賀祖斌 陸曉生

[專家介紹]陸曉生，主任醫(yī)師、研究員、教授、醫(yī)學(xué)博士、碩士研究生導(dǎo)師，曾到北京積水潭醫(yī)院、歐洲德布勒森大學(xué)等國(guó)內(nèi)外醫(yī)療機(jī)構(gòu)深造。廣西第一批高層次人才、廣西“新世紀(jì)十百千人才工程”第二層次人選、自然科學(xué)系列研究員、自治區(qū)五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)芦@得者?，F(xiàn)任百色市婦幼保健院黨總支書記、院長(zhǎng)。兼任中國(guó)肢殘康復(fù)專業(yè)委員會(huì)青年委員會(huì)常委、廣西醫(yī)院經(jīng)營(yíng)管理專業(yè)委員會(huì)委員、廣西中西醫(yī)結(jié)合學(xué)會(huì)外科分會(huì)常委、廣西醫(yī)學(xué)會(huì)骨質(zhì)疏松和骨礦鹽疾病學(xué)分會(huì)常委、廣西醫(yī)師協(xié)會(huì)理事、 廣西醫(yī)師協(xié)會(huì)骨科醫(yī)師分會(huì)小兒骨科專業(yè)委員會(huì)常委、中國(guó)中西醫(yī)結(jié)合學(xué)會(huì)骨傷科分會(huì)第八屆委員會(huì)骨搬移治療糖尿病足及微血管網(wǎng)再生專家工作委員會(huì)常委、廣西醫(yī)師協(xié)會(huì)第一屆骨科醫(yī)師分會(huì)外固定專業(yè)委員會(huì)副主任委員。長(zhǎng)期從事骨關(guān)節(jié)創(chuàng)傷、脊柱基礎(chǔ)和臨床研究，連續(xù)4年榮獲全國(guó)暨國(guó)際骨科學(xué)術(shù)大會(huì)獎(jiǎng)學(xué)金并作學(xué)術(shù)報(bào)告。發(fā)表專業(yè)論文20余篇（含SCI收錄）。獲7項(xiàng)國(guó)家專利授權(quán);主持科研獲獎(jiǎng)6項(xiàng)，獲省部級(jí)科研立項(xiàng)資助和省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)，獲廣西科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

【摘要】 生物力學(xué)在骨科無時(shí)無刻、無處不在，無論是長(zhǎng)骨、短骨或者扁骨結(jié)構(gòu)中，抑或在各種骨折、畸形、腫瘤等手術(shù)中。骨骼受力性能好，所受應(yīng)力分布合理，力學(xué)系統(tǒng)通過平衡各種應(yīng)力狀態(tài)以適用人體的各種體位和活動(dòng)。Wolff定律指出骨骼生長(zhǎng)過程中在力學(xué)刺激下可改變其結(jié)構(gòu)，應(yīng)力刺激可促進(jìn)骨形成，應(yīng)力刺激缺失則可引起骨丟失，即用進(jìn)廢退;對(duì)骨產(chǎn)生的應(yīng)力包括壓應(yīng)力、牽張應(yīng)力和流體剪應(yīng)力;應(yīng)力狀態(tài)下的骨形成與重建在于其局部的成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞功能改變。課題組從微觀上對(duì)骨科生物力學(xué)的研究進(jìn)行綜述。

【關(guān)鍵詞】 生物力學(xué);成骨細(xì)胞;破骨細(xì)胞

中圖分類號(hào)：R684 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2020.10.001

【Abstract】 ? Biomechanics is ubiquitous in orthopedics， whether it is in the structures of long bones， short bones or flat bones， or in various operations such as fractures， deformities， tumors， etc. Bone has good mechanical performance and reasonable stress distribution， and the mechanical system is suitable for various postures and activities of the human body by balancing various stress states. Wolff's law indicates that the structure of bones can be changed under mechanical stimulation during the growth process. Stress stimulation can promote bone formation， and loss of stress stimulation can cause bone loss， that is， "use it or lose it". Stress on bones includes compressive stress， tensile stress and fluid shear stress;bone formation and reconstruction under stress is due to changes in the function of local osteoblasts and osteoclasts. The research group review the research of orthopedic biomechanics from the microscopic point of view.

【Key words】 biomechanics;osteoblasts;osteoclasts

對(duì)于應(yīng)力狀態(tài)下骨變化的規(guī)律，德國(guó)醫(yī)學(xué)博士Wolff提出了Wolff定律：力學(xué)刺激下的骨骼在生長(zhǎng)過程中可改變其結(jié)構(gòu)，應(yīng)力刺激可促進(jìn)骨形成，應(yīng)力缺失則可引起骨丟失，即用進(jìn)廢退。骨形成與重建需要適當(dāng)?shù)膽?yīng)力刺激，研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)量增加10%～30%其骨密度增加3.13%～8.61%。而應(yīng)力刺激強(qiáng)度及頻率的不同可影響成骨，過低或過高振動(dòng)強(qiáng)度和頻率均不利于成骨[1～2]。ZHOU等[3]用微型CT掃描全身振動(dòng)的骨骼，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)是通過改善微管結(jié)構(gòu)刺激骨重塑的，從基因角度論證了全身振動(dòng)刺激成骨作用要強(qiáng)于骨吸收。骨折斷端成骨細(xì)胞（OB）數(shù)量的增加及骨折斷端愈合離不開機(jī)械應(yīng)力的刺激。應(yīng)力刺激下的骨塑形和骨重建是通過破骨細(xì)胞的骨吸收作用和成骨細(xì)胞骨形成作用所觸發(fā)的[4]，破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的功能激活可由激素、細(xì)胞因子或機(jī)械刺激引起局部產(chǎn)生的信號(hào)分子等多種因素決定。骨細(xì)胞感受到機(jī)械應(yīng)力作用而發(fā)生骨應(yīng)力改變，激活力學(xué)傳導(dǎo)通路促使成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞作出反應(yīng)。為了深入探索，課題組決定對(duì)不同壓應(yīng)力、牽張應(yīng)力及流體剪應(yīng)力（FSS）狀態(tài)下的成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞功能改變的研究進(jìn)行綜述。

1 不同應(yīng)力狀態(tài)下的成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞

成骨細(xì)胞來源于內(nèi)外骨膜和骨髓中基質(zhì)內(nèi)的間充質(zhì)始祖細(xì)胞的分化，是骨形成的主要功能細(xì)胞，負(fù)責(zé)骨基質(zhì)的合成、分泌和礦化。成熟的成骨細(xì)胞可被不同種類的激素或生長(zhǎng)因子激活而提高胞漿cAMP的水平刺激DNA和膠原的合成。成骨細(xì)胞是重要的感受與效應(yīng)細(xì)胞，應(yīng)力作用下內(nèi)源性細(xì)胞骨架、離子通道及非膠原蛋白等途徑較早而快速地響應(yīng)機(jī)械應(yīng)力刺激，通過多種信號(hào)通路將應(yīng)力刺激信號(hào)轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)化學(xué)傳導(dǎo)信號(hào)，并將化學(xué)信號(hào)傳遞到相應(yīng)的效應(yīng)靶點(diǎn)而觸發(fā)成骨效應(yīng)[5～6]。機(jī)械應(yīng)力刺激導(dǎo)致的細(xì)胞因子和信號(hào)通路的改變?cè)诖诉^程中起關(guān)鍵作用，BMPs及Wnt/β-catenin通路是目前最重要的信號(hào)通路。SOST通過對(duì)β-catenin在成骨細(xì)胞中的磷酸化的阻礙作用可抑制Wnt信號(hào)通路[7]。破骨細(xì)胞是由骨髓中的髓系祖細(xì)胞分裂為增殖性單核吞噬細(xì)胞即為破骨細(xì)胞的前體，進(jìn)入血液后在信號(hào)因子作用下進(jìn)入骨組織結(jié)構(gòu)中，經(jīng)化學(xué)因子、轉(zhuǎn)錄因子、細(xì)胞因子等相關(guān)因素作用下分化融合形成多核成熟破骨細(xì)胞，再被活化成具有破骨功能的破骨細(xì)胞。破骨細(xì)胞不具備有絲分裂功能，是隸屬單核巨噬細(xì)胞系統(tǒng)的一種終末細(xì)胞。增殖性單核吞噬細(xì)胞經(jīng)過血液循環(huán)滲透進(jìn)入到骨表面而啟動(dòng)破骨細(xì)胞的骨吸收作用。破骨細(xì)胞前體在NF-κB受體活化因子配體（RANKL）和巨噬細(xì)胞集落刺激因子（M-CSF）作用下分化成破骨細(xì)胞，M-CSF和RANKL是破骨細(xì)胞形成和分化必不可少的細(xì)胞因子。破骨細(xì)胞發(fā)生破骨作用時(shí)自身細(xì)胞骨架重構(gòu)而產(chǎn)生縫合區(qū)、褶皺緣、基底區(qū)和功能分泌區(qū)多種結(jié)構(gòu)。褶皺緣深面為富含初級(jí)溶酶體和吞噬小泡的小泡區(qū)，溶酶體內(nèi)蛋白酶可降解細(xì)胞外基質(zhì)，而H離子可溶解礦物質(zhì)，其分解產(chǎn)物被吞噬形成囊泡，繼而轉(zhuǎn)運(yùn)到功能分泌區(qū)排出細(xì)胞外[8]。破骨細(xì)胞在骨折愈合各個(gè)時(shí)期的活性明顯強(qiáng)于成骨細(xì)胞，吞噬能力強(qiáng)，骨吸收遠(yuǎn)大于骨形成力度。

1.1 壓應(yīng)力的作用

1.1.1 壓應(yīng)力對(duì)成骨細(xì)胞功能的影響 生理狀況下外力作用于成骨細(xì)胞，動(dòng)態(tài)壓應(yīng)力的持續(xù)刺激作用對(duì)成骨細(xì)胞的成骨功能產(chǎn)生重要作用。KOYAMA等[9]的研究顯示在3.0 g/m2持續(xù)的靜壓力時(shí)可誘導(dǎo)破骨細(xì)胞骨吸收和刺激成骨細(xì)胞釋放炎性細(xì)胞因子。動(dòng)態(tài)壓力使成骨細(xì)胞聚集并加速分化，適當(dāng)?shù)膲簯?yīng)力可刺激BMSCs向成骨細(xì)胞分化，并刺激成骨細(xì)胞增殖及成骨細(xì)胞胞外基質(zhì)合成，增強(qiáng)骨折部位MSCs中堿性磷酸酶（ALP）活性及Ⅰ型膠原含量[10～11]。SANCHEZ等[12]研究表明動(dòng)態(tài)壓力通過提升細(xì)胞內(nèi)IL-6水平而促進(jìn)骨生成。通過ALP的檢測(cè)可以判斷在周期性壓外力下成骨細(xì)胞的分化情況和早期活性。田林強(qiáng)等[13]研究認(rèn)為動(dòng)態(tài)壓應(yīng)力在20～50 mmHg范圍內(nèi)能上調(diào)成骨相關(guān)基因水平，而動(dòng)態(tài)壓應(yīng)力過大則可抑制成骨細(xì)胞分化。不施加周期性壓應(yīng)力的成骨細(xì)胞的增殖及成骨活性隨著時(shí)間的延續(xù)而逐漸增強(qiáng)，較小應(yīng)力范圍的周期性壓應(yīng)力在短時(shí)間內(nèi)可顯著刺激成骨細(xì)胞的增殖[14]，其機(jī)理是細(xì)胞外基質(zhì)形成的細(xì)胞骨架在短時(shí)間受壓后因形變作用，可發(fā)生輕微而緩慢的結(jié)構(gòu)重排和應(yīng)力分布改變，蛋白位點(diǎn)上相關(guān)氨基酸被磷酸化而增強(qiáng)了酶的活性，從而刺激細(xì)胞增殖分化[15]，隨著時(shí)間延長(zhǎng)內(nèi)源性細(xì)胞骨架形變時(shí)間過長(zhǎng)而受損，從而使增殖被抑制。以壓應(yīng)力1.0 g/cm2作用于成骨細(xì)胞能使環(huán)氧合酶2（COX-2）、骨涎蛋白（BSP）等基因表達(dá)顯著上調(diào)繼而促進(jìn)成骨的作用。研究發(fā)現(xiàn)，高重力可促進(jìn)細(xì)胞凋亡而抑制成骨細(xì)胞增殖甚至導(dǎo)致成骨細(xì)胞變性壞死，當(dāng)壓應(yīng)力>3.0 g/cm2時(shí)即對(duì)成骨樣細(xì)胞的生長(zhǎng)產(chǎn)生較大影響，當(dāng)壓應(yīng)力>4.0 g/cm2時(shí)可導(dǎo)致成骨細(xì)胞凋亡，其原因是壓應(yīng)力過大超過成骨細(xì)胞及其分泌的基質(zhì)所形成的細(xì)胞外骨架對(duì)壓縮應(yīng)力承受能力，細(xì)胞膜通透性增加，Caspase系統(tǒng)被凋亡蛋白酶和凋亡誘導(dǎo)因子激活而使細(xì)胞凋亡，細(xì)胞骨架遭變形過度受損致使膜內(nèi)酶及相關(guān)蛋白失活，最終成骨細(xì)胞凋亡[16]。

1.1.2 壓應(yīng)力對(duì)破骨細(xì)胞的影響 壓應(yīng)力通過增強(qiáng)成骨細(xì)胞活性和減弱破骨細(xì)胞活性來影響骨骼發(fā)育[17]。正因?yàn)槿绱耍瑥氖屡e重的運(yùn)動(dòng)員其骨密度大于其他項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)員。RAW264.7細(xì)胞是破骨細(xì)胞前體，成熟的破骨細(xì)胞可通過RANKL誘導(dǎo)獲得RAW264.7細(xì)胞。HAYAKAWA等[18]研究RAW264.7細(xì)胞在壓應(yīng)力下的形成實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，最適合的壓應(yīng)力使破骨細(xì)胞形成速率最快。因此，RAW264.7細(xì)胞成熟度受破骨細(xì)胞壓應(yīng)力的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的影響，只有在時(shí)間長(zhǎng)短、強(qiáng)度大小適合時(shí)破骨細(xì)胞才能分化成熟。骨保護(hù)素（OPG）又叫破骨生成抑制因子（OCIF），OPG可以刺激破骨細(xì)胞凋亡和影響破骨細(xì)胞分化。RANKL/OPG比率是破骨細(xì)胞的功能體現(xiàn)，比值上升時(shí)破骨細(xì)胞骨吸收能力加強(qiáng)，而下降時(shí)則減弱。研究發(fā)現(xiàn)，RANKL在加外力4 h后減少達(dá)到最低點(diǎn)，而OPG則在1 h減少至最低點(diǎn)，4 h升至最高。OPG/RANKL/RANK系統(tǒng)的激活可左右破骨細(xì)胞的功能，引起RANKL與OPG正性調(diào)節(jié)的壓應(yīng)力及時(shí)間以及壓應(yīng)變頻率的強(qiáng)弱等最佳數(shù)值。壓應(yīng)力為12 Mpa、頻率為1 Hz、時(shí)間為 4 h時(shí)為RANKL/OPG正性調(diào)節(jié)最合理量化值[19]。阮國(guó)憲等[20]發(fā)現(xiàn)軟骨細(xì)胞在周期性壓應(yīng)力刺激下促進(jìn)如軟骨細(xì)胞NF-κB、SDF-1等促破骨因子的表達(dá)。另外在微重力條件下能促進(jìn)破骨細(xì)胞的融合而激活破骨細(xì)胞，但并不是破骨細(xì)胞分化能力增強(qiáng)。在微重力作用下通過激活破骨細(xì)胞相關(guān)信號(hào)分子加強(qiáng)了破骨前體細(xì)胞敏感性和分化能力[21]。張恒等人[22]發(fā)現(xiàn)SD大鼠血清生化指標(biāo)骨堿性磷酸酶（BALP）與抗酒石酸鹽酸性磷酸酶（TRAP）在懸吊4周后升高，其原因可能是在微重力狀態(tài)下骨轉(zhuǎn)換率上升和骨代謝下降，骨礦化能力被抑制和骨吸收強(qiáng)于骨形成。

1.2 牽張應(yīng)力的作用

1.2.1 牽張應(yīng)力對(duì)成骨細(xì)胞功能的影響 牽張刺激通過旁分泌因子和激縫隙連接可刺激成骨細(xì)胞的分化和增殖潛能。成骨細(xì)胞感應(yīng)牽拉應(yīng)力通過微管結(jié)構(gòu)的放大效應(yīng)傳遞至周邊細(xì)胞。500 με的拉伸刺激時(shí)刺激成骨細(xì)胞分化和增殖，同時(shí)其ALP增強(qiáng)，膠原蛋白合成和γ-羧基谷氨酸蛋白分泌增加，而拉應(yīng)力刺激在1000 με和1500 με時(shí)則抑制成骨細(xì)胞的成骨功能。通過誘導(dǎo)細(xì)胞骨架重組的牽張應(yīng)力可阻滯細(xì)胞進(jìn)入細(xì)胞周期的S期，并通過抑制細(xì)胞增殖而促進(jìn)成骨分化。張苗[23]研究發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)BMSCs向成骨分化的機(jī)械牽拉機(jī)制可能是骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（MSC）通過“l(fā)cnRNA H19-microRNA-靶基因”來調(diào)控向成骨分化的。MSC移植后在牽張應(yīng)力預(yù)刺激下組織修復(fù)能力增強(qiáng)，在組織工程修復(fù)中發(fā)揮重要作用。Wnt信號(hào)通路激活能促進(jìn)MSC成骨分化[24]，而lnc-RNA對(duì)MSC成骨分化發(fā)揮了調(diào)節(jié)作用[25]。LIANG等[26]研究發(fā)現(xiàn)在hMSCs的成骨分化過程中l(wèi)ncRNA H19表達(dá)上調(diào)。lncRNA H19抑制miR-141和miR-22表達(dá)進(jìn)而促進(jìn)骨生成和Wnt/β-catenin通路的表達(dá)。ZHAO等[27]研究發(fā)現(xiàn)通過抑制H19表達(dá)、降低miR-675表達(dá)以及抑制NOMO1蛋白表達(dá)可抑制BMSCs的成骨分化。腎連蛋白（NPNT）在調(diào)節(jié)骨代謝過程中有著重要的作用，是成骨細(xì)胞分泌的重要的血管生成因子。機(jī)械牽張應(yīng)力促進(jìn)成骨細(xì)胞分化的同時(shí)也使NPNT的表達(dá)上調(diào)和促進(jìn)SVEC細(xì)胞增殖與遷移，而NPNT作為一種促血管生成因子可促進(jìn)SVEC細(xì)胞的增殖及遷移[28]。

1.2.2 牽張應(yīng)力對(duì)破骨細(xì)胞的影響 機(jī)械牽張應(yīng)力通過作用于骨髓的單核巨噬細(xì)胞或基質(zhì)細(xì)胞的表達(dá)信號(hào)因子而抑制破骨細(xì)胞分化和融合，從而抑制破骨細(xì)胞，牽張應(yīng)力刺激早期即可抑制與分化融合的相關(guān)基因;短期機(jī)械應(yīng)力可下調(diào)樹突細(xì)胞特異跨膜蛋白（DC-STAMP）及其相關(guān)因子對(duì)破骨細(xì)胞分化與融合造成嚴(yán)重影響。載荷中等強(qiáng)度時(shí)刺激破骨細(xì)胞及其破骨前體細(xì)胞的增殖，高強(qiáng)度時(shí)對(duì)細(xì)胞增殖的作用是抑制的，而低強(qiáng)度刺激不影響細(xì)胞的增殖。牽張應(yīng)力作用時(shí)間、強(qiáng)度等變化影響破骨細(xì)胞分化成熟能力和活性，破骨細(xì)胞前體和破骨細(xì)胞分化早期與破骨分化的不同階段應(yīng)力響應(yīng)是有差異的，機(jī)械牽張應(yīng)力強(qiáng)度不同破骨前體細(xì)胞在分化初期和已處于分化期的分化能力均是不同的。牽張應(yīng)力的增強(qiáng)可使TRAP陽性細(xì)胞數(shù)量呈增加趨勢(shì)。郭大偉等[29]研究證明RAW264.7細(xì)胞在間歇性牽張應(yīng)力作用下可促進(jìn)破骨細(xì)胞分化。在骨應(yīng)力改建過程中，成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞前體間的相互作用是破骨細(xì)胞發(fā)揮破骨功能的重要條件，由于壓力或張力致使破骨細(xì)胞承受牽張應(yīng)力從而產(chǎn)生細(xì)胞形變而觸發(fā)生物學(xué)效應(yīng)。周期性拉伸應(yīng)力刺激可影響破骨細(xì)胞的形成，在周期性牽張應(yīng)力和12%形變率作用下早期即對(duì)骨髓破骨細(xì)胞分化起抑制作用，10%形變率、0.5 Hz拉伸應(yīng)力可抑制破骨前體細(xì)胞分化為破骨細(xì)胞。

1.3 流體剪應(yīng)力的作用

1.3.1 FSS對(duì)成骨細(xì)胞功能的影響 FSS是骨代謝發(fā)揮主要作用的應(yīng)力刺激，是應(yīng)力刺激作用于骨骼而引起骨組織微管內(nèi)液體流動(dòng)而產(chǎn)生的壓力，骨組織中的腔隙-小管組成的連接網(wǎng)絡(luò)起到力學(xué)傳感和力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的作用。FSS是應(yīng)力刺激傳遞到骨的主要方式，其可促進(jìn)BMSCs成骨分化[30～32]，而動(dòng)態(tài)的流體剪應(yīng)力可以促進(jìn)成骨細(xì)胞分化和增殖，同時(shí)抑制成骨細(xì)胞凋亡。來自于骨髓內(nèi)震蕩的壓力所產(chǎn)生的流體靜壓力和流體剪切力可促進(jìn)成骨分化和成骨。LI等人[33]發(fā)現(xiàn)流體剪應(yīng)力可刺激成骨細(xì)胞力學(xué)敏感分子環(huán)氧合酶-2（COX-2）和PGE-2表達(dá)增加。YOUNG等[34]研究證明在骨代謝過程中流體剪切力可誘導(dǎo)COX-2的表達(dá)來調(diào)節(jié)前列腺素（PG）的生成。而JIANG等[35]研究發(fā)現(xiàn)成骨細(xì)胞中細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶 5（ERK5）信號(hào)通路是誘導(dǎo)COX-2表達(dá)的方式之一。成骨細(xì)胞中流體剪應(yīng)力通過刺激ERK5的活化，使之在成骨細(xì)胞的增殖、分化、凋亡中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用[36]。骨基質(zhì)中的基質(zhì)金屬蛋白酶（MMPs）可以降解骨基質(zhì)，F(xiàn)SS通過作用于成骨細(xì)胞使MMPs表達(dá)上調(diào)，而基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑（TIMPs）能抑制MMPs的降解功能，MMPs和TIMPs的平衡有利于骨重建，MMPs降解細(xì)胞外基質(zhì)而引起信號(hào)分子釋放并啟動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，進(jìn)而促進(jìn)Runx-2、c-fos/c-jun、Nmp4/CIZ等基因的表達(dá)。AISHA等[37]研究證明流體剪應(yīng)力可刺激成骨細(xì)胞內(nèi)線粒體的增殖和功能，骨鈣素蛋白和ALP的活性增加能防止細(xì)胞凋亡。中等強(qiáng)度的流體剪切力作用0.5～1小時(shí)后可促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖，而流體剪切力過強(qiáng)反而會(huì)抑制成骨細(xì)胞的分化和增殖[38]。

1.3.2 FSS對(duì)破骨細(xì)胞的影響 FSS在一定強(qiáng)度范圍內(nèi)能增強(qiáng)破骨細(xì)胞的破骨作用及骨吸收功能，在最佳的力學(xué)強(qiáng)度與作用時(shí)間下破骨細(xì)胞的功能增強(qiáng)最明顯[39]。流體剪應(yīng)力在液體流豐富區(qū)域（破骨細(xì)胞的活動(dòng)區(qū)）可刺激破骨細(xì)胞分化及發(fā)揮破骨功能。骨內(nèi)膜血流系統(tǒng)、淋巴組織系統(tǒng)的淋巴液和骨組織細(xì)胞間液的壓力梯度均能在骨細(xì)胞表面產(chǎn)生流體剪應(yīng)力。研究發(fā)現(xiàn)在20 dyne/cm2以內(nèi)的力而產(chǎn)生的流體剪應(yīng)力可使破骨細(xì)胞沿著力的方向移動(dòng)[40]。研究流體剪應(yīng)力對(duì)TRAP的影響時(shí)，破骨細(xì)胞在16.08 dyne/cm2時(shí)骨吸收的陷窩面積最大，破骨細(xì)胞TRAP活性最強(qiáng)?？咕剖崴嵝粤姿崦福═RACP）是破骨細(xì)胞活性良好的標(biāo)志物，血清中TRACP值的大小反映了骨新陳代謝狀況。鈣震蕩（CO）是細(xì)胞內(nèi)信息傳遞的重要方式，在流體剪應(yīng)力作用下細(xì)胞內(nèi)的鈣含量升高到峰值后逐漸降低到基礎(chǔ)水平為一個(gè)反應(yīng)峰，部分細(xì)胞出現(xiàn)多個(gè)反應(yīng)峰就形成了鈣震蕩，RANKL和RANK的結(jié)合就能激發(fā)破骨細(xì)胞出現(xiàn)鈣震蕩。流體剪應(yīng)力刺激可上調(diào)破骨細(xì)胞內(nèi)c-Fos基因表達(dá)，從而促進(jìn)破骨細(xì)胞的形成與分化。破骨細(xì)胞前體細(xì)胞及破骨細(xì)胞內(nèi)c-Fos基因和蛋白在RANKL-RANK受配體結(jié)合后的刺激下表達(dá)增加，同時(shí)誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生鈣振蕩，單核細(xì)胞融合形成破骨細(xì)胞。鈣震蕩可刺激破骨細(xì)胞分化為多細(xì)胞核破骨細(xì)胞。流體剪應(yīng)力刺激能夠抑制RANKL和促進(jìn)OPG生成，從而抑制破骨細(xì)胞的分化。破骨細(xì)胞成熟程度與其細(xì)胞融合程度及細(xì)胞核數(shù)量有關(guān)，融合的細(xì)胞、細(xì)胞核越多則破骨細(xì)胞越成熟。

2 小結(jié)

骨科的任何病理和生理與生物力學(xué)息息相關(guān)，Wolff定律在骨科骨折內(nèi)固定手術(shù)、各種畸形矯正手術(shù)中無時(shí)不體現(xiàn)，通過對(duì)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞對(duì)不同應(yīng)力刺激所發(fā)生的功能變化而使骨結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的研究，進(jìn)一步解釋和印證了Wolff定律，從微觀上剖析了Wolff定律的機(jī)制和不同應(yīng)力作用的骨重建的變化;對(duì)骨折固定手術(shù)、畸形矯正手術(shù)等骨科治療術(shù)后骨結(jié)構(gòu)變化具有重要的指導(dǎo)意義。期待我們通過對(duì)生物力學(xué)在骨科的研究，將更加深入探索人體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的奧秘。

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（收稿日期：2020-06-09 修回日期：2020-06-23）

（編輯：潘明志）