失重或模擬失重對骨形成影響的研究進展

徐 沁，張麗君，王永春，張 舒，閆 銘第四軍醫大學 學員一旅，陜西西安 700；第四軍醫大學 航空航天醫學系，陜西西安 700；西京醫院 骨科，陜西西安 700

失重或模擬失重對骨形成影響的研究進展

徐 沁1，張麗君1，王永春2，張 舒2，閆 銘3
1第四軍醫大學 學員一旅，陜西西安 710032；2第四軍醫大學 航空航天醫學系，陜西西安 710032；3西京醫院 骨科，陜西西安 710032

隨著航天事業的飛速發展，航空旅游甚至太空移民將不再是幻想，太空失重環境對人體健康影響的研究也顯得越發重要。中長期飛行的失重環境會對機體多個器官系統產生影響，其中以心血管系統和骨骼系統影響最明顯。本文根據近年來國內外相關領域的研究，主要就微重力環境對間充質干細胞增殖分化及成骨細胞形成、周期及功能等方面的影響作一簡要綜述。

失重；骨髓間充質干細胞；成骨細胞

正常人體骨骼系統的維持依靠成骨細胞的骨形成和破骨細胞的骨吸收。成骨細胞由骨髓間充質干細胞分化而來，其被礦化骨基質包埋后成為骨細胞，骨細胞在骨小管內相互連接并與表面的成骨細胞相連，形成類似于神經細胞的連接網絡[1]。破骨細胞來源于造血干細胞，主要負責溶解骨[2]。成骨細胞是骨形成的效應細胞，同時參與調控破骨細胞的分化成熟，故目前認為成骨細胞在骨重建機制中處于中心地位。本文將從微重力對間充質干細胞增殖、分化及成骨細胞的形態、信號通路、周期、分化的影響來陳述骨形成的機制。

1 微重力對骨髓間充質干細胞的影響

骨髓間充質干細胞是一種多能干細胞，能自我更新且具有多向分化潛能[3]。正常重力下，骨髓間充質干細胞可分化為包括成骨細胞在內的多種細胞，但在微重力的作用下，其增殖被抑制且表現出脂肪分化傾向，從而阻礙其向成骨細胞分化，使骨形成減少[4]。

1.1 微重力對骨髓間充質干細胞增殖活性的影響 一般認為，微重力可使骨髓間充質干細胞的增殖速度減慢，Huang等[5]的實驗證實了這一觀點。Shi等[6]的實驗則表明，這是由于強磁重力場下人骨髓間充質干細胞(human bone mesenchymal stem cell，hMSC)骨架被破壞，最終死亡。但在王南丁等[3]的實驗中，骨髓間充質干細胞增殖速度不降反升，干細胞標記物Oct4和SSEA4表達較高，細胞保持未分化狀態。分析二者的實驗，所用細胞來源不同，微重力處理時間也不相同，Huang等處理時間更長。由于失重對細胞而言是一種應激反應，可能在短期內hMSC的增殖活性代償性增高，但其增殖速度無論是升高還是降低，hMSC向成骨細胞分化的數量均降低，抑制骨形成。

1.2 微重力對骨髓間充質干細胞分化的影響 微重力條件下骨髓間充質干細胞向脂肪細胞分化增加，向成骨細胞分化減少。正常重力下，機械負荷作用于與細胞表面整合素結合的細胞外基質，激活黏著斑激酶，之后激活MEK/ ERK通路，增強Runt相關轉錄因子2(Runx2)活性，該因子的活性與成骨細胞的形成、分化相關。相對的，p38MAPK的磷酸化可以活化過氧化物酶體增殖激活受體(peroxisome proliferator-activated receptorγ2，PPARγ2)。PPARγ2和其他一些與脂肪細胞形成相關的蛋白質的高表達則會抑制Runx2的表達[4]。微重力首先作用于細胞骨架和(或)細胞形態，進而改變細胞內部信號傳導通路并最終影響細胞的基因表達[4]。研究發現，微重力條件下，hMSC的細胞外調節蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases，ERK)和堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)活性下降，Runx2和膠原Ⅰ等成骨標志基因水平降低，p38MAPK活性和PPARγ2 mRNA水平升高，促進脂肪酶、油脂形成[4-5,7-8]。此外，黃國平等[4]提出，除p38MAPK活化可使PPARγ2 mRNA水平升高外，微重力環境可能通過另一條未知通路使PPARγ2 mRNA水平升高。

通過以上實驗可以發現，微重力不僅對間充質干細胞本身增殖、分化活性有影響，同時改變了其正常的分化方向，抑制骨形成，但具體機制仍有待進一步研究。

2 微重力對成骨細胞的影響

失重抑制成骨細胞增殖、分化，使其凋亡增加，微觀上表現在分化相關基因表達下降，膠原Ⅰ蛋白、骨鈣蛋白和骨骼生長因子含量減少。

2.1 微重力對成骨細胞形態的影響 成骨細胞的骨架系統對重力變化較為敏感，與hMSC類似，微重力環境可誘導成骨細胞骨架系統解聚重排[9]。在短期空間飛行中即可觀察到成骨細胞形態發生明顯改變，如細胞變圓變大、形態不規則、核異常、細胞骨架變細、微絨毛分布改變和細胞膜表面功能區分布集中不均勻，孔道增多等[10]。這可能與模擬失重條件下整合素α2、整合素α5、整合素β1的mRNA表達明顯下降有關[11]。重力通過細胞外基質-整合素-細胞骨架系統作用于成骨細胞，整合素表達降低意味著力學信號轉為化學信號的效率降低，可使細胞骨架及離子通道發生改變，出現形態異常。

2.2 微重力對成骨細胞信號通路的影響 在細胞骨架的形成過程中，鈣離子通道發揮了很大作用，游離鈣離子與鈣調蛋白結合，激活下游分子肌球蛋白輕鏈激酶(myosin light chain kinase，MLCK)和鈣調蛋白依賴激酶Ⅱ(calcium dependent protein kinaseⅡ，CaMKⅡ)，二者均可與鈣調蛋白結合，活化的MLCK與鈣調蛋白結合則可促進細胞骨架微絲的形成[12]。孫中洋等[13]的研究發現，失重可降低細胞內游離鈣離子的濃度。羅明志等[12]用Western blot檢測顯示，模擬失重環境下，鈣調蛋白的表達和CaMKⅡ活性下降，但MLCK的表達不受影響，提示失重可能通過抑制Ca2+、鈣調蛋白和CaMKⅡ信號使微絲解體。王脈桃等[14]在模擬微重力的環境中觀察到內皮型一氧化氮合酶(eNOS)活性下調，誘導型一氧化氮合酶(iNOS)活性升高，細胞內NO含量升高，對細胞造成損傷，推測其與Ca2+通道被抑制有關。值得一提的是，胡澤兵等[15]用分子生物技術找出了在模擬失重條件下具有潛在調控作用的5種內含子miR-335-5P、miR-335-3P、miR-511-5P、miR-5114、miR-511，這幾種內含子與細胞多種基本生物功能及MAPK、Focal adhesion、ErbB等多種信號通路有關，可以預測成骨細胞相關功能的改變。信號通路對成骨細胞發揮功能至關重要，故對微重力條件下信號通路改變機制的研究具有重要意義，能為防治骨丟失提供研究靶點。

2.3 微重力對成骨細胞分化的影響 微重力條件下成骨細胞分化能力降低。成骨細胞的分化過程包括增殖、細胞外基質成熟和胞外基質礦化3個階段，Ⅰ型膠原、堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)、骨鈣蛋白(osteocalcin，OCN)分別是這3個不同分化階段的產物[16]。戴鐘銓等[17]發現，在微重力環境培養24 h、48 h后，Ⅰ型膠原的表達升高。Ⅰ型膠原能夠促進成骨細胞分化，其含量增多表面上看應該促進成骨細胞分化，但卻與實際情況不符，對此，戴鐘銓等認為，這是由于微重力環境下細胞外成熟膠原減少，細胞內代償性表達Ⅰ型膠原蛋白，由于過度代償消耗自身物質反而使成骨細胞活性下降，從而抑制成骨細胞分化。王脈桃等[16]觀察到模擬微重力下成骨細胞中ALP及OCN降低。

研究發現，在體外培養成骨細胞的實驗中，OGP能促進成骨細胞樣細胞增殖，提高ALP的活性，增加細胞膠原合成、分泌和鈣鹽沉積，提高骨量和骨密度，促進成骨[18-19]。劉俊麗等[20]的實驗數據表明，回轉微重力條件下，成骨細胞分泌的ALP和骨橋素(osteopontin，OPN)減少，而加入OGP活性片段OGP10-14的細胞組分泌的ALP和OPN增加，表明OGP10-14可促進失重環境下成骨細胞的增殖和分化，抑制骨丟失。其機制與OGP10-14可促進成骨細胞Runx2的表達有關[21]。但在6 d 的實際太空飛行實驗后，有人觀察到ALP表達及活性增高[10]，有可能是細胞的一種代償反應。僅有ALP活性增高可使成骨細胞分化，但無法使其礦化[11]，這可能是ALP升高未使骨丟失改善的原因。胰島素樣生長因子1可促進成骨細胞分化，抑制凋亡[22]。蘇嘉霖等[22]推測模擬失重可能通過影響胰島素樣生長因子1 mRNA進而影響成骨細胞分化。

2.4 微重力對成骨細胞周期的影響 研究表明，模擬失重條件下G1期細胞顯著增多，而S期與G2 + M期細胞顯著減少。而且隨著作用時間的增加，G1期細胞數量的變化趨勢不是很明顯，但始終顯著高于正常重力下的細胞，而S期與G2 + M期細胞數量一直顯著低于正常重力下的細胞[23]。通過對細胞周期變化機制的進一步探討，研究人員發現，在成骨細胞的分裂過程中，微重力沒有改變細胞周期蛋白D和E的含量，在細胞周期分裂早期時，相關的重要分子也都沒有改變，在S期和G2 + M期的細胞中，只有細胞周期蛋白A和B的含量顯著降低，并進一步影響細胞周期的變化，有學者認為，該變化可能是微重力導致細胞周期變化的主要機制[24]。微重力條件下，阻礙成骨細胞周期進程的因素還與肌動蛋白骨架相關多種基因、胰島素樣生長因子、表皮生長因子、堿性胰島素樣生長因子等的表達下降及細胞代謝功能的降低有關[23]。很多人推測失重環境下成骨細胞的生長周期存在阻滯點，但目前關于細胞周期阻滯點在哪里尚未得出一致結論。王攀等[24]、孟芮等[25]認為，阻滯點在S期。鄭紅霞等[26]證實S期阻滯點是由于微重力使細胞微管系統受損，紡錘體異常概率增加。而張曉鈾等卻認為，細胞阻滯點在G0/G1期。其差異可能與所用細胞系不同有關。失重不僅作用于成骨細胞，機體所有組織細胞都處于失重狀態。孟芮等[25]使用失重后的骨細胞培養基使成骨細胞越過細胞周期阻滯點，提示失重條件下骨細胞促進成骨細胞增殖。

3 結語

失重可通過抑制骨髓間充質干細胞和成骨細胞的增殖、分化及促進破骨細胞成熟分化而抑制骨形成，造成骨質丟失。目前的研究側重于失重對間充質干細胞分化及成骨細胞的影響，而對破骨細胞的研究較少，有人聲稱這是由于破骨細胞幾乎不發揮作用。但Nabavi等[27]在微重力環境下觀察到更多由破骨細胞引起的骨吸收陷窩，表明破骨細胞也發揮著重要的作用。目前的研究證實，微重力下人前破骨細胞的數量及其向破骨細胞的分化增加[28]，成熟破骨細胞的數量也有提升[15]，其機制可能涉及破骨細胞成熟的基因表達增多[15]、轉移生長因子β2(transforming growth factor beta 2，TGF-β2)表達減少，抑制成骨細胞增殖分化和促進破骨細胞的增殖[29]、分化[30]等。

總之，失重環境可影響人體內環境穩態，使代謝系統改變，造成骨量減少、骨質疏松、軟組織損傷及骨折愈合延遲等不良后果[31]。隨著對微重力條件下骨髓間充質干細胞、成骨細胞、骨細胞及破骨細胞等增殖、分化等研究的深入，將有助于我們更好地理解失重對骨組織的影響并積極尋找應對措施，從而改善宇航員持續性骨丟失的現狀。

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Advances in effects of weightlessness or simulated weightlessness on bone formation

XU Qin1, ZHANG Lijun1, WANG Yongchun2, ZHANG Shu2, YAN Ming3
1The First Cadet Brigade, Fourth Military Medical University, Xi'an 710032, Shaanxi Province, China;2Department of Aerospace Biodynamics, Fourth Military Medical University, Xi'an 710032, Shaanxi Province, China;3Department of Orthopaedics, Xijing Hospital; Xi'an 710032, Shaanxi Province, China

YAN Ming. Email: yanming@fmmu.edu.cn

With the rapid development of aerospace, travelling or even living in space is no longer a fantasy. Thus, the researches about the influences induced by weightlessness on human body have become more and more important. Weightless environment during long term space flight can make great influences on organs and systems of human, especially on cardiovascular system and skeletal system. This review will illustrate the influences on proliferation and differentiation of mesenchymal stem cells and formation, cell cycle, and function of osteoblast induced by weightlessness based on the national and international researches in related fields in recent years.

weightlessness bone; mesenchymal stem cells; osteoblast

R 852.22

A

2095-5227(2015)03-0291-03

10.3969/j.issn.2095-5227.2015.03.025

時間：2014-11-05 10:46

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3275.R.20141105.1046.004.html

2014-09-01

國家自然科學基金項目(81301581；81372130)

Supported by the National Natural Science Foundation of China(81301581; 81372130)

徐沁，女，在讀本科。Email: 736325408@qq.com

閆銘，博士，講師。Email: yanming@fmmu.edu.cn