骨細(xì)胞的NOS信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路及其研究進(jìn)展

摘要：機(jī)械應(yīng)力刺激可對(duì)骨組織的骨形成及骨重塑過(guò)程產(chǎn)生重要影響，機(jī)械應(yīng)力刺激作用于骨骼后，可在骨組織內(nèi)部產(chǎn)生一系列局部信號(hào)，其中能被骨細(xì)胞識(shí)別并接收的幾種主要信號(hào)形式為細(xì)胞變形、流體剪切應(yīng)力及流動(dòng)電勢(shì)，這些局部信號(hào)作用于骨細(xì)胞后，骨細(xì)胞通過(guò)數(shù)個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通道將其接收并轉(zhuǎn)化為細(xì)胞能夠識(shí)別的一系列生化信號(hào)，NOS信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通道就是其中一個(gè)較為重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通道，本文綜合了國(guó)內(nèi)外近年來(lái)的一系列實(shí)驗(yàn)研究成果，對(duì)骨細(xì)胞的NOS信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通道及其研究進(jìn)展作一綜述。

關(guān)鍵詞：流體剪切應(yīng)力；機(jī)械應(yīng)力；NOS信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通道；骨細(xì)胞；一氧化氮合成酶

1892年Julius Wolff提出了著名的Wolff定律，揭示了機(jī)械應(yīng)力刺激可對(duì)骨組織的形態(tài)及結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響，然而Wolff定律只是一個(gè)結(jié)論，并沒(méi)有說(shuō)明該定律的具體作用機(jī)制。骨組織是如何識(shí)別并接受機(jī)械應(yīng)力刺激信號(hào)？并將該信號(hào)轉(zhuǎn)化為骨骼細(xì)胞內(nèi)的信使分子從而影響骨組織的結(jié)構(gòu)及功能？這些問(wèn)題目前尚未明確。為明確Wolff定律的作用機(jī)制，無(wú)數(shù)學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了數(shù)個(gè)骨骼細(xì)胞接受并轉(zhuǎn)化機(jī)械應(yīng)力刺激的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通道，NOS信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通道就是其中一個(gè)重要的通道。

1機(jī)械應(yīng)力刺激作用于骨組織后轉(zhuǎn)化的幾種局部信號(hào)方式

機(jī)械應(yīng)力作用于骨骼后，引起骨組織的微觀結(jié)構(gòu)的改變，產(chǎn)生一系列局部信號(hào)，這些局部信號(hào)被骨細(xì)胞及成骨細(xì)胞接收后，通過(guò)一系列信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑轉(zhuǎn)化為生化信號(hào)，通過(guò)改變細(xì)胞基因表達(dá)等途徑，引起細(xì)胞的一系列變化。目前公認(rèn)的能夠被骨組織中應(yīng)力敏感細(xì)胞感受的幾種局部信號(hào)形式為：①細(xì)胞變形：機(jī)械應(yīng)力刺激作用于骨組織后，引起骨基質(zhì)形變，進(jìn)而引起骨組織中應(yīng)力敏感細(xì)胞的形變，細(xì)胞的形變可引起細(xì)胞的一系列生化反應(yīng)。②流體剪切應(yīng)力：骨細(xì)胞存在于骨陷窩內(nèi)，骨細(xì)胞有大量樹突，這些樹突存在于骨小管內(nèi)，骨陷窩及骨小管構(gòu)成了陷窩-骨小管系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)存在著組織間液，當(dāng)骨組織受到機(jī)械應(yīng)力刺激后，會(huì)產(chǎn)生基質(zhì)形變，繼而導(dǎo)致陷窩-骨小管系統(tǒng)內(nèi)的組織間液產(chǎn)生壓力梯度，進(jìn)而在壓力梯度的作用下骨細(xì)胞周圍的組織間液產(chǎn)生流動(dòng)，形成對(duì)骨細(xì)胞的流體剪切應(yīng)力[1]。③陷窩-骨小管系統(tǒng)內(nèi)的組織間液流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的流動(dòng)電勢(shì)：骨基質(zhì)陷窩及骨小管表面帶有負(fù)電荷，陷窩-骨小管系統(tǒng)內(nèi)的組織間液在流動(dòng)時(shí)其中的陽(yáng)離子會(huì)被吸附到骨基質(zhì)，從而形成了沿著組織間液流動(dòng)方向的電位[2]。

2 NOS信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

骨細(xì)胞在受流體剪切應(yīng)力刺激后在G蛋白及Ca2+的參與下會(huì)釋放NO，NO可激活cGMP依賴的蛋白激酶（PKG）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，對(duì)內(nèi)平衡的調(diào)節(jié)及骨發(fā)育起重要作用[2]。NOS有三種異構(gòu)形式，分別為：NOS I、NOS II、NOS III，其中NOS I、NOS III為結(jié)構(gòu)型，NOS II為誘導(dǎo)型，NOS可將L-精氨酸轉(zhuǎn)化為NO，NO對(duì)成骨細(xì)胞有兩種截然相反的作用，快速高濃度釋放的NO抑制成骨細(xì)胞增殖并且誘導(dǎo)成骨細(xì)胞凋亡，緩慢低濃度釋放的NO則可刺激成骨細(xì)胞增殖[3]。Mancini等[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)NO的該兩種不同作用均由第二信使cGMP介導(dǎo)。此外，NO尚有其他作用，現(xiàn)已證實(shí)NO可抑制骨細(xì)胞的凋亡，還可促進(jìn)破骨細(xì)胞的退化及凋亡[5]。McAllister TN等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到，流體剪切應(yīng)力誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞NO釋放呈現(xiàn)出明顯的兩種形式，短暫的流體剪切應(yīng)力導(dǎo)致短暫高濃度的NO釋放，而持續(xù)穩(wěn)定的流體剪切應(yīng)力導(dǎo)致持續(xù)低濃度的NO釋放，G蛋白抑制劑及鈣螯合劑都可阻斷流體剪切應(yīng)力導(dǎo)致的短暫高濃度釋放，但不影響持續(xù)低濃度釋放，G蛋白激動(dòng)劑可促進(jìn)NO的釋放，鈣離子載體促進(jìn)短暫高濃素NO釋放，但不影響持續(xù)低濃度釋放，McAllister推論，成骨細(xì)胞含有兩種對(duì)流體剪切應(yīng)力敏感的NOS通路，一種為G蛋白及鈣依賴性通路，其控制流體剪切應(yīng)力導(dǎo)致的短暫高濃素釋放，另一種為G蛋白及鈣非依賴性通路，其控制流體剪切應(yīng)力導(dǎo)致的持續(xù)低濃度釋放。Klein等[7]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用NOS競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑L-NAME不僅可以抑制流體剪切應(yīng)力導(dǎo)致的NO釋放增加，也阻斷了PGE2釋放的增加，這提示這兩條通路存在交叉。

3總結(jié)與展望

綜上所述，機(jī)械應(yīng)力刺激信號(hào)作用于骨組織后，骨組織中產(chǎn)生三種局部信號(hào)，骨細(xì)胞接收這些局部信號(hào)后，可激活NOS信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，通過(guò)增加NO的釋放，從而對(duì)骨組織的代謝及結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一系列影響，然而，由于該信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通道涉及眾多信號(hào)分子，導(dǎo)致了相關(guān)研究的復(fù)雜性和艱巨性。目前該方面的相關(guān)研究取得了大量的新成果，但仍有許多機(jī)制尚未明確，尚需進(jìn)一步的理論探索及實(shí)驗(yàn)研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] Reich KM，Gay CV， Frangos JA. Fluid shear stress as a mediator of osteoblast cyclic adenosine monophosphate production [J].J Cell Physiol，1990，143：100-104.

[2] 張成俊，夏亞一，王常德.骨細(xì)胞力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及基因表達(dá)[J].國(guó)際骨科學(xué)雜志，2008，29（3）：182-186.

[3]李洪鵬，許建中.骨組織中細(xì)胞外間隙液流對(duì)骨骼細(xì)胞的作用[J].重慶醫(yī)學(xué)，2005，34（7）：1006-1009.

[4]Mancini L， Moradi-Bidhendi N， Becherini L，et al.The biphasic effects of nitric oxide in primary rat osteoblasts are cGMP dependent[J]. Biochem Biophys Res Commun，2000，274（2）：477-481.

[5]Skerry TM， Suva LJ.Investigation of the regulation of bone mass by mechanical loading[J]. Cell Biochem Funct，2003 ，21（3）：223-229.

[6]McAllister TN， Frangos JA.Steady and transient fluid shear stress stimulate NO release in osteoblasts through distinct biochemical pathways[J]. J Bone Miner Res， 1999，14（6）：930-936.

[7]Klein-Nulend J， Semeins CM， Ajubi NE，et al.Pulsating fluid flow increases nitric oxide （NO） synthesis by osteocytes but not periosteal fibroblasts--correlation with prostaglandin upregulation[J]. Biochem Biophys Res Commun，1995，217（2）：640-648.

編輯/申磊