機械牽張力對破骨細胞的影響

劉曉瑛，胡竹林，康劍書(綜述)，張　紅(審校)

(云南省第二人民醫(yī)院眼科，昆明 650021)

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機械牽張力對破骨細胞的影響

劉曉瑛△，胡竹林，康劍書(綜述)，張紅※(審校)

(云南省第二人民醫(yī)院眼科，昆明 650021)

摘要：骨的生長或吸收由成骨細胞及破骨細胞共同控制，而破骨細胞在骨的吸收過程中起主要的作用；破骨細胞的增多與減少與機械牽張力的作用密切相關，改變不同機械牽張力，包括機械振動、壓載荷、力學拉伸力和流體剪切力等，對破骨細胞作用的時間、強度等，即可改變破骨細胞的相應特性，從而改變破骨細胞的功能活性。研究牽張力與破骨細胞的關系，將使牽張力在臨床工作中的治療作用得到重視。

關鍵詞：機械牽張力；破骨細胞；拉伸強度；力學性能

The Impact of Mechanical Strain on OsteoclastsLIUXiao-ying,HUZhu-lin,KANGJian-shu,ZHANGHong.(DepartmentofOphthalmology,theSecondPeople＇sHospitalofYunnanProvince,Kunming650021,China)

Abstact：Bone growth or absorption is controlled by the osteoblasts and osteoclasts,and osteoclasts play an important role in the absorption process of the bone;osteoclasts increase or decrease is closely related to the change of the difference of mechanical strain.Changes of the type of mechanical strain,including mechanical vibration,pressure loads,mechanical strain and fluid shear stress,can change the structures of cytoskeleton and biological nature of extracellular matrix,and then affect the osteoclasts′ physiologic property.By studying the relations of mechanical force and osteoclasts,the therapy of mechanical force will get more attention in clinical.

Key words：Mechanical force； Osteoclasts； Tensile strength； Mechanical properties

人體骨組織細胞包括成骨細胞、骨細胞和破骨細胞。骨的正常生長代謝是成骨細胞的成骨作用和破骨細胞的骨吸收作用之間的動態(tài)平衡過程,兩者相互影響，相互協(xié)作完成[1-2]。骨的吸收與形成有賴于成骨細胞與破骨細胞在基本多細胞單位募集、增殖與分化，并受局部微環(huán)境、外部機械力及全身神經(jīng)體液因素的影響[3-4]。在許多常見病中，都可見到破骨細胞的活化，最終導致骨質(zhì)疏松癥、類風濕關節(jié)炎、強直性脊柱炎和惡性腫瘤骨轉(zhuǎn)移等疾病的發(fā)生[5-8]。在骨愈合中，亦可見破骨細胞在骨骼的新陳代謝中的重要作用[9]。破骨細胞的增多與減少對骨組織的變化具有重要意義，現(xiàn)就機械牽張力對破骨細胞的功能活性的影響予以綜述。

1牽張力強度對破骨細胞的作用

破骨細胞的研究近年來備受關注，破骨細胞來源于單核細胞和巨噬細胞造血系，是一種高度分化的多核巨細胞。近年來出現(xiàn)了很多研究破骨細胞的方法[10]。骨組織對外界力學刺激的響應是通過組織間隙液流動間接誘發(fā)的[11]。由于細胞重力遠小于細胞基質(zhì)間黏附力(無論在體外或在體內(nèi))，而骨組織本身是一個彈性、多孔介質(zhì)，其間充滿了組織間隙液[12]。

負重鍛煉和活動可改善機體骨質(zhì)疏松骨強度和降低骨折發(fā)生率[13]。在一定的作用時間內(nèi)，低強度生理載荷幾乎不影響破骨前體細胞形成破骨細胞，較高強度生理載荷則抑制破骨前體細胞向破骨細胞分化，抑制破骨細胞的形成，減少骨組織吸收；病理過載促進破骨細胞的形成；不同牽張應變力對分化初期破骨前體細胞和已分化出破骨細胞的破骨前體細胞的破骨分化和功能狀態(tài)的影響有明顯差異[14-15]。利用各種標志物及其清除率，可以推算出骨小管中流體剪切力的大小[16]。流體剪切力對破骨細胞的作用，可使與破骨細胞相關的物質(zhì)發(fā)生變化，對骨的形成與修復均起很大作用[17-19]。Kamioko等[20]實驗顯示流體剪切力能提高骨密度。Ichimiya等[21]調(diào)查了一定機械壓力作用于破骨細胞后其形成的滑膜細胞，發(fā)現(xiàn)滑膜細胞NF-κB 受體激活蛋白配體和蛋白質(zhì)在滑膜細胞中的表達增加，NF-κB受體激活蛋白配體在壓縮滑膜細胞中的表達增加破骨細胞的形成，而連續(xù)機械壓縮力可能誘發(fā)破骨細胞的骨破壞作用。

2牽張時間對破骨細胞的作用

目前有研究表明,不同頻率振動應力及時間對體外培養(yǎng)RAW264.7細胞細胞周期、增殖能力及分化均有影響[22]。李永明等[23]的研究結(jié)果也說明機械牽張力作用的不同時間對破骨細胞生成的抑制作用，可能是通過早期抑制破骨細胞分化因子的表達而實現(xiàn)的，為進一步揭示周期性牽張力早期抑制破骨細胞形成的分子機制提供了實驗依據(jù)。張慶鴻等[18]在一定試驗條件下發(fā)現(xiàn)，隨著流體剪切力作用時間的延長，SD大鼠極化破骨細胞形態(tài)變化不規(guī)則，其直徑和面積均有增大的趨勢。并且流體剪切力對破骨細胞的作用時間在0 min 組、30 min 組、105 min組細胞面積和直徑的值相比,差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。由此發(fā)現(xiàn)隨流體剪切力作用時間的增加，雖然破骨細胞的形態(tài)變化呈波動性變化，但其直徑和面積均有增大的趨勢，因此張慶鴻等[18]推測大鼠極化破骨細胞在受到流體剪切力后細胞骨架發(fā)生變化，并且隨著刺激時間或力值的增加，功能產(chǎn)物增多，當生成或合成物多于排除物時，細胞形態(tài)在不規(guī)則的變化的同時呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。

3牽張力不同作用方式對破骨細胞的作用

3.1機械振動研究表明，各個振動頻段、低強度、間歇短時的復合振動抑制破骨細胞的細胞周期循環(huán)，從而抑制破骨細胞的增殖和分化；隨著復合振動頻率的增大對破骨細胞增殖能力的抑制，逐漸增強[22]。相關研究結(jié)果顯示，機械振動治療可增加兒童脛骨近端與脊椎的骨小梁密度，也顯著提高年輕婦女髖關節(jié)、腰椎松質(zhì)骨及股骨中段皮質(zhì)骨密度，此提示機械振動能促進發(fā)育期骨骼生長，可通過提高青春期峰值骨量來預防老齡化骨質(zhì)疏松[24]。高頻率、低強度、短期機械振動可顯著增加骨小梁數(shù)量及寬度，并提高松質(zhì)骨剛度和強度[25]。Yang等[26]對尾懸吊大鼠模型進行機械振動加載實驗，發(fā)現(xiàn)機械振動可減少尾懸吊大鼠股骨及脛骨骨量丟失，保持股骨剛性系數(shù)；在恢復期則能逆轉(zhuǎn)因尾懸吊導致的血清堿性磷酸酶水平降低，恢復大鼠股骨彈性模量；并提出機械振動對抗骨量丟失的有效時間窗是在骨量丟失發(fā)生過程中，而非骨量丟失發(fā)生之后。目前，利用機械振動進行臨床治療骨質(zhì)疏松也已取得了很大的運用和突破[27-30]。

3.2流體剪切力流體剪切力可引起骨組織細胞的細胞內(nèi)信號分子、細胞內(nèi)鈣信號、細胞間隙連接和細胞骨架系統(tǒng)改變，同時,流體剪切力會引起骨組織細胞間的相互作用的改變[18,31-33]。在流體剪切力的作用下破骨細胞形態(tài)的改變,主要在細胞膜部位,可能與破骨細胞細胞骨架的適應性改變相關[34]。崔亮等[35]采用流體剪切力作用于骨細胞，誘導破骨細胞分化；在流體剪切力負載作用下，骨細胞表現(xiàn)出抑制骨吸收的骨保護作用最強。隨著機械負載時間延長，這種作用逐漸消失。一定頻率和振幅的流體剪切力作用于成骨細胞及破骨細胞比靜止作用對骨的形成更加有效[19]。

3.3拉伸載荷物理因素對破骨細胞分化及功能的影響很大，包括力學、熱學、光學以及電磁學方面。其中拉伸載荷運用越來越廣泛，力學載荷刺激新骨形成，合適強度和頻率可以提高骨的力學性能，從而預防骨質(zhì)疏松的發(fā)生及緩解骨質(zhì)疏松帶來的危害[36-38]。劉迎曦等[39]將6周大鼠的坐骨神經(jīng)切斷,使其右后肢處于低應力環(huán)境中，結(jié)果發(fā)現(xiàn),低應力環(huán)境下大鼠股骨的直徑、皮質(zhì)骨面積和骨礦物質(zhì)密度的增加明顯受抑制；但不同部位的骨密度對低應力環(huán)境的敏感性不同,表現(xiàn)為早期富于松質(zhì)骨的股骨干骺端骨密度增加幅度受抑制,接著是富于皮質(zhì)骨的骨干部的骨密度增長幅度的降低；骨形態(tài)學結(jié)果提示,早期干骺端骨密度增長幅度的降低是由于骨吸收增強,而皮質(zhì)骨的骨量和尺寸的增長受抑制是骨膜骨形成持續(xù)減少的結(jié)果。由此說明，拉伸載荷的大小對骨量的多少影響較大。

3.4壓載荷許海燕等[40]利用持續(xù)體外壓力作用于對體外培養(yǎng)的人破骨細胞，實驗證明持續(xù)壓力可刺激成熟破骨細胞形態(tài)發(fā)生變化,說明壓力載荷能上調(diào)破骨細胞的骨吸收功能。間斷體外壓力作用于體外培養(yǎng)的人破骨細胞，同樣引起破骨細胞的形態(tài)及功能發(fā)生變化[41]。

4展望

在對抗骨量丟失的過程中，機械力作用的最佳頻率、強度及加載時間均對破骨細胞有影響，后續(xù)研究應主要集中機械振動、壓載荷、拉伸力和流通剪切力等參數(shù)的科學選擇，如振動頻率、振幅、加速度、持續(xù)時間，流體剪切力等，以便于更好地明確破骨細胞的作用及影響，使其用于臨床研究。破骨細胞吸收老化及破壞的骨組織，同時成骨細胞形成新骨填充骨吸收所致的凹陷，從而保持骨量、強度及結(jié)構(gòu)完整性，破骨細胞對于骨重建具有不可替代的促進作用[42]。在臨床上，對抗骨量的丟失，一味地強調(diào)抑制破骨細胞活動的治療理論有可能是錯誤的，因為在成骨的過程中，破骨細胞也有一定作用。

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收稿日期：2014-07-23修回日期：2014-10-28編輯：相丹峰

基金項目：云南省科學技術廳基金(2010ZC223)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.09.006

中圖分類號:R779.64

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)09-1552-03