微重力對成骨細(xì)胞的周期及分化過程的影響

李亞龍，李東韜,2 綜述 張 舒 審校

1第四軍醫(yī)大學(xué)航空航天生物動力學(xué)教研室，航空航天醫(yī)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710032；2海軍總醫(yī)院 心臟中心，北京 100048

隨著我國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，航天飛行環(huán)境對人體的影響日益受到國人重視。長期航天飛行會導(dǎo)致航天員的多個生理系統(tǒng)發(fā)生改變，其中最顯著的變化之一就是航天微重力環(huán)境所導(dǎo)致的失重性骨質(zhì)丟失，表現(xiàn)為人體承重骨的骨密度降低、骨質(zhì)丟失和生物力學(xué)性能下降[1]。失重性骨質(zhì)丟失的發(fā)生應(yīng)從骨形成和骨吸收這兩方面來考慮，骨組織代謝中成骨細(xì)胞促進(jìn)骨形成，而破骨細(xì)胞促進(jìn)骨吸收。目前的航天飛行及地面實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為骨形成受到抑制是失重性骨質(zhì)丟失的主要原因，微重力條件下成骨細(xì)胞可表現(xiàn)出數(shù)量減少、功能抑制和活性降低等變化[2]。鑒于成骨細(xì)胞的周期變化及分化功能在骨形成中具有至關(guān)重要的作用，因此微重力對成骨細(xì)胞這兩方面的影響也已成為探討失重性骨質(zhì)丟失細(xì)胞學(xué)機(jī)制的熱點(diǎn)問題。

1 微重力對細(xì)胞周期的影響

1.1 細(xì)胞周期的變化 張曉鈾等[3]利用回轉(zhuǎn)器對人成骨樣細(xì)胞的細(xì)胞周期變化進(jìn)行研究，證實(shí)模擬失重組的細(xì)胞增殖始終低于正常對照組。研究發(fā)現(xiàn)，模擬失重6 h后，G1期細(xì)胞較對照組顯著增多，而S期與G2+M期細(xì)胞較對照組顯著減少。隨著作用時間的增加，對照組G1期細(xì)胞呈持續(xù)下降趨勢，而模擬失重組G1期細(xì)胞的變化趨勢不是很明顯，始終顯著高于對照組，而S期與G2+M期細(xì)胞一直顯著低于對照組。張曉鈾等提出，微重力條件下，成骨細(xì)胞的周期轉(zhuǎn)化受到抑制，部分細(xì)胞停滯在G1期，延遲了向S期的轉(zhuǎn)化，使得S期的細(xì)胞數(shù)目顯著下降，并進(jìn)一步導(dǎo)致細(xì)胞延遲進(jìn)入G2+M期，具體表現(xiàn)為細(xì)胞的增殖受到了抑制，成骨細(xì)胞數(shù)目減少，這可能是造成失重性骨質(zhì)丟失的一個重要原因。張曉鈾等的實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象： 數(shù)據(jù)分析表明，在模擬失重作用6 h后，再經(jīng)12 h的正常重力條件恢復(fù)生長，細(xì)胞周期中G1與S期仍保持模擬失重效應(yīng)，表現(xiàn)為G1期細(xì)胞多于對照組，S期細(xì)胞少于對照組，而G2+M期已恢復(fù)至對照水平；在模擬失重作用12 h后，再經(jīng)12 h的正常重力條件恢復(fù)生長，細(xì)胞周期各時相基本恢復(fù)至對照水平；但當(dāng)模擬失重作用更長時間后，經(jīng)12 h的正常重力條件恢復(fù)生長，細(xì)胞周期仍保持模擬失重效應(yīng)[3]。這說明成骨細(xì)胞對微重力的影響可進(jìn)行有限的代償，且這種代償與微重力的作用時間有關(guān)，但微重力條件下成骨細(xì)胞的周期變化機(jī)制尚不明確。

1.2 細(xì)胞周期變化的機(jī)制 Plett等[4]在模擬微重力條件下進(jìn)行人造血祖細(xì)胞培養(yǎng)，用BRDU標(biāo)記細(xì)胞，然后用流式細(xì)胞儀全程監(jiān)控細(xì)胞周期，得到了與張曉鈾實(shí)驗(yàn)相似的周期變化結(jié)果。對細(xì)胞周期變化機(jī)制的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在細(xì)胞分裂的過程中細(xì)胞周期蛋白D和E以及細(xì)胞周期分裂早期的重要分子在微重力條件下都沒有改變，而只有細(xì)胞周期蛋白A和B在S期和G2+M期的細(xì)胞中表達(dá)顯著降低，從而影響到細(xì)胞周期的正常變化，Plett等[4]提出這可能是微重力導(dǎo)致細(xì)胞周期變化的的主要機(jī)制。研究證實(shí)也存在其他機(jī)制，Dai等[5]的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)成骨細(xì)胞的周期進(jìn)程與細(xì)胞骨架密切相關(guān)，而細(xì)胞骨架對重力環(huán)境變化敏感。在微重力條件下，與肌動蛋白骨架相關(guān)的多種基因表達(dá)均下調(diào)，有可能影響細(xì)胞周期的變化。胰島素樣生長因子、表皮生長因子和堿性成纖維細(xì)胞生長因子三種重要的生長因子在微重力條件下的表達(dá)也顯著下降，可致使細(xì)胞周期的進(jìn)程阻滯[6]。近年研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞代謝和細(xì)胞周期密切相關(guān)，代謝障礙或能量不足將會抑制細(xì)胞周期的正常進(jìn)行[7]。在微重力情況下，成骨細(xì)胞的代謝受到抑制，這提示成骨細(xì)胞的細(xì)胞周期變化可能與代謝調(diào)控變化有關(guān)[8]。有學(xué)者認(rèn)為，周期蛋白依賴性蛋白激酶和有絲分裂調(diào)控子等重要的細(xì)胞周期調(diào)控因素在哺乳動物細(xì)胞的代謝調(diào)控中具有重要作用，這些因素在重力變化調(diào)控成骨細(xì)胞細(xì)胞周期中的作用值得進(jìn)一步探討[9]。

1.3 細(xì)胞周期的阻滯點(diǎn) 目前的研究對于細(xì)胞在微重力條件下周期的阻滯點(diǎn)尚未得出一致結(jié)論。有研究認(rèn)為成骨細(xì)胞的周期阻滯在G0/G1期，張曉鈾等發(fā)現(xiàn)人成骨樣細(xì)胞OS-732在模擬失重環(huán)境下細(xì)胞周期阻滯在G0/G1期； 其他類型細(xì)胞，如人造血祖細(xì)胞和胃癌SGC-7901細(xì)胞在模擬失重環(huán)境下也阻滯在G0/G1期[4,10]。但是也有研究認(rèn)為成骨細(xì)胞的周期阻滯在S期，王攀等[11]的研究發(fā)現(xiàn)人成骨樣細(xì)胞MG-63的周期阻滯在S期，細(xì)胞向G2期轉(zhuǎn)化減少，G1期細(xì)胞不斷向S期轉(zhuǎn)化導(dǎo)致S期細(xì)胞增多而G1期細(xì)胞減少。孟芮等[12]的研究也提出了類似的見解。他們研究了三維隨機(jī)回轉(zhuǎn)器模擬失重培養(yǎng)的骨細(xì)胞條件培養(yǎng)基對成骨細(xì)胞周期的影響，結(jié)果表明，骨細(xì)胞條件培養(yǎng)基培養(yǎng)MC3T3-E1細(xì)胞24 h、48 h和72 h后，均出現(xiàn)了細(xì)胞周期阻滯現(xiàn)象，S期細(xì)胞比例增多。他們推測骨細(xì)胞可能通過某種可溶性因子調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的增殖及周期，而周期的調(diào)控點(diǎn)可能就在S期。

2 微重力對成骨細(xì)胞分化的影響

2.1 成骨細(xì)胞的分化過程 成骨細(xì)胞的分化過程非常復(fù)雜： 骨髓中的間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)在核基因的調(diào)控下定向分化成為骨祖細(xì)胞，骨祖細(xì)胞在向骨面附著的過程中，逐漸演化成為前成骨細(xì)胞； 前成骨細(xì)胞可以合成和分泌膠原基質(zhì)，并能發(fā)育為成骨細(xì)胞。雖然此時的成骨細(xì)胞具有較強(qiáng)的增殖和分化能力，但它還需要經(jīng)歷增殖和細(xì)胞外基質(zhì)的成熟礦化等幾個階段達(dá)到成熟狀態(tài)。研究證實(shí)，骨骼構(gòu)建和重塑的最基本調(diào)控因素就是骨骼受到的外界應(yīng)力作用[13]。在航天飛行中重力消失，肢體不需要對抗重力做功，肌肉和骨骼的作用減少，肌肉出現(xiàn)萎縮，肌力也顯著下降。微重力和肌力下降導(dǎo)致骨骼系統(tǒng)中承重骨的受力顯著減少，進(jìn)而影響成骨細(xì)胞的分化與骨骼的重建[14]。

2.2 微重力下BMSCs向前成骨細(xì)胞分化減弱 大量研究已證實(shí)，微重力條件下BMSCs的增殖受到了抑制，BMSCs向前成骨細(xì)胞分化的能力減弱，而增加了脂向分化的比例[15-16]。Meyers等[15]將BMSCs在模擬失重環(huán)境下培養(yǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3 h后細(xì)胞的F-肌動蛋白應(yīng)力纖維出現(xiàn)斷裂，培養(yǎng)7 d后F-肌動蛋白應(yīng)力纖維完全消失，而G-肌動蛋白顯著增加，并且細(xì)胞內(nèi)的脂含量增加了310%。此外，模擬失重7 d后，小GTP酶家族Rho中成員RhoA的活性和cofilin的磷酸化顯著降低。將活性RhoA轉(zhuǎn)染入細(xì)胞后，模擬失重條件下的應(yīng)力纖維變化被逆轉(zhuǎn)，且Ⅰ型膠原、堿性磷酸酶和特異性轉(zhuǎn)錄因子Runx2等成骨相關(guān)基因的表達(dá)顯著增加，而瘦素和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4等成脂相關(guān)基因的表達(dá)受到抑制，該研究認(rèn)為模擬失重時RhoA活性受到抑制可能是BMSCs向成骨細(xì)胞分化下降和脂向分化增加的作用機(jī)制。Dai等[5]的研究發(fā)現(xiàn)BMSCs向成骨細(xì)胞分化的重要轉(zhuǎn)錄因子Cbfa1在模擬失重條件下表達(dá)明顯減少，這也可能是BMSCs向成骨細(xì)胞分化下降的重要機(jī)制。

2.3 前成骨細(xì)胞向成骨細(xì)胞骨細(xì)胞分化減弱 前成骨細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化過程中受到多方面因素的影響，其中較為重要的影響因素就是機(jī)械應(yīng)力刺激。因此在微重力條件下，由于應(yīng)力刺激作用的減少，前成骨細(xì)胞的分化和增殖能力均顯著下降，進(jìn)而導(dǎo)致成骨細(xì)胞數(shù)量下降，骨形成減少。Collet等[17-18]的研究中測定了航天飛行對Ⅳ型膠原前膠原碳端肽原、堿性磷酸酶和骨鈣素分泌的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)航天飛行20~30 d后這三種骨形成標(biāo)記物均出現(xiàn)濃度下降，提示微重力下成骨細(xì)胞形成減少或者成骨細(xì)胞功能下降可能是導(dǎo)致骨形成下降的主要原因。付崇建等[19]研究了尾吊大鼠中骨質(zhì)和骨髓內(nèi)骨形成蛋白-2的變化，發(fā)現(xiàn)尾吊組大鼠骨質(zhì)和骨髓內(nèi)BMP2的表達(dá)明顯弱于對照組，尾吊28 d大鼠的BMP2表達(dá)顯著低于尾吊14 d大鼠，結(jié)果表明大鼠后肢去負(fù)荷可以導(dǎo)致骨和骨髓BMP2含量的降低。航天飛行中的細(xì)胞學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過誘導(dǎo)的MG-63人源成骨樣細(xì)胞在微重力的條件下，Ⅰ型膠原α1鏈、堿性磷酸酶及骨鈣素的基因表達(dá)水平均受到了不良影響，提示微重力對前成骨細(xì)胞的抑制作用[20]。

3 總結(jié)與展望

綜上所述，微重力的條件下，成骨細(xì)胞的細(xì)胞周期和細(xì)胞分化過程均受到了不良影響，使得具有成骨功能的細(xì)胞數(shù)量減少，從而造成了航天飛行時的骨質(zhì)丟失現(xiàn)象。目前，微重力對成骨細(xì)胞功能影響的調(diào)控機(jī)制尚未得到闡明。研究微重力對成骨細(xì)胞功能的調(diào)控機(jī)制，將有助于維護(hù)航天員在航天飛行中的健康，并有可能提供對抗骨質(zhì)丟失的分子靶點(diǎn)，進(jìn)而開發(fā)有效藥物和對抗措施，為解決其他骨科疾病如骨質(zhì)疏松癥等提供更多的治療策略和方法。

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