机械应力对骨组织细胞影响的研究进展



机械应力对骨组织细胞影响的研究进展

元宇郭健民张玲莉仝晓阳陈熙邹军1

(上海体育学院运动科学学院，上海200438)

〔关键词〕机械应力；BMSC；成骨细胞；破骨细胞；骨细胞

1上海体育学院发展规划处

第一作者：元宇(1989-)，男，在读博士，主要从事运动与骨代谢的研究。

机械应力刺激是维持骨骼系统稳定的必要条件之一，机械刺激的缺乏将引起骨代谢紊乱、骨微结构退化及骨量流失，导致骨质疏松。长期卧床、石膏固定、微重力或失重等缺乏机械刺激的状态都将导致骨量显著流失〔1,2〕。中老年人由于身体机能衰退、体力活动减少等因素也导致机体的机械负荷加载降低，加快骨量流失，目前，人口老龄化所导致的骨质疏松高发病率已成为一个全球性的公共卫生问题〔3〕。由于运动的无毒副作用及促成骨效应，运动干预已成为防治骨质疏松的有效方法之一。当前认为运动防治骨质疏松的可能机制主要为运动的机械刺激效应、运动诱导激素及细胞因子水平的变化、运动对骨代谢信号转导通路的调控以及运动对青少年时期骨峰值量的促进作用等，但运动防治骨质疏松的确切机制仍未阐明。为了更深入地研究运动改善骨代谢的机制，许多离体研究利用机械应力对骨髓间充质干细胞(BMSC)、成骨细胞、骨细胞以及破骨细胞进行干预，模拟运动对机体骨骼的机械刺激，结果发现适宜的机械应力能够促进间充质干细胞向成骨细胞分化，抑制间充质干细胞向脂肪细胞分化，同时促进成骨细胞的增殖及分化，降低破骨细胞的活性及数量，促进骨形成，抑制骨吸收〔4〕。本文主要就机械应力对骨组织细胞影响的研究作一综述，为进一步研究运动防治骨质疏松的机制提供理论依据。

1机械应力对BMSC影响

BMSC是一种具有多分化潜能的原始细胞，在一定的诱导条件下，能够向成骨细胞、脂肪细胞以及软骨细胞等细胞分化。BMSC在骨生长代谢以及老年性骨质疏松中发挥着重要作用，其增殖及其向成骨细胞转化的能力会随着机体的衰老而减退，这可能是老年性骨质疏松的病因之一。人体研究或动物实验均证实，骨质疏松的病人或动物在骨量减少的同时也伴随着骨髓脂肪的增多〔5〕。而适宜的机械应力刺激能够促进BMSC向成骨细胞分化，抑制BMSC向脂肪细胞的分化，提高BMSC的增殖并减少其凋亡。Case等〔6〕对C57BL/6小鼠的BMSC进行强度为2%的牵张力干预，发现机械牵张力能够通过下调PPARγ2的表达来限制脂肪细胞的分化，同时抑制脂肪细胞脂肪酸结合蛋白2及脂联素的蛋白表达。此外，牵张力刺激也能够上调BMSC中Ⅰ型胶原及骨粘连蛋白的表达,促进细胞外矿化形成，促使BMSC向成骨细胞分化〔7〕。Sumanasinghe等〔8〕通过构建人间充质干细胞的3D胶原基质模型，发现周期性的机械牵张可以上调间充质干细胞中BMP-2的表达，同时诱导成骨分化。Simmons等〔9〕采用牵张强度为3%，频率为 0.25 Hz的周期性机械牵张力刺激BMSC，发现实验组细胞外基质矿化是对照组的2.3倍。而缺乏机械应力刺激时，BMSC向成骨细胞转化的能力则被抑制，向脂肪细胞转化的能力被增强。Meyers等〔10〕报道，微重力环境能够抑制人间充质干细胞向成骨细胞分化，增强其向脂肪分化，7天的微重力环境能够显著降低人间充质干细胞中RhoA的活性及cofilin丝切蛋白的磷酸化，增加310%的脂质堆积。而使用腺病毒构建表达组成性活化型RhoA能够显著增加I型胶原、ALP等成骨基因的表达，抑制瘦素、葡萄糖转运蛋白4等成脂基因的表达。此外，一些动物实验也表明，运动训练能够提高小鼠BMSC的数量，促进BMSC向成骨分化，抑制BMSC向脂肪细胞分化〔11〕，同时显著上调PTHR1及BMP-2的mRNA表达〔12〕，PTHR1与BMP-2均能促进成骨细胞的增殖与分化，进一步促进BMSC向成骨分化。

2机械应力对成骨细胞的影响

成骨细胞来源于间充质干细胞，具有分泌、矿化骨基质以及调节破骨细胞等多种功能，是维持骨骼生长发育并能应答机械应力刺激从而产生多种生物学效应的骨组织细胞之一〔13〕。骨形成过程中，机械应力通过影响胶原蛋白的排列增强骨强度〔14〕，同时上调成骨细胞中骨钙素、Runx2、Osterix、ALP、BMP2及I型胶原等成骨因子的基因表达及蛋白表达，提高成骨细胞活性，进而促进成骨细胞的增殖及分化〔15〕。有研究报道，机械牵张力能够促进细胞外基质的生成，提高细胞外基质BMP-2、BMP-4、ALP、胶原以及钙离子的水平，增强ALP活性，上调Runx2及骨钙素的基因表达，增强成骨细胞外基质的生物活性〔16〕。Zhong等〔17〕对比了静置培养、机械牵张与机械加压对MC3T3-E1成骨细胞的干预效果，发现与对照组相比较，牵张力能够显著上调Wnt10b及Lrp5的基因表达，而机械加压的效果则更为明显。

流体剪切力也能提高成骨细胞ALP活性及ERKs的磷酸化水平，上调整合素β1、I型胶原以及基质金属蛋白酶1/3的表达，促进成骨细胞的增殖与分化〔18〕。Du等〔19〕将MC3T3-E1成骨细胞灌注到3D培养模型中，对比静置培养、单向流体剪切力以及振荡性流体剪切力对成骨细胞的干预效果，发现静置培养组细胞增殖区域只局限于支架表面，单向流组细胞增殖率显著高于静置培养的细胞，但分布不均匀，而振荡流组不仅细胞增殖率高，而且分布均匀，同时ALP活性显著升高。

人体研究也表明，运动或体力活动时肌肉对骨骼的牵拉应力及地面反作用力所形成的冲击性压力也能提高机体ALP、骨钙素等成骨因子的水平，促进成骨细胞的增殖及分化。Lester等〔20〕报道，8 w的抗阻训练或抗阻训练联合有氧训练可以提高年轻女性血清骨特异性ALP、骨钙素等骨形成标记物的水平，降低骨吸收标记物TRAP的水平。Kish等〔21〕让12名男孩及14名年轻男性进行急性的增强式跳跃运动，运动后24小时两组受试者血清骨特异性ALP有所升高，OPG显著增高。综上所述，机械牵张、加压以及流体剪切力等机械刺激均能上调成骨细胞中Runx2、ALP、BMP2以及Ⅰ型胶原等成骨因子的表达，促进成骨细胞的增殖及分化。

3机械应力对骨细胞的影响

骨细胞(osteocyte)由成骨细胞分化而成，位于矿化的骨基质中，在骨组织中含量丰富、分布广泛，约占骨组织细胞总数量的95%。骨细胞是骨骼应答机械应力的直接感受器，能将机械应力转变为生化信号传递给成骨细胞、破骨细胞等效应细胞，调节骨形成与骨吸收〔22〕。Tatsumi等〔23〕通过构建转基因小鼠模型消融骨细胞，发现骨细胞缺乏小鼠出现骨脆性增加、成骨细胞功能紊乱，骨小梁缺失、骨微结构退化、皮质空隙增加等症状，同时发现骨细胞缺乏小鼠对缺乏机械负荷所导致的骨质流失有一定的耐受性，这意味着骨细胞缺乏小鼠对机械刺激出现应答障碍，进一步证明骨细胞在机械应力信号传导中的作用。骨细胞还能够调整自身细胞骨架以改变细胞内的牵张敏感性，这有利于骨细胞适应机械应力刺激〔24〕。Mann等〔25〕将人类松质骨置于3D生物反应器中施加机械应力刺激，发现周期性的机械牵张力能够显著抑制人类骨细胞的凋亡并提高骨细胞的生存能力。Cui等〔26〕报道，流体剪切力能够上调MLO-Y4骨细胞中OPG的表达，抑制RANKL的表达，抑制骨吸收。流体剪切力还能够诱导MLO-Y4骨细胞内前列腺素E2的分泌，上调前列腺素受体EP2D的表达〔27〕，而前列腺素E2能够促进成骨细胞的增殖及分化，进一步促进骨形成。

一些动物实验也表明，运动及机械应力可能是通过骨细胞来参与骨代谢的调节〔28〕。Maurel等〔29〕报道，规律的跑台运动能够防止大鼠骨细胞凋亡，同时提高其骨小梁微架构参数。Swift等〔30〕让后肢悬吊大鼠进行抗阻训练，发现抗阻训练能够抑制骨细胞凋亡，同时显著提高松质骨的骨生成率、骨体积及骨小梁厚度。Fonseca等〔31〕的研究也表明，自主训练能够抑制去卵巢大鼠骨细胞死亡，同时减少骨空隙数量以及皮质内孔隙，他认为这种保护效应可能与股骨的最大应力增加有关。综上所述，机械应力能够减少骨细胞的凋亡并提高骨细胞的生存能力，改善骨微结构，促进骨形成，抑制骨吸收。

4机械应力对破骨细胞的影响

破骨细胞来源于造血干细胞的单核巨噬细胞谱系，在骨组织细胞中数量较少，其骨吸收功能与成骨细胞的成骨功能在维持骨代谢平衡中发挥着关键作用，骨吸收与骨形成的平衡是维持骨骼系统完整性和矿物质稳态的关键。当机体达到骨峰值量后，相对于骨形成，骨吸收会随着年龄的增长相应增强，从而导致骨量流失。大量研究表明，机械应力能够直接作用于破骨细胞并产生生物效应，又可通过骨细胞、成骨细胞间接调控破骨细胞的增殖及活性。Rubin等〔32〕使用强度为5%的周期性牵张力对破骨细胞进行干预，发现机械牵张力能够显著抑制破骨细胞的形成。他更深入地研究发现，机械张力能够下调破骨细胞分化因子(ODF)及RANKL的mRNA表达，上调内源性一氧化氮合酶(eNOS)mRNA表达〔33,34〕。而加入可溶性 ODF 可明显减弱机械应力对破骨细胞的抑制效应，提示抑制ODF的表达可能是机械应力抑制破骨细胞形成的途径之一。

机械应力刺激还能诱导M-CSF、RANKL、IL-6、IFN等细胞因子发生变化〔35〕，进一步影响破骨细胞。M-CSF、RANKL等骨吸收因子的分泌会促进破骨细胞的活性及增殖，增强骨吸收，而适宜的机械应力能够下调RANKL等骨吸收因子的表达以抑制骨吸收，同时上调OPG、IFN等成骨因子的表达，进而促进骨形成〔36〕。IFN-γ能够诱导RNAK衔接蛋白快速降解，通过RANKL-RANK通路来抑制破骨细胞生成〔37〕，骨细胞自身分泌的IFN-β也是破骨细胞生成的负调节因子〔38〕。Suzuki等〔39〕报道，机械应力能够直接抑制破骨细胞分化，下调TRAP、基质金属蛋白酶9 、组织蛋白酶-K、降钙素受体等骨吸收标志物的mRNA表达，上调破骨细胞前体小鼠单核细胞RAW264.7中NOs的mRNA表达。Nagatomi等〔40〕采用周期性的机械加压对BMSC进行干预后发现，机械压力能显著抑制骨吸收，下调IL-1及TNF-α等促进破骨细胞功能细胞因子的基因表达。此外，低量级、高频率的机械振动也能够显著降低RAW264.7细胞系中TRAP阳性的破骨细胞数量，下调组织蛋白酶-K、MMP-9、TRAP以及c-Fos的基因表达〔41〕。这些结果进一步证明，机械应力能够下调TRAP、ODF、M-CSF、RANKL等骨吸收因子的表达，进而削弱破骨细胞的增殖及分化，抑制骨吸收。

5小结与展望

骨质疏松的诱因在于破骨细胞主导的骨吸收增强，成骨细胞主导的骨形成减弱，骨形成及骨吸收的平衡被打破。而机械应力能够直接作用于成骨细胞及破骨细胞，或通过间充质干细胞、骨细胞及骨代谢信号转导通路间接调控成骨细胞及破骨细胞的增殖与分化，促进骨形成，抑制骨吸收。机械刺激的成骨效应进一步肯定了运动干预在骨质疏松防治中的作用，而运动对骨代谢的促进作用可能是多个功能系统的综合效应。因此，为了更深入地研究运动促进骨代谢的机制，需要考虑运动干预下骨代谢与内分泌、免疫等功能系统之间的相互作用。

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〔2015-11-24修回〕

(编辑李相军)

通讯作者：邹军(1969-)，男，教授，博士生导师，主要从事运动与骨骼研究。

基金项目：国家自然科学基金项目(No.81572242)；运动健身科技省部共建教育部重点实验室

〔中图分类号〕R291

〔文献标识码〕A

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