机械应力调控成骨细胞信号通路影响骨重塑的研究进展

余文悦 尹程程 孙宏晨

生理状态下，骨骼处于不断重建的连续过程，称为骨重塑。遗传、激素、营养、生物活性物质、机械力等都能影响此过程，其中机械应力是刺激骨形成的重要因素，比如促进骨骼成熟和重建等，其缺乏可导致骨代谢紊乱、骨量流失等[1]。成骨细胞作为骨重塑中关键的效应细胞，可感受体内外力学刺激，并将力学信号转化为生物化学信号，参与骨形成的生理活动[2]。机械应力能影响成骨细胞内不同信号通路而调节其增殖、分化等，从而调控骨重塑[3]。本文对不同机械应力对成骨细胞信号通路调控的相关研究予以综述，以期为探究机械应力影响骨重塑的具体机制以及临床治疗骨相关疾病提供新思路。

一、与骨重塑相关的机械应力的分类

机械应力是刺激骨组织再生的重要因素之一，目前对机械应力影响骨重塑的研究主要集中在成骨细胞和破骨细胞对机械应力的响应上。与骨重塑密切相关的机械应力有多种形式，其中已被用于研究离体细胞和组织的主要有以下几种：压缩应力，是最常见的机械应力，主要装置有加力板、加力箱[4]；拉伸应力，通常采用四点弯曲细胞力学加载装置等形成[4]；流体剪切力，指组织液等流经细胞膜表面所产生的机械应力，可通过流动腔、蠕动泵等实施[5]；流体静压力，用于模拟运动过程中关节软骨所受的应力环境，可利用细胞液压装置或采用流固耦合模型模拟[6]；机械离心力，是惯性的表现，产生离心运动现象[7]；重力，因地球的吸引力而受到的力，包括高重力、微重力及强磁重力[8]；低强度脉冲超声波，是一种超过人类听力范围的高频声波，主要装置是超声耦合器[9]。应用于动物实验的体内施加机械应力的方法，比如后肢悬吊模拟试验以及股骨四点弯曲试验等也逐渐成熟[10,11]。近年来，成骨细胞对机械应力的应激反应成为研究热点，针对其潜在机制的相关报道也如雨后春笋般不断涌现。

二、不同机械应力对成骨细胞信号通路的调控作用

成骨细胞表面具有多种机械感受器，包括机械敏感性离子通道、细胞外基质-整合素-细胞骨架系统、G 蛋白及酪氨酸激酶等，都参与机械转导的生物学过程，最终调节细胞核内基因的表达[12]。成骨细胞对机械环境非常敏感，对其施加机械应力会引起细胞功能变化等适应性反应，在机制上影响调控其生长和分化的信号通路，进而改变骨的质量和形态[3]。

1.压缩应力

作为常见的机械应力，压缩应力可通过不同的信号通路引起成骨细胞在骨形成中的相关效应。

骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）相关信号通路在骨重塑研究领域已有多年，临床前期研究已证实BMP 能够诱导新骨形成[13]。Bmpr1aca 小鼠可实现在成骨细胞中条件性激活BMP/Smad 信号通路，Kamiya 等人对该小鼠股骨进行四点弯曲试验，结果发现成骨细胞数量增加，并存在动态骨形成，证实了压缩应力可通过激活成骨细胞中BMP/Smad 信号通路而增强骨形成[10]。

核因子-κB 受体活化因子配体（receptor activator for nuclear factor-κB ligand，RANKL）可由成骨细胞分泌，能够与破骨细胞表面RANK 结合，加速破骨细胞分化、成熟；而骨保护素（osteoprotegrin，OPG），可与RANK 竞争性地结合RANKL，从而抑制破骨细胞形成[14]，因此RANKL/RANK/OPG 信号轴通过调节成骨细胞和破骨细胞之间交互作用而影响骨重塑。基于此，Shen 等人对小鼠原代成骨细胞和成骨细胞前体细胞系MC3T3-E1 施加不同大小的压缩应力，结果发现参与调控成骨细胞分化的Runt相关转录因子2（runt-related transcription factor 2，Runx-2）在2 g/cm2的压缩应力作用下显著增加，RANKL/OPG 比率明显下降，因此，适宜大小的压应力可通过RANKL/RANK/OPG 信号通路作用于成骨细胞，进而间接抑制破骨细胞形成[15]。

Wnt/β-catenin 信号通路在骨形成中发挥重要作用，压缩应力可激活该信号通路，不仅对MC3T3-E1 增殖起正向调节作用，而且可以调节成骨细胞分化[4,16]。有研究证实了压缩应力可以激活Wnt/βcatenin 信号通路而促进人下颌骨成骨细胞前体细胞的矿化[17]。此外，有研究证实，哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物2（mammalian target of rapamycin complex 2，mTORc2）是机械应力激活β-catenin 活性的关键复合物，为了明晰它在机械转导中的作用，Lewis 等人通过对小鼠体内晚期分化的成骨细胞条件性敲除mTORc2 亚基基因Rictor 后，对胫骨施加压缩应力，证实了成骨细胞中的mTORc2 信号通路是压缩应力调控骨形成的关键信号通路[18]。

2010 年，Ardem 实验室在筛选机械敏感的离子通道时发现了压电型机械敏感离子通道组件1（piezo type mechanosensitive ion channel component 1，PIEZO1）[19]，PIEZO1 可以调控Hippo 信号通路下游的yes 相关蛋白（yes associated protein，YAP）的核定位，是机械应力调节骨重塑的关键信号通路位点[20]。Wang 等人利用小鼠后肢悬吊模拟失重模型，发现Piezo1 敲除的小鼠对失重引起的破骨细胞活性增强和骨量丢失不敏感；受PIEZO1 调控的基质蛋白Col2α1 和Col9α2 可以抑制破骨细胞分化；因此，PIEZO1/YAP 信号通路影响成骨细胞与破骨细胞的相互作用，从而参与调节机械应力诱导的骨重塑[11]。

综上，压缩应力是较早受到关注的机械应力，适宜范围内的机械应力可通过BMP、Wnt/β-catenin 以及新近发现的PIEZO1/YAP 等信号通路而调节成骨细胞功能，了解压缩应力影响成骨细胞的具体信号通路及机制对于更有效地调控骨重塑至关重要，对机械应力在生物医学中的研究发展具有重要价值。

2.拉伸应力

拉伸应力也可调控不同信号通路介导的成骨细胞增殖、分化过程。细胞外信号调节激酶1/2（extracellular signal-regulated kinase，ERK1/2）信号通路可以调控成骨细胞分化[21]。Yan 等人发现生理范围内的拉伸应力（2000～2500 Me）通过激活ERK1/2 信号通路促进MC3T3-E1 的增殖活性，而5000 Me 的拉伸应力抑制其增殖[22]。骨硬化素（sclerostin，SOST）是由骨细胞分泌的一种糖蛋白，能够抑制成骨细胞分化，促进破骨细胞形成，其表达受机械刺激的调节[23]。为了探究机械信号如何调控SOST，Sasaki 等人分别使用PIEZO1 激动剂、AKT 抑制剂刺激骨细胞，并施加持续循环拉伸应力，证实了拉伸应力可以通过激活骨细胞中PIEZO1/AKT 信号通路下调SOST[24]。此外，有学者探究拉伸应力影响成骨细胞成骨能力与水解酶二甲基喹甲酰胺1（dimethylarginine dimethylaminohydrolase 1，DDAH1）的关系时发现，在循环加载5%拉伸应力作用下，Taz/Smad4 信号被激活而上调DDAH1 表达，促进了骨形成[25]。因此，适宜范围内的拉伸应力可以促进成骨细胞增殖及分化，对骨愈合的临床治疗思路具有参考价值。

3.流体剪切力

组织液等细胞外液流经细胞膜表面对成骨细胞施加的流体剪切力，可以激活相关信号，促进成骨相关蛋白表达而调控骨形成[26]。细胞外信号调节激酶5（extracellular signal-regulated kinase，ERK5）可以调节细胞增殖、分化和凋亡，流体剪切力可通过调控ERK5 信号而影响成骨细胞增殖[27]。克鲁珀尔样因子4（Kruppel-like factor 4，KLF4）在骨组织中表达明显，研究发现敲除KLF4 可增强成骨细胞增殖、分化而促进骨形成[28]。为了明确成骨细胞中ERK5 信号与KLF4 的相互关系，Zhang 等人发现，在流体剪切力刺激下，MC3T3-E1 中ERK5 信号被激活，KLF4 表达水平降低，最终成骨细胞增殖上调[29]。信号转导及转录激活因子3（signal transducer and activator of transcription 3，STAT3）可促进生理条件下的骨形成，并响应通过骨细胞信号传导的机械负载[30]。有研究发现，在成骨细胞中条件性敲除Stat3的小鼠中，机械应力诱导的骨形成减少，伴成骨细胞减少、破骨细胞增多[31]。基质金属蛋白酶13（matrix metallopeptidase 13，MMP-13）能够降解间质胶原纤维，在机械负荷下，其在MC3T3-E1 中的表达升高[32]。流体剪切力可以通过促进Mmp-13 基因表达，激 活 Nmp4/CIZ （nuclear matrix protein 4/cas interacting zinc finger protein）/MMP-13 通路，从而促进成骨细胞分化[33]。近年来对流体剪切力在骨疾病中的机制研究越来越多，成骨细胞对流体剪切力的响应具有一定的敏感性和适应性，相关的具体机制也在不断完善和更新。

4.低强度脉冲超声波

低强度脉冲超声波（low intensity pulsed ultrasound，LIPUS）以高频声波压力波的形式传输到组织中，是FDA 批准用于临床上促进骨折愈合的治疗方法[34]。肌生长抑素（myostatin，MSTN）属于转化生长因子β 超家族，有研究表明LIPUS 可以通过上调WNT1 和β-catenin 的表达，激活MSTN 信号通路促进成骨细胞增殖[35]。Tang 等人观察了LIPUS对后肢悬吊大鼠骨愈合的影响，结果发现LIPUS 有效地降低了血清中MSTN 的含量，抑制其受体及其下游信号分子，激活了成骨细胞WNT 信号通路，促进了骨缺损的愈合[36]。此外，有学者发现MC3T3-E1可以响应LIPUS 的机械信号，通过PIEZO1 将机械信号转导进细胞内，激活ERK1/2 信号通路，促其成骨向分化[37]。明晰LIPUS 对成骨细胞发挥作用的生物学机制，可为未来研究无创骨折康复及其他骨疾病的物理因子治疗提供新思路。

5.流体静压力

流体静压力是人体内骨细胞的恒定机械应变，参与成骨细胞生成，也可以被软骨细胞感知，有研究表明其能够通过抑制基质合成和诱导促炎基因的表达，促使软骨退化[38]。许多第二信使信号通路的汇聚点是丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPKs），其中ERK1/2 可以响应流体剪切力，ERK1/2 信号通路的激活是机械信号转导的关键通路之一[39]。有研究对人胎成骨细胞施加持续性流体静压力，发现人胎成骨细胞中的ERK1/2 通路可被激活[40]。

迄今为止，流体静压力调控间充质干细胞的相关研究较多，例如流体静压力可以通过lncRNA PAGBC/miR-133b/RUNX2 诱导间充质干细胞分化为成骨细胞，从而促进骨形成[6]。除此之外，流体静压力还可以在雌激素受体信号的参与下，通过激活c-Jun 氨基端激酶1/2（c-Jun N-terminal kinases-1/2，JNK-1/2）促进骨髓间充质干细胞的软骨向分化[41]。相比之下，流体静压力对于成骨细胞的相关研究相对不足，更多骨重塑相关的信号通路有待进一步探索。

机械应力刺激是调控骨重塑的关键因素之一，压缩应力、拉伸应力、流体剪切力以及低强度脉冲超声波等可以通过改变成骨细胞内多种信号通路而影响其生物学行为，包括增殖、分化和矿化等，从而影响骨重塑。探明机械应力对成骨细胞内信号通路的影响及具体机制，以更有效地调控机械应力刺激诱导的骨发育及骨改建，具有重要的临床意义。然而，目前关于机械应力的力学作用参数（如频率、大小、振幅、转速等）对成骨细胞的作用机制尚缺乏系统研究，对此有待更多探索，以便更好地应用于口腔科、骨科等临床实践中。