段 劭，李 超，林 源，陶樹清

（哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院骨外二科，黑龍江哈爾濱150081）

骨量的維持是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，需要在骨形成和骨吸收之間保持嚴(yán)格的平衡。骨形成由成骨細(xì)胞調(diào)控，而破骨細(xì)胞決定骨基質(zhì)的吸收。這些細(xì)胞在正常的骨骼發(fā)育過程中發(fā)揮作用，同時(shí)在成熟的骨組織中受嚴(yán)格調(diào)控以維持血清鈣穩(wěn)定和骨骼的完整性，以防止骨質(zhì)疏松性骨折發(fā)生［1］。骨形成和骨吸收之間的平衡對于保持骨量和礦物質(zhì)穩(wěn)定至關(guān)重要，所以骨重塑是骨穩(wěn)態(tài)的基礎(chǔ)［2］。

骨細(xì)胞表達(dá)大量的核因子-κB受體激活劑配體（re?ceptor activator for nuclear factor-κB ligand,RANKL），是體內(nèi)骨重塑中RANKL的主要來源，調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞來協(xié)調(diào)骨穩(wěn)態(tài)［3］。作為先天免疫系統(tǒng)的組成部分，巨噬細(xì)胞消除凋亡的成骨細(xì)胞，這一吞噬過程在新骨形成中起重要作用；巨噬細(xì)胞有2種表型：促炎癥（M1）和抗炎癥（M2），與破骨細(xì)胞形成存在信號級聯(lián)。巨噬細(xì)胞間接參與骨組織內(nèi)穩(wěn)態(tài)的建立［4］。

微重力環(huán)境下機(jī)械載荷減少對骨結(jié)構(gòu)的機(jī)械完整性有直接影響。經(jīng)雙能X線吸收測定法檢測，航天員下肢骨礦物質(zhì)密度（BMD）每個(gè)月下降1%～1.6%［5］。研究證實(shí)，經(jīng)過4～6個(gè)月失重的航天員中骨吸收標(biāo)記物，如：Ⅰ型膠原交聯(lián)N端肽（NTXI），Ⅰ型膠原交聯(lián)C端肽（CTX-I）較飛行前增加75%～125%［6］；在微重力條件下，骨形成標(biāo)記物I型前膠原羧基末端前肽（PICP）早在第8 d就比飛行前降低60%［7］。減弱的成骨機(jī)能和增強(qiáng)的破骨活性，是微重力導(dǎo)致骨穩(wěn)態(tài)失衡和骨質(zhì)流失的原因。本文將綜述微重力對骨穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)作用的主要研究進(jìn)展，探索微重力在細(xì)胞水平的調(diào)控機(jī)制。

1 微重力對成骨細(xì)胞的作用

機(jī)械載荷促進(jìn)骨形成，而微重力會(huì)減少機(jī)械載荷導(dǎo)致骨量的減少。l型電壓敏感鈣通道（LTCCs），特別是Cav1.2 LTCCs，在機(jī)械刺激導(dǎo)致成骨細(xì)胞的反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。模擬微重力使miR-103上調(diào)導(dǎo)致成骨細(xì)胞的 Cav1.2 LTCCs 部分抑制［8］。Sun 等［9］研究發(fā)現(xiàn)，模擬微重力極大地抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣通道蛋白鈣離子釋放和肌醇1，4，5-三磷酸受體的功能表達(dá)。這些結(jié)果表明，模擬微重力可通過抑制小鼠原代成骨細(xì)胞鈣通道，顯著降低細(xì)胞內(nèi)游離鈣濃度，使成骨細(xì)胞增殖減少進(jìn)而引起骨丟失。Sun等［10］發(fā)現(xiàn)，miR-181c-5p通過促進(jìn)細(xì)胞周期阻滯在g2期，介導(dǎo)模擬微重力誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞增殖受損。

Shi等［11］通過敲除細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白88 siRNA阻斷纖毛的形成，發(fā)現(xiàn)抑制細(xì)胞松弛素D的能力可促進(jìn)成骨。這些結(jié)果表明，初級纖毛的消失可能是微重力抑制成骨的原因之一。研究數(shù)據(jù)表明初生纖毛作為微重力傳感器通過解聚微管抑制成骨細(xì)胞分化和礦化［12］。另一項(xiàng)研究顯示，在模擬微重力條件下miR-494直接靶向骨形態(tài)發(fā)生蛋白2受體抗體（BMPR2）和Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2（RUNX2）信號通路抑制成骨細(xì)胞分化［13］。代謝組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)分析顯示，模擬微重力處理導(dǎo)致線粒體蛋白減少，線粒體內(nèi)環(huán)境平衡明顯失調(diào)，其中復(fù)合物III上調(diào)60%，復(fù)合物IV下調(diào)14%，同時(shí)ATP質(zhì)子運(yùn)輸合成降低，氧化谷胱甘肽和抗氧化酶數(shù)量顯著降低，微重力可能會(huì)抑制成骨細(xì)胞的功能，損害線粒體的能量勢能和細(xì)胞的能量狀態(tài)［14］。上述研究提示，通過改變鈣離子濃度、細(xì)胞周期、細(xì)胞骨架和細(xì)胞能量代謝，微重力對成骨細(xì)胞增值與分化產(chǎn)生負(fù)向調(diào)節(jié)作用。

2 微重力對破骨細(xì)胞的作用

破骨細(xì)胞是吸收骨的多核細(xì)胞，Sambandam等［15］使用旋轉(zhuǎn)細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)模擬微重力，發(fā)現(xiàn)腫瘤壞死因子相關(guān)的凋亡誘導(dǎo)配體（TRAIL）信號在破骨細(xì)胞分化起重要作用，抑制TRAIL的表達(dá)可能是治療骨流失的有效措施。進(jìn)一步研究顯示，下調(diào)合胞素A導(dǎo)致RAW264.7細(xì)胞（破骨細(xì)胞前體）的自噬活性被顯著抑制，所以微重力調(diào)節(jié)合胞蛋白A的表達(dá)可以促進(jìn)破骨細(xì)胞的形成［16］。破骨細(xì)胞的形成受到泛素-蛋白酶體途徑的調(diào)控，Ethiraj等［17］發(fā)現(xiàn)，在微重力下蛋白酶體抑制劑處理的RAW264.7細(xì)胞p-c-Jun活性水平降低，c-Fos和NFATc1表達(dá)下降，破骨細(xì)胞形成被抑制。

Chatani等［18］研究發(fā)現(xiàn)，在破骨細(xì)胞中，TRAPGFP和MMP9-DsRed的信號在微重力下的第4 d和第6 d出現(xiàn)急劇增加。研究顯示TRAP-GFP/Osterix-DsRed雙轉(zhuǎn)基因青鳉魚在國際空間站飼養(yǎng)56 d后，其咽骨和牙齒區(qū)域的礦物密度降低，破骨細(xì)胞被激活，fkbp5和ddit4基因表達(dá)明顯上調(diào)［19］。相較于成骨細(xì)胞，微重力對破骨細(xì)胞的研究數(shù)據(jù)有限，但結(jié)果提示微重力通過細(xì)胞自噬和基因激活促進(jìn)破骨細(xì)胞的形成，引起骨穩(wěn)態(tài)失衡。

3 微重力對骨細(xì)胞的作用

太空飛行期間的微重力環(huán)境會(huì)導(dǎo)致特定部位的骨質(zhì)流失。航天飛行后，股骨干骺端的骨小梁體積降低64%，骨吸收增加140%，并導(dǎo)致骨髓脂肪侵襲；骨干皮質(zhì)變薄并伴有骨膜吸收。骨細(xì)胞陷窩體積減小，空陷窩高度增加344%；椎體中，整體骨體積降低。微重力可導(dǎo)致骨細(xì)胞死亡，而骨細(xì)胞死亡可引發(fā)骨吸收，導(dǎo)致骨量和微觀結(jié)構(gòu)惡化［20］。Aguirre 等［21］發(fā)現(xiàn)，模擬微重力處理3 d內(nèi)，小鼠骨小梁和骨皮質(zhì)骨細(xì)胞凋亡的發(fā)生率增加。正常重力中凋亡骨細(xì)胞是隨機(jī)分布的，而微重力中凋亡的骨細(xì)胞優(yōu)先聚集于骨皮質(zhì)內(nèi)并隨后被吸收。

硬凝素是Sost基因的蛋白質(zhì)產(chǎn)物，是一種有效的骨形成抑制劑。硬凝素幾乎只存在于骨細(xì)胞中，骨細(xì)胞通過調(diào)節(jié)其硬凝素信號調(diào)節(jié)效應(yīng)細(xì)胞群中的Wnt信號，協(xié)調(diào)骨穩(wěn)態(tài)平衡［22］。微重力導(dǎo)致機(jī)械刺激降低骨細(xì)胞Sost基因的表達(dá)。Blaber等［23］研究發(fā)現(xiàn)，小鼠骨骼的骨盆和股骨區(qū)域是骨質(zhì)流失的活躍部位，并表明這種流失并不局限于破骨細(xì)胞的吸收作用，微重力誘導(dǎo)的骨細(xì)胞骨溶解也發(fā)揮關(guān)鍵作用。微重力條件可以引起應(yīng)激反應(yīng)和內(nèi)源性糖皮質(zhì)激素（GC）水平升高，高水平的GC會(huì)導(dǎo)致骨質(zhì)流失。阻斷成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞中的GC信號，可以預(yù)防微重力引起的皮質(zhì)骨丟失［24］。以上研究結(jié)果表明，微重力上調(diào)骨細(xì)胞凋亡，促進(jìn)骨細(xì)胞溶解，干預(yù)骨穩(wěn)態(tài)。

4 微重力對巨噬細(xì)胞作用

巨噬細(xì)胞在骨穩(wěn)態(tài)平衡中發(fā)揮關(guān)鍵支持作用，保護(hù)身體內(nèi)部器官，協(xié)調(diào)骨處于恒定的更替狀態(tài)［25］。Wang等［26］發(fā)現(xiàn)，模擬微重力激活巨噬細(xì)胞中p38 MAPK-C/EBP細(xì)胞活化途徑，上調(diào)精氨酸酶和IL-6的表達(dá)，下調(diào)IL-12的表達(dá)，導(dǎo)致微重力下的免疫抑制。研究顯示，人體對IL-6非常敏感，這一關(guān)鍵細(xì)胞因子的變化可能導(dǎo)致在微重力中體內(nèi)免疫造血和骨骼代謝平衡失調(diào)［27］。He等［28］研究顯示，微重力模型小鼠（后肢懸吊）血清和股骨中IL-6表達(dá)上調(diào)。而IL-6阻斷劑治療可顯著減輕骨丟失，使脛骨的骨密度增加、骨小梁厚度和數(shù)量增加、脛骨近端骨體積分?jǐn)?shù)增加、股骨骨干的極限負(fù)荷和剛度增加，提高小鼠血清骨鈣素水平和堿性磷酸酶的活性，上調(diào)骨橋蛋白mRNA和RUNX2表達(dá)；在微重力下RAW264.7細(xì)胞中，IL-6阻斷劑下調(diào)組織蛋白酶K和酒石酸抗性酸性磷酸酶（TRAP）的mRNA表達(dá)，減少了TRAP陽性的多核破骨細(xì)胞的數(shù)量。IL-6阻斷緩解了微重力引起的骨丟失。結(jié)合 Wang［26］和 He［28］的研究，結(jié)果顯示模擬微重力可刺激巨噬細(xì)胞介導(dǎo)IL-6表達(dá)上調(diào)影響成骨和破骨代謝活性。

Thiel等［29］研究結(jié)果表明，在微重力誘導(dǎo)下，初級巨噬細(xì)胞具有細(xì)胞形態(tài)變化的快速反應(yīng)和潛在適應(yīng)重力轉(zhuǎn)導(dǎo)的細(xì)胞骨架。另一項(xiàng)研究結(jié)論顯示，微重力條件下免疫功能紊亂可能是單核/巨噬細(xì)胞系統(tǒng)中ICAM-1調(diào)節(jié)的結(jié)果，而ICAM-1被認(rèn)為是哺乳動(dòng)物細(xì)胞中快速反應(yīng)和持續(xù)的重力調(diào)節(jié)分子［30］。上述數(shù)據(jù)表明，巨噬細(xì)胞對微重力的快速感應(yīng)是影響免疫和骨骼系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

5 總結(jié)和展望

太空飛行期間，微重力引起的骨量喪失和骨穩(wěn)態(tài)的改變是航天員的主要健康風(fēng)險(xiǎn)之一。微重力導(dǎo)致成骨細(xì)胞增殖分化抑制，破骨細(xì)胞活性增強(qiáng)，骨細(xì)胞凋亡溶解，巨噬細(xì)胞介導(dǎo)免疫炎癥因子干預(yù)骨穩(wěn)態(tài)。骨骼系統(tǒng)的平衡調(diào)節(jié)機(jī)制復(fù)雜，多細(xì)胞類型相互影響，多信號通路交叉作用?，F(xiàn)階段，在微重力對骨穩(wěn)態(tài)研究領(lǐng)域中，有關(guān)成骨細(xì)胞的分子靶點(diǎn)和通路研究較豐富，而破骨細(xì)胞與骨細(xì)胞研究數(shù)據(jù)較少，還需進(jìn)一步探索。微重力作用巨噬細(xì)胞的研究屬最新的研究熱點(diǎn)。微重力影響巨噬細(xì)胞通過免疫和骨系統(tǒng)信號通路調(diào)節(jié)骨穩(wěn)態(tài)可能是新方向。進(jìn)一步研究微重力對骨穩(wěn)態(tài)的具體機(jī)制，可能為未來骨穩(wěn)態(tài)失調(diào)引起的骨質(zhì)疏松尋找合適的治療靶點(diǎn)。