壓應力對骨愈合過程中破骨細胞的作用機制研究進展

鄭未來(綜述)，于大淼，廉永云(審校)

(哈爾濱醫(yī)科大學附屬第四醫(yī)院骨科，哈爾濱 150001)

壓應力對骨愈合過程中破骨細胞的作用機制研究進展

鄭未來△(綜述)，于大淼，廉永云※(審校)

(哈爾濱醫(yī)科大學附屬第四醫(yī)院骨科，哈爾濱 150001)

摘要：近年來運用力學技術(shù)治療骨不愈合成為骨科領(lǐng)域的重點，尤其是壓應力學對骨細胞作用的分子機制研究更是臨床醫(yī)師和廣大科研工作者研究的熱點。該文通過分析引起骨不連的力學因素以及骨保護素/細胞核因子κB受體活化因子配基信號系統(tǒng)的組成和相互作用，進一步探討壓應力抑制破骨細胞分化的內(nèi)在機制，從而為更深一步拓寬醫(yī)學與工程學尤其是力學領(lǐng)域的通力合作打下堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：破骨細胞；壓應力；骨保護素/細胞核因子κB 受體活化因子配基/細胞核因子κB 受體活化因子

骨不愈合變化復雜，影響因素眾多，其發(fā)生率為5%～7%，好發(fā)于四肢長管狀骨骨干[1]，對患者的生活質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，同時給患者家庭以及社會帶來沉重的負擔。破骨細胞是骨細胞中一種重要的成分，其功能與成骨細胞相對立，對骨骼的成長和塑形起重要作用，其在骨折后骨骼的重構(gòu)中亦起重要作用。由于骨組織結(jié)構(gòu)復雜,破骨細胞在骨折愈合的各個時期都表現(xiàn)出吞噬能力，并且其活性明顯強于成骨細胞，骨不連時骨吸收力度遠大于骨形成的力度?，F(xiàn)就壓應力對骨愈合過程中破骨細胞相關(guān)分子方面的作用機制予以綜述。

1壓應力對骨愈合的影響

臨床經(jīng)驗表明，除嚴重骨質(zhì)疏松以及代謝性疾病外，全身因素對骨折后的愈合影響并不大[2]。研究表明，骨組織所受的應力可影響骨折的愈合[3]，但詳細機制尚待進一步研究。Iwakura等[4]研究發(fā)現(xiàn)，骨不連細胞廣泛存在于骨不連斷端組織中，其某些功能與骨髓間充質(zhì)干細胞相近。骨折愈合早期，縱向的壓應力能刺激成骨細胞分化，抑制破骨細胞成熟，有利于骨折的愈合；同時縱向的壓應力可加速鈣鹽的沉積，促使骨的密度與結(jié)構(gòu)更加牢固可靠[5]。縱向的壓應力對骨吸收有一定的制約作用，對骨形成有一定的促進作用。而剪應力的作用完全相反，經(jīng)剪應力刺激后兩骨折端成纖維細胞大量增生，同時兩骨折端的摩擦破壞新生的骨痂和微小血管，以至于骨修復過程延遲，甚至停止。

2破骨細胞的起源以及與壓應力相關(guān)的細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)

破骨細胞直徑約為100 μm，不同的細胞內(nèi)所含精密堆積核的數(shù)量不同，其數(shù)值為2～50[6]。破骨細胞分布于體內(nèi)骨組織各個部分,如骨組織表面以及骨組織血管內(nèi)。

2.1破骨細胞的起源以及細胞內(nèi)生物學信號變化破骨細胞是骨組織中的重要成分，在骨吸收的過程中起非常關(guān)鍵的作用。自發(fā)現(xiàn)破骨細胞至今，其起源一直存在很大爭議。目前認為，血系多能造血干細胞是破骨細胞的主要來源[7]。研究發(fā)現(xiàn)，在骨吸收過程中，骨保護素(osteoprotegerin,OPG)/細胞核因子κB 受體活化因子配基(receptor activator of nuclear factor-κB ligand,RANKL)/細胞核因子κB 受體活化因子(receptor activator of NK-κB,RANK)信號通路系統(tǒng)明顯被激活，說明生物學信號與骨不愈合密不可分[8]。

2.2RANK/RANKL/OPG系統(tǒng)的激活影響破骨細胞RANKL和OPG是腫瘤壞死因子家族成員。OPG是1977年Simonet發(fā)現(xiàn)的一個與骨量密切相關(guān)的基因，該基因定位于人染色體8q23～24,長27 kb，含有5個外顯子，編碼蛋白與腫瘤壞死因子受體類似，因此命名為OPG[9]。骨組織內(nèi)成骨細胞、成纖維細胞以及骨髓干細胞均表達OPG，OPG受到體內(nèi)多種細胞因子和激素調(diào)控。Belibasakis和Bostanci[10]的實驗發(fā)現(xiàn)，OPG轉(zhuǎn)基因大鼠切除卵巢后骨量未丟失。OPG通過OPG/RANK/RANKL系統(tǒng)促進破骨細胞的凋亡以及抑制破骨細胞的分化，從而促進骨缺損的修復，有利于骨不連的愈合[11-12]。RANK屬于腫瘤壞死因子家族成員，其存在于骨骼和胸腺，為Ⅰ型跨膜蛋白，以三聚體形式進行信號轉(zhuǎn)導[13-14]。Pilichou等[15]研究發(fā)現(xiàn)，RANK細胞外區(qū)由183個氨基酸組成，跨膜區(qū)由21個氨基酸組成，細胞質(zhì)區(qū)由383個氨基酸組成。RANKL起源點很多,成骨細胞是其中之一，其實質(zhì)為三聚體Ⅱ型跨膜蛋白，相對分子質(zhì)量約為38 000，易受前列腺素、甲狀旁腺素等體液調(diào)節(jié)的控制；同時，RANKL具有引起炎癥反應的作用，腫瘤壞死因子及白細胞介素與骨密度具有極高的相關(guān)性，但是在破骨細胞成熟分化以及凋亡方面，RANKL作用更強[16]。RANKL可分為兩種類型，一種為膜嵌合型，另一種為細胞質(zhì)型；膜嵌合型分布于細胞膜表面，為三聚體形式，而細胞質(zhì)型分布以可溶形式存在于細胞質(zhì)內(nèi)，兩種類型RANKL均具有生物活性，且具有易溶性RANKL的活性尤為突出[17]。RANK受體蛋白具有特異性，位于破骨細胞前體細胞上，易被RANKL識別，兩者結(jié)合后促進破骨細胞分化的能力即被釋放出來[18]。

2.3骨折微環(huán)境通過OPG系統(tǒng)影響破骨細胞的成熟分化在諸多破壞因素影響下,骨折端微環(huán)境促使RANKL與RANK快速結(jié)合,破骨前體細胞立即接收RANKL自身信號,開啟“多米諾骨牌”，前體細胞劇增；而破骨細胞成熟化則在瞬間完成。OPG的出現(xiàn)提示，成骨細胞與破骨細胞的相互作用及如何阻斷破骨細胞前體細胞分化為破骨細胞這一鏈條。當OPG大量存在時,其促使成骨細胞與破骨細胞的功能發(fā)生此消彼長的趨勢，RANKL為OPG的配體；當OPG與RANKL結(jié)合時,打斷了RANKL與RANK偶合的途徑,破骨細胞也就無法分化成熟，仍然停留在前體階段，其作用消失[19]。

2.4壓應力抑制破骨細胞分化成骨細胞與破骨細胞密切相關(guān)，于大淼和廉永云[20]就壓應力對雄性大鼠成骨細胞的分子作用機制進行相關(guān)實驗，結(jié)果較為理想，找到了引起OPG與RANKL正性調(diào)節(jié)的合理量化值(包括壓應力的大小、時間以及壓應變頻率等)。雖然破骨細胞不像成骨細胞可以在體外獨立存在，但是相關(guān)實驗方法和技術(shù)卻可以為下一步破骨細胞的實驗所借鑒。通過觀察RANKL/OPG比值顯著變化發(fā)現(xiàn)，在壓應力時間為4 h、壓應變頻率為1 Hz、壓應力為12 MPa 時正性調(diào)節(jié)最佳[21]。當然由于每個科研實驗組所使用的體外壓應力裝置不同，科研方法以及角度途徑不同，得出具體量化值亦不同，但是至少說明壓應力對于成骨細胞功能有積極的促進作用。段莉和鄭根建[22]通過探討體外破骨細胞分化在兩種不同培養(yǎng)方法時所受到的影響，分析破骨細胞分化過程中的關(guān)鍵信號——Notch2分子信使RNA和蛋白表達水平的差異，為進一步破骨細胞功能實驗奠定基礎(chǔ)。有學者通過對運動員的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，自行車運動員前臂骨密度強于其他類型運動員；舉重運動員整體骨密度高于其他類型運動員；劃船運動員脊柱骨密度較高等，這些現(xiàn)象是應力通過引起破骨細胞活性減弱以及成骨細胞活性增強，從而影響骨骼發(fā)育的結(jié)果[23-25]。趙熠等[26]總結(jié)出影響破骨細胞分化的諸多因子，為此后的研究提供了更廣闊的思路。

2.5壓應力作用于破骨細胞的機制壓應力能改變RANKL和RANK的結(jié)合度，從而抑制破骨細胞成熟，弱化破骨細胞的分化程度，減少骨吸收,強化成骨細胞的影響,刺激骨纖維連接，加強骨重構(gòu)及重構(gòu)后的強度。RANKL/OPG比值在壓應力影響下起伏不定,比值上升時表明骨吸收能力加強，反之則減弱[27]?？梢?破骨細胞的能力具體是由RANKL/OPG比值來體現(xiàn)。RANKL在加力4 h后減少至最低點,OPG在加力后1 h減少至最低點，4 h升至最高[28]。通過分析得出破骨細胞形成過程較為復雜。在壓應力、壓應變頻率以及時間在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)改變的情況下，RANKL與OPG也在發(fā)生著相應的變化,并對骨密度以及骨強度有巨大的調(diào)節(jié)作用[29]。劉曉春和黃東[30]發(fā)現(xiàn)，白細胞介素1受體相關(guān)激酶4對成骨細胞分化骨形成蛋白-Smad通道有一定的影響。OPG的發(fā)現(xiàn)，使成骨細胞與破骨細胞的相互作用成為了可能。但是壓應力對于成骨細胞與破骨細胞的調(diào)節(jié)有無先后順序，是否需要其他力學信號加以輔助，或者OPG/RANKL/RANK信號系統(tǒng)本身也只是在骨重構(gòu)中的協(xié)調(diào)系統(tǒng)，而不起主要作用等問題目前尚不清楚?，F(xiàn)有學者發(fā)現(xiàn)，破骨細胞通過微管將信號傳遞至骨表面，并建立相對完整的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其形態(tài)類似于神經(jīng)元的反射弧[31]。OPG/RANKL/RANK系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)確實是骨重構(gòu)過程的一個突破。對于 OPG/RANK/RANKL系統(tǒng)的研究，現(xiàn)在仍然處于初級階段，許多問題有待解決，如在骨吸收和骨重構(gòu)過程中，該系統(tǒng)的作用以及在相同壓力環(huán)境下，研究成骨細胞的相關(guān)量化條件能否適用于破骨細胞，至今還是一個謎。特別是隨著其他力學信號以及信號通路的發(fā)現(xiàn)，這一問題將變得越來越復雜。

3小結(jié)

壓應力通過細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)作用于骨細胞，現(xiàn)階段不同的實驗室得出的數(shù)據(jù)有所差異，但是適宜的刺激可抑制破骨細胞成熟促進骨折愈合，這一點在臨床上已有證實。今后的研究方向要對壓應力作用于破骨細胞影響的認識更加理論化，找出能指導臨床患者功能鍛煉的合理數(shù)據(jù)并開發(fā)相關(guān)藥物，加快骨折愈合的速度，減少患者的痛苦以及減輕家庭負擔。

參考文獻

[1]Borrelli J Jr，Prickett WD，Ricci WM．Treatment of nonunions and osseous defects with bone graft and calcium sulfate[J]．Clin Orthop Relat Res，2003(411)：245-254．

[2]Schafer AL,Sellmeyer DE,Palermo L,etal.Six months of parathyroid hormone (1-84) administered concurrently versus sequentially with monthly ibandronate over two years:the PTH and ibandronate combination study (PICS) randomized trial[J].J Clin Endocrinol Metab， 2012，97(10):3522-3529.

[3]Rodriguez-Merchan EC,Forriol F．Nonunion:general principles and experimental data[J].Clin Orthop Relat Res，2004(419):4-12．

[4]Iwakura T,Miwa M,Sakai Y,etal.Human hypertrophic nonunion tissue contains mesenchymal progenitor cells with multilineage capacity in vitro[J].J Orthop Res,2009,27(2):208-215.

[5]Sun X，McLamore E，Kishore V，etal．Mechanical stretch induced calcium elflux from bone matrix stimulates osteoblasts[J]．Bone，2012，50(3)：581-591．

[6]Teitelbaum SL,Ross FP.Genetic regulation of osteoclast development and function[J].Nat Rev Genet,2003,4(8):638-649.

[7]田雪飛．破骨細胞的來源[J]．國外醫(yī)學：口腔醫(yī)學分冊，2002，29(4):354-356．

[8]Murthy RK,Morrow PK,Theriault RL.Bone biology and the role of the RANK ligand pathway[J].Oncology (Williston Park),2009,23(14 Suppl 5):9-15．

[9]Siar CH,Tsujigiwa H,Ishak I，etal.RANK,RANKL,and OPG in recurrent solid/multicystic ameloblastoma:their distribution patterns and biologic significance[J].Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol，2015,119(1):83-91.

[10]Belibasakis GN,Bostanci N.The RANKL-OPG system in clinical periodontology[J].J Clin Periodontol，2012，39(3):239-248.

[11]Lee SJ,Nam KI,Jin HM,etal.Bone destruction by receptor activator of nuclear factor κB ligand-expressing T cells in chronic gouty arthritis[J].Arthritis Res Ther,2011,13(5):164.

[12]Ciacli C,Puschita M.RANKL/RANK/OPG molecular complex-control factors in bone remodeling in psoriatic arthritis[J].Rev Med Chir Soc Med Nat Iasi,2011,115(2):354-360.

[13]Coluzzi F,Di Bussolo E,Mandatori I,etal.Bone metastatic disease:taking aim at new therapeutic targets[J].Curr Med Chem,2011,18(20):3093-3115.

[14]Kamiya S,Okumura M,Chiba Y,etal.IL-27 suppresses RANKL expression in CD4+T cells in part through STAT3[J].Immunol Lett,2011,138(1):47-53.

[15]Pilichou A,Papassotiriou I,Michalakakou K,etal.High levels of synovial fluid osteoprotegerin (OPG) and increased serum ratio of receptor activator of nuclear factor-κB ligand (RANKL) to OPG correlate with disease severity in patients with primary knee osteoarbritis[J].Clin Biochem,2008,41(9):746-749.

[16]Nakashima T,Hayashi M,Fukunaga T,etal.Evidence for osteocyte regulation of bone homeostasis through RANKL expression[J].Nat Med， 2011，17(10):1231-1234.

[17]Looney RJ,Schwarz EM,Boyd A,etal.Periprosthetic osteolysis：an immunologist′s update[J].Curr Opin Rheumatol,2006,18 (1)：80-87.

[18]于大淼，廉永云.骨搬移技術(shù)治療骨不連的分子機制研究初探[J].醫(yī)學綜述，2014,20(7)：1156-1158.

[19]仲蕾蕾,楊冰,黃曉斌,等.OPG/RANK/RANKL系統(tǒng)在成骨細胞與破骨細胞相互調(diào)節(jié)中的作用[J].中國骨質(zhì)疏松雜志,2011,17(11)：1010-1012.

[20]于大淼，廉永云.骨搬移技術(shù)治療骨不連的分子機制體外動物實驗研究-新型力學加載式生物反應器對雄性大鼠成骨細胞OPG/RANKL表達的影響[J].環(huán)球中醫(yī)藥，2013,1(6)：28-29.

[21]于大淼.新型力學加載式生物反應器對雄性大鼠成骨細胞OPG/RANKL表達的影響[D].哈爾濱：哈爾濱醫(yī)科大學，2013.

[22]段莉，鄭根建.兩種不同細胞培養(yǎng)方法對破骨細胞分化及Notch2基因表達的影響[J].海南醫(yī)學院學報，2012,18(8)：1009-1012.

[23]李世昌，季瀏，劉體偉，等.不同方式運動對去卵巢大鼠骨密度、骨生物力學及代謝指標的影響[J].體育學刊，2012，19(2)：132-137.

[24]Iwamoto J.Effect of exercise on developing bone mass and cortical bone geometry[J].Clin Calcium,2011,21(9):1323-1328.

[25]房冬梅.生長期骨量與不同沖擊力運動的關(guān)系[J].中國組織工程研究與臨床康復，2007,11(36)：7248-7251.

[26]趙熠,蔡育,王貽寧.破骨細胞前體細胞的研究進展[J].國際口腔醫(yī)學雜志，2011，8(6)：670-673.

[27]Novack DV.Role of NF-kappaB in the skeleton[J].Cell Res，2011,21(1):169-182.

[28]You L,Temiyasathit S,Lee P,etal.Osteocytes as mechanosensors in the inhibition of bone resorption due to mechanical loading[J].Bone,2008,42(1):172-179.

[29]Di S,Tian Z,Qian A,etal.Large gradient high magnetic field affects FLG29.1 cells differentiation to form osteoclast-like cells[J].Int J Radiat Biol，2012，88(11):806-813.

[30]劉曉春，黃東.IRAK-4對成骨細胞分化BMP-Smad通道的影響[J].中國醫(yī)藥指南，2013,11(23):53-54.

[31]Tatsumi S,Ishii K,Amizuka N,etal.Targeted ablation of osteocytes induces osteoporosis with defective mechanotransduction[J]．Cell Metab，2007，5(6)：464-475．

The Compressive Stress on the Mechanism of Osteoclasts during Bone HealingZHENGWei-lai,YUDa-miao,LIANYong-yun.(DepartmentofOrthopedics,theFourthAffiliatedHospitalofHarbinMedicalUniversity，Harbin150001，China)

Abstract：Over the last period the use of mechanical treatment of bone nonunion,especially study on the molecular mechanism of compressive stress on the bone cells has become the focus of the orthopedic field.Here analyzes the factors causing the composition of nonunion mechanics and osteoprotegerin/receptor activator of nuclear factor κB ligand signaling system,and further explores the intrinsic mechanisms of how stress suppresses osteoclast differentiation,so as to lay a solid foundation for deeper cooperation between medicine and engineering,especially mechanics.

Key words:Osteoclasts; Compressive stress; Osteoprotegerin/receptor activator of nuclear factor κB ligand/receptor activator of nuclear factor κB

收稿日期：2014-10-30修回日期：2015-02-17編輯：鄭雪

基金項目：黑龍江省教育廳科學技術(shù)研究項目(12521182)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.17.009

中圖分類號:R68

文獻標識碼:A

文章編號：1006-2084(2015)17-3095-03