結(jié)合力生長因子探討骨肉不相親理論與骨質(zhì)疏松癥

蔣林博 宋敏* 劉小鈺 周靈通 董萬濤 劉濤 鞏彥龍

1. 甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，甘肅 蘭州 730000 2. 甘肅中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院，甘肅 蘭州 730000

骨質(zhì)疏松癥(OP)是由各種原因?qū)е碌囊怨橇繙p少，骨組織微結(jié)構(gòu)破壞，骨骼脆性增加，易于發(fā)生骨折的一種全身性骨病[1]。中醫(yī)學(xué)本身并沒有骨質(zhì)疏松癥這一病名，但依據(jù)其病因、病機概要和癥狀，歸屬于“骨枯”、“骨痿”、“骨極”。根據(jù)歷代中醫(yī)經(jīng)典文獻記載，可知本病與中醫(yī)脾、腎二臟關(guān)系密切，脾腎虧虛是本病的最主要的發(fā)病機制之一。脾主肌肉，腎主骨，脾腎虧虛則會影響骨骼與肌肉的相互關(guān)系，中醫(yī)對這種病機加以總結(jié)，謂之骨肉不相親。

1 骨肉不相親理論

骨肉不相親理論從中醫(yī)理論出發(fā)，是對骨骼和肌肉二者之關(guān)系的總結(jié)。在中醫(yī)理論中，腎為先天之本，在體合骨，生髓；脾為后天之本，在體合肉，主四肢。《素問·痿論》曰“腎主身之骨髓，脾主身之肌肉?！蹦I精充足，骨髓生化有源，髓以養(yǎng)骨，則骨骼堅固有力；脾運化水谷精微，以滋養(yǎng)肌肉，則肌肉豐滿。脾失運化，則四肢營養(yǎng)缺乏，倦怠無力?！端貑枴ぬ庩柮髡摗吩唬骸八闹苑A氣于胃而不得至經(jīng)，必因于脾乃得稟也。今脾病不能為胃行其津液，四肢不得稟水谷氣......筋骨肌肉皆無氣以生，固不用焉?！惫侨獠幌嘤H理論認為脾腎二臟相輔相成，密不可分。腎精充盈，則骨骼堅固有力，同時腎精充沛，先天之氣興旺，亦可助脾之運化，則水谷得以運化，氣血化生有源，肌肉豐滿，四肢有力，反之氣血充盈亦滋養(yǎng)腎氣。此先天之本與后天之本，相資相助，互相為用，使人體骨骼肌肉強健有力，反之則骨枯肉痿?？梢娖⒛I虧虛、骨肉不相親是骨痿的主要病機。從現(xiàn)代醫(yī)學(xué)角度看，骨肉不相親則導(dǎo)致骨骼與肌肉之間關(guān)系失調(diào)，相互作用減弱。因此肌肉對骨骼機械應(yīng)力刺激的減弱也屬于骨肉不相親的范疇。

2 機械應(yīng)力刺激與骨質(zhì)量

骨骼與肌肉是構(gòu)成人體運動系統(tǒng)的主要部分，眾所周知，骨密度與運動密切相關(guān)。在運動時，肌肉對骨組織有一種機械力的刺激作用，肌肉發(fā)達，對骨骼產(chǎn)生足夠的力學(xué)刺激，可影響骨組織的結(jié)構(gòu)，使骨密度增加，骨骼強健。研究表明，機械應(yīng)力刺激對骨組織代謝有至關(guān)重要的作用[2]，戚孟春等[3]研究表明，機械力刺激是骨髓間充質(zhì)干細胞成骨分化的關(guān)鍵驅(qū)動因子,對骨形成過程和骨痂形成具有重要作用。在一定的范圍內(nèi)，足夠的機械應(yīng)力刺激能促進骨形成，使骨密度增加。例如網(wǎng)球運動員的慣用臂與對側(cè)臂相比，擁有更高的骨密度和骨強度[4]。相反，若骨骼受到的機械力刺激不足，會使骨量減少。有研究將臥床17周志愿者與正常人骨密度進行對比，發(fā)現(xiàn)長期臥床患者骨量較正常人顯著丟失，說明缺乏機械力刺激是造成骨密度下降、骨量丟失的重要原因[5]。高平等[6]對我國不同年齡男女運動員骨密度進行分析發(fā)現(xiàn)，各年齡段男女運動員身體各部位骨密度均高于普通人群，表明長期運動與骨量的保持存在正相關(guān)的關(guān)系，長期運動不僅能提高骨骼最高峰骨值，還可以減少隨年齡增長而導(dǎo)致的骨量丟失。秦朗[7]通過研究不同性別體育專業(yè)規(guī)律運動學(xué)生與非體育專業(yè)無規(guī)律運動學(xué)生的身體成分及骨密度發(fā)現(xiàn)，持續(xù)性的規(guī)律運動組與對照組相比，骨密度具有顯著的差異，說明持續(xù)規(guī)律的運動可以增加骨骼的峰值骨量。譚思潔等[8]通過研究老年男性身體不同部位肌肉力量與骨密度(BMD)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)下肢肌力與下肢骨、股骨頸BMD，背力與脊柱BMD，負重曲肘與上肢骨BMD均具有高度的關(guān)聯(lián)性。上述研究表明，足夠的機械力刺激對保持骨量具有重要作用，而骨骼所受的力學(xué)刺激來源于骨骼肌，肌肉強健才能產(chǎn)生足夠的機械力刺激，以保持骨量，防止骨量丟失。

3 機械應(yīng)力刺激與力生長因子

胰島素樣生長因子I(IGF-I)與機體的生長發(fā)育、組織修復(fù)重建緊密關(guān)聯(lián)，IGF-Ⅰ的表達與細胞受到的機械應(yīng)力刺激有密切的關(guān)系。在受到應(yīng)力刺激的骨骼肌中，存在大量內(nèi)分泌和自分泌的 IGF-Ⅰ。在骨骼肌機械力刺激的誘導(dǎo)下，IGF-Ⅰ的表達過程會發(fā)生選擇性剪切，產(chǎn)生 2種不同的異構(gòu)體：IGF-IEb(人體內(nèi)稱為IGF-IEc)和IGF-Ⅰ(IGF-ⅠEa)[9]。研究[10,11]發(fā)現(xiàn)，當骨骼肌受到拉力刺激時，IGF-IEb的表達上調(diào)，故將其取名為力生長因子(mechano growth factor MGF)，MGF的特點是在IGF-Ⅰ的羧基端多出一個延伸肽(E肽)，因此使其擁有了不同的特性，而且MGF和IGF-ⅠEa對肌肉組織的再生重建都具有促進作用，當骨骼肌所受負荷增加時，肌肉中MGF表達也顯著增加。研究表明，MGF對機械應(yīng)力刺激很敏感，可在多種組織和細胞中產(chǎn)生。MGF可以通過促進肌衛(wèi)星細胞活化、成肌細胞的增殖，從而對治療肌肉損傷具有重要作用，并可以預(yù)防心肌損傷，同時對修復(fù)神經(jīng)受損也有著一定的作用[12]。隨著研究的推進，張兵兵等[13]發(fā)現(xiàn)，在力學(xué)刺激下，成骨細胞也能產(chǎn)生MGF，周期性拉力刺激可以使成骨細胞中的MGF mRNA和蛋白質(zhì)的表達水平顯著提高。Deng等[14]實驗研究發(fā)現(xiàn)，MGF及其E肽對成骨細胞的增殖、骨形成、修復(fù)骨損傷也具有積極作用?？梢姡琈GF除作用于肌肉、神經(jīng)外，也參與骨組織的形成、重建，其機制可能與其對骨代謝相關(guān)細胞、信號通路的作用有關(guān)。

4 力生長因子與成骨機制

4.1 力生長因子對成骨細胞增殖的影響

成骨細胞(OB)是骨組織中維持骨量的重要細胞之一，由骨髓間充質(zhì)干細胞分化而來，通過分泌骨基質(zhì)參與骨形成[15]。OB亦是骨組織的成骨效應(yīng)細胞，具有力學(xué)敏感性，在成骨過程中處于中心地位[16]。

近年來研究表明，應(yīng)力刺激下，力生長因子MGF可以影響OB的增殖與分化[17]。辛娟等[18]分析力生長因子及MGF-Ct24E(羧基端24個氨基酸構(gòu)成的短肽)對OB增殖及相關(guān)基因表達的影響中發(fā)現(xiàn)：MGF-Ct24E組的細胞增殖水平明顯高于對照組，并在第一天最為顯著，說明MGF-Ct24E能顯著促進OB的早期增殖，而細胞周期顯示，MGF-Ct24E組的細胞S期和G2/M期比例明顯提高，基因芯片分析顯示，MGF-Ct24E能上調(diào)細胞增殖、分化的相關(guān)基因，說明MGF-Ct24E能在早期顯著促進OB的增殖，提高細胞S期和G2/M期比例，并通過調(diào)控細胞增殖、分化的相關(guān)基因來促進細胞增殖。Deng等[19]研究發(fā)現(xiàn)，MGF和其E肽對MC3T3-E1成骨樣細胞的增殖具有明顯促進作用，其促進作用是IGF-Ⅰ的1.4倍，并能通過激活MAPK-Erk1/2 信號通路調(diào)控OB的增殖。此外還發(fā)現(xiàn)[19]額外的機械力刺激可以提高骨形成的重要蛋白BMP-2的表達，并且MGF24E可以通過上調(diào)P-Smad蛋白和下游成骨基因的表達，以增強BMP-2/Smad信號通路的傳導(dǎo)。在活體內(nèi)，MGF24E可以上調(diào)內(nèi)源性BMP-2的表達，并顯著提高骨密度。Xin等[20]研究MGF24E對成骨細胞功能的調(diào)節(jié)和基因轉(zhuǎn)錄時發(fā)現(xiàn)，在實驗前3天，MGF24E可以顯著增強OB成骨細胞增殖和細胞周期相關(guān)基因的表達，使成骨分化基因的表達下調(diào)，而長達3周的MGF24E干預(yù)則能促進成骨分化，說明MGF24E在前期可以增強細胞增殖，并延緩成骨分化，在更高級階段則刺激成骨分化，由此可見，在體外骨形成的初始階段，MGF-Ct24E能促進OB的增殖和上調(diào)細胞周期進程相關(guān)基因的表達，從而促使骨形成。

4.2 力生長因子對骨髓間充質(zhì)干細胞成骨分化的影響

骨髓間充質(zhì)干細胞(BMSCs)是一類未分化的充質(zhì)干細胞，具有高度的分化潛能，可分化為成骨細胞、脂肪細胞、軟骨細胞等多種細胞，BMSCs可以通過向成骨細胞分化參與骨形成，與骨質(zhì)疏松癥密切相關(guān)[21]。

大量研究表明，MGF對OB的增殖具有顯著的促進作用，而近年來關(guān)于MGF對BMSCs作用機制的研究也有了進一步的進展。Li[22]通過研究MGF對體外培養(yǎng)的人骨髓間充質(zhì)干細胞(hBMSCs)的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)MGF E肽干預(yù)后，hBMSCs向成骨分化、成脂分化、成軟骨分化均顯著增加，且細胞周期的G1期延長，證實了MGF能增強BMSCs的三系分化。Tong等[23]研究發(fā)現(xiàn)，力生長因子可以過PI3K/Akt信號通路有效促進BMSCs的增殖和成骨分化。隨后又開展進一步實驗，結(jié)果顯示：力生長因子水平為45μg/L 作用5天時，BMSCs成骨分化效果最明顯，以45μg/L干預(yù)BMSCs 4 h后，堿性磷酸酶和骨鈣素mRNA、蛋白表達水平以及AKT和mTOR的磷酸化水平達到最高。實驗說明力生長因子能有效促進BMSCs分化為OB，其作用機制通過PI3K/Akt信號通路實現(xiàn)，并且在力生長因子水平為45μg/L，干預(yù)4 h后效果最佳[24]。李海濱[25]研究發(fā)現(xiàn)，力生長因子干預(yù)下的hBMSCs其堿性磷酸酶的表達和活性顯著增加，細胞基質(zhì)的礦化程度也明顯高于對照組；細胞周期研究表明，MGF通過調(diào)節(jié)周期蛋白Cyclin和CDK2，阻滯細胞從G1期向S期轉(zhuǎn)化，從而使hBMSCs趨于分化狀態(tài)，以促進hBMSCs分化。由以上研究得出，力生長因子可能是通過激活PI3K/Akt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路及延緩細胞周期來促進BMSCs向成骨分化，從而促進骨形成。

5 結(jié)合力生長因子探討骨肉不相親理論與骨質(zhì)疏松癥

腎主骨生髓，脾主肌肉四肢，肌肉與骨骼的關(guān)系，正是中醫(yī)脾腎二臟關(guān)系在體的體現(xiàn)[26]。脾腎二臟的相資互用，對應(yīng)于骨骼與肌肉的相互協(xié)調(diào)，脾腎虧虛、骨肉不相親則使骨骼與肌肉相互作用減弱，導(dǎo)致以骨痿為代表的一系列疾病的出現(xiàn)。脾主肌肉，氣血生化有源，腎氣得以滋養(yǎng)，腎主骨生髓，腎氣足，則生髓充盈，骨骼強健，此過程可以理解為“骨-肉”調(diào)節(jié)系統(tǒng)?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)也認為，骨骼肌豐滿有力，使其對骨骼產(chǎn)生足夠的機械應(yīng)力刺激，進而刺激胰島素樣生長因子I選擇性剪切，促使其異構(gòu)體MGF的表達增加。研究表明，MGF可以調(diào)控細胞分裂周期；激活成骨相關(guān)信號通路MAPK-Erk1/2，以促進成骨基因表達和成骨細胞增殖；激活PI3K/Akt信號通路以促進骨髓間充質(zhì)干細胞的增殖和成骨分化。此外，MGF還可以通過上調(diào)BMP-2、P-Smad蛋白和下游成骨基因的表達以增強重要的成骨信號通路BMP-2/Smad通路的傳導(dǎo)，直接促進骨形成。因此，MGF具有保持骨量，增加骨密度，防治骨質(zhì)疏松的作用。綜上，這一生理過程構(gòu)成了以“肌肉-應(yīng)力刺激-MGF-骨代謝-骨骼”為線路的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并且在此線路中，MGF充當了媒介作用。而這一調(diào)節(jié)系統(tǒng)與骨肉不相親理論所述的“骨-肉”調(diào)節(jié)系統(tǒng)極其相似，可以推測，這兩種調(diào)節(jié)系統(tǒng)之間應(yīng)該存在同一微觀作用機制，而骨肉不相親理論中肉與骨之間的作用也可能就是通過MGF來實現(xiàn)的，MGF將成為連接中醫(yī)骨肉不相親理論與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)OP發(fā)病機制的橋梁之一。因此，從肌肉與骨骼的關(guān)系入手，引出機械應(yīng)力刺激和MGF，并與骨肉不相親理論相結(jié)合，不僅從分子生物學(xué)角度闡述了骨肉不相親理論的科學(xué)內(nèi)涵，也在一定程度上解釋和完善了骨肉不相親理論防治OP的內(nèi)在機制，成為目前OP研究的新思路，但由于其涉及的信號通路、內(nèi)在作用靶點機制等相關(guān)分子生物學(xué)研究尚少，還需后續(xù)工作者進一步深入鉆研。