機械應力對骨組織細胞影響的研究進展

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機械應力對骨組織細胞影響的研究進展

元宇郭健民張玲莉仝曉陽陳熙鄒軍1

(上海體育學院運動科學學院，上海200438)

〔關鍵詞〕機械應力；BMSC；成骨細胞；破骨細胞；骨細胞

1上海體育學院發(fā)展規(guī)劃處

第一作者：元宇(1989-)，男，在讀博士，主要從事運動與骨代謝的研究。

機械應力刺激是維持骨骼系統(tǒng)穩(wěn)定的必要條件之一，機械刺激的缺乏將引起骨代謝紊亂、骨微結構退化及骨量流失，導致骨質疏松。長期臥床、石膏固定、微重力或失重等缺乏機械刺激的狀態(tài)都將導致骨量顯著流失〔1,2〕。中老年人由于身體機能衰退、體力活動減少等因素也導致機體的機械負荷加載降低，加快骨量流失，目前，人口老齡化所導致的骨質疏松高發(fā)病率已成為一個全球性的公共衛(wèi)生問題〔3〕。由于運動的無毒副作用及促成骨效應，運動干預已成為防治骨質疏松的有效方法之一。當前認為運動防治骨質疏松的可能機制主要為運動的機械刺激效應、運動誘導激素及細胞因子水平的變化、運動對骨代謝信號轉導通路的調控以及運動對青少年時期骨峰值量的促進作用等，但運動防治骨質疏松的確切機制仍未闡明。為了更深入地研究運動改善骨代謝的機制，許多離體研究利用機械應力對骨髓間充質干細胞(BMSC)、成骨細胞、骨細胞以及破骨細胞進行干預，模擬運動對機體骨骼的機械刺激，結果發(fā)現(xiàn)適宜的機械應力能夠促進間充質干細胞向成骨細胞分化，抑制間充質干細胞向脂肪細胞分化，同時促進成骨細胞的增殖及分化，降低破骨細胞的活性及數(shù)量，促進骨形成，抑制骨吸收〔4〕。本文主要就機械應力對骨組織細胞影響的研究作一綜述，為進一步研究運動防治骨質疏松的機制提供理論依據(jù)。

1機械應力對BMSC影響

BMSC是一種具有多分化潛能的原始細胞，在一定的誘導條件下，能夠向成骨細胞、脂肪細胞以及軟骨細胞等細胞分化。BMSC在骨生長代謝以及老年性骨質疏松中發(fā)揮著重要作用，其增殖及其向成骨細胞轉化的能力會隨著機體的衰老而減退，這可能是老年性骨質疏松的病因之一。人體研究或動物實驗均證實，骨質疏松的病人或動物在骨量減少的同時也伴隨著骨髓脂肪的增多〔5〕。而適宜的機械應力刺激能夠促進BMSC向成骨細胞分化，抑制BMSC向脂肪細胞的分化，提高BMSC的增殖并減少其凋亡。Case等〔6〕對C57BL/6小鼠的BMSC進行強度為2%的牽張力干預，發(fā)現(xiàn)機械牽張力能夠通過下調PPARγ2的表達來限制脂肪細胞的分化，同時抑制脂肪細胞脂肪酸結合蛋白2及脂聯(lián)素的蛋白表達。此外，牽張力刺激也能夠上調BMSC中Ⅰ型膠原及骨粘連蛋白的表達,促進細胞外礦化形成，促使BMSC向成骨細胞分化〔7〕。Sumanasinghe等〔8〕通過構建人間充質干細胞的3D膠原基質模型，發(fā)現(xiàn)周期性的機械牽張可以上調間充質干細胞中BMP-2的表達，同時誘導成骨分化。Simmons等〔9〕采用牽張強度為3%，頻率為 0.25 Hz的周期性機械牽張力刺激BMSC，發(fā)現(xiàn)實驗組細胞外基質礦化是對照組的2.3倍。而缺乏機械應力刺激時，BMSC向成骨細胞轉化的能力則被抑制，向脂肪細胞轉化的能力被增強。Meyers等〔10〕報道，微重力環(huán)境能夠抑制人間充質干細胞向成骨細胞分化，增強其向脂肪分化，7天的微重力環(huán)境能夠顯著降低人間充質干細胞中RhoA的活性及cofilin絲切蛋白的磷酸化，增加310%的脂質堆積。而使用腺病毒構建表達組成性活化型RhoA能夠顯著增加I型膠原、ALP等成骨基因的表達，抑制瘦素、葡萄糖轉運蛋白4等成脂基因的表達。此外，一些動物實驗也表明，運動訓練能夠提高小鼠BMSC的數(shù)量，促進BMSC向成骨分化，抑制BMSC向脂肪細胞分化〔11〕，同時顯著上調PTHR1及BMP-2的mRNA表達〔12〕，PTHR1與BMP-2均能促進成骨細胞的增殖與分化，進一步促進BMSC向成骨分化。

2機械應力對成骨細胞的影響

成骨細胞來源于間充質干細胞，具有分泌、礦化骨基質以及調節(jié)破骨細胞等多種功能，是維持骨骼生長發(fā)育并能應答機械應力刺激從而產(chǎn)生多種生物學效應的骨組織細胞之一〔13〕。骨形成過程中，機械應力通過影響膠原蛋白的排列增強骨強度〔14〕，同時上調成骨細胞中骨鈣素、Runx2、Osterix、ALP、BMP2及I型膠原等成骨因子的基因表達及蛋白表達，提高成骨細胞活性，進而促進成骨細胞的增殖及分化〔15〕。有研究報道，機械牽張力能夠促進細胞外基質的生成，提高細胞外基質BMP-2、BMP-4、ALP、膠原以及鈣離子的水平，增強ALP活性，上調Runx2及骨鈣素的基因表達，增強成骨細胞外基質的生物活性〔16〕。Zhong等〔17〕對比了靜置培養(yǎng)、機械牽張與機械加壓對MC3T3-E1成骨細胞的干預效果，發(fā)現(xiàn)與對照組相比較，牽張力能夠顯著上調Wnt10b及Lrp5的基因表達，而機械加壓的效果則更為明顯。

流體剪切力也能提高成骨細胞ALP活性及ERKs的磷酸化水平，上調整合素β1、I型膠原以及基質金屬蛋白酶1/3的表達，促進成骨細胞的增殖與分化〔18〕。Du等〔19〕將MC3T3-E1成骨細胞灌注到3D培養(yǎng)模型中，對比靜置培養(yǎng)、單向流體剪切力以及振蕩性流體剪切力對成骨細胞的干預效果，發(fā)現(xiàn)靜置培養(yǎng)組細胞增殖區(qū)域只局限于支架表面，單向流組細胞增殖率顯著高于靜置培養(yǎng)的細胞，但分布不均勻，而振蕩流組不僅細胞增殖率高，而且分布均勻，同時ALP活性顯著升高。

人體研究也表明，運動或體力活動時肌肉對骨骼的牽拉應力及地面反作用力所形成的沖擊性壓力也能提高機體ALP、骨鈣素等成骨因子的水平，促進成骨細胞的增殖及分化。Lester等〔20〕報道，8 w的抗阻訓練或抗阻訓練聯(lián)合有氧訓練可以提高年輕女性血清骨特異性ALP、骨鈣素等骨形成標記物的水平，降低骨吸收標記物TRAP的水平。Kish等〔21〕讓12名男孩及14名年輕男性進行急性的增強式跳躍運動，運動后24小時兩組受試者血清骨特異性ALP有所升高，OPG顯著增高。綜上所述，機械牽張、加壓以及流體剪切力等機械刺激均能上調成骨細胞中Runx2、ALP、BMP2以及Ⅰ型膠原等成骨因子的表達，促進成骨細胞的增殖及分化。

3機械應力對骨細胞的影響

骨細胞(osteocyte)由成骨細胞分化而成，位于礦化的骨基質中，在骨組織中含量豐富、分布廣泛，約占骨組織細胞總數(shù)量的95%。骨細胞是骨骼應答機械應力的直接感受器，能將機械應力轉變?yōu)樯盘杺鬟f給成骨細胞、破骨細胞等效應細胞，調節(jié)骨形成與骨吸收〔22〕。Tatsumi等〔23〕通過構建轉基因小鼠模型消融骨細胞，發(fā)現(xiàn)骨細胞缺乏小鼠出現(xiàn)骨脆性增加、成骨細胞功能紊亂，骨小梁缺失、骨微結構退化、皮質空隙增加等癥狀，同時發(fā)現(xiàn)骨細胞缺乏小鼠對缺乏機械負荷所導致的骨質流失有一定的耐受性，這意味著骨細胞缺乏小鼠對機械刺激出現(xiàn)應答障礙，進一步證明骨細胞在機械應力信號傳導中的作用。骨細胞還能夠調整自身細胞骨架以改變細胞內(nèi)的牽張敏感性，這有利于骨細胞適應機械應力刺激〔24〕。Mann等〔25〕將人類松質骨置于3D生物反應器中施加機械應力刺激，發(fā)現(xiàn)周期性的機械牽張力能夠顯著抑制人類骨細胞的凋亡并提高骨細胞的生存能力。Cui等〔26〕報道，流體剪切力能夠上調MLO-Y4骨細胞中OPG的表達，抑制RANKL的表達，抑制骨吸收。流體剪切力還能夠誘導MLO-Y4骨細胞內(nèi)前列腺素E2的分泌，上調前列腺素受體EP2D的表達〔27〕，而前列腺素E2能夠促進成骨細胞的增殖及分化，進一步促進骨形成。

一些動物實驗也表明，運動及機械應力可能是通過骨細胞來參與骨代謝的調節(jié)〔28〕。Maurel等〔29〕報道，規(guī)律的跑臺運動能夠防止大鼠骨細胞凋亡，同時提高其骨小梁微架構參數(shù)。Swift等〔30〕讓后肢懸吊大鼠進行抗阻訓練，發(fā)現(xiàn)抗阻訓練能夠抑制骨細胞凋亡，同時顯著提高松質骨的骨生成率、骨體積及骨小梁厚度。Fonseca等〔31〕的研究也表明，自主訓練能夠抑制去卵巢大鼠骨細胞死亡，同時減少骨空隙數(shù)量以及皮質內(nèi)孔隙，他認為這種保護效應可能與股骨的最大應力增加有關。綜上所述，機械應力能夠減少骨細胞的凋亡并提高骨細胞的生存能力，改善骨微結構，促進骨形成，抑制骨吸收。

4機械應力對破骨細胞的影響

破骨細胞來源于造血干細胞的單核巨噬細胞譜系，在骨組織細胞中數(shù)量較少，其骨吸收功能與成骨細胞的成骨功能在維持骨代謝平衡中發(fā)揮著關鍵作用，骨吸收與骨形成的平衡是維持骨骼系統(tǒng)完整性和礦物質穩(wěn)態(tài)的關鍵。當機體達到骨峰值量后，相對于骨形成，骨吸收會隨著年齡的增長相應增強，從而導致骨量流失。大量研究表明，機械應力能夠直接作用于破骨細胞并產(chǎn)生生物效應，又可通過骨細胞、成骨細胞間接調控破骨細胞的增殖及活性。Rubin等〔32〕使用強度為5%的周期性牽張力對破骨細胞進行干預，發(fā)現(xiàn)機械牽張力能夠顯著抑制破骨細胞的形成。他更深入地研究發(fā)現(xiàn)，機械張力能夠下調破骨細胞分化因子(ODF)及RANKL的mRNA表達，上調內(nèi)源性一氧化氮合酶(eNOS)mRNA表達〔33,34〕。而加入可溶性 ODF 可明顯減弱機械應力對破骨細胞的抑制效應，提示抑制ODF的表達可能是機械應力抑制破骨細胞形成的途徑之一。

機械應力刺激還能誘導M-CSF、RANKL、IL-6、IFN等細胞因子發(fā)生變化〔35〕，進一步影響破骨細胞。M-CSF、RANKL等骨吸收因子的分泌會促進破骨細胞的活性及增殖，增強骨吸收，而適宜的機械應力能夠下調RANKL等骨吸收因子的表達以抑制骨吸收，同時上調OPG、IFN等成骨因子的表達，進而促進骨形成〔36〕。IFN-γ能夠誘導RNAK銜接蛋白快速降解，通過RANKL-RANK通路來抑制破骨細胞生成〔37〕，骨細胞自身分泌的IFN-β也是破骨細胞生成的負調節(jié)因子〔38〕。Suzuki等〔39〕報道，機械應力能夠直接抑制破骨細胞分化，下調TRAP、基質金屬蛋白酶9 、組織蛋白酶-K、降鈣素受體等骨吸收標志物的mRNA表達，上調破骨細胞前體小鼠單核細胞RAW264.7中NOs的mRNA表達。Nagatomi等〔40〕采用周期性的機械加壓對BMSC進行干預后發(fā)現(xiàn)，機械壓力能顯著抑制骨吸收，下調IL-1及TNF-α等促進破骨細胞功能細胞因子的基因表達。此外，低量級、高頻率的機械振動也能夠顯著降低RAW264.7細胞系中TRAP陽性的破骨細胞數(shù)量，下調組織蛋白酶-K、MMP-9、TRAP以及c-Fos的基因表達〔41〕。這些結果進一步證明，機械應力能夠下調TRAP、ODF、M-CSF、RANKL等骨吸收因子的表達，進而削弱破骨細胞的增殖及分化，抑制骨吸收。

5小結與展望

骨質疏松的誘因在于破骨細胞主導的骨吸收增強，成骨細胞主導的骨形成減弱，骨形成及骨吸收的平衡被打破。而機械應力能夠直接作用于成骨細胞及破骨細胞，或通過間充質干細胞、骨細胞及骨代謝信號轉導通路間接調控成骨細胞及破骨細胞的增殖與分化，促進骨形成，抑制骨吸收。機械刺激的成骨效應進一步肯定了運動干預在骨質疏松防治中的作用，而運動對骨代謝的促進作用可能是多個功能系統(tǒng)的綜合效應。因此，為了更深入地研究運動促進骨代謝的機制，需要考慮運動干預下骨代謝與內(nèi)分泌、免疫等功能系統(tǒng)之間的相互作用。

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〔2015-11-24修回〕

(編輯李相軍)

通訊作者：鄒軍(1969-)，男，教授，博士生導師，主要從事運動與骨骼研究。

基金項目：國家自然科學基金項目(No.81572242)；運動健身科技省部共建教育部重點實驗室

〔中圖分類號〕R291

〔文獻標識碼〕A

〔文章編號〕1005-9202(2016)03-0725-04；doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2016.03.095