機械應力對成骨細胞影響的研究進展

張 翔 周立亞 王仁杰

1.湖北民族大學醫學部，湖北恩施 445000；2.湖北省襄陽市中醫醫院，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]，如原發性骨質疏松癥、骨質疏松性骨折、骨性關節炎、老年性頸腰椎疾病、老年性骨腫瘤等[2]，老年性骨病已經成為全球性的醫療衛生問題。在多種老年性骨病中，尤以骨質疏松多見，同時其也是其他老年性骨病發生、發展的重要因素。骨質疏松的發病原因多是由于成骨細胞（osteoblast，OB）的骨形成低于破骨細胞（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，其動態平衡有較多影響因素，其中包括日常生活中機械應力（mechanical stress，MS）的刺激。OB 是感受器和效應器功能的載體，會影響下游信號的傳導過程[4]。本文將闡述OB 在流體剪切應力（fluid shear stress，FSS）、壓縮應力、牽張力和微重力不同MS 刺激下的反應。

1 FSS對OB的影響

FSS 通常來講就是體液流動與細胞表面的摩擦力。因為骨是富含多孔的組織，持續被組織間液灌流，受血壓等多種力的驅使，組織間液在經過骨組織中的小管網、腔隙和骨內膜表面時，骨內層就會產生明顯的流體剪切力[5]。目前腔隙-骨小管系統[6]已經被相關學者廣泛接受。各種對骨骼施加的負荷（包括機械負荷、肌肉收縮、血壓和淋巴引流）都會導致組織間液流動，從而壓縮腔隙-骨小管系統，誘導包括FSS 在內的各種機械刺激。FSS 可以進一步誘導OB 生物力學特性的變化。

Ziebart 等[7]研究發現，在膠原支架上培養的OB，當受到FSS 的影響時，FSS 能增加骨鈣素的代謝活性和基因表達，刺激OB 分化。Zhou 等[8]研究發現，機械敏感通道Piezo1 和Piezo2 為骨骼發育和OB 分化所需的關鍵力傳感器。Li 等[9]通過觀察小分子激動劑模擬FSS 對骨細胞的影響，發現Piezo1在感知機械信號和維持骨穩態方面發揮著關鍵作用，Piezo1 介導的FSS 通過上調細胞骨架重組，促進MC3T3-E1 OB 增殖。Jiang 等[10]研究發現，FSS可以刺激環氧合酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）活性，并誘導細胞外信號調節激酶5（extracellular signal regulated kinase 5，ERK5）、環磷腺苷效應元件結合蛋白（c AMP-response element binding protein，CREB）和核轉錄因子NF-κB（nucleartranscriptionfatorkB，NF-κB）的磷酸化，在OB 中啟動合成代謝反應，導致細胞增殖和分化增加。Wang 等[11]研究發現，長鏈非編碼RNA 牛磺酸上調基因1 通過海綿化miR-34a，上調人成纖維細胞生長因子受體1（fibroblast growth factor receptor 1，FGFR1）的表達，促進OB 增殖并抑制OB 凋亡。

上述研究的結果說明，FSS 傳遞各種生物化學信號至OB 內，發揮生物學效能，一定強度的FSS 可促進OB 增殖和分化，并抑制OB 的凋亡，利于骨的形成，在骨質疏松進程中起著重要作用。

2 壓縮應力對OB的影響

身體自身的重量和日常活動負重的影響都會對骨骼造成壓力，這種刺激的普遍存在，同時也一直是研究人員研究的重點。研究人員在離體條件下模擬了壓縮應力，可分為靜力性壓縮應力、動態性壓縮應力、單軸和雙軸壓縮應力等，壓縮應力對OB 有多種影響[12]。

Imamura 等[13]研究發現，對MC3T3-E1 細胞施加持續的靜壓，可抑制OB 的堿性磷酸酶（Alkaline Phosphatase，ALP）活性，抑制OB 分化。Takai 等[14]將動態靜水壓力作用于骨小梁外植體模型，通過骨組織形態計量學證明：在加載的第8 天，動態靜水壓力顯著增加了OB 的活性。曹小波等[15]培養了來自SD 大鼠的髁突軟骨的原代OB，發現對OB 適當的初始壓縮應力可以提高OB 增殖、抑制細胞凋亡和促進成骨的能力。

目前，關于壓縮應力對成骨細凋亡的具體影響的定量研究很少，現有研究表明，低強度壓縮應力對OB 有積極作用。換言之，抗凋亡-促凋亡轉化現象與時間和強度有關，但這種推測還需要更多研究來證實[16]。

3 牽張力對OB的影響

在體內，OB 可分泌基質包裹自身，細胞骨架接收外力對基質的刺激，導致基質的變形，從而在骨陷窩及骨小管周圍對OB 形成牽張力[17]。目前細胞的牽張力主要是通過拉伸黏附在OB 上的培養基膜來實現的。在對培養基膜施加牽張力時，可以控制強度和持續時間，以觀察OB 在不同條件下對牽張力的不同反應[18]。

Chen 等[19]發現，在體外使用Flexcell 張力系統機械拉伸人下頜骨髓間充質干細胞，可顯著增加ALP 活性和鈣沉積，并通過抑制NF-κB 通路誘導OB 分化。Kobayashi 等[20]發現，應用一定強度的牽張力可誘導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胞開始增殖分化為OB，骨形成活躍。He 等[21]研究發現，機械拉伸力可促進由促紅細胞生成素誘導的骨髓間充質干細胞的增殖和成骨分化。曹陽等[22]對人OBMG-63 施加5 min 的單軸牽張應力后發現：OB 對力學信號的感知和轉導都與微絲細胞骨架密切相關。唐林等[23]研究發現，不同大小機械牽張力可以影響OB 的增殖能力及ALP 活性，與力值大小密切相關，較小的力能促進其分化和成熟的作用較為明顯，而較大的牽張力對于促進增殖的作用較為明顯，同時也發現過大的牽張力對細胞的分化和增殖均有抑制作用。

OB 對牽張應力的作用比較敏感，牽張刺激會激發OB 的分化和增殖潛力，適合的牽張力能促進骨的生長、修復和改建。

4 微重力對OB的影響

隨著我國航天事業的蓬勃發展，更多的太空活動對于保護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及肌肉質量減少、免疫功能降低等問題[24]。微重力是指物體處于失重狀態，或者非常接近完全失重狀態，可以稱為“零重力”。太空是微重力環境，但由于太空飛行的復雜性和樣本量的缺乏，常采用人體臥床實驗和動物尾部懸吊實驗來模擬微重力環境，研究微重力對骨量的影響[25]。有研究也使用離心裝置來模擬微重力對OB 的影響。

Gioia 等[26]利用三維回轉儀培養人原代OB，發現這種模擬的微重力環境影響了細胞周期，誘導了人原代OB 成熟表型的細胞退化。Chatani等[27]研究發現，微重力通過減少OB 的骨保護素（osteoprotegerin，OPG）分泌來減少OB 的產生，并增強OC 的產生。Araya 等[28]研究發現，在體外微重力環境下，骨細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]研究發現在模擬失重狀態下，OB 的增殖活性受到了抑制，同時微重力也影響了OB 的形態、細胞骨架、細胞周期和凋亡等生理指標。

微重力環境以多種方式抑制OB 的功能，增強OC 的產生，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重要原因。

5 結論和展望

近年來，實驗室側重于在骨科、口腔科、組織工程和航空航天領域模擬FSS、壓縮應力、牽張力和微重力，對不同MS 刺激下OB 的應答有了進一步的認識。但由于實驗研究中的機器設備、細胞來源、條件控制無相對統一的標準，所得結果存在一定的差異性。隨著對骨生理、病理學的研究進入細胞和分子生物學研究時代，人們通過不斷改進實驗裝置、更新實驗方法，以準確控制MS 刺激的機械參數，模擬不同MS 對OB 的影響，發現適當的FSS、壓縮應力和牽張力可促進OB 增殖、改變OB 細胞周期與形狀，并且促進了骨形成、增加了骨量，而微重力對OB 的刺激改變了骨微結構，減少骨礦化，抑制骨形成。

本研究旨在探索身體對機械刺激的影響，將為骨病的臨床治療提供重要的理論依據，同時，這些結果可作為未來骨科、口腔科、生物組織工程和航空航天研究的基礎，以推動該學科的發展。