應(yīng)力刺激促進(jìn)骨質(zhì)疏松性骨折愈合研究進(jìn)展

郝寶輝　李英超　喬偉松　秦大明　朱　東

(吉林大學(xué)第一醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，吉林　長(zhǎng)春　130021)

骨質(zhì)疏松導(dǎo)致骨折的概率為69.4%〔1〕。臨床上對(duì)骨質(zhì)疏松的治療大多使用藥物，雖然獲得一定療效，但同時(shí)也帶來(lái)很多副作用。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)生物力學(xué)因素如適當(dāng)?shù)膽?yīng)力刺激可以促進(jìn)骨形成和骨重建效應(yīng),但是不同的強(qiáng)度及頻率影響成骨效果〔2〕。在國(guó)際生物力學(xué)領(lǐng)域?qū)＜覍C(jī)械振動(dòng)用于動(dòng)物和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了低載荷機(jī)械振動(dòng)可以促進(jìn)骨細(xì)胞的生長(zhǎng)〔3,4〕。大量實(shí)驗(yàn)研究表明低載荷(頻率0～100 Hz，加速度0.1～0.5 g)機(jī)械振動(dòng)能夠促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖與分化〔2～7〕。江建明等〔8〕頻振動(dòng)并通過(guò)流式細(xì)胞儀、化學(xué)比色法及放射免疫法進(jìn)行檢研究表明低頻振動(dòng)能夠促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖分化，低載荷機(jī)械振動(dòng)逐漸成為一種非藥物的治療方法開(kāi)始用于骨質(zhì)疏松和骨折愈合的臨床研究與治療應(yīng)用，取得了一定療效。為進(jìn)一步明確應(yīng)力刺激對(duì)抗骨質(zhì)疏松及促進(jìn)骨折愈合的反應(yīng)機(jī)制，本文將對(duì)成骨細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因轉(zhuǎn)錄、蛋白表達(dá)等方面進(jìn)行綜述。

1　應(yīng)力刺激對(duì)抗骨質(zhì)疏松和促進(jìn)骨折愈合的影響

1.1應(yīng)力刺激對(duì)抗骨質(zhì)疏松研究進(jìn)展骨質(zhì)疏松是一種全身性、系統(tǒng)性疾病，常見(jiàn)于絕經(jīng)后的婦女、老年人及一些患有慢性疾病的患者。馬宗民等〔9〕選取損傷施加力學(xué)刺激，模擬動(dòng)載荷重建模型，數(shù)值模擬運(yùn)動(dòng)防治骨質(zhì)疏松，得出動(dòng)載荷成骨效果優(yōu)于靜載荷，運(yùn)動(dòng)量增加10%～30%，骨密度增加3.13%～8.61%，這一結(jié)果為機(jī)械振動(dòng)防治骨代謝性疾病提供了理論指導(dǎo)。近年來(lái)，科學(xué)家對(duì)物理療法治療骨質(zhì)疏松的研究越來(lái)越深入，一些實(shí)驗(yàn)研究表明不同形式的機(jī)械振動(dòng)可以減少骨量丟失，過(guò)低的或過(guò)高振動(dòng)強(qiáng)度和頻率都不利于成骨的反應(yīng)〔10～12〕。Zhou等〔13〕通過(guò)對(duì)全身振動(dòng)的骨進(jìn)行Micro-CT掃描發(fā)現(xiàn)全身振動(dòng)通過(guò)改善微管結(jié)構(gòu)促進(jìn)骨整合，全身振動(dòng)從基因角度促進(jìn)骨的形成比骨再吸收有優(yōu)勢(shì)。因此，低載荷機(jī)械振動(dòng)振動(dòng)療法可作為一種新型的非藥物治療和預(yù)防骨質(zhì)疏松癥的治療措施。

1.2應(yīng)力刺激對(duì)骨折愈合的影響臨床上一些創(chuàng)傷大、車禍、手術(shù)都可以導(dǎo)致骨折延遲愈合或骨折不愈合。對(duì)于骨折延遲愈合或不愈合臨床上尚無(wú)有效措施去彌補(bǔ)。Qing等〔14〕發(fā)現(xiàn)低載荷機(jī)械振動(dòng)可以改善去卵巢大鼠骨的密度；Cheung等〔15〕利用3-D多普勒和micro CT技術(shù)對(duì)經(jīng)過(guò)高頻低載荷機(jī)械振動(dòng)處理的去勢(shì)大鼠骨折部位進(jìn)行檢測(cè)，總結(jié)出高頻低載荷機(jī)械振動(dòng)可以增加骨折處的血流并促進(jìn)血管再生，因此可以促進(jìn)骨折愈合；Oliveira等〔16〕通過(guò)系統(tǒng)評(píng)價(jià)和META分析對(duì)全身振動(dòng)對(duì)絕經(jīng)后婦女骨密度進(jìn)行研究，得出振動(dòng)可以增加絕經(jīng)后婦女的骨密度。張彤正〔17〕通過(guò)對(duì)27只熟成健康雄性犬相同麻醉和無(wú)菌環(huán)境下于左脛骨中段相同區(qū)域建造橫行骨折單邊外支架固定模型，并施加不同應(yīng)力，得出適宜的應(yīng)力刺激在犬脛骨骨干骨折愈合過(guò)程中能明顯促進(jìn)骨痂形成的數(shù)量及質(zhì)量。李尚志〔18〕對(duì)大鼠構(gòu)建骨不連模型，隨機(jī)分組并施加機(jī)械應(yīng)力后通過(guò)X線影像學(xué)評(píng)分、鈣鈷法堿性磷酸酶染色及測(cè)定加壓前后局部成骨相關(guān)因子(BMP)、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)的變化等檢測(cè)方法，總結(jié)出機(jī)械應(yīng)力可促進(jìn)骨不連斷端成骨細(xì)胞數(shù)量的增加及促進(jìn)骨不連斷端愈合?？傊?，低負(fù)荷振動(dòng)對(duì)骨質(zhì)疏松和骨折愈合有一定的影響，可以使其作為一種非藥物、非侵入式的治療骨質(zhì)疏松性骨折的臨床替代療法〔19〕，但是其作用機(jī)制還有待深入研究。

2　應(yīng)力刺激對(duì)成骨細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的影響

骨細(xì)胞內(nèi)有ERK通路、OPG/RANKL通路、Ca2+通路、BMP-2/Smads通路和Wnt/β-catenin通路等信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，均參與了骨的代謝過(guò)程。信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)即信號(hào)的識(shí)別、轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)換。細(xì)胞完成它們的生物學(xué)功能主要是通過(guò)各種細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路來(lái)調(diào)控的。

Ca2+是細(xì)胞內(nèi)重要的第二信使，參與細(xì)胞及細(xì)胞間的信號(hào)傳導(dǎo)，鈣信號(hào)傳導(dǎo)在骨細(xì)胞增殖與分化和骨代謝過(guò)程中非常重要，研究人員已經(jīng)觀察到力學(xué)刺激所導(dǎo)致的成骨細(xì)胞間的鈣傳遞〔20〕。Malviya 等〔21〕研究顯示對(duì)大鼠成骨細(xì)胞施加周期性拉伸刺激后，細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度迅速升高，胞內(nèi)Ca2+濃度的升高與細(xì)胞膜上Ca2+通道的激活和胞內(nèi)Ca2+釋放有關(guān)。在應(yīng)激刺激作用下，Ca2+在細(xì)胞膜和細(xì)胞膜上均有表達(dá),應(yīng)力刺激信號(hào)是通過(guò)Ca2+將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)化為成骨細(xì)胞的生物化學(xué)信號(hào)。說(shuō)明Ca2+信號(hào)通路在應(yīng)力刺激的胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中確實(shí)有重要作用。

3　應(yīng)力刺激對(duì)成骨細(xì)胞細(xì)胞代謝和細(xì)胞因子的調(diào)控

成骨細(xì)胞具有強(qiáng)大的分泌功能，分泌產(chǎn)生多種細(xì)胞外基質(zhì)蛋白并通過(guò)其分泌功能控制骨基質(zhì)的礦化過(guò)程，同時(shí)調(diào)控破骨細(xì)胞的活動(dòng)，成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞的動(dòng)態(tài)平衡很大程度決定了最終骨量。近年來(lái)，骨髓微環(huán)境中的局部調(diào)節(jié)因子如轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(TGF)-β、堿性磷酸酶(ALP)、胰島素樣生長(zhǎng)因子(IGF-I)等對(duì)成骨細(xì)胞及骨形成的作用日益受到關(guān)注。

3.1TGF-βTGF-β是一組調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)和分化的生物活性細(xì)胞因子，在骨組織中有較高水平。大量實(shí)驗(yàn)證明了應(yīng)力刺激對(duì)細(xì)胞增殖分化的影響是通過(guò)調(diào)控TGF-β的表達(dá)實(shí)現(xiàn)的〔20～22〕。鄒淑娟等〔23〕對(duì)人克隆類成骨細(xì)胞株MG-63施加24 h的 6 %、12 %和24 %的拉伸力作用后,利用RT-PCR技術(shù)檢測(cè)TGF-β的表達(dá)，6%和12%延伸率可明顯促進(jìn)MG-63細(xì)胞表達(dá)TGF-β,但24%的拉伸率對(duì)細(xì)胞TGF-β基因表達(dá)影響不明顯。同樣也有類似實(shí)驗(yàn)研究表明成骨細(xì)胞中的TGF-β是通過(guò)誘導(dǎo) Smad3 的激活而發(fā)揮其作用的。

總之，應(yīng)力刺激調(diào)控成骨細(xì)胞的增殖與分化可以通過(guò)影響TGF-β的表達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但具體機(jī)制尚不清楚，后續(xù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步將有助于了解應(yīng)力刺激對(duì)成骨細(xì)胞影響的機(jī)制。

3.2IGF-IIGF-1是骨細(xì)胞中含量最豐富的生長(zhǎng)因子，于骨細(xì)胞生成、儲(chǔ)存于骨中，在骨吸收時(shí)釋放。成骨細(xì)胞在骨吸收時(shí)也分泌大量的IGF-I，刺激成骨細(xì)胞的增殖、分化。鮮成玉等〔24〕通過(guò)體外拉伸裝置對(duì)成骨細(xì)胞施加應(yīng)力刺激。發(fā)現(xiàn)周期性的拉伸剌激,成骨細(xì)胞增殖及 IGF-I 、mRNA 表達(dá)的最好。說(shuō)明機(jī)械拉伸刺激對(duì)成骨細(xì)胞增殖效應(yīng)，是通過(guò)增強(qiáng)IGF-I的自分泌實(shí)現(xiàn)的。因此成骨細(xì)胞中含有的IGF-1可以調(diào)節(jié)骨的代謝和生長(zhǎng)。

3.3ALPALP是骨形成早期階段的重要標(biāo)志。ALP是成骨細(xì)胞分化的指標(biāo)，被普遍認(rèn)為是成骨細(xì)胞分化的標(biāo)志，能夠反映成骨細(xì)胞增殖與分化的能力。唐林等〔25〕通過(guò)一種先進(jìn)的細(xì)胞力學(xué)刺激裝置對(duì)成骨細(xì)胞施加不同的周期性機(jī)械牽張力，結(jié)果表明施力24 h和48 h的實(shí)驗(yàn)組，隨著機(jī)械牽張力增大，ALP活性反而下降；有研究〔13〕表明對(duì)人牙周膜細(xì)胞施加拉伸刺激，觀察不同的機(jī)械牽張力(9%、12%、15%、18%、21%、24%)對(duì)ALP分泌及其活性的影響，結(jié)果顯示隨著牽張力的增大，ALP活性表現(xiàn)逐漸降低，并且和對(duì)照組(不加力組)有顯著性差異，說(shuō)明不同大小周期的機(jī)械牽張力對(duì)成骨細(xì)胞的分化有影響。

4　展　望

應(yīng)力刺激在骨組織的新陳代謝中發(fā)揮著重要作用，因此從分子、蛋白、基因等方面研究應(yīng)力刺激對(duì)成骨細(xì)胞增殖、分化及凋亡的影響生物學(xué)反應(yīng)機(jī)制是目前的研究熱點(diǎn)。隨著大量科研人力物力的投入，會(huì)更加清楚地了解應(yīng)力刺激對(duì)抗骨質(zhì)疏松和促進(jìn)骨折愈合機(jī)制，從而為防治骨質(zhì)疏松、異位骨化等骨形成和骨形成相關(guān)疾病提供新的理論依據(jù)和治療靶點(diǎn)。

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