机械应力对骨骼不同细胞的作用分析(2)

　　3机械应力对骨细胞的影响
　　
　　骨细胞（osteocyte） 由成骨细胞分化而成，位于矿化的骨基质中，在骨组织中含量丰富、分布广泛，约占骨组织细胞总数量的95% .骨细胞是骨骼应答机械应力的直接感受器，能将机械应力转变为生化信号传递给成骨细胞、破骨细胞等效应细胞，调节骨形成与骨吸收〔22〕。Tatsumi等〔23〕通过构建转基因小鼠模型消融骨细胞，发现骨细胞缺乏小鼠出现骨脆性增加、成骨细胞功能紊乱，骨小梁缺失、骨微结构退化、皮质空隙增加等症状，同时发现骨细胞缺乏小鼠对缺乏机械负荷所导致的骨质流失有一定的耐受性，这意味着骨细胞缺乏小鼠对机械刺激出现应答障碍，进一步证明骨细胞在机械应力信号传导中的作用。骨细胞还能够调整自身细胞骨架以改变细胞内的牵张敏感性，这有利于骨细胞适应机械应力刺激〔24〕。Mann等〔25〕将人类松质骨置于3D生物反应器中施加机械应力刺激，发现周期性的机械牵张力能够显着抑制人类骨细胞的凋亡并提高骨细胞的生存能力。Cui等〔26〕报道，流体剪切力能够上调MLO-Y4骨细胞中OPG的表达，抑制RANKL的表达，抑制骨吸收。流体剪切力还能够诱导MLO-Y4骨细胞内前列腺素E2的分泌，上调前列腺素受体EP2D的表达〔27〕，而前列腺素E2能够促进成骨细胞的增殖及分化，进一步促进骨形成。
　　
　　一些动物实验也表明，运动及机械应力可能是通过骨细胞来参与骨代谢的调节〔28〕。Maurel等〔29〕报道，规律的跑台运动能够防止大鼠骨细胞凋亡，同时提高其骨小梁微架构参数。Swift等〔30〕让后肢悬吊大鼠进行抗阻训练，发现抗阻训练能够抑制骨细胞凋亡，同时显着提高松质骨的骨生成率、骨体积及骨小梁厚度。Fonseca等〔31〕的研究也表明，自主训练能够抑制去卵巢大鼠骨细胞死亡，同时减少骨空隙数量以及皮质内孔隙，他认为这种保护效应可能与股骨的最大应力增加有关。综上所述，机械应力能够减少骨细胞的凋亡并提高骨细胞的生存能力，改善骨微结构，促进骨形成，抑制骨吸收。
　　
　　4机械应力对破骨细胞的影响
　　
　　破骨细胞来源于造血干细胞的单核巨噬细胞谱系，在骨组织细胞中数量较少，其骨吸收功能与成骨细胞的成骨功能在维持骨代谢平衡中发挥着关键作用，骨吸收与骨形成的平衡是维持骨骼系统完整性和矿物质稳态的关键。当机体达到骨峰值量后，相对于骨形成，骨吸收会随着年龄的增长相应增强，从而导致骨量流失。大量研究表明，机械应力能够直接作用于破骨细胞并产生生物效应，又可通过骨细胞、成骨细胞间接调控破骨细胞的增殖及活性。Rubin等〔32〕使用强度为5%的周期性牵张力对破骨细胞进行干预，发现机械牵张力能够显着抑制破骨细胞的形成。他更深入地研究发现，机械张力能够下调破骨细胞分化因子（ODF） 及RANKL的mRNA表达，上调内源性一氧化氮合酶（e NOS）mRNA表达〔33,34〕。而加入可溶性ODF可明显减弱机械应力对破骨细胞的抑制效应，提示抑制ODF的表达可能是机械应力抑制破骨细胞形成的途径之一。
　　
　　机械应力刺激还能诱导M-CSF、RANKL、IL-6、IFN等细胞因子发生变化〔35〕，进一步影响破骨细胞。M-CSF、RANKL等骨吸收因子的分泌会促进破骨细胞的活性及增殖，增强骨吸收，而适宜的机械应力能够下调RANKL等骨吸收因子的表达以抑制骨吸收，同时上调OPG、IFN等成骨因子的表达，进而促进骨形成〔36〕。IFN-γ能 够 诱 导RNAK衔 接 蛋 白 快 速 降 解，通 过RANKL-RANK通路来抑制破骨细胞生成〔37〕，骨细胞自身分泌的IFN-β也是破骨细胞生成的负调节因子〔38〕。Suzuki等〔39〕报道，机械应力能够直接抑制破骨细胞分化，下调TRAP、基质金属蛋白酶9 、组织蛋白酶-K、降钙素受体等骨吸收标志物的mRNA表达，上调破骨细胞前体小鼠单核细胞RAW264. 7中NOs的mRNA表达。Nagatomi等〔40〕采用周期性的机械加压对BMSC进行干预后发现，机械压力能显着抑制骨吸收，下调IL-1及TNF-α等促进破骨细胞功能细胞因子的基因表达。此外，低量级、高频率的机械振动也能够显着降低RAW264. 7细胞系中TRAP阳性的破骨细胞数量，下调组织蛋白酶-K、MMP-9、TRAP以及c-Fos的基因表达〔41〕。这些结果进一步证明，机械应力能够下调TRAP、ODF、M-CSF、RANKL等骨吸收因子的表达，进而削弱破骨细胞的增殖及分化，抑制骨吸收。
　　
　　5小结与展望
　　
　　骨质疏松的诱因在于破骨细胞主导的骨吸收增强，成骨细胞主导的骨形成减弱，骨形成及骨吸收的平衡被打破。而机械应力能够直接作用于成骨细胞及破骨细胞，或通过间充质干细胞、骨细胞及骨代谢信号转导通路间接调控成骨细胞及破骨细胞的增殖与分化，促进骨形成，抑制骨吸收。机械刺激的成骨效应进一步肯定了运动干预在骨质疏松防治中的作用，而运动对骨代谢的促进作用可能是多个功能系统的综合效应。因此，为了更深入地研究运动促进骨代谢的机制，需要考虑运动干预下骨代谢与内分泌、免疫等功能系统之间的相互作用。