蔡 科，張 丹

(1.華東交通大學(xué)體育與健康學(xué)院；2.江西省“體質(zhì)健康與運(yùn)動干預(yù)”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.華東交通大學(xué)體育健身研究中心，江西 南昌 330013)

在運(yùn)動系統(tǒng)中，骨、骨連結(jié)和骨骼肌約占成人體重的60%～70%，具有執(zhí)行支持、保護(hù)和運(yùn)動的功能。骨是以骨組織(包括骨細(xì)胞、膠原纖維和基質(zhì)等)為主體構(gòu)成的器官，是在結(jié)締組織或軟骨基礎(chǔ)上發(fā)育(骨化)形成的。骨組織的細(xì)胞成分包括骨原細(xì)胞(osteogenitor cell)、成骨細(xì)胞(osteoblast，亦稱bone-forming cells)、骨細(xì)胞(osteocyte)和破骨細(xì)胞(Osteoclast，OC)。骨細(xì)胞主要來源于成骨細(xì)胞中骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化，約占骨細(xì)胞總數(shù)95%，是組成骨的主要成分。骨細(xì)胞是一個機(jī)械應(yīng)力感受器，通過內(nèi)分泌調(diào)節(jié)形式作用于成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞[1]。在運(yùn)動過程中，不同的運(yùn)動負(fù)荷能夠作為有效刺激源并產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)影響骨的形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)[2]。Kerr等[3-4]在1972年提出了細(xì)胞分化與調(diào)節(jié)，隨后在生物、醫(yī)學(xué)等學(xué)科得到了廣泛響應(yīng)。細(xì)胞分化與調(diào)節(jié)是細(xì)胞按照自身的程序，發(fā)生的一種更新和清除異常細(xì)胞，維持自身內(nèi)穩(wěn)態(tài)和促進(jìn)動態(tài)平衡狀態(tài)。細(xì)胞分化與調(diào)節(jié)通路包括半胱天冬酶-3的裂解，DNA片段斷裂，細(xì)胞骨架和核蛋白降解，蛋白交叉耦合，分化與調(diào)節(jié)小體的產(chǎn)生，噬菌細(xì)胞受體的配體的表達(dá)，最終噬菌細(xì)胞的吞噬這一系列的通路[5]。目前細(xì)胞分化與調(diào)節(jié)研究多在生物和醫(yī)學(xué)等方面；在運(yùn)動醫(yī)學(xué)中主要集中運(yùn)動與心肌、骨骼肌的細(xì)胞分化與調(diào)節(jié)；細(xì)胞分化與調(diào)節(jié)與Bcl-2蛋白家族、Caspase 家族成員、IGF家族成員、具有抑癌功能的“死亡基因” P53、Fas-Fasl 系統(tǒng)等，而運(yùn)動與細(xì)胞分化與調(diào)節(jié)及對骨代謝的影響等方面研究已成為關(guān)注點(diǎn)。運(yùn)動能夠有效的促進(jìn)骨代謝，運(yùn)動是否對骨細(xì)胞分化與調(diào)節(jié)進(jìn)行調(diào)控，相關(guān)研究較少。有關(guān)運(yùn)動與骨細(xì)胞分化與調(diào)節(jié)之間相互關(guān)系尚不清楚。本文對運(yùn)動與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(Bone Mesenchymal Stem Cells，BMSC)、成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞的分化與調(diào)節(jié)之間的關(guān)系來闡述運(yùn)動對骨代謝的調(diào)控機(jī)制，以期為運(yùn)動促進(jìn)骨健康提供理論依據(jù)。

1 運(yùn)動對骨細(xì)胞分化與調(diào)節(jié)影響的概述

運(yùn)動對骨的化學(xué)成分和物理性質(zhì)產(chǎn)生重要影響，且可以有效的促進(jìn)骨的發(fā)生、發(fā)育和形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變?？茖W(xué)合理的運(yùn)動能夠有效的對骨內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定產(chǎn)生促進(jìn)作用。研究表明，運(yùn)動的缺乏和不良的生活習(xí)慣會影響鈣、磷的吸收和沉積，導(dǎo)致骨組織總量減少，增加骨質(zhì)疏松危險因素。在中老年女性和男性，尤其是絕經(jīng)后的婦女中表現(xiàn)尤為明顯[6]。伴隨著年齡的增長及身體機(jī)能狀態(tài)出現(xiàn)顯著下降，運(yùn)動和體力活動減少及體內(nèi)激素水平發(fā)生變化等因素是導(dǎo)致骨細(xì)胞分化降低，骨量減少的重要誘因。當(dāng)今社會中，骨質(zhì)疏松是影響公眾健康的重要因子之一，而運(yùn)動可以有效的預(yù)防和治療骨質(zhì)疏松、糖尿病、高血壓的研究已有很多。研究表明，運(yùn)動對骨細(xì)胞分化與調(diào)節(jié)的影響可能機(jī)制是機(jī)械應(yīng)力效應(yīng)、運(yùn)動對骨細(xì)胞激素及細(xì)胞水平的表達(dá)變化、運(yùn)動對骨細(xì)胞傳導(dǎo)通路和遞質(zhì)的調(diào)控等。運(yùn)動對骨質(zhì)疏松的防治和機(jī)制的研究有待進(jìn)一步研究。已有研究發(fā)現(xiàn)，利用運(yùn)動對BMSC、成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞、骨細(xì)胞進(jìn)行有效的干預(yù)，模擬運(yùn)動產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力對骨骼的刺激，能夠有效的促進(jìn)BMSC向成骨細(xì)胞分化，抑制向脂肪細(xì)胞分化，同時促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖及分化，降低破骨細(xì)胞的活性及數(shù)量，促進(jìn)骨形成，抑制骨吸收[7]。

2 運(yùn)動與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化與調(diào)節(jié)的關(guān)系

骨髓原始間充質(zhì)干細(xì)胞是骨髓基質(zhì)干細(xì)胞，對骨髓中的造血干細(xì)胞(hemopoietic stem cells, HSC)不僅有機(jī)械支持作用，具有多分化潛能，能分泌多種生長因子，如白介素-6(interleukin-6，IL-6)、白介素-11(interleukin-11，IL-11)、白細(xì)胞抑制因子(leukemia inhibitory factor，LIF)、巨噬細(xì)胞集落刺激因子(macrophages colony stimulating factor，M-CSF)及干細(xì)胞因子(stem cell facto，SCF)等原始細(xì)胞。在相關(guān)因素的誘導(dǎo)下，能分化為軟骨、成骨、脂肪細(xì)胞。研究表明，機(jī)體患有骨質(zhì)疏松癥會伴有骨量減少且會引起骨髓脂肪細(xì)胞的增多[8]。運(yùn)動作為刺激源能夠促進(jìn)BMSC向成骨細(xì)胞增殖和分化，抑制脂肪細(xì)胞的分化，提高BMSC的分化并減少其分化與調(diào)節(jié)。Case等[9]和Simmons等[10]研究表明，對小鼠進(jìn)行2%和3%強(qiáng)度的牽張力運(yùn)動干預(yù)后能夠通過有效的下調(diào)過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator activated receptorγ2，PPARγ2)和甲狀旁腺激素-1 (parathyroid hormone-1，PTHR-1)的表達(dá)并有效的抑制了脂肪細(xì)胞及脂肪細(xì)胞脂肪酸結(jié)合蛋白2和脂聯(lián)素的蛋白表達(dá)。同時，BMSC中Ⅰ型膠原及骨粘連蛋白有明顯升高，成骨細(xì)胞增殖分化現(xiàn)象上升。其中，實(shí)驗(yàn)組細(xì)胞外基質(zhì)較對照組高出2.3倍。Sumanasinghe等[11]在研究中發(fā)現(xiàn)，周期性的運(yùn)動作為牽張刺激源可以有效的上調(diào)間充質(zhì)干細(xì)胞中重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(recombinant human bone morphogenetic protein-2，BMP-2)的mRNA的表達(dá)，有效的促進(jìn)了成骨細(xì)胞分化。而缺乏運(yùn)動刺激，BMSC向成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化的明顯減弱，向脂肪細(xì)胞轉(zhuǎn)化的能力明顯增強(qiáng)。運(yùn)動訓(xùn)練能夠促進(jìn)小鼠BMSC的分化，進(jìn)一步促進(jìn)BMSC向成骨細(xì)胞增殖分化。

3 運(yùn)動與成骨細(xì)胞分化與調(diào)節(jié)的關(guān)系

成骨細(xì)胞由骨原細(xì)胞分化而來，當(dāng)骨生長和再生過程中，成骨細(xì)胞于骨組織表面排列成規(guī)則的一層，并向周圍分泌基質(zhì)和纖維，將自身包埋于其中，形成類骨質(zhì)(osteoid)，有骨鹽沉積后則變?yōu)楣墙M織，成骨細(xì)胞則成熟為骨組織細(xì)胞[12]。研究表明，運(yùn)動干預(yù)對機(jī)體產(chǎn)生的牽張力能有效影響骨細(xì)胞中BMP-2、重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-4(recombinant human bone morphogenetic protein-4,BMP-4)、骨鈣素、Runx2相關(guān)因子(runt related gene，Runx2)、堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)活性及I型膠原等成骨因子水平表達(dá)增加，增強(qiáng)了成骨細(xì)胞外基質(zhì)的生物活性[13]。Du等[14]研究表明，與對照組相比較，對小鼠MC3T3-E1成骨細(xì)胞進(jìn)行牽張力運(yùn)動干預(yù)發(fā)現(xiàn)，Wnt10b及低密度脂蛋白相關(guān)蛋白5(Low-density lipoprotein receptor-related protein 5，Lrp5)的基因明顯上調(diào)，而機(jī)械加壓較前者干預(yù)效果更為顯著。同時，MC3T3-E1成骨細(xì)胞灌注到3D培養(yǎng)模型中進(jìn)行流體剪切力的干預(yù)，能顯著提高成骨細(xì)胞ALP活性及細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases，ERKs)的磷酸化水平，上調(diào)整合素β1、I型膠原以及基質(zhì)金屬蛋白酶的表達(dá)，促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖與分化[15]。相關(guān)研究表明，3%、6%強(qiáng)度的牽張刺激可以上調(diào)Wnt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，而12%強(qiáng)度的刺激及干預(yù)則成骨細(xì)胞分化較少，有抑制現(xiàn)象[16]。

在對人體的研究中發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動或身體體力活動時骨骼在不同程度上受到肌肉牽拉和地面反作用力的影響，人體內(nèi)骨鈣素、ALP表達(dá)上調(diào)從而促進(jìn)成骨細(xì)胞數(shù)量的增加。Kish等[17]選取12例未成年男性和14例成年男性進(jìn)行大強(qiáng)度遞增式跳躍運(yùn)動。結(jié)果表明，兩組受試者在運(yùn)動24小時后血清ALP和破骨細(xì)胞抑制因子(osteoclastogenesis inhibitory factor，OPG)明顯升高。Lester等[18]研究表明，年輕女性經(jīng)過8周的抗阻有氧訓(xùn)練，其血清中骨鈣素、ALP等水平明顯上升。由此提示，機(jī)械應(yīng)力、骨骼的牽張刺激、流體剪切、加壓力等機(jī)械刺激均能上調(diào)成骨細(xì)胞中Runx2、ALP、BMP-2、4以及Ⅰ型膠原等成骨因子的表達(dá)，促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖及分化。

4 運(yùn)動與骨細(xì)胞分化與調(diào)節(jié)的關(guān)系

骨細(xì)胞為成熟骨組織中的主要細(xì)胞，相當(dāng)于人的成年期，由骨母細(xì)胞轉(zhuǎn)化而來，對骨吸收和形成都起作用，是維持成熟骨新陳代謝的主要細(xì)胞，位于礦化的骨基質(zhì)中。骨細(xì)胞是骨骼受力后首先做出應(yīng)答的感受器，其通過生化傳導(dǎo)通路將外界刺激源傳遞給成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞等效應(yīng)細(xì)胞，對骨的形態(tài)結(jié)構(gòu)和內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生影響。Tatsumi等[19]通過對轉(zhuǎn)基因小鼠模型研究發(fā)現(xiàn)，骨細(xì)胞缺乏會影響成骨細(xì)胞分化與調(diào)節(jié)，加速小鼠骨脆性和微結(jié)構(gòu)負(fù)增長，同時發(fā)現(xiàn)骨細(xì)胞缺乏會對機(jī)體機(jī)械刺激應(yīng)答產(chǎn)生負(fù)面影響，由此說明骨細(xì)胞是骨結(jié)構(gòu)中接受和傳遞牽張力和機(jī)械應(yīng)力的傳導(dǎo)媒介。眾所周知，合理科學(xué)的運(yùn)動有利于機(jī)體骨小梁和骨密質(zhì)、骨松質(zhì)的排列及合理應(yīng)力。研究發(fā)現(xiàn)，適宜的外界刺激能夠促使骨細(xì)胞自我完善和提高骨細(xì)胞內(nèi)對牽張力的敏感性，這提示骨細(xì)胞在運(yùn)動的刺激下能夠適應(yīng)和接受外界對其產(chǎn)生的應(yīng)力刺激[20]。Mann等[21]發(fā)現(xiàn)周期性的機(jī)械牽張力能夠顯著促進(jìn)骨細(xì)胞增殖和分化并起到抑制人類骨細(xì)胞的分化與調(diào)節(jié)的速率。前列腺素E2是骨細(xì)胞增殖分化的重要物質(zhì)，研究表明，在流體剪切力的作用下，骨細(xì)胞中前列腺素受體EP2D的表達(dá)明顯增加從而促進(jìn)前列腺素E2的分泌，有助于骨的形成。Maurel等[22]和Swift等[23]研究報道指出，有規(guī)律的運(yùn)動及抗阻訓(xùn)練能夠有效的促進(jìn)大鼠骨小梁的布局和抑制骨細(xì)胞分化與調(diào)節(jié)，減輕骨質(zhì)疏松現(xiàn)象、增加骨含量和生成率。Fonseca等[24]的研究也表明，大鼠股骨在接受最大的應(yīng)力后能夠有效的減少骨細(xì)胞死亡和骨空隙數(shù)量，起到保護(hù)股骨的作用。由此說明，運(yùn)動產(chǎn)生的牽拉力和機(jī)械刺激能夠有效的增加骨細(xì)胞數(shù)量，減少骨細(xì)胞分化與調(diào)節(jié)，促進(jìn)骨形態(tài)、骨量重新分布和內(nèi)部微結(jié)構(gòu)完整性，有利于骨細(xì)胞重新適應(yīng)新的力學(xué)環(huán)境。

5 運(yùn)動與破骨細(xì)胞分化與調(diào)節(jié)的關(guān)系

破骨細(xì)胞是骨組織成分的一種，行使骨吸收(bone resorption)的功能。破骨細(xì)胞與成骨細(xì)胞在功能上相對應(yīng)。二者協(xié)同，在骨骼的發(fā)育和形成過程中發(fā)揮重要作用。破骨細(xì)胞來源于造血干細(xì)胞的單核巨噬細(xì)胞譜系，主要分布在骨質(zhì)表面、骨內(nèi)血管通道周圍。研究表明，人體長期堅(jiān)持適度體育鍛煉，可使機(jī)體內(nèi)破骨細(xì)胞生物學(xué)性能方面得到改善，同時促進(jìn)骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞對破骨細(xì)胞的形成起著吸收和調(diào)節(jié)作用。Rubin等[25]采用牽張力對破骨細(xì)胞進(jìn)行運(yùn)動張力干預(yù)研究，其強(qiáng)度為5%，發(fā)現(xiàn)周期性機(jī)械牽張力干預(yù)能夠有效的抑制破骨細(xì)胞的形成。運(yùn)動產(chǎn)生的機(jī)械張力能夠使破骨細(xì)胞分化因子(osteoclast differentiation factor，ODF) 及核因子κB受體活化因子配體(receptor activator for nuclear factor-κ B ligand，RANKL)的mRNA表達(dá)下調(diào)，而內(nèi)源性一氧化氮合酶(nitrfic oxides synthase，NOS)的mRNA表達(dá)增加[26-27]。M-CSF、RANKL是破骨細(xì)胞分化有利誘導(dǎo)因子，其分泌會增強(qiáng)骨的吸收，其中γ-干擾素(Interferon-γ, IFN-γ)會使RNAK銜接蛋白降解加速，同時通過RANKL-RANK通路來抑制破骨細(xì)胞生成，運(yùn)動產(chǎn)生的機(jī)械張力刺激能下調(diào)巨噬細(xì)胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor, M-CSF)、RANKL、IL-6、干擾素(Interferon, IFN)等細(xì)胞因子的表達(dá)抑制骨吸收，同時上調(diào)OPG、IFN 等成骨因子的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)骨形成[28-29]。這提示運(yùn)動產(chǎn)生的機(jī)械張力對破骨細(xì)胞的分化與調(diào)節(jié)產(chǎn)生一定影響。Suzuki等[30]和Nagatomi等[31]研究報道，運(yùn)動產(chǎn)生的機(jī)械張力能有效抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)、基質(zhì)金屬蛋白酶-9(matrix metallopeptidase-9，MMP-9)、組織蛋白酶K(cathepsin K，CTSK)、白細(xì)胞介素1(Interleukin-1，IL-1)及腫瘤壞死因子-α(Tumor Necrosis Factor，TNF-α)、即刻早期基因c-Fos、降鈣素基因相關(guān)受體mRNA表達(dá)，抑制破骨細(xì)胞產(chǎn)生，同時上調(diào)破骨細(xì)胞前體一氧化氮合酶mRNA表達(dá)。提示運(yùn)動產(chǎn)生的機(jī)械張力和牽引力能夠有效的抑制破骨細(xì)胞分化與調(diào)節(jié)及增殖和分化，抑制骨吸收過程。

6 小結(jié)與展望

現(xiàn)有研究已證明[32-34]，骨細(xì)胞是骨組織內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的重要標(biāo)志，是骨組織修復(fù)和轉(zhuǎn)換的重要因素，骨細(xì)胞發(fā)生分化與調(diào)節(jié)是骨質(zhì)疏松癥的重要誘因，因此有效抑制骨細(xì)胞分化與調(diào)節(jié)有利于減輕骨質(zhì)疏松癥發(fā)病率，并對骨轉(zhuǎn)換和骨修復(fù)發(fā)揮著重要作用。從骨細(xì)胞應(yīng)力的角度，運(yùn)動對骨質(zhì)疏松癥的預(yù)防毋庸置疑。運(yùn)動產(chǎn)生的機(jī)械張力能夠直接對破骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞產(chǎn)生作用，或間接的通過間充質(zhì)干細(xì)胞、骨細(xì)胞及骨代謝信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路調(diào)控成骨細(xì)胞及破骨細(xì)胞的增殖與分化，促進(jìn)骨形成，預(yù)防骨質(zhì)疏松癥等骨疾病問題。細(xì)胞分化與調(diào)節(jié)對骨質(zhì)疏松癥的影響逐漸受到學(xué)者們的重視，但誘導(dǎo)或抑制骨細(xì)胞分化與調(diào)節(jié)的因素有很多，例如運(yùn)動與骨免疫、骨細(xì)胞自噬、骨細(xì)胞代謝等功能系統(tǒng)之間相互作用，其中運(yùn)動刺激產(chǎn)生牽張力后對骨組織細(xì)胞的影響及生物應(yīng)激反應(yīng)、骨細(xì)胞分化與調(diào)節(jié)的基因及調(diào)控機(jī)制有待進(jìn)一步研究，通過這些研究可以更好的發(fā)現(xiàn)運(yùn)動促進(jìn)骨代謝的發(fā)生機(jī)制，為骨質(zhì)疏松等骨代謝疾病的防治提供重要的理論依據(jù)。