成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞與骨折愈合的相關(guān)性研究進(jìn)展

張葆鑫　王興國(guó)　郝廷

[摘要] 骨折是骨科臨床最常見的疾病，指骨的力學(xué)完整性喪失，同時(shí)也包括局部軟組織與血管的損傷。骨折愈合是指對(duì)骨組織創(chuàng)傷局部的修復(fù)，是一個(gè)連續(xù)不斷的過(guò)程，一面清除破壞，一面再生修復(fù)，其本質(zhì)就是骨折斷端發(fā)生的骨重建塑型過(guò)程。由成骨細(xì)胞主導(dǎo)的骨形成與由破骨細(xì)胞主導(dǎo)、成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞共同調(diào)控的骨吸收在骨重建過(guò)程中起重要作用，但有關(guān)兩者與骨折愈合的關(guān)聯(lián)性未見系統(tǒng)報(bào)道。本文以細(xì)胞生物學(xué)功能為出發(fā)點(diǎn)，從成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞對(duì)骨形成、骨吸收的影響入手對(duì)成骨/破骨細(xì)胞與骨折愈合的關(guān)聯(lián)性做系統(tǒng)性綜述。

[關(guān)鍵詞] 成骨細(xì)胞；破骨細(xì)胞；骨折愈合；骨形成；骨吸收

[中圖分類號(hào)] R683 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673-9701（2017）17-0161-04

[Abstract] Fracture is the most common disease in the orthopedics，the mechanical integrity of phalanx is lost，and the damage of local soft tissue and blood vessels is also included in fracture. Fracture healing refers to the local repair of bone tissue trauma，and is a continuous process，with removing the damage on the one hand and regeneration and repair on the other hand. Its essence is the bone reconstruction and plastic process occurred at fracture ends. Bone formation dominated by osteoblasts and bone resorption which is dominated by osteoclasts，co-regulated by osteoblasts，play an important role in bone remodeling. But the association between the two and bone healing is not reported. In this paper，the relationship between osteoblasts/osteoclasts and bone healing was systematically reviewed based on the influence of osteoblasts and osteoclasts on bone formation and bone resorption，with cell biology function as a starting point.

[Key words] Osteoblasts；Osteoclasts；Fracture healing；Bone formation；Bone resorption

骨折是骨科臨床最常見、發(fā)生率最高的疾病，骨組織屬于可再生性組織，其修復(fù)進(jìn)程是一個(gè)復(fù)雜的生理過(guò)程，且影響因素眾多，不僅受患者自身因素及環(huán)境因素的影響，也受微觀性因素如細(xì)胞因子、體細(xì)胞、內(nèi)分泌因素的影響。據(jù)臨床流行病學(xué)資料統(tǒng)計(jì)，美國(guó)每年約有10萬(wàn)骨折患者發(fā)生預(yù)后不良甚至骨不連[1]，全球約有5%～10%的骨折患者由于治療不當(dāng)或其他因素造成骨折不愈合、延遲愈合及骨不連[2]。因此，探索骨折愈合的影響因素對(duì)于骨折愈合的預(yù)后與治療具有深遠(yuǎn)意義，而隨著細(xì)胞生物學(xué)與遺傳學(xué)等學(xué)科的深入研究，越來(lái)越多與骨折愈合相關(guān)的功能型細(xì)胞見諸報(bào)道。骨折愈合的本質(zhì)是一個(gè)持續(xù)不斷的骨質(zhì)破壞清除與再生修復(fù)的進(jìn)程，其基礎(chǔ)是骨膜成骨細(xì)胞的再生，而成骨細(xì)胞并非單獨(dú)起作用，而是與破骨細(xì)胞相互作用、相互影響共同調(diào)控骨吸收/骨形成起作用，本文就成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞與骨折愈合的關(guān)聯(lián)性。

1 骨折愈合概述

骨折是指骨的力學(xué)完整性喪失，同時(shí)也包括局部軟組織與血管的損傷。骨折愈合是指對(duì)骨組織創(chuàng)傷局部的修復(fù)，是骨折斷端間的組織修復(fù)反應(yīng)，這種反應(yīng)表現(xiàn)為骨折的愈合過(guò)程，最終結(jié)局是恢復(fù)骨骼的正常結(jié)構(gòu)與功能。這一過(guò)程與軟組織愈合的不同點(diǎn)在于軟組織主要通過(guò)顯微組織完成愈合過(guò)程，而骨折愈合還需要使纖維組織繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)楣墙M織以完成骨折愈合過(guò)程。骨折愈合是涉及到眾多不同種類的骨細(xì)胞、細(xì)胞因子、基因的相互作用的復(fù)雜的生理過(guò)程，大致可分為肉芽組織修復(fù)期、原始骨痂形成期、成熟骨板期與塑型期四個(gè)階段[3]：（1）肉芽組織修復(fù)期：骨折局部血腫機(jī)化，骨折斷端正常骨性結(jié)構(gòu)及周圍軟組織均受損，毛細(xì)血管侵入血腫后，血腫分化成成纖維細(xì)胞進(jìn)而分化成為膠原纖維而形成肉芽組織，此過(guò)程一般在骨折發(fā)生后2～3周內(nèi)完成；（2）原始骨痂形成期：骨痂即骨折斷端的受損組織刺激細(xì)胞增生后形成的機(jī)構(gòu)與來(lái)源上均為復(fù)合型的組織，可根據(jù)其來(lái)源與部位分為內(nèi)骨痂、外骨痂、橋梁骨痂與連接骨痂，骨痂形成期即骨外膜及骨內(nèi)膜的膜內(nèi)骨化過(guò)程。在這一階段中，骨折處骨化部分逐漸接近并整合，骨折端血腫通過(guò)肉芽組織形成開始骨化，最終內(nèi)外骨痂與橋梁骨痂及連接骨痂融合，代表著原始骨痂正式形成，這一過(guò)程在骨折后6～12周內(nèi)完成；（3）成熟骨板期：這一階段中，骨痂的范圍與密度逐漸增加，表現(xiàn)為骨痂處新生的骨小梁數(shù)量增多、排列逐漸趨于規(guī)則，并且隨著血管與成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞侵入死骨逐漸完成死骨的清除與替代過(guò)程，骨痂與骨質(zhì)交界線變得模糊不清并漸漸消失，骨痂被破骨細(xì)胞逐步清除后由板狀骨替代。此過(guò)程發(fā)生于骨折后8～12周，且在這一階段骨折端髓腔仍處于封閉狀態(tài)；（4）塑型期：骨的塑型期是成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞共同作用的結(jié)果，使骨折斷端處的骨結(jié)構(gòu)按照力學(xué)原理重新改造，與此同時(shí)封閉的髓腔再通，多余的骨痂被清除，骨折痕跡大致消失不見。此階段發(fā)生在骨折后1～2年內(nèi)完成。

2 骨折愈合的影響因素

2.1 全身因素

骨折愈合的全身因素包括吸煙史、激素（如甲狀腺激素、皮質(zhì)類激素及性激素等）、全身綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)、骨質(zhì)疏松癥等、是影響骨折愈合的非主要影響因素。

2.2 局部因素

骨折愈合的局部因素眾多，大致可分為有利影響因素與不利影響因素：（1）有利性因素：局部血液供應(yīng)良好，骨折端局部受傷較輕或穩(wěn)定性好，局部生長(zhǎng)因子數(shù)，局部生理符合等。（2）不利性因素：局部血液供應(yīng)不良，骨折端局部受傷較重或穩(wěn)定性欠佳，局部有感染或骨髓病變，局部腫瘤影響，手術(shù)治療后造成的內(nèi)置物過(guò)大、排斥反應(yīng)、植骨量不足引起的局部愈合障礙等因素。

2.3 藥物因素

西方的學(xué)者們認(rèn)為骨折愈合是自然的過(guò)程，沒有藥物可以促進(jìn)骨折的愈合，但在骨折愈合初期階段，由于炎癥反應(yīng)的存在，抗炎藥物如吲哚美辛、阿司匹林等確實(shí)可以通過(guò)影響血管擴(kuò)張進(jìn)與局部血氧供應(yīng)來(lái)影響骨折愈合，另外四環(huán)素類、皮質(zhì)酮類、抗凝藥及抗腫瘤藥物均能影響骨折愈合；中藥對(duì)骨折的治療在我國(guó)歷史上屢見不鮮，國(guó)內(nèi)學(xué)者經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，中成藥如丹參、當(dāng)歸、肉桂、煅狗骨與麥飯石等單方藥或益氣化瘀劑、接骨散、益氣活血湯、理氣活血?jiǎng)⑸∠笃に幐嗟葟?fù)方藥劑具有促進(jìn)骨折愈合的功效[4-11]。

2.4 物理性因素

電磁療法是促進(jìn)骨折愈合、預(yù)防骨不連的一種較為有效的方法。首先，電磁療法可以通過(guò)其電信號(hào)刺激細(xì)胞增殖、分化，并向成骨方面轉(zhuǎn)化；其次，點(diǎn)此療法可以通過(guò)其脈沖磁場(chǎng)可以改變骨細(xì)胞及軟骨細(xì)胞的生物學(xué)功能進(jìn)而消除骨橋之間的軟組織促進(jìn)骨折愈合；第三，電磁療法可以促進(jìn)血液供應(yīng)以及刺激生長(zhǎng)因子的釋放增加。氧張力也是影響骨折愈合的因素之一，骨折處的局部相對(duì)缺氧有利于軟骨形成與骨形成。有些研究發(fā)現(xiàn)，新生骨組織中的氧張力處于相對(duì)較低的水平。

2.5 與骨折愈合相關(guān)的細(xì)胞、蛋白及其他生物活性因素

從細(xì)胞學(xué)與分子生物學(xué)角度看來(lái)，骨折的愈合與體內(nèi)的細(xì)胞因子及相關(guān)骨細(xì)胞與蛋白密切相關(guān)。上世紀(jì)60年代，Urist等通過(guò)實(shí)驗(yàn)與臨床證實(shí)發(fā)現(xiàn)了骨形成蛋白（bone morphogenic protein，BMP）有持續(xù)骨誘導(dǎo)作用，能促進(jìn)組織修復(fù)，進(jìn)而促進(jìn)骨愈合；Banks與Peck在1977年通過(guò)體外研究中發(fā)現(xiàn)骨源性生長(zhǎng)因子（bone-derived growth factor，BDGF）能夠刺激軟骨的合成與軟骨細(xì)胞的增殖復(fù)制，促進(jìn)軟骨的修復(fù)進(jìn)程；1982年，F(xiàn)arley與Baylin發(fā)現(xiàn)了在骨形成與骨吸收中重要影響因子骨生長(zhǎng)因子（skeletal growth factor，SGF），具有促進(jìn)骨形成與調(diào)控骨形成——骨吸收平衡的功能；眾多骨細(xì)胞中，成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞是介導(dǎo)骨吸收與骨形成的關(guān)鍵因素，在骨折愈合中調(diào)控新骨形成以及骨重建的平衡，是影響骨折愈合的關(guān)鍵細(xì)胞；此外，轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β（transforming growth factor β，TGF-β）、血小板源性生長(zhǎng)因子（platelet-derived growth factor，PDGF）、軟骨源生長(zhǎng)因子（cartilage-derived factor）也是影響骨折愈合的相關(guān)物質(zhì)。

3 成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞的結(jié)構(gòu)及主要生物學(xué)功能

3.1 成骨細(xì)胞的結(jié)構(gòu)及生物學(xué)功能

成骨細(xì)胞是骨形成的主要功能細(xì)胞，其主要功能是主導(dǎo)骨基質(zhì)的合成、分泌和礦化過(guò)程，其分泌的骨基質(zhì)包括糖蛋白與膠原蛋白，不僅會(huì)影響骨組織生理?xiàng)l件下的生長(zhǎng)與代謝，同時(shí)影響損傷狀態(tài)下骨組織的修復(fù)重建。生理狀態(tài)下，骨組織不斷地進(jìn)行著代謝并重建，骨組織也通過(guò)骨重建進(jìn)行自身?yè)p傷的修復(fù)以保持其正常的形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能的穩(wěn)定性。骨重建過(guò)程包括破骨細(xì)胞貼附在舊骨區(qū)域，分泌酸性物質(zhì)溶解礦物質(zhì)，分泌蛋白酶消化骨基質(zhì)，形成骨吸收陷窩；其后，成骨細(xì)胞移行至被吸收部位，分泌骨基質(zhì)，骨基質(zhì)礦化而形成新骨。

成骨細(xì)胞與成纖維細(xì)胞、脂肪細(xì)胞以及肌細(xì)胞同源，均來(lái)源于間充質(zhì)細(xì)胞前體細(xì)胞的分化[12-15]，且成骨細(xì)胞本身并不增殖。人體內(nèi)的成骨細(xì)胞按照是否具有生物學(xué)功能分為非功能型與功能型成骨細(xì)胞：（1）非功能型成骨細(xì)胞呈扁平狀，由于不具有生物學(xué)功能因而內(nèi)含細(xì)胞器較少，沿骨表面排列；（2）功能型成骨細(xì)胞呈立方形，彼此相連接成一排，單個(gè)細(xì)胞直徑約20 μm大小，其細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)在電鏡下可見有大量的粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體與線粒體[16]。

3.2 破骨細(xì)胞的結(jié)構(gòu)及生物學(xué)功能

破骨細(xì)胞是一種骨細(xì)胞，行使骨吸收的功能，組織蛋白酶K的高度表達(dá)是其生物學(xué)標(biāo)志。有關(guān)破骨細(xì)胞的來(lái)源問(wèn)題眾說(shuō)紛紜，從最初的骨原細(xì)胞融合學(xué)說(shuō)，到單核吞噬細(xì)胞融合學(xué)說(shuō)，再到80年代被學(xué)者通過(guò)細(xì)胞離體培養(yǎng)證實(shí)，得出破骨細(xì)胞來(lái)源于骨髓干細(xì)胞。破骨細(xì)胞較成骨細(xì)胞大，其細(xì)胞直徑約30～100 μm，內(nèi)含幾十到上百個(gè)細(xì)胞核以及大量的溶酶體、線粒體、核糖體。電鏡下觀察可發(fā)現(xiàn)有很多結(jié)構(gòu)完全不同的亞結(jié)構(gòu)位于破骨細(xì)胞的褶皺膜上，這些亞結(jié)構(gòu)是破骨細(xì)胞行使骨吸收功能的保證[17]，而褶皺膜由于其不規(guī)則的表面大大增加了各個(gè)亞結(jié)構(gòu)之間的接觸面積，進(jìn)而極大程度上增加了破骨細(xì)胞骨吸收的作用面積。破骨細(xì)胞行使骨吸收功能。首先，破骨細(xì)胞是人體內(nèi)唯一具有溶解骨組織能力的細(xì)胞，一個(gè)破骨細(xì)胞可以溶解由100個(gè)成骨細(xì)胞共同形成的骨質(zhì)，因而是骨代謝過(guò)程中的核心功能細(xì)胞。其次，破骨細(xì)胞是一種可以移動(dòng)的細(xì)胞，它可以在一處進(jìn)行骨吸收作用后移行至另一處繼續(xù)進(jìn)行骨吸收[18]。

4 成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞在骨折愈合中的作用

骨折愈合是一個(gè)連續(xù)不斷的過(guò)程，一面清除破壞，一面再生修復(fù)，其本質(zhì)就是骨折斷端發(fā)生的骨吸收、骨形成與骨重建塑型的過(guò)程。主要由成骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨形成與主要由破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收在這一過(guò)程中起到重要作用，通過(guò)調(diào)節(jié)成骨與骨清除作用，在骨折愈合時(shí)期增強(qiáng)骨形成促使新骨組織增殖形成，同時(shí)促進(jìn)骨吸收加快以促使骨痂破壞清除，完成骨組織的再生修復(fù)[19]。

骨吸收主要是由破骨細(xì)胞介導(dǎo)的，在骨吸收與骨重建過(guò)程中作為重要的啟動(dòng)因子。骨吸收可分為5個(gè)階段：（1）破骨細(xì)胞附著于骨表面；（2）破骨細(xì)胞的極化；（3）細(xì)胞分泌物質(zhì)啟動(dòng)破骨作用；（4）啟動(dòng)后的破骨細(xì)胞脫離骨表面；（5）脫離后的破骨細(xì)胞移行至新的骨表面進(jìn)行下一次的骨吸收過(guò)程。首先，由于破骨細(xì)胞含有大量的磷酸酶、溶酶體等物質(zhì)，游離的破骨細(xì)胞附著在骨膜表面后即分泌酸與酶，繼而啟動(dòng)骨吸收；其次，破骨細(xì)胞的分泌的酸主導(dǎo)的骨溶解，加速骨清除與骨破壞，促使骨組織脫礦；而破骨細(xì)胞分泌的酶主導(dǎo)骨的膠原降解，繼而將剩余的有機(jī)物清除分解，進(jìn)一步完成骨吸收[18]。

成骨細(xì)胞不僅在骨形成的過(guò)程中起重要作用，而且與破骨細(xì)胞共同作用調(diào)控骨吸收[20，21]。一方面，成骨細(xì)胞通過(guò)合成并分泌膠原蛋白與糖蛋白，在骨吸收處形成非礦化骨基質(zhì)，這是骨形成的基礎(chǔ)，隨后鈣磷結(jié)晶沉淀與骨基質(zhì)中使骨基質(zhì)鈣化，形成骨組織，即新骨形成[22]；此外，成骨細(xì)胞還可以分泌堿性磷酸酶以介導(dǎo)骨組織礦化。另一方面，成骨細(xì)胞也參與調(diào)控骨吸收[23]。成骨細(xì)胞合成并分泌的糖蛋白骨橋素是破骨細(xì)胞附著于骨面啟動(dòng)骨吸收過(guò)程的重要因子，其分泌的骨涎蛋白直接參與骨吸收過(guò)程，而破骨細(xì)胞脫離骨面后，成骨細(xì)胞則進(jìn)入骨面開始介導(dǎo)成骨活動(dòng)[24，25]。

總之，骨折愈合是個(gè)反復(fù)進(jìn)行的骨形成與骨吸收的復(fù)雜過(guò)程。成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞在此過(guò)程中相互影響對(duì)方的生物學(xué)活性，且這種作用是雙向的，即成骨細(xì)胞既可以促進(jìn)又可以抑制破骨細(xì)胞的形成與分化。當(dāng)成骨細(xì)胞體現(xiàn)出生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)時(shí)，骨形成機(jī)制活躍，促使骨組織形成，加速骨愈合；而成骨細(xì)胞體現(xiàn)其生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)時(shí)又會(huì)分泌作用于破骨細(xì)胞的細(xì)胞因子，進(jìn)而激發(fā)破骨細(xì)胞的骨吸收作用，加速對(duì)骨痂的清除，而破骨細(xì)胞也會(huì)反作用于成骨細(xì)胞，進(jìn)一步促進(jìn)其骨形成作用。此過(guò)程循環(huán)往復(fù)，直至骨痂完全清除、骨折端完全被新生骨組織所取代。

有關(guān)骨折愈合的影響因素有很多，但大部分均與藥物及局部血液供應(yīng)因素有關(guān)，需要探索新思路來(lái)為骨折愈合提供新方法。隨著相關(guān)細(xì)胞生物學(xué)的深入研究，越來(lái)越多的與骨折愈合有關(guān)系的關(guān)聯(lián)細(xì)胞被人們所研究、熟知，為骨折愈合的靶向治療提供了新思路。骨折愈合是一個(gè)連續(xù)不斷的過(guò)程，一面清除破壞，一面再生修復(fù)，其本質(zhì)就是骨折斷端發(fā)生的骨吸收、骨形成與骨重建塑型的過(guò)程。由成骨細(xì)胞主導(dǎo)的骨形成與破骨細(xì)胞主導(dǎo)、成骨細(xì)胞參與調(diào)控的骨吸收過(guò)程是影響舊的骨痂清除破壞與新骨組織形成的重要骨細(xì)胞，二者相互作用，相互影響，相互協(xié)調(diào)，共同調(diào)控骨重建。隨著細(xì)胞生物學(xué)有關(guān)成骨/破骨細(xì)胞的不斷深入研究，兩者之間的相互作用及影響骨折愈合的機(jī)制會(huì)更為詳盡的為人們所熟知，能夠?yàn)楣钦塾系闹委熂坝喜涣继峁┬碌姆较蚺c策略。

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（收稿日期：2017-03-23）