物理療法調控骨髓間充質干細胞成骨分化治療骨質疏松癥的研究進展

趙軍，孔令俊，王興盛，徐世紅，袁劍，鄧葉龍

(1.甘肅省中醫(yī)院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅中醫(yī)藥大學，甘肅 蘭州 730000)

骨質疏松癥(osteoporosis，OP)是一種以骨量減少、骨組織微結構破壞，導致脆性骨折風險增高為特征的全身性骨代謝疾病[1]。目前，臨床治療OP主要以藥物治療和物理療法為主。藥物治療周期長、不良反應多，患者依從性不佳，影響臨床療效[2-3]。物理療法主要包括運動療法和物理因子療法，其中物理因子療法包括全身振動、脈沖電磁場、體外沖擊波等[4]。有研究[5-6]表明，物理療法能夠促進骨小梁重塑、提高骨密度，延緩OP進展，其作用機制與調控骨髓間充質干細胞(bone mesenchymal stem cell，BMSC)成骨分化密切相關。本文對運動療法、全身振動、脈沖電磁場、體外沖擊波等物理療法調控BMSC成骨分化治療OP的研究進展進行了綜述。

1 運動療法調控BMSC成骨分化治療OP

目前尚無統(tǒng)一的運動療法治療標準，臨床上多根據患者自身情況進行個性化定制。多項研究表明[7-11]，運動療法在提高OP患者骨密度、減少骨丟失、降低骨折風險方面療效顯著。Watson等[7]研究發(fā)現，高強度抗沖擊訓練能夠提高絕經后低骨密度女性腰椎和股骨的骨密度。Filipovic等[8]針對絕經后OP患者制定了12周的運動計劃，結果顯示其可改善絕經后女性骨強度，降低骨折風險。Ng等[9]的研究結果表明，16周的單側跳躍沖擊運動能夠改善絕經后女性股骨頸、脛骨遠端的骨密度。Harding等[10]針對中老年骨質疏松患者開展了為期8個月的運動治療，每周進行2次高強度抗沖擊訓練和等距軸向壓縮訓練，結果顯示治療結束后患者股骨近端骨密度較治療前提高。

運動過程中產生的肌肉張力和機械應力能夠作用于骨骼，引起骨內壓力變化，組織液通過腔隙小管系統(tǒng)自高壓區(qū)流向骨細胞所在的低壓區(qū)，組織液流動刺激骨細胞，導致骨細胞內鈣濃度、環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)、肌醇三磷酸、前列腺素等物質增加[11]。這些物質一方面能夠促進骨膜細胞的礦化作用，另一方面能夠促進BMSC向成骨細胞轉化，增加骨形成。BMSC屬于機械刺激敏感型細胞，運動治療過程中產生的機械刺激能夠通過多條信號通路發(fā)揮作用，從而影響B(tài)MSC成骨分化[12]。Case等[13]研究發(fā)現，運動療法能夠增加小鼠BMSC的數量，并促使其成骨分化，其作用機制與β-連環(huán)蛋白的激活以及過氧化物酶增殖物激活受體-γ(per-oxisome proliferater-activated receptor-γ，PPAR-γ)的表達抑制有關。Li等[14]研究發(fā)現，運動療法能夠促進Runx相關轉錄因子2(Runt-related transcription factor 2，Runx2)、成骨相關轉錄因子Osterix以及Wnt/β-連環(huán)蛋白信號通路相關蛋白的表達，抑制PPAR-γ、轉錄因子CCAAT/增強子結合蛋白(CCAAT/enhancer-binding protein，C/EBP)的表達，從而能夠促進BMSC成骨分化，抑制其成脂分化。Runx2是骨形成蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)家族的靶基因，是BMSC成骨分化的重要調節(jié)因子[15]。Yuan等[16]研究發(fā)現，運動療法能夠激活BMP家族，進而誘導Runx2表達，發(fā)揮促進BMSC成骨分化的作用。Chen等[17]研究發(fā)現，循環(huán)拉伸能夠激活AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)，上調沉默信息調節(jié)因子1(silence infor-mation regulator 1，SIRT1)，通過AMPK-SIRT1信號通路上調Runx2的表達，進而促進BMSC成骨分化。此外，miRNAs在運動療法調控BMSC成骨分化過程中發(fā)揮重要的作用。Mao等[18]研究發(fā)現，運動療法還可下調靶向BMSC成骨分化相關基因的miRNAs、上調靶向BMSC破骨分化相關基因的miRNAs，促進成骨細胞的增值與分化，抑制破骨細胞的增殖與分化。母系表達基因3(maternally expressed gene 3，MEG3)是長鏈非編碼RNA(long noncoding RNA，lncRNA)的一員，可調控BMSC成骨分化；Zhu等[19]研究發(fā)現，拉伸應變可上調lncRNA-MEG3的表達，抑制BMSC中miR-140-5p的表達，促進BMSC成骨分化。

2 全身振動調控BMSC成骨分化治療OP

全身振動是一種能夠改善肌肉-骨骼系統(tǒng)的訓練方法，其主要通過機械振動和外部負荷激活相應的神經反射，促進肌肉收縮的同時對骨骼產生反復的壓力刺激[20]。相關研究[21]表明，全身振動能夠促進骨形成、抑制骨吸收，進而提高骨強度和骨密度，降低發(fā)生骨質疏松性骨折的風險。Eldeeb等[22]采用全身振動治療絕經后低骨密度患者，在治療24周后，患者腰椎、股骨骨密度均增加。Luo等[23]的研究結果也表明，絕經后低骨密度患者在進行全身振動訓練后，腰椎、股骨骨密度增加。Yu等[24]研究發(fā)現，采用加速度<1 g、頻率20～90 Hz的低強度振動能夠有效促進BMSC成骨分化，增強骨形成。Wysocki等[25]研究發(fā)現，低強度振動能夠通過miR-378a-3p增強Runx2、堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)、Ⅰ型膠原蛋白及骨鈣素的表達，進而促進BMSC成骨分化。Li等[26]研究發(fā)現，低強度振動一方面能夠上調Runx2、成骨相關轉錄因子Osterix、Ⅰ型膠原蛋白及骨鈣素mRNA和蛋白的表達，下調PPAR-γ的表達，另一方面能夠上調雌激素受體的表達，并激活Wnt信號通路，進而促進BMSC成骨分化。Zhao等[27]研究發(fā)現，低強度高頻率振動能夠抑制PAR-γ、轉錄因子C/EBP、脂聯(lián)素的表達，促進p38、促分裂原活化的蛋白激酶磷酸化，進而促進BMSC成骨分化，增強骨形成。此外，Wen等[28]研究發(fā)現，低強度振動能夠促進大鼠的骨形成，并能夠通過SIRT1/p53/p21信號通路抑制成骨細胞的衰老。

3 脈沖電磁場調控BMSC成骨分化治療OP

脈沖電磁場是一種治療OP的非侵入性物理因子療法，目前已在臨床上廣泛應用，并取得良好療效[29]。Ebid等[30]采取脈沖電磁場結合運動療法對95例OP男性患者進行了12周的治療，結果顯示患者髖關節(jié)和腰椎骨密度顯著增加。Liu等[31]分別采用阿侖膦酸鈉口服和脈沖電磁場治療絕經后OP患者，治療24周后2組患者腰椎和股骨近端骨密度均顯著提高，且2組提高率無顯著差異。Catalano等[32]采用脈沖電磁場治療43例絕經后OP患者，結果顯示核因子κB受體活化因子配體與骨保護素(osteoprotegrin，OPG)的比值顯著降低，Dkk-1表達量降低、β-連環(huán)蛋白表達量升高。BMSC具有向成骨細胞、軟骨細胞及脂肪細胞等多種細胞分化的潛能。脈沖電磁場能促進BMSC中ALP、BMP-2的表達，并抑制脂肪因子、激活蛋白2等成脂分化相關的轉錄因子的表達，從而促進BMSC成骨分化、抑制BMSC成脂分化[33]。BMP-2是骨基質中的酸性蛋白，屬于轉化生長因子(transforming growth factor，TGF)-β超家族成員[34]。Martini等[35]將人BMSC暴露于頻率75 Hz、強度1.5 mT的脈沖電磁場中，結果表明脈沖電磁場可促進BMP-2、BMP-6和BMPⅠ型受體基因表達，增強人BMSC成骨分化。白細胞介素(interleukin，IL)-6是趨化因子家族的一種細胞因子，也是炎癥因子之一。Wang等[36]研究發(fā)現，IL-6能夠激活Toll樣受體(Toll-like receptor，TLR)2、TLR4和Akt通路，從而抑制β-連環(huán)蛋白、Setd7的表達，抑制成骨分化。脈沖電磁場則能夠上調腺苷受體A2a、A3的表達，降低IL-6、IL-8等炎癥因子的表達，增加cAMP、IL-10等的表達，進而促進成骨分化[37]。此外，De Mattei等[38]研究發(fā)現，脈沖電磁場能夠通過上調miR-26a和miR-29b的表達、降低miR-125b的表達，促進BMSC成骨分化。因此，脈沖電磁場不僅能夠通過調控成骨分化及成脂分化相關蛋白的表達促進BMSC成骨分化，同時還能夠通過抑制炎癥因子的表達、調控相關miRNA的表達來促進BMSC成骨分化，進而影響OP的進展。

4 體外沖擊波調控BMSC成骨分化治療OP

體外沖擊波是一種高能量壓力波，能夠對人體組織產生空化效應，在細胞水平產生力學刺激，從而促進多種生長因子的表達[39-41]。Huang等[42]研究發(fā)現，體外沖擊波能夠增強骨質疏松大鼠骨折區(qū)域OPG和BMP-2的表達，促進骨形成。W?lfl等[43]研究發(fā)現，體外沖擊波能夠提高低骨密度患者的骨轉換標志物的表達水平。Shi等[44]研究發(fā)現，體外沖擊波可誘導氧化還原反應，增加胞外信號調節(jié)激酶的信號轉導，激活內皮型一氧化氮合酶，從而促進成骨分化。Wang等[45]研究發(fā)現，體外沖擊波可引起膜擾動，并激活Ras信號通路，誘導核心結合因子a1、Ⅰ型膠原蛋白和骨鈣素mRNA表達，促進BMSC成骨分化。Li等[46]研究發(fā)現，體外沖擊波能夠通過TGF-β/Sma和Mad相關蛋白(Sma-and Mad-related protein，Smad)2途徑促進BMSC成骨分化；Smad家族介導BMP信號通路，其中Smad2可轉化TGF-β信號，誘導BMSC成骨分化相關基因表達。

5 小 結

OP的發(fā)生與成骨細胞介導的骨形成和破骨細胞介導的骨吸收之間的平衡被打破密切相關，而BMSC成骨分化對維持二者平衡至關重要。BMSC屬于機械刺激敏感型細胞，其能夠將生物力學信號轉化為生物化學信號，影響其增殖分化。物理療法治療OP取得了顯著的臨床療效，其能夠通過調控BMSC成骨分化來達到增加骨密度和骨強度、降低脆性骨折發(fā)生率的目的。然而，目前已有研究表明，運動療法、全身振動、脈沖電磁場、體外沖擊波等物理療法能夠通過多條信號通路調控BMSC成骨分化，但其具體作用機制較為復雜，尚未完全明確。因此，對于不同物理療法調控BMSC成骨分化的具體機制，尚需進一步開展動物實驗、細胞實驗等進一步深入研究。