缺氧及缺氧再复氧环境对成骨细胞影响的研究进展

武成，杨民

(皖南医学院弋矶山医院创伤骨科，安徽芜湖241001)



缺氧及缺氧再复氧环境对成骨细胞影响的研究进展

武成，杨民*

(皖南医学院弋矶山医院创伤骨科，安徽芜湖241001)

[摘要]随着社会老年化的加剧，老年性骨质疏松症是高龄患者易发生创伤后骨折的主要原因之一。随着年龄的增加，老年人血管弹性及血红蛋白携氧能力也逐步下降，缺血性股骨头坏死也因此易在老年人群中发生。而成骨细胞代谢的改变是骨质疏松症和缺血性股骨头坏死的主要因素。近年来不少学者已对缺氧以及缺氧再复氧条件下成骨细胞的生理学改变做了详尽的研究，本文就近年来缺氧及缺氧再复氧环境对成骨细胞影响的研究进展作一综述。

[关键词]缺氧；缺氧复氧；成骨细胞；老年性骨质疏松症

老年性骨质疏松症是一种常见的代谢性骨病，其主要特点为骨组织量减少和骨脆性增加，骨组织减少的主要原因是成骨细胞作用被抑制，破骨细胞活性增加，成骨细胞的作用被抑制占主要地位。任何因素使得成骨细胞成骨作用被抑制，都将导致骨形成降低，导致骨量丢失。研究表明骨质疏松症的发生也与血管损伤导致的机体缺氧环境有关[1-4]。缺氧常出现在血流中断或减少的组织中，骨折常伴有血管损伤，血流中断时骨折断端氧分压显著降低，进而限制了成骨细胞的生长和对骨组织的修复[5-10]。本文主要通过查阅近年来在缺氧和缺氧后复氧环境对成骨细胞的影响及其研究进展对其展开综述。

1缺氧对成骨细胞的影响

1.1缺氧对成骨细胞增殖及相关因子表达的影响成骨细胞以骨小梁为框架生长，当骨内血供发生变化时，其可较快察觉，且其对氧体积分数下降的反应也十分敏感。已有研究证明：缺氧导致成骨细胞不能产生足够的ATP维持细胞基本功能[11]。导致成骨细胞在增殖时不能获得充足的能量供应，表现为抑制现象，并且缺氧时间越长，其线粒体产生ATP的量越少，其增殖能力也越低。顾九君等[12]在氧分压为2.5 mmHg的条件下得出缺氧组的成骨细胞增殖率明显低于常氧组。其测定成骨细胞增殖功能实验的结果同样表明：缺氧环境下成骨细胞的增殖表现为抑制，并且对不同缺氧时间组之间进行比较得出，缺氧时间越长，成骨细胞的增殖能力下降越明显。与Ma等[13]在缺氧环境下培养成骨细胞所得出的实验结果基本一致。Utting等[14]在2%氧浓度中培养大鼠成骨细胞大于18 d，发现缺氧在抑制成骨细胞增殖和碱性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)活性的同时，减少成骨细胞ALP和骨钙素(osteocalcin，BGP)mRNA的表达。体外培养的成骨细胞在缺氧环境下其代谢反应变化除上述的ALP和BGP mRNA外，还表现为血管内皮生长因子(VEGF)、转化生长因子β1(TGF-β1)和胰岛素生长因子2(insulin-like growth factor 2，IGF-2)表达的下降[15-17]。这反映了缺氧在基因水平影响成骨细胞相关因子的表达。戴俊峰等[18]的实验证明：在缺氧处理的12 h内成骨细胞VEGF mRNA的表达量随缺氧时间延长而增加，12 h其表达量最高，在缺氧处理24 h后开始逐渐下降，缺氧处理48 h后降至与常氧组一致。但同时也有相关研究表明，短时间的缺氧处理可促进成骨细胞的增殖及相关因子的表达。Warren等[19]的研究表明短期缺氧(5%氧浓度中培养小于96 h)可促进体外培养的成骨细胞的生成，上调胶原Ⅰ、胶原Ⅲ mRNA和TGF-β1 mRNA的表达，这可能是缺氧环境下出现的适应性反应，因为短期且适度缺氧刺激下可使成骨细胞反应性上调相关因子的表达以维持其正常代谢。关键等[20]研究也发现：在体外培养成骨细胞时，缺氧组成骨细胞VEGF表达量较常氧组增加，并且在缺氧处理后的9 h内，VEGF的表达量随缺氧时间的延长而增加，随后逐渐降至与常氧组一致；缺氧组成骨细胞TGF-β1的表达量在缺氧后3 h内显著增加，之后也逐渐降至正常水平。自以上诸多研究可以得出：长时间缺氧可抑制成骨细胞增殖及VEGF、TGF-β1等相关因子的表达，而短时间缺氧可反应性刺激成骨细胞使其VEGF、TGF-β1等相关因子表达增加。

1.2缺氧对成骨细胞凋亡的影响已有研究表明，细胞凋亡主要是通过Caspase分子家族参与的死亡受体依赖途径和Bcl-2分子参与的线粒体依赖途径2种主要途径。缺氧可导致成骨细胞凋亡，而成骨细胞凋亡又是骨质疏松症和骨坏死的主要病因。有研究证明缺氧可促进成骨细胞凋亡并抑制成骨性分化[21-22]。顾九君等[23]的研究发现，在体外氧浓度为0.3%的条件下培养大鼠成骨细胞时，缺氧环境可抑制其增殖，促进其凋亡，同时观察到缺氧时间越长成骨细胞凋亡率越高。杨峰等[24]的研究证实在缺氧处理后的成骨细胞大量表达Caspase-3分子，并且缺氧时间越长其表达量越高；而Bcl-2的表达则与Caspase-3恰恰相反。其中Caspase-3分子的作用是促进细胞凋亡，而Bcl-2分子的作用则相反。进而证实了缺氧促进成骨细胞凋亡是通过Caspase-3和Bcl-2 2种受体依赖途径来实现的。诸多研究可以得出：缺氧促进成骨细胞凋亡。并且研究发现缺氧时间不同对成骨细胞凋亡的影响不同，缺氧时间越长，成骨细胞凋亡率越高。

1.3缺氧对骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cell，BMSCs)向成骨细胞分化的影响大量研究已经证明：BMSCs在核心结合因子α1(core-binding factor α1，Cbfαl)的诱导下，可定向分化为成骨细胞。近年来关于氧浓度对BMSCs功能影响的研究发现，不同氧浓度条件下体外培养的BMSCs的分化呈现多样化的效应。Malladi等[25]在诱导BMSCs向成骨细胞系分化时发现，在氧浓度为21%条件下，成骨细胞标志性基因骨钙蛋白(ONC)、骨涎蛋白(BSP)及ALP的表达活性上升；但在氧浓度为3%条件下时，上述基因及蛋白的表达受到明显阻滞；在诱导BMSCs向成骨细胞分化并长期培养时，当氧含量为21%时可以检测到大量矿物质沉积，但当氧含量为3%时几乎检测不出矿物质沉积。李宁等[26]观察不同氧浓度条件下BMSCs向成骨细胞分化影响的实验中发现：氧浓度越高BMSCs向成骨细胞和脂肪细胞分化越快，而低氧浓度则恰恰相反。但金小岚等[27]的实验结果表明：缺氧环境下BMSCs向脂肪细胞和成骨细胞的分化表现为完全相反的结果，对前者有明显的抑制作用，对后者则表现为促进作用。以上不同学者研究结果的不同，可能与实验研究方向不同及实验的具体操作方法的不同有关，所以缺氧诱导BMSCs向成骨细胞的分化及其具体分子机制还有待于进一步研究。

2缺氧再复氧对成骨细胞的影响

骨坏死在临床上较为常见，其中创伤性骨坏死最为常见，其主要的发生机制为骨折后断端的缺血性损伤。细胞缺血得到纠正后，但细胞损伤并未停止[28-29]。这说明，在细胞缺血缺氧后虽然及时恢复其血流及氧供应，但这会对细胞造成比缺血缺氧更为严重的损伤，即缺血再灌注损伤(ischemia-reperfusion injury，IRI)。目前认为IRI的发生主要是细胞内氧自由基过量和钙离子超载所致[30]。细胞内氧自由基过量与钙离子超载既互为因果又相互作用，并且持续加重对细胞的损害。IRI的3大主要机制已被多个研究证实，即氧自由基过量、钙离子超载和白细胞激活[31-32]。三者共同导致了细胞在缺血再灌注后损伤较缺血时加重。创伤后骨坏死在临床上较为常见，IRI的相关机制中氧自由基的代谢参与了创伤性骨坏死的发生发展过程。IRI对成骨细胞的影响的研究在国内外相对较少，Baik等[33]以缺氧再复氧模型模拟缺血再灌注的研究表明，成骨细胞在缺氧再复氧处理后，其细胞活力明显低于常氧对照组，且相关因子的表达也降低。王福生等[14]研究缺氧在复氧条件下培养的成骨细胞与正常成骨细胞相比其增殖率明显下降。但Hiyama等[35]在临床研究阻塞性睡眠呼吸暂停(obstructive sleep apnea，OSA)时发现，实验组骨吸收标记物与对照组相比明显增多，而骨形成标记物相比对照组明显降低，且OSA患者缺氧越重，检测出的骨吸收标记物越多，骨形成标记物越少。其进一步研究发现：经过连续3个月持续气道正压通气治疗后，OSA患者骨代谢指标可恢复正常水平。该研究提示临床研究中成骨细胞复氧后并没有出现IRI类似的损伤。上述临床实验研究与体外成骨细胞培养实验研究结果的不同可能与缺血缺氧的条件不同等有关。

3小结

缺氧作为导致骨质疏松症及骨坏死的主要原因之一，其作用表现为显著影响人体成骨细胞的代谢。不同的实验得出的结果不同，可能与研究条件和研究者本身有关。但总体认为，短期缺氧可导致成骨细胞产生应激反应，在早期发生代偿致VEGF及TGF-β1等相关因子表达增加，但长时间缺氧环境下成骨细胞的增殖及相关因子的表达会受到明显的抑制，细胞的凋亡过程也加快。成骨细胞缺血再灌注(缺氧再复氧模型)的相关研究结果国内外并不多，且临床与细胞培养实验结果也不尽相同，所以缺氧复氧对成骨细胞代谢的影响及其分子机制的研究还有待于深入研究，从而为防治骨质疏松症及骨坏死等临床疾病提供坚实的理论依据。

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(文敏编辑)

Recent Advances in the Effects of Hypoxia and Hypoxia Reoxygenation on Osteoblasts

WU Cheng,YANG Min*

(Department of Orthopedics and Traumatology,Yijishan Hospital,Wannan Medical College,Wuhu 241001,China)

[Abstract]With the aging of society intensifies,senile osteoporosis has became an important factor of fractures after the trauma among the elderlies.Along with the age increasing,vascular elasticity and the oxygen-carrying ability of the elderlies has gradually decreased.Therefore,avascular osteonecrosis is more likely to be occurred in the elderlies.The changes of osteoblasts metabolism play the major role in osteoporosis and avascular osteonecrosis.Recently,a lot of studies have been done about metabolism of osteoblasts cells under the conditions of hypoxia and hypoxia-reoxygenation.This review will summarize the recent advances in the effects of hypoxia and hypoxia-reoxygenation on osteoblasts.

[Key words]hypoxa;hypoxia-reoxygenation;osteoblasts；senile osteoporosis

[收稿日期]2015-11-30

doi:10.16753/j.cnki.1008-2344.2016.02.017

[中图分类号]R65

[文献标识码]A

[文章编号]1008-2344(2016)02-0106-03

[通讯作者]杨民(1971—)，男(汉)，主任医师，研究方向：脊柱外科，组织工程.E-mail：pkuyang@hotmail.com

[基金项目]国家自然科学基金(No.81341054；81171732)；皖南医学院人才引进基金(No.YJRC2009010)