机械应力对成骨细胞影响的研究进展

张 翔 周立亚 王仁杰

1.湖北民族大学医学部，湖北恩施 445000；2.湖北省襄阳市中医医院，湖北襄阳 441000

随着世界人口老龄化问题日趋明显，由此而引起的老年性骨病也日益增多[1]，如原发性骨质疏松症、骨质疏松性骨折、骨性关节炎、老年性颈腰椎疾病、老年性骨肿瘤等[2]，老年性骨病已经成为全球性的医疗卫生问题。在多种老年性骨病中，尤以骨质疏松多见，同时其也是其他老年性骨病发生、发展的重要因素。骨质疏松的发病原因多是由于成骨细胞（osteoblast，OB）的骨形成低于破骨细胞（osteoclast，OC）的骨吸收，而造成的一种骨代谢性疾病[3]。骨的形成和吸收主要分别依赖于OB 和OC 的功能，它们共同作用以维持骨量，其动态平衡有较多影响因素，其中包括日常生活中机械应力（mechanical stress，MS）的刺激。OB 是感受器和效应器功能的载体，会影响下游信号的传导过程[4]。本文将阐述OB 在流体剪切应力（fluid shear stress，FSS）、压缩应力、牵张力和微重力不同MS 刺激下的反应。

1 FSS对OB的影响

FSS 通常来讲就是体液流动与细胞表面的摩擦力。因为骨是富含多孔的组织，持续被组织间液灌流，受血压等多种力的驱使，组织间液在经过骨组织中的小管网、腔隙和骨内膜表面时，骨内层就会产生明显的流体剪切力[5]。目前腔隙-骨小管系统[6]已经被相关学者广泛接受。各种对骨骼施加的负荷（包括机械负荷、肌肉收缩、血压和淋巴引流）都会导致组织间液流动，从而压缩腔隙-骨小管系统，诱导包括FSS 在内的各种机械刺激。FSS 可以进一步诱导OB 生物力学特性的变化。

Ziebart 等[7]研究发现，在胶原支架上培养的OB，当受到FSS 的影响时，FSS 能增加骨钙素的代谢活性和基因表达，刺激OB 分化。Zhou 等[8]研究发现，机械敏感通道Piezo1 和Piezo2 为骨骼发育和OB 分化所需的关键力传感器。Li 等[9]通过观察小分子激动剂模拟FSS 对骨细胞的影响，发现Piezo1在感知机械信号和维持骨稳态方面发挥着关键作用，Piezo1 介导的FSS 通过上调细胞骨架重组，促进MC3T3-E1 OB 增殖。Jiang 等[10]研究发现，FSS可以刺激环氧合酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）活性，并诱导细胞外信号调节激酶5（extracellular signal regulated kinase 5，ERK5）、环磷腺苷效应元件结合蛋白（c AMP-response element binding protein，CREB）和核转录因子NF-κB（nucleartranscriptionfatorkB，NF-κB）的磷酸化，在OB 中启动合成代谢反应，导致细胞增殖和分化增加。Wang 等[11]研究发现，长链非编码RNA 牛磺酸上调基因1 通过海绵化miR-34a，上调人成纤维细胞生长因子受体1（fibroblast growth factor receptor 1，FGFR1）的表达，促进OB 增殖并抑制OB 凋亡。

上述研究的结果说明，FSS 传递各种生物化学信号至OB 内，发挥生物学效能，一定强度的FSS 可促进OB 增殖和分化，并抑制OB 的凋亡，利于骨的形成，在骨质疏松进程中起着重要作用。

2 压缩应力对OB的影响

身体自身的重量和日常活动负重的影响都会对骨骼造成压力，这种刺激的普遍存在，同时也一直是研究人员研究的重点。研究人员在离体条件下模拟了压缩应力，可分为静力性压缩应力、动态性压缩应力、单轴和双轴压缩应力等，压缩应力对OB 有多种影响[12]。

Imamura 等[13]研究发现，对MC3T3-E1 细胞施加持续的静压，可抑制OB 的碱性磷酸酶（Alkaline Phosphatase，ALP）活性，抑制OB 分化。Takai 等[14]将动态静水压力作用于骨小梁外植体模型，通过骨组织形态计量学证明：在加载的第8 天，动态静水压力显著增加了OB 的活性。曹小波等[15]培养了来自SD 大鼠的髁突软骨的原代OB，发现对OB 适当的初始压缩应力可以提高OB 增殖、抑制细胞凋亡和促进成骨的能力。

目前，关于压缩应力对成骨细凋亡的具体影响的定量研究很少，现有研究表明，低强度压缩应力对OB 有积极作用。换言之，抗凋亡-促凋亡转化现象与时间和强度有关，但这种推测还需要更多研究来证实[16]。

3 牵张力对OB的影响

在体内，OB 可分泌基质包裹自身，细胞骨架接收外力对基质的刺激，导致基质的变形，从而在骨陷窝及骨小管周围对OB 形成牵张力[17]。目前细胞的牵张力主要是通过拉伸黏附在OB 上的培养基膜来实现的。在对培养基膜施加牵张力时，可以控制强度和持续时间，以观察OB 在不同条件下对牵张力的不同反应[18]。

Chen 等[19]发现，在体外使用Flexcell 张力系统机械拉伸人下颌骨髓间充质干细胞，可显著增加ALP 活性和钙沉积，并通过抑制NF-κB 通路诱导OB 分化。Kobayashi 等[20]发现，应用一定强度的牵张力可诱导的大鼠腭中线软骨组织被骨组织代替，这表明，在受到牵张力作用下，大鼠腭中线部分软骨细胞开始增殖分化为OB，骨形成活跃。He 等[21]研究发现，机械拉伸力可促进由促红细胞生成素诱导的骨髓间充质干细胞的增殖和成骨分化。曹阳等[22]对人OBMG-63 施加5 min 的单轴牵张应力后发现：OB 对力学信号的感知和转导都与微丝细胞骨架密切相关。唐林等[23]研究发现，不同大小机械牵张力可以影响OB 的增殖能力及ALP 活性，与力值大小密切相关，较小的力能促进其分化和成熟的作用较为明显，而较大的牵张力对于促进增殖的作用较为明显，同时也发现过大的牵张力对细胞的分化和增殖均有抑制作用。

OB 对牵张应力的作用比较敏感，牵张刺激会激发OB 的分化和增殖潜力，适合的牵张力能促进骨的生长、修复和改建。

4 微重力对OB的影响

随着我国航天事业的蓬勃发展，更多的太空活动对于保护宇航员的健康提出了更高要求。有研究表明，航天员大多存在骨质及肌肉质量减少、免疫功能降低等问题[24]。微重力是指物体处于失重状态，或者非常接近完全失重状态，可以称为“零重力”。太空是微重力环境，但由于太空飞行的复杂性和样本量的缺乏，常采用人体卧床实验和动物尾部悬吊实验来模拟微重力环境，研究微重力对骨量的影响[25]。有研究也使用离心装置来模拟微重力对OB 的影响。

Gioia 等[26]利用三维回转仪培养人原代OB，发现这种模拟的微重力环境影响了细胞周期，诱导了人原代OB 成熟表型的细胞退化。Chatani等[27]研究发现，微重力通过减少OB 的骨保护素（osteoprotegerin，OPG）分泌来减少OB 的产生，并增强OC 的产生。Araya 等[28]研究发现，在体外微重力环境下，骨细胞分泌白血病抑制因子受到抑制，从而削弱了成骨作用。张晓铀等[29]研究发现在模拟失重状态下，OB 的增殖活性受到了抑制，同时微重力也影响了OB 的形态、细胞骨架、细胞周期和凋亡等生理指标。

微重力环境以多种方式抑制OB 的功能，增强OC 的产生，引起骨的形成减少和骨吸收增加，这可能是造成空间骨丢失的一个重要原因。

5 结论和展望

近年来，实验室侧重于在骨科、口腔科、组织工程和航空航天领域模拟FSS、压缩应力、牵张力和微重力，对不同MS 刺激下OB 的应答有了进一步的认识。但由于实验研究中的机器设备、细胞来源、条件控制无相对统一的标准，所得结果存在一定的差异性。随着对骨生理、病理学的研究进入细胞和分子生物学研究时代，人们通过不断改进实验装置、更新实验方法，以准确控制MS 刺激的机械参数，模拟不同MS 对OB 的影响，发现适当的FSS、压缩应力和牵张力可促进OB 增殖、改变OB 细胞周期与形状，并且促进了骨形成、增加了骨量，而微重力对OB 的刺激改变了骨微结构，减少骨矿化，抑制骨形成。

本研究旨在探索身体对机械刺激的影响，将为骨病的临床治疗提供重要的理论依据，同时，这些结果可作为未来骨科、口腔科、生物组织工程和航空航天研究的基础，以推动该学科的发展。