾全忠, 刘伦. 成年关节软骨碎块化后转化生长因子β1表达与软骨细胞迁移的关系[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(8): 1167-1172.
[4]	王景, 熊山, 曹金, 冯林伟, 王信. 白细胞介素3在骨代谢中的作用及机制[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(8): 1260-1265.
[5]	侯婧瑛, 郭天柱, 于萌蕾, 龙会宝, 吴浩. 缺氧预处理通过激活MALAT1靶向抑制miR-195促进骨髓间充质干细胞的生存和血管形成[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(7): 1005-1011.
[6]	朱兵兵, 邓江华, 陈晶晶, 慕晓玲. 白细胞介素8受体可提高脐带间充质干细胞迁移和向损伤内皮的黏附[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(7): 1045-1050.
[7]	张玉杰, 杨建东, 蔡俊, 朱守雷, 田原. 大蒜素抑制大鼠血管内皮细胞增殖并诱导其凋亡的机制[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(7): 1080-1084.
[8]	田川, 朱向情, 杨再玲, 鄢东海, 李晔, 王严影, 杨育坤, 何洁, 吕冠柯, 蔡学敏, 舒丽萍, 何志旭, 潘兴华. 骨髓间充质干细胞调控猕猴卵巢的衰老[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(7): 985-991.
[9]	林旭晨, 祝海年, 王增顺, 祁腾民, 刘立民, 索南昂秀. 黄腐酚对骨关节炎模型小鼠炎性因子及关节软骨的作用[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(5): 676-681.
[10]	许磊, 韩晓强, 张锦涛, 孙海飚. 关节软骨细胞周围透明质酸产生、转化和功能特征[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(5): 768-773.
[11]	何云影, 李玲婕, 张舒淇, 李雨舟, 杨生, 季平. 聚丙烯酸/琼脂糖三维培养构建细胞球的方法[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(4): 553-559.
[12]	康坤龙, 王新涛. 生物支架材料促进骨髓间充质干细胞成骨分化的研究热点[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(4): 597-603.
[13]	李辉, 陈良龙. 植骨材料在脊柱结核治疗中的应用与特征[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(4): 626-630.
[14]	关鸿, 张宏博, 邵焱, 郭栋, 张海严, 蔡道章. PDZ结构域蛋白1缺失促进骨关节炎软骨细胞衰老[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(2): 182-189.
[15]	朱春晖, 张宜, 宋黄鹤, 梁文卫. 虾青素对叔丁基过氧化氢诱导软骨细胞损伤的保护作用[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(11): 1648-1655.