成骨細胞和破骨細胞在骨組織工程學的作用

邢曉東

（遼寧工業(yè)大學醫(yī)院，遼寧 錦州 121001)

近年來，組織工程學逐漸應用于骨組織再生和修復，而成骨細胞和破骨細胞在其中發(fā)揮著重要的作用，然而一些影響因素限制了其進一步應用，如何有效的控制影響因素，突破這些限制，使成骨細胞和破骨細胞在骨修復、骨重塑領(lǐng)域開拓更加廣泛的應用空間。

1 成骨細胞（OB）

1.1 OB在骨組織工程學中的作用

OB是骨形成的主要功能細胞，負責骨基質(zhì)的合成、分泌和礦化。OB在維持骨架中起著至關(guān)重要的作用。OB負責著骨基質(zhì)的沉積和對OC的調(diào)節(jié)。在分化期間，OB有活躍的分泌功能，能合成和分泌骨基質(zhì)中的多種有機成分，包括Ⅰ型膠原蛋白、蛋白多糖、骨鈣蛋白、骨粘連蛋白、骨橋蛋白、骨唾液酸蛋白等；還分泌胰島素樣生長因子Ⅰ、胰島素樣生長因子Ⅱ、成纖維細胞生長因子、白細胞介素-1和前列腺素等，他們對骨生長均有重要作用；此外，還分泌破骨細胞刺激因子、前膠原酶和纖溶酶原激活劑，他們能促進骨的吸收。

1.2 影響OB的因素

1.2.1 正性因素

（1）降鈣素：刺激 IGF-1、c-fos、Ⅰ型膠原和骨鈣素mRNA 表達，刺激 OB增殖和分化；（2）性激素：能夠刺激OB，促進骨的形成；（3）胰島素樣生長因子（IGF）：可刺激OB的增殖和分化并作用于OB和OB前體，促進骨骼的更新；（4）骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）：可刺激原代OB或從骨組織中分離出的其他類型細胞分化為OB；（5）轉(zhuǎn)移生長因子-β（TGF-β）：刺激非轉(zhuǎn)化的OB的DNA合成及細胞增殖。

1.2.2 負性因素

（1）皮質(zhì)類固醇：長期給予超量可以抑制OB的形成和功能。適當劑量能減少前成骨細胞轉(zhuǎn)化為OB，使骨量減少；（2）糖皮質(zhì)激素：導致成熟的具有分泌功能的OB和支撐OC產(chǎn)生的OB的數(shù)目減少。

1.2.3 雙重作用因素

（1）瘦素（leptin）：它可以作用于中樞神經(jīng)細胞來削弱OB的活動，或者直接結(jié)合于OB表面受體來促進骨的發(fā)育的作用；（2）血小板衍生生長因子（PDEF）：能顯著促進OB的增殖，卻部分抑制OB的分化。

2 破骨細胞（OC）

2.1 OC在骨組織工程學中的作用

破骨細胞是一種巨大的多核細胞，起源于骨髓中的造血干細胞。破骨細胞接觸到骨基質(zhì)，開始活化，細胞骨架發(fā)生重組、細胞極性開始形成并出現(xiàn)骨吸收特異性的膜區(qū)域。由于破骨細胞的骨吸收與成骨細胞的骨形成處于動態(tài)平衡過程，使骨組織不斷更新，因此維持了骨骼的硬度與彈性。除此之外，影響成骨細胞的活性，介導干細胞從骨髓到血液循環(huán)的遷移，也是破骨細胞的重要骨生理功能。

2.2 影響OC的因素：

2.2.1 正性因素

（1）TNF：促進T細胞產(chǎn)生M-CSF并刺激OB和其他細胞分泌RANKL，進而促進 OC 分化；（2）1,25-(OH)2D3：維生素的 D3 不能直接作用于成熟的破骨細胞，但可以誘導成骨細胞生成IL-1和IL-6促進骨吸收。

2.2.2 負性因素

（1）降鈣素：降鈣素能夠明顯抑制破骨細胞活性，減少骨吸收，廣泛應用于治療骨質(zhì)疏松疾病；（2）雌激素：通過TGF-β、成骨細胞分泌產(chǎn)物、和ERKs磷酸化等途徑的介導，促進破骨細胞的凋亡，亦能夠通過促進OPG的產(chǎn)生和抑制C-MSF及TNF的產(chǎn)生來抑制OC產(chǎn)生。另外，雌激素也能通過抑制c-JNK的表達和、c-JUN的活性以及AP-1和啟動子的結(jié)合來抑制RANKL誘導OC的產(chǎn)生；（3）OPG：成骨細胞分泌的骨保護素 （OPG），是一種可溶性TNF受體家族成員，也是RANKL的受體，能與RANKL特異性結(jié)合，進而抑制破骨細胞的形成、活性和存活；（4）IL-4：能通過抑制IkB的磷酸化來抑制NF-κB的核轉(zhuǎn)位，進而抑制NF-κB的DNA結(jié)合活性，從而完全抑制OC形成；（5）INF-γ：通過促進 TRAF6 的降解來抑制 OC；（6）MLAA：RANKL 誘導的OC前體細胞分泌的MLAA被認為是抑制OC形成的一種自身反饋調(diào)節(jié)機制。

2.2.3 雙重作用因素

（1）TGF-β：低溶度TGF-β促進OC分化,而高溶度則反過來抑制其分化；（2）PG:在不同的培養(yǎng)系中，對于破骨細胞的形成和骨吸收具有促進或抑制的作用。

3 OB和OC的相互作用

OB與OC的相互作用從分子生物學層面來說，是駕于兩種細胞跨膜蛋白的接觸之上的。兩者的相互作用從細胞水平層面來說分為內(nèi)、外部因素：

3.1 內(nèi)部因素

（1）OB有通過在前破骨細胞表面的受體激活子RANKL調(diào)節(jié)骨吸收、分化和融合的作用。同時，成骨細胞分泌一種可溶的骨保護素（OPG）通過與RANKL結(jié)合阻斷RANK/RANKL交互作用，從而妨礙破骨細胞分化和激活。因此，RANKL和OPG的平衡又決定了破骨細胞的形成和功能。

（2）在骨吸收階段，OB分泌的MCP-1（單核細胞趨化蛋白-1）等趨化因子可以刺激OC前體募集，促使OC活化。

（3）OB能夠釋放骨鈣素，胎球蛋白-A，膠原蛋白I型等化學誘導因子，這些因子在骨形成過程中沉積于骨基質(zhì)中，并能促進OC融合并包埋于骨基質(zhì)中。

（4）骨吸收到骨形成過程中有一個過渡階段，即OC誘導OB活化促進骨形成過程，在此過程中OC分泌偶聯(lián)因子是OB活化的關(guān)鍵。

（5）伴隨著骨吸收，OC溶解骨質(zhì)并釋放轉(zhuǎn)化生長因子-B，骨形態(tài)發(fā)生蛋白(骨形成蛋白)和胰島素樣生長因子(IGF)-Ⅱ等細胞因子，從而激活OB。

3.2 外界因素

（1）皮質(zhì)類固醇：長期給予超過生理劑量的皮質(zhì)類固醇能夠增加OC的活性和數(shù)量，又可以抑制OB的形成和功能。適當劑量可降低前成骨細胞對骨膠原的合成，還能減少前成骨細胞轉(zhuǎn)化為OB，使骨量減少，增加發(fā)生骨質(zhì)疏松性骨折的概率。

（2）甲狀旁腺激素：由甲狀旁腺主細胞和嗜酸性細胞合成，通過PKA和PKC信號轉(zhuǎn)導通路介導來對OB和OC的功能進行調(diào)節(jié)，在骨代謝中具有促進骨形成和骨吸收的雙重作用。

（3）IL-1：能促進OB分泌 RANKL，促進OC形成。

（4）M-CSF：T細胞產(chǎn)生的M-CSF，一方面刺激OB和其他細胞分泌RANKL，進而促進OC分化。另一方面，M-CSF可以通過激活破骨細胞內(nèi)的信號傳導通路，使成骨細胞的數(shù)目增多，說明了M-CSF使破骨細胞增殖而激活的信號傳導通路間接影響了成骨細胞。

（5）FGFs：在特定的濃度范圍內(nèi)，F(xiàn)GFs能夠促進OB和OC的生成和增殖。但在另一濃度范圍內(nèi)，F(xiàn)GFs起到抑制作用。

成骨細胞和破骨細胞對于骨重塑過程的動態(tài)耦聯(lián)平衡起著至關(guān)重要的作用。大量的實驗研究證明，成骨細胞和破骨細胞的作用不是單一因素作用的結(jié)果，使兩種骨細胞相互影響，相互作用的結(jié)果，如何有效的控制影響因素，是治療骨修復、骨重塑的關(guān)鍵。