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首页合作平台在线期刊中华医学研究杂志2005年第5卷第3期综述

力学刺激与骨代谢

来源:INTERNET
摘要:骨骼组织是一种动力学器官,其结构和功能在很大程度上依赖于所处的力学环境,依据力学环境而产生适应性变化。而对骨折、骨不连等骨科病症施以力学刺激可促进骨的再生。在骨骼组织中,成骨细胞的成骨活动和破骨细胞的破骨活动处于动态的平衡,力学刺激所诱导的骨量和结构的变化最终也是通过这一系统发挥作用。因此,深入阐......

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    骨骼组织是一种动力学器官,其结构和功能在很大程度上依赖于所处的力学环境,依据力学环境而产生适应性变化。临床上长期卧床或制动可导致相应的部位出现骨质疏松。而对骨折、骨不连等骨科病症施以力学刺激可促进骨的再生。在骨骼组织中,成骨细胞的成骨活动和破骨细胞的破骨活动处于动态的平衡,力学刺激所诱导的骨量和结构的变化最终也是通过这一系统发挥作用。因此,深入阐明力学刺激对骨的作用机制,就可以为相关疾病的发病机制和防治提供思路和依据。

  1 力学信号的产生
    
  当运动产生的力学刺激作用于骨骼时,可在骨骼表面产生较大范围的应变,在应力的作用下,骨组织变形,骨骼中分布于骨陷窝的骨细胞和附着于骨基质上的成骨细胞可产生相同量的牵拉变形,由应力产生的骨组织内的压力梯度可在骨小管内形成并引起细胞外液流动,骨与骨小管表面带有负电荷,骨小管内液体流经该负电表面时,流体中的正电粒子将不断吸附到骨表面,这导致流体中的阴离子过剩,从而形成沿流动方向的电位差。骨小管内液体的流动除了产生流动电位外,还将在骨小管壁细胞上施加剪应力。有实验证据表明,流体流动对成骨细胞的作用由剪应力介导,而非流动电位变化所驱使 [1] 。故目前认为流体剪应力(FSS)是骨生长的直接力学因素。但FSS和流动电位结合作为完整的细胞刺激源也是有可能的,这需要进一步的研究证实。
    
  2 力学信号向生物信号的转化
    
  有证据表明,骨骼细胞在受到FSS的作用后,可通过骨骼细胞中好几种转导途径使力学信号转化为生物信号,包括通过细胞膜离子通道(特别是牵拉激活的阳离子选择性通道,SA-cat)使细胞内钙离子水平升高 [2]、酶的激活例如蛋白激酶B(PKB/Akt)、有丝分裂原激动蛋白激酶(MAPKs)、转录因子的激活如激活成骨细胞谱系细胞中激活蛋白-1(AP-1)和cAMP反应因子结合蛋白(CREB) [3~5] 。其中一条重要的途径为跨膜整合素、细胞骨架和细胞核转录功能之间的直接联系,诱导型的环氧合酶的激活依赖于这条途径。Pavalko等人将α-辅肌动蛋白裂解片引入到MC3T3-E1成骨肉瘤细胞中,发现剪应力诱导的细胞骨架重排和基因表达变化被阻断[6] 。说明胞外基质-整合素-细胞骨架系统在力到生物信号的转化中有重要作用。整合素是一种发挥信号受体作用的异性二聚体跨膜蛋白,与细胞外基质和细胞内骨架结构的相联系。在细胞内,细胞骨架的成分如纽带蛋白(vinculin)、α-肌动蛋白(actin)、talin、paxillin等特异的结构蛋白和一些信号传导激酶共同构成灶性粘附复合物(FAC),整合素与FAC在结构上相关联。在细胞外,整合素特有的配体蛋白质有骨桥接素(OPN)、骨唾液蛋白(BSP)、纤维结合素(FN)。整合素与这些配体结合后可引起细胞内一系列的变化而导致细胞发生功能性改变。已证实,力学刺激可使成骨细胞OPN、FN及BSP的合成明显增加,相应地增加了与整合素的结合,力学刺激通过这一途径传入细胞内发挥作用 [7] 。并且研究已经证实整合素-细胞骨架复合体是主要的力学信号转导位点,可以传递作用在细胞表面上的应力到细胞内,再通过细胞骨架的传递将信息传入细胞核。有研究表明,依附于细胞膜的G蛋白是整合素-细胞骨架系统完成机械能向化学能转化的关键环节。此外力学刺激也可直接作用于细胞骨架,使后者的排列方式和结构成分发生改变,从而把力学信号转化为生物化学信号对细胞发挥作用。
   
  细胞内Ca 2+ 水平的升高是力学刺激后早期出现的反应,随即伴有钙离子内流,研究表明细胞内钙离子的释放和细胞外钙离子的内流也可能在力学信号转导中起一定作用 [8] 。细胞内钙离子释放的机制有研究认为可能与整合素、细胞骨架和磷脂酶C通路有关。力学刺激导致的细胞变形可使与细胞骨架相连的一种磷脂酶C抑制子脱离原位,抑制子的解除可以允许磷脂酶C的激活。磷脂酶C又可激活蛋白激酶C通路,后者又产生第二信使三磷酸肌醇和甘油二脂,三磷酸肌醇则促使钙离子从细胞内的贮存处释放。R,L,Ducan等人的实验进一步表明力学刺激诱导的基因表达主要通过细胞内钙的释放实现。细胞外钙离子内流的途径通过SA-cat通道 [9] 。此通道是力敏感离子通道,其激活无需第二信使分子的参与,因此力转导被认为是该通道的主要功能。实验表明长期间歇机械牵拉可以提高该通道的活性和电导值,同时使通道对牵拉激活变得更为敏感并可诱导自发的通道激活。Guharay认为,在成骨细胞中细胞骨架和SA-cat通道有着密切的联系,SA-cat通道的激活可能与FSS作用下细胞骨架的张力改变有关 [10] 。Duncan报道通道介导的Ca 2+ 只在细胞膜的局部聚集,激活膜蛋白(如磷脂酶A 2 )和多种激酶而发挥作用 [11] 。Ypey等人的工作表明成骨细胞对机械刺激的反应也有K + 选择性通道。除此之外,先后有人报道机械牵拉和剪应力可使胞内cAMP浓度增高,而cAMP浓度的增高与力刺激诱导的细胞增殖和基质合成密切相关。cAMP的合成由位于细胞膜上的AC(腺苷酸环化酶)催化。可见,应力引起多种第二信使的变化来进行力信号向生物信号转化并最终影响基因的表达或蛋白的激活。虽然存在多条不同信号转导途径,但它们之间都有着密切的联系,不同的力学信号可能以不同的方式通过这些信号转导途径发挥作用。
   
  Panos G等的实验证实,力学刺激可通过MAPKs途径来发挥作用进一步激活细胞内一些重要调节因子的表达,这种作用既能增强Cbfa1基因的表达,又能提高Cbfa1蛋白与DNA的结合力 [12] 。而Cbfa1是调节成骨生长和分化的重要转录因子,因此认为Cbfa1基因表达的增强是力学刺激在成骨细胞内作用的“终点”。Peverali等发现,机械拉伸能活化MAPK,而MAPK能促进c-fos、c-jun的磷酸化,从而促进成骨细胞的分化 [13] 。外国学者在实验研究中发现,fos族中立早基因之一fosB与骨形成增加有关,过度表达δfosB(fosB基因剪切片段)的转基因鼠的骨量增加 [14] 。FSS可诱导成骨细胞中δfosB/fosB mRNA表达,且FSS诱导成骨细胞δfosB/fosB mRNA表达是通过Ca 2+ /ERK(细胞外 信号调节激酶)/CREB信号转导途径 [15] 。FSS可引起由一种Gd3+敏感性钙通道介导的钙离子内流而激活ERK1/2,进而激活CREB,激活的CREB与SRE/CRE2基因序列位点结合促进fosB基因的转录而最终引起骨量的增加 [15] 。并且研究显示,FSS诱导细胞δfosB/fosBmRNA表达不依赖前列腺素的生成 [15] 。δfosB的过度表达对成骨细胞产生的作用具有自主性和可逆性 [17,18] 。MAPKs是一类进化上保守的激酶系统,包括ERK、p38激酶和JNK,主要作用是调节转录因子磷酸化及其他靶因子对细胞外刺激(如生长因子、细胞介质及剪切应力)的反应。有研究显示FSS作用下的p38激酶和JNK活性未见明显变化 [15] 。Tseng等的研究表明有丝分裂原激动蛋白激酶(MAPKs)是细胞接受剪切应力作用后最早出现的信号反应 [18] 。

  3 应力感受性细胞间的信号传导
    
  研究表明,在体内,骨细胞和骨衬细胞通过缝隙连接相连(依附于骨骼的成骨细胞谱系细胞的95%是骨细胞和骨衬细胞),并可对应力刺激作出反应。Klein、Nulend等人的研究表明,骨细胞对剪应力的敏感性要高于成骨细胞,可见骨细胞是主要的应力感受细胞。但是,骨细胞本身不能增殖也不能合成新生骨基质,所以,目前认为,骨细胞和骨衬细胞一起在骨的功能性适应变化启动之前将力学信号整合加工,并通过缝隙连接和旁分泌的形式将相应的电、化学信号传给效应性细胞(即成骨细胞和/或破骨细胞),从而导致骨生成或骨吸收。同时成骨细胞在载荷作用下,也可以产生骨细胞所分泌的细胞因子,并作用于自身。而在感受性细胞和效应性细胞之间所进行的细胞通讯中,起主要作用的化学信号因子是PGs(蛋白多糖)和NO。有体外实验发现,培养的细胞和组织在应力作用下可出现PGs和NO分泌的增加 [19] 。下面分别介绍这两种细胞因子:PGs是花生四烯酸的代谢产物。以自分泌和旁分泌方式发挥作用。前列腺素E 2 可以促进体外培养骨骼细胞的增殖、促进碱性磷酸酶活性的增加和胶原合成的增强。此外,还可以促使成骨细胞前体细胞向成骨细胞的转化,增加成骨细胞的数量。生物合成过程中,COX(环氧化酶)是关键的调节酶。已证实,在体内使用COX-2阻滞剂可以阻滞前列腺素的产生,并可消除应力诱导的骨形成 [20] 。有研究表明,依附于细胞膜的G蛋白也可能与FSS诱导PGs分泌增加有关。如果使用G蛋白阻滞剂(GDPβS或百日咳毒素),这种应力作用所导致的PGs分泌增加可被抑制70%~80%。NO作为一种细胞间介质,极易穿透细胞膜而发挥效应。NO由NOS(一氧化氮合酶)以L-精氨酸为底物催化合成。NOS可分为cNOS(结构型)和iNOS(诱导型)两种。研究表明,胞内Ca 2+ 浓度的增高可迅速短暂地激活cNOS。1995年Pit sillides等人首次报道载荷可以诱导NO水平的变化,即大鼠成骨细胞在机械应变作用下NO合成迅速增高,他们又利用RT-PCT技术证明这些细胞可表达iNOS也可表达CNOS,表明载荷在诱导骨生长的过程中NO起到了信号转导的作用。此外,研究表明剪应力也可诱导成骨细胞和骨细胞合成NO,且剪应力诱导的NO合成是它诱导PGE 2 合成的必要条件。在大鼠体内使用NO的阻滞剂发现可抑制应力诱导的骨形成反应 [21] 。除此之外,应力作用下的多种细胞因子产生能促进骨代谢。如胰岛素样生长因子(IGF-Ⅰ)、骨形态发生蛋白(BMP)、β转化生长因子(TGF-β)等。

  4 效应性细胞的反应及其他
    
  当效应性细胞即成骨细胞和破骨细胞接收到感受性细胞通过缝隙连接或旁分泌的形式传递来的信号后,就可被激活而进行相应的骨形成或骨吸收活动。Turner等在动物实验中发现,给鼠胫骨施加超过40N可使70%的骨外膜表面编织骨形成增加,而同样的负荷却不能引起仅800um之外骨内膜骨形成的增加,可见力学信号可通过骨细胞传导,其传导距离十分有限 [22] 。此外,激素在应力对骨代谢的作用中也有一定的影响,尤其是雌激素(E 2 )。研究显示,雌激素能增强骨骼细胞对机械应力的敏感性,这种作用是通过增加前列腺素的生成而增强胞间信号传导实现的,可能与COX-1的活性增强有关,且对COX-1/COX-2mRNA的表达无影响 [23] 。另有学者报道,雌激素受体α缺陷小鼠对机械应力的反应下降 [24] 。在雌激素缺少的动物模型实验中也显示应力对增加骨矿含量作用减小 [25] 。说明骨骼细胞可根据E 2 水平的变化来改变其对一定应变水平的信号反应,然后相应地改变成骨细胞和破骨细胞的骨改建平衡。其机制尚需进一步研究。
   
  目前,虽然骨对力学刺激的感受及应答机制有了一些初步认识,仍需进一步探讨。因为骨骼和应力之间的关系是十分复杂的。这一过程涉及到多种途径、多种因子作用,而它们之间又紧密的互相联系。对其进一步深入研究,将有助于对骨骼构建与重塑过程的理解并可对骨质疏松的预防和治疗提供有效的措施。
    
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  作者单位:524023广东湛江广东医学院生理教研室

作者: 王媛 刘锡仪 2005-7-26
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