促进成骨的初乳珍稀蛋白——初乳碱性蛋白_主要活动_母婴营养专业委员会_分支机构

作者：徐莎中国营养保健食品协会母婴营养专业委员会常务委员

众所周知，初乳中含有许多促进婴幼儿生长发育的生物活性物质，因此许多以初乳为基础的营养补充剂都已被开发为生长促进剂，但对于其功效成分的研究尚处于初级阶段。2024年315之际，咱们一起来了解一下来源于初乳的一种促进骨骼健康的珍稀蛋白——初乳碱性蛋白。

1、什么是初乳碱性蛋白？

初乳碱性蛋白（Colostrum basic protein，CBP）又称浓缩乳清活性蛋白，也叫初乳生长蛋白，是分子量为1~30kD牛乳清蛋白中的活性成分，可以直接作用于骨骼细胞，通过协调和维持成骨细胞和破骨细胞活动的动态平衡，增强骨骼强度，促进骨骼生长。

2、初乳碱性蛋白能促进成骨细胞增殖且具有剂量依赖性。

Jeongrai Lee等^[1]人通过在对照饲粮中加入0.05%、0.5%和5%的CBP对体重为50~60g的3周龄幼年Sprague-Dawley大鼠进行为期7周的干预，对照饲粮采用20%酪蛋白+0.3%胱氨酸使饲粮的蛋白质构成最接近美国国家研究委员会动物营养委员会建议的大鼠最大生长量所需的最佳氨基酸水平，在此水平下，大鼠的生长速度与饲粮蛋白质的浓度无关。结果显示，中高剂量（0.5%和5%）CBP干预组幼年大鼠的股骨更长更重（图1），其中高剂量（5%）CBP干预组幼鼠的体重（图3）和骨密度（图2）都显著高于对照组。该结果说明，通过CBP促成的骨骼生长并没有以牺牲骨骼强度为代价。此外，在结束干预喂养7周之后各组幼鼠的血清学检测结果显示，与对照组相比，高剂量（5%）CBP水平干预组幼鼠血清生长激素（GH）水平显著高于对照组，中高剂量（0.5%和5%）CBP水平干预组幼鼠血清胰岛素样生长因子-1（IGF-1）和平均血清骨钙素（osteocalcin，OST）水平也显著高于对照组。已有研究显示^[2-5]，血清GH、IGF-1和OST均与骨生长相关，其中几乎全部存在于骨组织（仅有少量存在于血液中）中的OST更是骨形成和转换的特异性敏感标志蛋白，在调节骨钙代谢中起重要作用，是研究骨代谢的一项新的生化标志物。与此同时，该研究团队还通过体外细胞实验证实当培养基中CBP浓度依次为1μg/ml、10μg/ml和100μg/ml时均能显著促进成骨细胞的增殖。从上述研究可知，CBP在促进骨骼纵向生长的同时也能增强骨骼强度，而这种促进作用可能是通过CBP调节骨吸收和骨形成之间的骨代谢平衡来实现的。

3、初乳碱性蛋白增强骨骼强度和生长的分子机制：JNK-ATF信号通路

Kentaro Tsuji-Naito等人^[6]发现了CBP通过JNK-ATF4通路调节人原代成骨细胞成骨能力的潜在机制。在该研究中，研究者发现在用β-甘油磷酸钙（β-glycerophosphase，β-GP）/抗坏血酸（ascorbic acid，AsA）诱导正常人成骨细胞（normal human osteoblast cells，NHOsts）的分化过程中，加入不同浓度的CBP处理7天后可以使NHOsts中的碱性磷酸酶活性呈CBP剂量依赖性增加，而在CBP+β-GP/AsA联合处理21天后，NHOsts中的矿化水平呈CBP剂量依赖性增加（图4）。这说明CBP不仅通过激活碱性磷酸酶活性促进成骨细胞的早期分化，同时也通过介导成骨细胞的矿化增强推进了成骨细胞的晚期分化成熟。此外，对CBP处理和未处理的NHOsts细胞的mRNA 表达水平分析显示，在细胞培养至17-25天期间，CBP处理组的NHOsts细胞中激活转录因子-4（activating transcription factor 4，ATF4）的mRNA表达显著高于CBP未处理组且呈CBP剂量依赖性增高（图5），而ATF4是成骨细胞晚期分化中诱导骨钙素形成的重要转录因子。这提示晚期骨生成可能与CBP介导的ATF4表达密切相关。而该团队用氨基端激酶（JNK）抑制剂SP600125和抑制细胞外信号调节激酶（ERK）通路中丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）的抑制剂PD98059分别作用于用CBP处理过的NHOsts细胞时发现，SP600125通过抑制JNK磷酸化可将CBP介导的成骨细胞矿化抑制到未经CBP处理的水平并完全抑制CBP处理后ATF4 mRNA的表达（图6）。相比之下，PD98015通过抑制ERK通路中MAPK激酶的磷酸化并未对CBP介导的成骨细胞矿化产生影响，且对CBP处理后ATF4 mRNA的表达仅产生轻微的抑制作用。这提示CBP通过激活JNK参与成骨矿化的过程并诱导ATF4 mRNA的表达，这与JNK在调节晚期成骨细胞分化中起到至关重要的作用^[7]也是互为印证的。由上述研究可知，CBP通过诱导JNK的磷酸化，进而上调ATF4的表达，从而在成骨细胞分化的晚期阶段介导成骨细胞的矿化，促进骨骼的强度和生长。

4、初乳碱性蛋白相较于目前常见骨保健功能元素的独到之处

儿童生长发育期骨的纵径生长（增长）是通过紧贴在骨骺的骨板附近的软骨生发细胞不断向干骺端增殖，很快变为肥大软骨细胞，随后软骨基质钙化，不断形成新骨来实现的。而儿童生长发育期骨的横径生长（增粗）是通过骨皮质外面骨膜深层的间叶细胞不断分化为成骨细胞，使骨不断增粗。而不管是骨骼的增长还是增粗都需要通过骨重塑过程来维持骨骼稳态，保证骨骼的健康和强壮，而骨重塑的过程就是通过成骨细胞完成的骨形成过程和通过破骨细胞完成的骨吸收过程之间的动态平衡。目前常见的骨保健功能元素，如钙、维生素D（VD）、维生素K2（VK2）、骨胶原、氨基葡萄糖都在骨骼形成的各个环节起着非常重要的作用。例如，钙是构成骨骼生物力学强度的基本物质；VD能促进钙的吸收；VK2可以使骨钙素羧化，羧化的骨钙素负责将钙由血液运输至骨表面实现骨基质的矿化；骨胶原则是人体关节软骨、骺软骨和骨小梁的主要成分；氨基葡萄糖能够修复关节软骨，催生关节滑液，但这些元素的功能充其量只是保证和丰富了维持骨骼健康的原料和素材。相较于这些硬件元素，CBP更像指挥和管理上述硬件的软件中枢，一方面通过介导成骨细胞晚期分化中的成骨矿化完成骨基质的有效沉积，另一方面通过调节骨形成和骨吸收之间的动态平衡，使上述元素对骨骼的作用维持在正常骨代谢的状态。可以预见，CBP作为一种新型的骨健康功能元素，在骨骼的生长发育、骨基质的损伤修复方面有着广泛的应用前景和巨大的商业价值。

参考文献：

[1] Jeongrai Lee , Suk-Hyung Kwon, Hyun-Mi Kim, Stefan N Fahey, Derek R Knighton, Andrew Sansom. Effect of a Growth Protein-Colostrum Fraction on bone development in juvenile rats. Biosci Biotechnol Biochem. 2008 Jan;72(1):1-6. doi: 10.1271/bbb.60695. Epub 2008 Jan 7.

[2] Rosen, C. J., and Pollak, M., Circulating IGF-I: new perspectives for a new century. Trends Endocrinol. metab., 10, 136–141 (1999).

[3] Yang, L., and Grey, V., Pediatric reference intervals for bone makers. Clin. Biochem., 39, 561–568 (2006).

[4] Khosla, S., and Kleerekoper, M., Biochemical markers of bone turnover. In ‘‘Primer on the metabolic Bone Diseases and Disorders of Mineral metabolism,’’ ed. Favus, M. J., Lippincott Williams and Wilkins, Philadelphia, pp. 128–134 (1999).

[5] Bowles, S. A., Kurdy, N., Davis, A. M., France, M. W., and Marsh, D. R., Serum osteocalcin, total and bonespecific alkaline phosphatase following isolated tibial shaft fracture. Ann. Clin. Biochem., 33, 196–200 (1996).

[6] Kentaro Tsuji-Naito 1, Ralph W Jack. Concentrated bovine milk whey active proteins facilitate osteogenesis through activation of the JNK-ATF4 pathway. Biosci Biotechnol Biochem. 2012;76(6):1150-4. doi: 10.1271/bbb.110990. Epub 2012 Jun 7.

[7] J Guicheux 1, J Lemonnier, C Ghayor, A Suzuki, G Palmer, J Caverzasio. Activation of p38 mitogen-activated protein kinase and c-Jun-NH2-terminal kinase by BMP-2 and their implication in the stimulation of osteoblastic cell differentiation. J Bone Miner Res. 2003 Nov;18(11):2060-8. doi: 10.1359/jbmr.2003.18.11.2060.