机械牵张力对破骨细胞的影响

刘晓瑛，胡竹林，康剑书(综述)，张　红(审校)

(云南省第二人民医院眼科，昆明 650021)



机械牵张力对破骨细胞的影响

刘晓瑛△，胡竹林，康剑书(综述)，张红※(审校)

(云南省第二人民医院眼科，昆明 650021)

摘要：骨的生长或吸收由成骨细胞及破骨细胞共同控制，而破骨细胞在骨的吸收过程中起主要的作用；破骨细胞的增多与减少与机械牵张力的作用密切相关，改变不同机械牵张力，包括机械振动、压载荷、力学拉伸力和流体剪切力等，对破骨细胞作用的时间、强度等，即可改变破骨细胞的相应特性，从而改变破骨细胞的功能活性。研究牵张力与破骨细胞的关系，将使牵张力在临床工作中的治疗作用得到重视。

关键词：机械牵张力；破骨细胞；拉伸强度；力学性能

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

人体骨组织细胞包括成骨细胞、骨细胞和破骨细胞。骨的正常生长代谢是成骨细胞的成骨作用和破骨细胞的骨吸收作用之间的动态平衡过程,两者相互影响，相互协作完成[1-2]。骨的吸收与形成有赖于成骨细胞与破骨细胞在基本多细胞单位募集、增殖与分化，并受局部微环境、外部机械力及全身神经体液因素的影响[3-4]。在许多常见病中，都可见到破骨细胞的活化，最终导致骨质疏松症、类风湿关节炎、强直性脊柱炎和恶性肿瘤骨转移等疾病的发生[5-8]。在骨愈合中，亦可见破骨细胞在骨骼的新陈代谢中的重要作用[9]。破骨细胞的增多与减少对骨组织的变化具有重要意义，现就机械牵张力对破骨细胞的功能活性的影响予以综述。

1牵张力强度对破骨细胞的作用

破骨细胞的研究近年来备受关注，破骨细胞来源于单核细胞和巨噬细胞造血系，是一种高度分化的多核巨细胞。近年来出现了很多研究破骨细胞的方法[10]。骨组织对外界力学刺激的响应是通过组织间隙液流动间接诱发的[11]。由于细胞重力远小于细胞基质间黏附力(无论在体外或在体内)，而骨组织本身是一个弹性、多孔介质，其间充满了组织间隙液[12]。

负重锻炼和活动可改善机体骨质疏松骨强度和降低骨折发生率[13]。在一定的作用时间内，低强度生理载荷几乎不影响破骨前体细胞形成破骨细胞，较高强度生理载荷则抑制破骨前体细胞向破骨细胞分化，抑制破骨细胞的形成，减少骨组织吸收；病理过载促进破骨细胞的形成；不同牵张应变力对分化初期破骨前体细胞和已分化出破骨细胞的破骨前体细胞的破骨分化和功能状态的影响有明显差异[14-15]。利用各种标志物及其清除率，可以推算出骨小管中流体剪切力的大小[16]。流体剪切力对破骨细胞的作用，可使与破骨细胞相关的物质发生变化，对骨的形成与修复均起很大作用[17-19]。Kamioko等[20]实验显示流体剪切力能提高骨密度。Ichimiya等[21]调查了一定机械压力作用于破骨细胞后其形成的滑膜细胞，发现滑膜细胞NF-κB 受体激活蛋白配体和蛋白质在滑膜细胞中的表达增加，NF-κB受体激活蛋白配体在压缩滑膜细胞中的表达增加破骨细胞的形成，而连续机械压缩力可能诱发破骨细胞的骨破坏作用。

2牵张时间对破骨细胞的作用

目前有研究表明,不同频率振动应力及时间对体外培养RAW264.7细胞细胞周期、增殖能力及分化均有影响[22]。李永明等[23]的研究结果也说明机械牵张力作用的不同时间对破骨细胞生成的抑制作用，可能是通过早期抑制破骨细胞分化因子的表达而实现的，为进一步揭示周期性牵张力早期抑制破骨细胞形成的分子机制提供了实验依据。张庆鸿等[18]在一定试验条件下发现，随着流体剪切力作用时间的延长，SD大鼠极化破骨细胞形态变化不规则，其直径和面积均有增大的趋势。并且流体剪切力对破骨细胞的作用时间在0 min 组、30 min 组、105 min组细胞面积和直径的值相比,差异有统计学意义(P<0.05)。由此发现随流体剪切力作用时间的增加，虽然破骨细胞的形态变化呈波动性变化，但其直径和面积均有增大的趋势，因此张庆鸿等[18]推测大鼠极化破骨细胞在受到流体剪切力后细胞骨架发生变化，并且随着刺激时间或力值的增加，功能产物增多，当生成或合成物多于排除物时，细胞形态在不规则的变化的同时呈现出逐渐增大的趋势。

3牵张力不同作用方式对破骨细胞的作用

3.1机械振动研究表明，各个振动频段、低强度、间歇短时的复合振动抑制破骨细胞的细胞周期循环，从而抑制破骨细胞的增殖和分化；随着复合振动频率的增大对破骨细胞增殖能力的抑制，逐渐增强[22]。相关研究结果显示，机械振动治疗可增加儿童胫骨近端与脊椎的骨小梁密度，也显著提高年轻妇女髋关节、腰椎松质骨及股骨中段皮质骨密度，此提示机械振动能促进发育期骨骼生长，可通过提高青春期峰值骨量来预防老龄化骨质疏松[24]。高频率、低强度、短期机械振动可显著增加骨小梁数量及宽度，并提高松质骨刚度和强度[25]。Yang等[26]对尾悬吊大鼠模型进行机械振动加载实验，发现机械振动可减少尾悬吊大鼠股骨及胫骨骨量丢失，保持股骨刚性系数；在恢复期则能逆转因尾悬吊导致的血清碱性磷酸酶水平降低，恢复大鼠股骨弹性模量；并提出机械振动对抗骨量丢失的有效时间窗是在骨量丢失发生过程中，而非骨量丢失发生之后。目前，利用机械振动进行临床治疗骨质疏松也已取得了很大的运用和突破[27-30]。

3.2流体剪切力流体剪切力可引起骨组织细胞的细胞内信号分子、细胞内钙信号、细胞间隙连接和细胞骨架系统改变，同时,流体剪切力会引起骨组织细胞间的相互作用的改变[18,31-33]。在流体剪切力的作用下破骨细胞形态的改变,主要在细胞膜部位,可能与破骨细胞细胞骨架的适应性改变相关[34]。崔亮等[35]采用流体剪切力作用于骨细胞，诱导破骨细胞分化；在流体剪切力负载作用下，骨细胞表现出抑制骨吸收的骨保护作用最强。随着机械负载时间延长，这种作用逐渐消失。一定频率和振幅的流体剪切力作用于成骨细胞及破骨细胞比静止作用对骨的形成更加有效[19]。

3.3拉伸载荷物理因素对破骨细胞分化及功能的影响很大，包括力学、热学、光学以及电磁学方面。其中拉伸载荷运用越来越广泛，力学载荷刺激新骨形成，合适强度和频率可以提高骨的力学性能，从而预防骨质疏松的发生及缓解骨质疏松带来的危害[36-38]。刘迎曦等[39]将6周大鼠的坐骨神经切断,使其右后肢处于低应力环境中，结果发现,低应力环境下大鼠股骨的直径、皮质骨面积和骨矿物质密度的增加明显受抑制；但不同部位的骨密度对低应力环境的敏感性不同,表现为早期富于松质骨的股骨干骺端骨密度增加幅度受抑制,接着是富于皮质骨的骨干部的骨密度增长幅度的降低；骨形态学结果提示,早期干骺端骨密度增长幅度的降低是由于骨吸收增强,而皮质骨的骨量和尺寸的增长受抑制是骨膜骨形成持续减少的结果。由此说明，拉伸载荷的大小对骨量的多少影响较大。

3.4压载荷许海燕等[40]利用持续体外压力作用于对体外培养的人破骨细胞，实验证明持续压力可刺激成熟破骨细胞形态发生变化,说明压力载荷能上调破骨细胞的骨吸收功能。间断体外压力作用于体外培养的人破骨细胞，同样引起破骨细胞的形态及功能发生变化[41]。

4展望

在对抗骨量丢失的过程中，机械力作用的最佳频率、强度及加载时间均对破骨细胞有影响，后续研究应主要集中机械振动、压载荷、拉伸力和流通剪切力等参数的科学选择，如振动频率、振幅、加速度、持续时间，流体剪切力等，以便于更好地明确破骨细胞的作用及影响，使其用于临床研究。破骨细胞吸收老化及破坏的骨组织，同时成骨细胞形成新骨填充骨吸收所致的凹陷，从而保持骨量、强度及结构完整性，破骨细胞对于骨重建具有不可替代的促进作用[42]。在临床上，对抗骨量的丢失，一味地强调抑制破骨细胞活动的治疗理论有可能是错误的，因为在成骨的过程中，破骨细胞也有一定作用。

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收稿日期：2014-07-23修回日期：2014-10-28编辑：相丹峰

基金项目：云南省科学技术厅基金(2010ZC223)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.09.006

中图分类号:R779.64

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)09-1552-03