1.4. Морфогенетические белки кости (bmPs)

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].