張 翔 周立亞 王仁杰

1.湖北民族大學(xué)醫(yī)學(xué)部，湖北恩施 445000；2.湖北省襄陽市中醫(yī)醫(yī)院，湖北襄陽 441000

隨著世界人口老齡化問題日趨明顯，由此而引起的老年性骨病也日益增多[1]，如原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥、骨質(zhì)疏松性骨折、骨性關(guān)節(jié)炎、老年性頸腰椎疾病、老年性骨腫瘤等[2]，老年性骨病已經(jīng)成為全球性的醫(yī)療衛(wèi)生問題。在多種老年性骨病中，尤以骨質(zhì)疏松多見，同時(shí)其也是其他老年性骨病發(fā)生、發(fā)展的重要因素。骨質(zhì)疏松的發(fā)病原因多是由于成骨細(xì)胞（osteoblast，OB）的骨形成低于破骨細(xì)胞（osteoclast，OC）的骨吸收，而造成的一種骨代謝性疾病[3]。骨的形成和吸收主要分別依賴于OB 和OC 的功能，它們共同作用以維持骨量，其動(dòng)態(tài)平衡有較多影響因素，其中包括日常生活中機(jī)械應(yīng)力（mechanical stress，MS）的刺激。OB 是感受器和效應(yīng)器功能的載體，會(huì)影響下游信號(hào)的傳導(dǎo)過程[4]。本文將闡述OB 在流體剪切應(yīng)力（fluid shear stress，F(xiàn)SS）、壓縮應(yīng)力、牽張力和微重力不同MS 刺激下的反應(yīng)。

1 FSS對(duì)OB的影響

FSS 通常來講就是體液流動(dòng)與細(xì)胞表面的摩擦力。因?yàn)楣鞘歉缓嗫椎慕M織，持續(xù)被組織間液灌流，受血壓等多種力的驅(qū)使，組織間液在經(jīng)過骨組織中的小管網(wǎng)、腔隙和骨內(nèi)膜表面時(shí)，骨內(nèi)層就會(huì)產(chǎn)生明顯的流體剪切力[5]。目前腔隙-骨小管系統(tǒng)[6]已經(jīng)被相關(guān)學(xué)者廣泛接受。各種對(duì)骨骼施加的負(fù)荷（包括機(jī)械負(fù)荷、肌肉收縮、血壓和淋巴引流）都會(huì)導(dǎo)致組織間液流動(dòng)，從而壓縮腔隙-骨小管系統(tǒng)，誘導(dǎo)包括FSS 在內(nèi)的各種機(jī)械刺激。FSS 可以進(jìn)一步誘導(dǎo)OB 生物力學(xué)特性的變化。

Ziebart 等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在膠原支架上培養(yǎng)的OB，當(dāng)受到FSS 的影響時(shí)，F(xiàn)SS 能增加骨鈣素的代謝活性和基因表達(dá)，刺激OB 分化。Zhou 等[8]研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械敏感通道Piezo1 和Piezo2 為骨骼發(fā)育和OB 分化所需的關(guān)鍵力傳感器。Li 等[9]通過觀察小分子激動(dòng)劑模擬FSS 對(duì)骨細(xì)胞的影響，發(fā)現(xiàn)Piezo1在感知機(jī)械信號(hào)和維持骨穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，Piezo1 介導(dǎo)的FSS 通過上調(diào)細(xì)胞骨架重組，促進(jìn)MC3T3-E1 OB 增殖。Jiang 等[10]研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)SS可以刺激環(huán)氧合酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）活性，并誘導(dǎo)細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶5（extracellular signal regulated kinase 5，ERK5）、環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白（c AMP-response element binding protein，CREB）和核轉(zhuǎn)錄因子NF-κB（nucleartranscriptionfatorkB，NF-κB）的磷酸化，在OB 中啟動(dòng)合成代謝反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞增殖和分化增加。Wang 等[11]研究發(fā)現(xiàn)，長鏈非編碼RNA 牛磺酸上調(diào)基因1 通過海綿化miR-34a，上調(diào)人成纖維細(xì)胞生長因子受體1（fibroblast growth factor receptor 1，F(xiàn)GFR1）的表達(dá)，促進(jìn)OB 增殖并抑制OB 凋亡。

上述研究的結(jié)果說明，F(xiàn)SS 傳遞各種生物化學(xué)信號(hào)至OB 內(nèi)，發(fā)揮生物學(xué)效能，一定強(qiáng)度的FSS 可促進(jìn)OB 增殖和分化，并抑制OB 的凋亡，利于骨的形成，在骨質(zhì)疏松進(jìn)程中起著重要作用。

2 壓縮應(yīng)力對(duì)OB的影響

身體自身的重量和日?；顒?dòng)負(fù)重的影響都會(huì)對(duì)骨骼造成壓力，這種刺激的普遍存在，同時(shí)也一直是研究人員研究的重點(diǎn)。研究人員在離體條件下模擬了壓縮應(yīng)力，可分為靜力性壓縮應(yīng)力、動(dòng)態(tài)性壓縮應(yīng)力、單軸和雙軸壓縮應(yīng)力等，壓縮應(yīng)力對(duì)OB 有多種影響[12]。

Imamura 等[13]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)MC3T3-E1 細(xì)胞施加持續(xù)的靜壓，可抑制OB 的堿性磷酸酶（Alkaline Phosphatase，ALP）活性，抑制OB 分化。Takai 等[14]將動(dòng)態(tài)靜水壓力作用于骨小梁外植體模型，通過骨組織形態(tài)計(jì)量學(xué)證明：在加載的第8 天，動(dòng)態(tài)靜水壓力顯著增加了OB 的活性。曹小波等[15]培養(yǎng)了來自SD 大鼠的髁突軟骨的原代OB，發(fā)現(xiàn)對(duì)OB 適當(dāng)?shù)某跏級(jí)嚎s應(yīng)力可以提高OB 增殖、抑制細(xì)胞凋亡和促進(jìn)成骨的能力。

目前，關(guān)于壓縮應(yīng)力對(duì)成骨細(xì)凋亡的具體影響的定量研究很少，現(xiàn)有研究表明，低強(qiáng)度壓縮應(yīng)力對(duì)OB 有積極作用。換言之，抗凋亡-促凋亡轉(zhuǎn)化現(xiàn)象與時(shí)間和強(qiáng)度有關(guān)，但這種推測(cè)還需要更多研究來證實(shí)[16]。

3 牽張力對(duì)OB的影響

在體內(nèi)，OB 可分泌基質(zhì)包裹自身，細(xì)胞骨架接收外力對(duì)基質(zhì)的刺激，導(dǎo)致基質(zhì)的變形，從而在骨陷窩及骨小管周圍對(duì)OB 形成牽張力[17]。目前細(xì)胞的牽張力主要是通過拉伸黏附在OB 上的培養(yǎng)基膜來實(shí)現(xiàn)的。在對(duì)培養(yǎng)基膜施加牽張力時(shí)，可以控制強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，以觀察OB 在不同條件下對(duì)牽張力的不同反應(yīng)[18]。

Chen 等[19]發(fā)現(xiàn)，在體外使用Flexcell 張力系統(tǒng)機(jī)械拉伸人下頜骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，可顯著增加ALP 活性和鈣沉積，并通過抑制NF-κB 通路誘導(dǎo)OB 分化。Kobayashi 等[20]發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用一定強(qiáng)度的牽張力可誘導(dǎo)的大鼠腭中線軟骨組織被骨組織代替，這表明，在受到牽張力作用下，大鼠腭中線部分軟骨細(xì)胞開始增殖分化為OB，骨形成活躍。He 等[21]研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械拉伸力可促進(jìn)由促紅細(xì)胞生成素誘導(dǎo)的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖和成骨分化。曹陽等[22]對(duì)人OBMG-63 施加5 min 的單軸牽張應(yīng)力后發(fā)現(xiàn)：OB 對(duì)力學(xué)信號(hào)的感知和轉(zhuǎn)導(dǎo)都與微絲細(xì)胞骨架密切相關(guān)。唐林等[23]研究發(fā)現(xiàn)，不同大小機(jī)械牽張力可以影響OB 的增殖能力及ALP 活性，與力值大小密切相關(guān)，較小的力能促進(jìn)其分化和成熟的作用較為明顯，而較大的牽張力對(duì)于促進(jìn)增殖的作用較為明顯，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)過大的牽張力對(duì)細(xì)胞的分化和增殖均有抑制作用。

OB 對(duì)牽張應(yīng)力的作用比較敏感，牽張刺激會(huì)激發(fā)OB 的分化和增殖潛力，適合的牽張力能促進(jìn)骨的生長、修復(fù)和改建。

4 微重力對(duì)OB的影響

隨著我國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，更多的太空活動(dòng)對(duì)于保護(hù)宇航員的健康提出了更高要求。有研究表明，航天員大多存在骨質(zhì)及肌肉質(zhì)量減少、免疫功能降低等問題[24]。微重力是指物體處于失重狀態(tài)，或者非常接近完全失重狀態(tài)，可以稱為“零重力”。太空是微重力環(huán)境，但由于太空飛行的復(fù)雜性和樣本量的缺乏，常采用人體臥床實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物尾部懸吊實(shí)驗(yàn)來模擬微重力環(huán)境，研究微重力對(duì)骨量的影響[25]。有研究也使用離心裝置來模擬微重力對(duì)OB 的影響。

Gioia 等[26]利用三維回轉(zhuǎn)儀培養(yǎng)人原代OB，發(fā)現(xiàn)這種模擬的微重力環(huán)境影響了細(xì)胞周期，誘導(dǎo)了人原代OB 成熟表型的細(xì)胞退化。Chatani等[27]研究發(fā)現(xiàn)，微重力通過減少OB 的骨保護(hù)素（osteoprotegerin，OPG）分泌來減少OB 的產(chǎn)生，并增強(qiáng)OC 的產(chǎn)生。Araya 等[28]研究發(fā)現(xiàn)，在體外微重力環(huán)境下，骨細(xì)胞分泌白血病抑制因子受到抑制，從而削弱了成骨作用。張曉鈾等[29]研究發(fā)現(xiàn)在模擬失重狀態(tài)下，OB 的增殖活性受到了抑制，同時(shí)微重力也影響了OB 的形態(tài)、細(xì)胞骨架、細(xì)胞周期和凋亡等生理指標(biāo)。

微重力環(huán)境以多種方式抑制OB 的功能，增強(qiáng)OC 的產(chǎn)生，引起骨的形成減少和骨吸收增加，這可能是造成空間骨丟失的一個(gè)重要原因。

5 結(jié)論和展望

近年來，實(shí)驗(yàn)室側(cè)重于在骨科、口腔科、組織工程和航空航天領(lǐng)域模擬FSS、壓縮應(yīng)力、牽張力和微重力，對(duì)不同MS 刺激下OB 的應(yīng)答有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。但由于實(shí)驗(yàn)研究中的機(jī)器設(shè)備、細(xì)胞來源、條件控制無相對(duì)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，所得結(jié)果存在一定的差異性。隨著對(duì)骨生理、病理學(xué)的研究進(jìn)入細(xì)胞和分子生物學(xué)研究時(shí)代，人們通過不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置、更新實(shí)驗(yàn)方法，以準(zhǔn)確控制MS 刺激的機(jī)械參數(shù)，模擬不同MS 對(duì)OB 的影響，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)腇SS、壓縮應(yīng)力和牽張力可促進(jìn)OB 增殖、改變OB 細(xì)胞周期與形狀，并且促進(jìn)了骨形成、增加了骨量，而微重力對(duì)OB 的刺激改變了骨微結(jié)構(gòu)，減少骨礦化，抑制骨形成。

本研究旨在探索身體對(duì)機(jī)械刺激的影響，將為骨病的臨床治療提供重要的理論依據(jù)，同時(shí)，這些結(jié)果可作為未來骨科、口腔科、生物組織工程和航空航天研究的基礎(chǔ)，以推動(dòng)該學(xué)科的發(fā)展。