微重力对骨稳态调节作用的相关研究进展△

段 劭，李 超，林 源，陶树清

（哈尔滨医科大学附属第二医院骨外二科，黑龙江哈尔滨150081）

骨量的维持是一个动态的过程，需要在骨形成和骨吸收之间保持严格的平衡。骨形成由成骨细胞调控，而破骨细胞决定骨基质的吸收。这些细胞在正常的骨骼发育过程中发挥作用，同时在成熟的骨组织中受严格调控以维持血清钙稳定和骨骼的完整性，以防止骨质疏松性骨折发生［1］。骨形成和骨吸收之间的平衡对于保持骨量和矿物质稳定至关重要，所以骨重塑是骨稳态的基础［2］。

骨细胞表达大量的核因子-κB受体激活剂配体（re⁃ceptor activator for nuclear factor-κB ligand,RANKL），是体内骨重塑中RANKL的主要来源，调节成骨细胞和破骨细胞来协调骨稳态［3］。作为先天免疫系统的组成部分，巨噬细胞消除凋亡的成骨细胞，这一吞噬过程在新骨形成中起重要作用；巨噬细胞有2种表型：促炎症（M1）和抗炎症（M2），与破骨细胞形成存在信号级联。巨噬细胞间接参与骨组织内稳态的建立［4］。

微重力环境下机械载荷减少对骨结构的机械完整性有直接影响。经双能X线吸收测定法检测，航天员下肢骨矿物质密度（BMD）每个月下降1%～1.6%［5］。研究证实，经过4～6个月失重的航天员中骨吸收标记物，如：Ⅰ型胶原交联N端肽（NTXI），Ⅰ型胶原交联C端肽（CTX-I）较飞行前增加75%～125%［6］；在微重力条件下，骨形成标记物I型前胶原羧基末端前肽（PICP）早在第8 d就比飞行前降低60%［7］。减弱的成骨机能和增强的破骨活性，是微重力导致骨稳态失衡和骨质流失的原因。本文将综述微重力对骨稳态调节作用的主要研究进展，探索微重力在细胞水平的调控机制。

1 微重力对成骨细胞的作用

机械载荷促进骨形成，而微重力会减少机械载荷导致骨量的减少。l型电压敏感钙通道（LTCCs），特别是Cav1.2 LTCCs，在机械刺激导致成骨细胞的反应中发挥重要作用。模拟微重力使miR-103上调导致成骨细胞的 Cav1.2 LTCCs 部分抑制［8］。Sun 等［9］研究发现，模拟微重力极大地抑制内质网钙通道蛋白钙离子释放和肌醇1，4，5-三磷酸受体的功能表达。这些结果表明，模拟微重力可通过抑制小鼠原代成骨细胞钙通道，显著降低细胞内游离钙浓度，使成骨细胞增殖减少进而引起骨丢失。Sun等［10］发现，miR-181c-5p通过促进细胞周期阻滞在g2期，介导模拟微重力诱导的成骨细胞增殖受损。

Shi等［11］通过敲除细胞内转运蛋白88 siRNA阻断纤毛的形成，发现抑制细胞松弛素D的能力可促进成骨。这些结果表明，初级纤毛的消失可能是微重力抑制成骨的原因之一。研究数据表明初生纤毛作为微重力传感器通过解聚微管抑制成骨细胞分化和矿化［12］。另一项研究显示，在模拟微重力条件下miR-494直接靶向骨形态发生蛋白2受体抗体（BMPR2）和Runt相关转录因子2（RUNX2）信号通路抑制成骨细胞分化［13］。代谢组学和蛋白质组学分析显示，模拟微重力处理导致线粒体蛋白减少，线粒体内环境平衡明显失调，其中复合物III上调60%，复合物IV下调14%，同时ATP质子运输合成降低，氧化谷胱甘肽和抗氧化酶数量显著降低，微重力可能会抑制成骨细胞的功能，损害线粒体的能量势能和细胞的能量状态［14］。上述研究提示，通过改变钙离子浓度、细胞周期、细胞骨架和细胞能量代谢，微重力对成骨细胞增值与分化产生负向调节作用。

2 微重力对破骨细胞的作用

破骨细胞是吸收骨的多核细胞，Sambandam等［15］使用旋转细胞培养系统模拟微重力，发现肿瘤坏死因子相关的凋亡诱导配体（TRAIL）信号在破骨细胞分化起重要作用，抑制TRAIL的表达可能是治疗骨流失的有效措施。进一步研究显示，下调合胞素A导致RAW264.7细胞（破骨细胞前体）的自噬活性被显著抑制，所以微重力调节合胞蛋白A的表达可以促进破骨细胞的形成［16］。破骨细胞的形成受到泛素-蛋白酶体途径的调控，Ethiraj等［17］发现，在微重力下蛋白酶体抑制剂处理的RAW264.7细胞p-c-Jun活性水平降低，c-Fos和NFATc1表达下降，破骨细胞形成被抑制。

Chatani等［18］研究发现，在破骨细胞中，TRAPGFP和MMP9-DsRed的信号在微重力下的第4 d和第6 d出现急剧增加。研究显示TRAP-GFP/Osterix-DsRed双转基因青鳉鱼在国际空间站饲养56 d后，其咽骨和牙齿区域的矿物密度降低，破骨细胞被激活，fkbp5和ddit4基因表达明显上调［19］。相较于成骨细胞，微重力对破骨细胞的研究数据有限，但结果提示微重力通过细胞自噬和基因激活促进破骨细胞的形成，引起骨稳态失衡。

3 微重力对骨细胞的作用

太空飞行期间的微重力环境会导致特定部位的骨质流失。航天飞行后，股骨干骺端的骨小梁体积降低64%，骨吸收增加140%，并导致骨髓脂肪侵袭；骨干皮质变薄并伴有骨膜吸收。骨细胞陷窝体积减小，空陷窝高度增加344%；椎体中，整体骨体积降低。微重力可导致骨细胞死亡，而骨细胞死亡可引发骨吸收，导致骨量和微观结构恶化［20］。Aguirre 等［21］发现，模拟微重力处理3 d内，小鼠骨小梁和骨皮质骨细胞凋亡的发生率增加。正常重力中凋亡骨细胞是随机分布的，而微重力中凋亡的骨细胞优先聚集于骨皮质内并随后被吸收。

硬凝素是Sost基因的蛋白质产物，是一种有效的骨形成抑制剂。硬凝素几乎只存在于骨细胞中，骨细胞通过调节其硬凝素信号调节效应细胞群中的Wnt信号，协调骨稳态平衡［22］。微重力导致机械刺激降低骨细胞Sost基因的表达。Blaber等［23］研究发现，小鼠骨骼的骨盆和股骨区域是骨质流失的活跃部位，并表明这种流失并不局限于破骨细胞的吸收作用，微重力诱导的骨细胞骨溶解也发挥关键作用。微重力条件可以引起应激反应和内源性糖皮质激素（GC）水平升高，高水平的GC会导致骨质流失。阻断成骨细胞和骨细胞中的GC信号，可以预防微重力引起的皮质骨丢失［24］。以上研究结果表明，微重力上调骨细胞凋亡，促进骨细胞溶解，干预骨稳态。

4 微重力对巨噬细胞作用

巨噬细胞在骨稳态平衡中发挥关键支持作用，保护身体内部器官，协调骨处于恒定的更替状态［25］。Wang等［26］发现，模拟微重力激活巨噬细胞中p38 MAPK-C/EBP细胞活化途径，上调精氨酸酶和IL-6的表达，下调IL-12的表达，导致微重力下的免疫抑制。研究显示，人体对IL-6非常敏感，这一关键细胞因子的变化可能导致在微重力中体内免疫造血和骨骼代谢平衡失调［27］。He等［28］研究显示，微重力模型小鼠（后肢悬吊）血清和股骨中IL-6表达上调。而IL-6阻断剂治疗可显著减轻骨丢失，使胫骨的骨密度增加、骨小梁厚度和数量增加、胫骨近端骨体积分数增加、股骨骨干的极限负荷和刚度增加，提高小鼠血清骨钙素水平和碱性磷酸酶的活性，上调骨桥蛋白mRNA和RUNX2表达；在微重力下RAW264.7细胞中，IL-6阻断剂下调组织蛋白酶K和酒石酸抗性酸性磷酸酶（TRAP）的mRNA表达，减少了TRAP阳性的多核破骨细胞的数量。IL-6阻断缓解了微重力引起的骨丢失。结合 Wang［26］和 He［28］的研究，结果显示模拟微重力可刺激巨噬细胞介导IL-6表达上调影响成骨和破骨代谢活性。

Thiel等［29］研究结果表明，在微重力诱导下，初级巨噬细胞具有细胞形态变化的快速反应和潜在适应重力转导的细胞骨架。另一项研究结论显示，微重力条件下免疫功能紊乱可能是单核/巨噬细胞系统中ICAM-1调节的结果，而ICAM-1被认为是哺乳动物细胞中快速反应和持续的重力调节分子［30］。上述数据表明，巨噬细胞对微重力的快速感应是影响免疫和骨骼系统的基础。

5 总结和展望

太空飞行期间，微重力引起的骨量丧失和骨稳态的改变是航天员的主要健康风险之一。微重力导致成骨细胞增殖分化抑制，破骨细胞活性增强，骨细胞凋亡溶解，巨噬细胞介导免疫炎症因子干预骨稳态。骨骼系统的平衡调节机制复杂，多细胞类型相互影响，多信号通路交叉作用。现阶段，在微重力对骨稳态研究领域中，有关成骨细胞的分子靶点和通路研究较丰富，而破骨细胞与骨细胞研究数据较少，还需进一步探索。微重力作用巨噬细胞的研究属最新的研究热点。微重力影响巨噬细胞通过免疫和骨系统信号通路调节骨稳态可能是新方向。进一步研究微重力对骨稳态的具体机制，可能为未来骨稳态失调引起的骨质疏松寻找合适的治疗靶点。