機(jī)械刺激對成骨細(xì)胞影響的研究進(jìn)展

張苗 張玲莉 雷樂 李慧 鄒軍

1. 上海體育學(xué)院運(yùn)動科學(xué)學(xué)院，上海 200438 2. 上海體育學(xué)院發(fā)展規(guī)劃處，上海 200438

目前，人口老齡化問題日益嚴(yán)重，由此引起的骨質(zhì)疏松的發(fā)病率逐年增加，已成為全球性的醫(yī)療衛(wèi)生問題[1]。骨質(zhì)疏松的發(fā)病多由于破骨細(xì)胞的骨吸收大于成骨細(xì)胞的骨形成而造成的一種骨代謝性疾病[2]。骨形成的過程包括骨吸收和骨形成，其中骨形成主要依靠成骨細(xì)胞，成骨細(xì)胞(osteoblast, OB)來源于骨髓的間質(zhì)干細(xì)胞(bone mesenchymal stem cells, BMSC)，首先由BMSC定向分化為骨祖細(xì)胞，然后分化為成骨細(xì)胞前體，最后分化為成骨細(xì)胞[3]。成骨細(xì)胞在骨形成中經(jīng)歷成骨細(xì)胞的增殖、細(xì)胞外基質(zhì)成熟、細(xì)胞外基質(zhì)礦化和成骨細(xì)胞凋亡四個階段[4]。而骨吸收則是依靠破骨細(xì)胞(osteoclast, OC)[5]，破骨細(xì)胞源于造血源性單核細(xì)胞前體細(xì)胞融合而成，細(xì)胞因子RANKL(receptor activator of nuclear factor-KB ligand)和多肽生長因子CSF-1(M-CSF)誘導(dǎo)分化，經(jīng)過單核OC的分化、融合為多核OC并活化、生存和附著，發(fā)揮骨吸收的功能[6]。骨形成與骨吸收二者共同維持骨骼內(nèi)動態(tài)平衡。

骨骼的動態(tài)平衡受到多種因素的影響，其中日常生活中產(chǎn)生的機(jī)械刺激是影響骨代謝的重要因素，成骨細(xì)胞具有感受器和效應(yīng)器的作用，進(jìn)而影響下游的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程[7]。由于不同的應(yīng)力會對成骨細(xì)胞的形態(tài)、基因的表達(dá)等方面產(chǎn)生不同的影響，因此本文從微重力、流體剪切力、壓應(yīng)力、牽拉力方面具體闡述對成骨細(xì)胞的影響。

1 微重力對成骨細(xì)胞的影響

微重力是指物體處于失重狀態(tài)，與完全失重狀態(tài)非常接近，可稱為“零重力”。太空就是一種微重力環(huán)境，因此微重力的研究多數(shù)為了太空事業(yè)的發(fā)展。但是由于太空飛行的復(fù)雜性，以及樣本量少的原因，常采用人體臥床實(shí)驗(yàn)和動物尾部懸吊實(shí)驗(yàn)來模擬微重力環(huán)境，進(jìn)而來研究微重力環(huán)境對于骨量的影響[8]，也用離心裝置來模擬微重力研究對成骨細(xì)胞的影響[9]。

張曉鈾等[10]通過回轉(zhuǎn)器對人的成骨細(xì)胞周期變化的研究發(fā)現(xiàn)，失重情況下，細(xì)胞的增殖數(shù)目均低于正常重力組，失重情況下G1期細(xì)胞數(shù)目顯著增多，而S期與G2+M期數(shù)目顯著下降。Yan等[11]實(shí)驗(yàn)證明細(xì)胞在模擬微重力48 h細(xì)胞增殖減少，且在G2/M 期阻滯，細(xì)胞凋亡增加。在相關(guān)航天飛行的研究發(fā)現(xiàn)，通過對MG-63成骨樣細(xì)胞的微重力的培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)Ⅰ型膠原α1鏈、sBAP和sOC的基因表達(dá)水平均降低，表示了微重力對成骨細(xì)胞分化的抑制作用[12, 13]。失重或微重力使成骨細(xì)胞的生長緩慢，由間質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells, MSC)分化的成骨細(xì)胞數(shù)量也相應(yīng)減少，成骨細(xì)胞的細(xì)胞骨架的纖維含量下降[14]。王冰等[15]研究表明，成骨肉瘤細(xì)胞在拋物線飛行時，細(xì)胞的粘附面積降低，細(xì)胞的粘附斑識別能力降低；但是當(dāng)細(xì)胞長時處于失重環(huán)境時則會粘附功能降低。有研究發(fā)現(xiàn)，平均每月太空飛行骨量丟失2%[16,17]，造成的骨量丟失與長期臥床和老年性骨量丟失相同，主要表現(xiàn)在骨形成減少[17-19]。孫怡寧等[20]研究表明，成骨細(xì)胞在微重力環(huán)境表現(xiàn)出粘附斑數(shù)量和面積減少、分布異常、肌動蛋白和微管蛋白細(xì)胞骨架的組裝和分布異常。在姜黃的根莖中提取出的天然酚醛樹脂——姜黃素(一種有效的抗氧化劑以及自由基清除劑)，辛茂源通過控制重力、微重力和姜黃素三個實(shí)驗(yàn)條件證實(shí)了微重力使成骨細(xì)胞的RANKL和骨保護(hù)素(osteoprotegerin, OPG)含量、RANKL/OPG比值均明顯升高，維生素D的基因表達(dá)水平降低，蛋白表達(dá)量減少，堿性磷酸酶(alkaline phosphatase, ALP)活性降低，血漿抗酒石酸酸性磷酸酶(tartratercsistant acid phosphatase, TRAP)活性升高，成骨細(xì)胞數(shù)目增多，并證實(shí)了姜黃素可以減弱微重力對骨形成的抑制作用。蘇嘉霖等[21]在實(shí)驗(yàn)中選取1 d的SD乳鼠的顱骨成骨細(xì)胞原代培養(yǎng)，分為正常重力組、微重力組和微重力+降鈣素組，培養(yǎng)72 h后發(fā)現(xiàn)，與正常重力組比較，微重力組和微重力+降鈣素組的胰島素樣生長因子1(IGF-1)、OCN、ALP 基因表達(dá)均下降，微重力+降鈣素組較微重力組基因表達(dá)則增加。

2 流體剪切力對成骨細(xì)胞的影響

流體剪切力簡單來說就是將流體看作是一層層在流動，相鄰層之間就會存在摩擦力，那這種流體之間形成的摩擦力可看作流體剪切力。

Reich等[22]認(rèn)為流體剪切力在骨重建中為重要的中介作用。Sakai等[23]研究發(fā)現(xiàn)，生理水平的流體剪切力作用于人成骨肉瘤樣細(xì)胞(SaOS-2)，IGF-1活性在3 h后表達(dá)量增加3倍，同樣的IGF-β1的蛋白表達(dá)在24 h后表達(dá)量增加了3倍，生理水平的流體剪切力作用于陽離子通道誘發(fā)SaOS-2細(xì)胞的TGFβ1 mRNA表達(dá)增多，進(jìn)而促進(jìn)骨形成。Liegibel等[24]適當(dāng)?shù)牧黧w剪切力可促進(jìn)細(xì)胞分化的屬性，如ALP活性、纖連蛋白、纖連蛋白受體的表達(dá)量增加，成骨細(xì)胞的前列腺素E2(prostaglandin E2, PGE2)和TGFβ1 基因表達(dá)也增加。Cheng等[25]發(fā)現(xiàn)，流體剪切力使成骨細(xì)胞樣細(xì)胞系(MLO-Y4)細(xì)胞樹突長度增加，改變成骨細(xì)胞形態(tài)學(xué)特征和縫隙連接蛋白的再分配。同時，流體剪切力會增加成骨細(xì)胞的增殖，已有研究表明，ERK5對成骨細(xì)胞增殖至關(guān)重要[26]，但是流體剪切力通過激活ERK5促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖的確切機(jī)制了解甚少。Bin等[26]對小鼠胚胎成骨細(xì)胞前體細(xì)胞(MC3T3-E1)施加流體剪切力1 h或使用ERK5高度抑制劑，結(jié)果顯示，1 h的流體剪切力促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖，而加入ERK5的高度抑制劑可明顯抵制流體剪切力的作用。Riquelme等[27]將流體剪切力加載于成骨細(xì)胞樣細(xì)胞系(MLO-Y4)，發(fā)現(xiàn)流體剪切力可打開釋放PGE的門戶通道Cx43鏈接蛋白，通過激活ERK進(jìn)而影響骨代謝。已有實(shí)驗(yàn)表明，流體剪切力可能是通過上調(diào)ERK5-AKT-FoxO3a信號通路[26]、Wnt/β -catenin信號通路[28]、PI3K/AKT/mTOR信號通路[29]和 Galphaq -ERK5信號通路[30]的表達(dá)，促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖，進(jìn)而促進(jìn)骨形成。

3 壓應(yīng)力對成骨細(xì)胞的影響

機(jī)體自身重力以及日?；顒又胸?fù)重會對骨骼產(chǎn)生壓力刺激，而這種刺激的普遍性使它一直是研究者研究的重點(diǎn)，尤其是在口腔研究領(lǐng)域。研究者離體條件模擬成骨細(xì)胞感受的壓應(yīng)力，可分為靜力性壓應(yīng)力和動態(tài)性壓應(yīng)力、單軸和雙軸壓應(yīng)力等，壓應(yīng)力的不同對成骨細(xì)胞的影響也不同。

Owan[31]和Frost[32]等提出細(xì)胞受力大小使用細(xì)胞應(yīng)變量(μstrain)來表示細(xì)胞受力值。Frost等[33]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力值1500～3000μstrain可以促進(jìn)骨重建過程，增加骨量；當(dāng)小于100～300μstrain時，骨量減少；大于5000μstrain時，則會造成骨骼骨折。李明黎等[34]使用動靜態(tài)的壓應(yīng)力刺激大鼠的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，檢測表明成骨細(xì)胞數(shù)量增多，并且動態(tài)的作用效果更加明顯，速度更快；靜態(tài)壓應(yīng)力誘導(dǎo)破骨細(xì)胞生成的作用更明顯。任可等[35]使新西蘭兔的單側(cè)肱骨造成骨折，以天鵝記憶接骨器內(nèi)固定，在骨折端形成持續(xù)的動態(tài)壓應(yīng)力，結(jié)果顯示這種持續(xù)的動態(tài)壓應(yīng)力上調(diào)COX-2、PGE2和cAMP這一信號通路的表達(dá)，促使成骨細(xì)胞分化成熟，進(jìn)而促進(jìn)骨折愈合。曹陽等[36]對人成骨細(xì)胞(MG-63)施加單軸牽張應(yīng)力和壓縮應(yīng)力，且添加低劑量的細(xì)胞松弛素 D后，ERK的磷酸化水平低于基態(tài)，與單純壓力組相比差異更加明顯。米曉暉等[37]基于成骨細(xì)胞是感受應(yīng)力刺激的效應(yīng)器，并轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)化學(xué)信號的結(jié)論，借助其自行開發(fā)設(shè)計的四點(diǎn)彎曲體外細(xì)胞加載裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對成骨樣細(xì)胞株(MG-63)加壓，隨著壓應(yīng)力的增加，開始成骨細(xì)胞表現(xiàn)促進(jìn)，當(dāng)超過生理水平，細(xì)胞脫落死亡增加。Zhong等[38]對MC3T3-E細(xì)胞壓縮和拉伸5 h，細(xì)胞生長良好，通過激光掃描共焦顯微鏡觀察到經(jīng)過5個小時壓縮的細(xì)胞，微絲呈現(xiàn)無序排列，細(xì)胞形態(tài)加厚，變短；壓縮組比核因子k B催化劑配體受體比例明顯降低，Wnt10b和Lrp5基因表達(dá)增加較小。曹小波等[39]體外培養(yǎng)SD大鼠髁突軟骨下骨原代成骨細(xì)胞，對細(xì)胞加壓即刻、6、12、18、24 h后，與對照組比較，觀察細(xì)胞的增殖和凋亡情況，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組的S期細(xì)胞百分比增加，凋亡指數(shù)在即刻時指數(shù)降低，在6 h后指數(shù)逐漸恢復(fù)，因此適當(dāng)?shù)膲簯?yīng)力早期能提高成骨細(xì)胞的增殖能力并抑制凋亡，促進(jìn)骨形成。

4 牽拉力對成骨細(xì)胞的影響

在運(yùn)動或日常體力活動時，肌肉會對骨骼產(chǎn)生不同程度的牽拉，骨骼的應(yīng)力傳導(dǎo)系統(tǒng)對牽拉做出反應(yīng)。人體內(nèi)的牽拉刺激可分為動態(tài)和靜態(tài)牽拉，也可以分為循環(huán)與持續(xù)的牽拉刺激，體外模擬不同牽拉刺激使成骨細(xì)胞產(chǎn)生了不同的反應(yīng)。

馮雪等[40]體外培養(yǎng)人成骨樣肉瘤細(xì)胞Saos-2，對數(shù)生長期后對細(xì)胞于二維方向上施加牽拉力，牽拉頻率為每分鐘12次，加載強(qiáng)度使細(xì)胞平均變形12 %，加載 12 h后，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞變?yōu)槎嘟切?，貼壁生長狀況良好。曹陽等[36]對人成骨細(xì)胞MG-63施加單軸牽張應(yīng)力和壓縮應(yīng)力，0.5Hz 4000μstrain 5 min，牽拉力促使成骨細(xì)胞骨架中黏附斑復(fù)合物形成后，酪氨酸蛋白激酶(protein tyrosine kinase, TPK)活化，使TPK的轉(zhuǎn)導(dǎo)通路激活。Zhong等[38]對MC3T3-E細(xì)胞施加拉伸5 h后，細(xì)胞生長良好，微絲導(dǎo)向相互平行，通過激光掃描共焦顯微鏡觀察到經(jīng)過5 h牽拉的細(xì)胞，細(xì)胞的形態(tài)比空白對照組更薄和更長， 1、3、5 h期間拉伸組Wnt10b和Lrp5基因表達(dá)增加，比核因子k B催化劑配體比例增加。Ngan等[41]對牙周成纖維細(xì)胞和成骨細(xì)胞株(MC3T3-E1)進(jìn)行拉伸，觀察到這兩種細(xì)胞的前列腺素E和白細(xì)胞介素-β1表達(dá)量增加，成骨細(xì)胞數(shù)量增加速度較慢。Adachi等[42]體外培養(yǎng)MC3T3-E1，對細(xì)胞進(jìn)行牽拉，使細(xì)胞變形，使用玻璃微針觀察到細(xì)胞膜的鈣離子通道減少。Arai等[43]循環(huán)拉伸MC3T3-E1細(xì)胞，觀察到α1 mRNA的表達(dá)水平增加3倍。 Neidlinger-Wilke等[44]對成骨樣細(xì)胞加載牽拉力和循環(huán)壓力，當(dāng)施加相當(dāng)于1%壓力的牽拉力時，成骨細(xì)胞增殖顯著增加，但堿性磷酸酶和乳酸脫氫酶活性在循環(huán)壓力無顯著影響。Ziambaras等[45]對成骨細(xì)胞加載牽拉力，同時使用降落傘試驗(yàn)觀察染料在質(zhì)膜中擴(kuò)散的情況，得出循環(huán)拉伸增加交界的差距，成骨細(xì)胞通過調(diào)節(jié)細(xì)胞的Cx43的胞內(nèi)定位來完成二者之間的通信。

5 小結(jié)

機(jī)械刺激在細(xì)胞、細(xì)胞膜、細(xì)胞基質(zhì)三者構(gòu)成的結(jié)構(gòu)中傳導(dǎo)，主要依靠細(xì)胞骨架實(shí)現(xiàn)刺激的傳導(dǎo)，使細(xì)胞外信號(機(jī)械力)轉(zhuǎn)導(dǎo)為細(xì)胞內(nèi)信號。成骨細(xì)胞可感受體內(nèi)多種機(jī)械刺激，利用體外培養(yǎng)成骨細(xì)胞并施加各種機(jī)械刺激，并觀察對其的影響。

通過實(shí)驗(yàn)室模擬失重研究太空飛行中飛行員骨礦丟失，流體剪切、壓應(yīng)力和牽拉力在口腔醫(yī)學(xué)研究中較集中。其中模擬微重力刺激使骨微細(xì)結(jié)構(gòu)改變，骨礦化降低；適當(dāng)?shù)牧黧w剪切力、壓應(yīng)力、牽拉力會促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖，調(diào)節(jié)細(xì)胞的周期，改變細(xì)胞的形態(tài)，上調(diào)骨形成的進(jìn)程，從而增加骨量。一旦刺激強(qiáng)度超過成骨細(xì)胞可承受的生理水平，則使細(xì)胞凋亡增加，減弱骨形成過程。因此需要嚴(yán)格控制刺激的強(qiáng)度、頻率以及加載的時間，觀察細(xì)胞的增殖，分化，凋亡，以及基因表達(dá)水平的變化。

在體育活動中，成骨細(xì)胞感受到各類型的機(jī)械刺激，但之前的研究多數(shù)集中在機(jī)械刺激對成骨細(xì)胞的影響，對于破骨細(xì)胞的研究則相對較少?，F(xiàn)實(shí)中機(jī)械刺激對機(jī)體的影響非常復(fù)雜，受到多種因素的影響，因此大部分研究為離體實(shí)驗(yàn)，而在體的實(shí)驗(yàn)則少之又少，沒有通過實(shí)驗(yàn)來證明機(jī)械刺激對骨代謝的影響。因此通過分別闡述這幾種機(jī)械刺激對成骨細(xì)胞的影響，為運(yùn)動預(yù)防和治療骨質(zhì)疏松和骨折提供更多的理論基礎(chǔ)，也為更加深入的研究運(yùn)動對成骨細(xì)胞的影響的機(jī)制提供依據(jù)。