運動力學(xué)刺激對骨質(zhì)量影響的研究進展

趙常紅 李世昌 孫朋 劉媛 胡曉磐

1.西北民族大學(xué)體育學(xué)院，甘肅 蘭州 7301241 2.華東師范大學(xué)“青少年健康評價與運動干預(yù)”教育部重點實驗室，上海 200241

骨骼作為人體內(nèi)最堅硬運動器官， 2017年發(fā)表在國際醫(yī)學(xué)頂級期刊JAMA(美國醫(yī)學(xué)學(xué)會雜志，影響因子44.405)的一篇文章指出，缺乏運動也是導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的主要原因[1]，主要表現(xiàn)為骨質(zhì)量下降，脆性增加，骨裂紋損傷非線性增高，骨重建功能下降，甚至出現(xiàn)微骨折，從而降低骨的生物力學(xué)性能。骨的質(zhì)量包括骨量和骨結(jié)構(gòu)兩個方面，骨的力學(xué)性能也由這兩個指標(biāo)預(yù)測。骨量是決定骨力學(xué)性能的直接因素之一，骨量的減少是骨質(zhì)疏松的一個重要標(biāo)志。

運動力學(xué)的刺激使骨骼也不斷調(diào)整、適應(yīng)，運動力學(xué)刺激對骨髓間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cells，MSC)的增殖、分化、遷移，包括對骨微結(jié)構(gòu)也有一定的影響。通過此綜述來闡述運動生物力學(xué)影響骨形成質(zhì)量和細胞形態(tài)的可能性機制。

1 運動力學(xué)刺激對MSC成骨分化的作用

MSC是一類具有自我更新和多向分化潛能的多功能干細胞，在損傷組織修復(fù)和再生中，MSC從骨髓中動員、進入外周血循環(huán)向損傷組織位點定向遷移是其行使損傷組織修復(fù)功能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。MSC的成骨分化有3個階段：(1)快速增長階段，形成胞外膠原基質(zhì)；(2)基質(zhì)成熟階段，細胞增殖降低，堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)活性增加；(3)礦化階段，增殖進一步減慢，ALP活性降低，骨橋蛋白(osteopontin，OP)及骨鈣蛋白(osteocalcin，OC)等成骨標(biāo)志蛋白合成增加。成骨早期的標(biāo)志基因ALP、成骨分化中期的標(biāo)志基因OP和晚期標(biāo)志基因OC可以結(jié)合羥基磷灰石，由成骨細胞(osteoblasts，OB)在基質(zhì)礦化階段合成[2]。

力學(xué)刺激是骨改建和生長的重要調(diào)節(jié)因素，在骨系細胞的分化與增殖中發(fā)揮關(guān)鍵作用。運動力學(xué)刺激在各種運動過程中完成各種動作給骨骼的一種反作用力。在沒有力學(xué)刺激尤其是運動力學(xué)刺激對抗重力的情況下，會導(dǎo)致骨吸收增加，如臥床和失重。不同大小、頻率和方式的力學(xué)刺激對骨組織的作用也是不同的，周期性的力學(xué)刺激比持續(xù)性的更能促進OB的增殖和基因表達，MSC在應(yīng)力作用下可分化為OB[3]。研究發(fā)現(xiàn)，張力刺激可以促進MSC細胞增殖，提高其ALP的活性，顯著上調(diào)成骨相關(guān)基因Ets-1、Runx2和ALP的表達，從而促使MSC向OB分化。研究還發(fā)現(xiàn)，MSC在力學(xué)刺激下，隨著拉伸應(yīng)變時間的增加，細胞的形態(tài)及伸展方向日趨沿著與力所施加的方向垂直排列，在骨質(zhì)疏松癥時MSC的成骨分化能力降低，成脂分化能力增高，導(dǎo)致骨髓中的脂肪組織增多，而運動力學(xué)刺激有助于降低成脂分化[4]。

MSC在受力刺激后形態(tài)、骨架的變化能調(diào)節(jié)其選擇分化，以圓形形態(tài)生長時，MSC向脂肪細胞分化；當(dāng)MSC以鋪展和粘附形態(tài)生長時，向OB分化。已有實驗證明，力學(xué)刺激細胞響應(yīng)有個“閾值”，大于這個“閾值”，細胞才會應(yīng)答反應(yīng)，超過上限，就會有完全不同的、甚至負(fù)面的應(yīng)答。較小的張應(yīng)力能夠誘導(dǎo)MSC向OB方向分化。有規(guī)律的力學(xué)刺激使得OB分化的標(biāo)志物(Runx2、Osx、Col1)上升和脂肪分化標(biāo)志物(PPARγ-2、C/EBPα和脂滴)下降，加強骨質(zhì)疏松癥患者的鍛煉，已被證明是增加骨礦物質(zhì)含量和阻止絕經(jīng)后與年齡有關(guān)的骨礦物質(zhì)、細胞外基質(zhì)減少的有效方法[5]。應(yīng)力介導(dǎo)下調(diào)MSC成脂或成骨分化，部分通過PI3K/Akt/GSK-3β信號通路[6]。研究發(fā)現(xiàn)，通過力學(xué)刺激可誘導(dǎo)MSC體外增殖，科學(xué)運動的力學(xué)刺激也可能調(diào)控體內(nèi)MSC的增殖和去向分化，具有促進骨形成和抑制骨吸收的能力，能有效防治骨質(zhì)疏松癥且無藥理方面不良影響。

2 運動力學(xué)對骨質(zhì)量信號通路的影響機制

2.1 力學(xué)刺激對OPG/RANKL的作用

MSC的增殖與成骨分化成反比關(guān)系，細胞增殖快，分化就慢，反之，分化快，細胞增殖就慢。運動促進骨的重建是一個動態(tài)的過程，短期的力學(xué)刺激在短期內(nèi)增加骨的形成。周期的重復(fù)性機械力的變化導(dǎo)致骨的微裂縫和維修重塑，引起一系列細胞反應(yīng)，局部調(diào)整細胞因子、生長因子和其他分子，如：IL-1β、TNF-α、PGE2、IL-6、IL-8、RANKL、OPG、IGF、TGFβ-1和FGF[7]。此外，OB接受力學(xué)刺激表現(xiàn)出在分子水平如骨橋蛋白、骨鈣素、PDGF和I、III型膠原的表達增加[8]。當(dāng)運動生物力學(xué)刺激施加在OB時，它導(dǎo)致OPG/RANKL的表達升高，從而降低RANK/RANKL，抑制破骨細胞分化，包括p38 MAPK和ERK調(diào)節(jié)OPG感應(yīng)介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子負(fù)責(zé)RANKL表達的激活。破骨細胞受RANK調(diào)節(jié)，從而激活c-fos和NF-κB，這反過來又導(dǎo)致NFATc1活化。此外，運動形成的力刺激體外活性環(huán)氧合酶(cyclooxygenase，COX)和前列腺素的產(chǎn)生，減少RANKL從而抑制骨吸收[9]。力學(xué)刺激也被證明誘導(dǎo)的OB上的Wnt-β-catenin信號通路，促進OB的分化與骨形成[10]。見圖1。

圖1 在運動力學(xué)刺激下OB和破骨細胞相互作用的示意圖[9]Fig.1 Schematic diagram of the interaction between osteoblasts and osteoclasts under mechanical stimulation of exercise[9]

2.2 力學(xué)刺激對MAPK/ERK的作用

研究發(fā)現(xiàn)，人OB樣細胞在力學(xué)刺激后可直接促進脫氧核糖核酸的合成而不是通過自分泌，接收力學(xué)刺激的分子傳感器在收到信號后傳到細胞內(nèi)部，開放的陽離子通道，OB間隙間交流及整合的產(chǎn)物也發(fā)現(xiàn)升高[11]。整合素是跨膜受體，將細胞外基質(zhì)連接到細胞骨架，當(dāng)一個信號出現(xiàn)時，與細胞骨架分子整合形成配合物。Rho家族成員的Ras相關(guān)G蛋白參與形成這些結(jié)構(gòu)，除了上述作用，Rho家族成員可誘導(dǎo)多激酶和絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)通路[12]。RhoGTP酶和其他相關(guān)Ras已被證明力在OB發(fā)揮作用，就力學(xué)信號而言，細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal regulated kinase，ERK)和c-Jun氨基末端激酶(c-jun N-terminal kinase，JNK)似乎發(fā)揮至關(guān)重要的作用[13]。

ERKs已被證明在OB的生長和分化起重要作用，它們的激活對OB生存、增殖、分化有著不同的作用[14]。ERK和JNK信號通路已被證明會導(dǎo)致Fos和Jun增加，通過磷酸化激活它們，從而改變活化蛋白-1(activated protein-1，AP-1)的活性，增加Col1和OC的表達。力持續(xù)的時間、周期、強度是激活JNK/ERK基因表達的重要因素[15]。OB分化轉(zhuǎn)錄因子AP-1，調(diào)節(jié)Col1、骨鈣素、OP和骨粘連蛋白的基因編碼，這種轉(zhuǎn)錄因子在早期外部力學(xué)刺激反應(yīng)中起重要作用。還有Fos和Jun家族成員，編碼早期基因及MAPK信號通路的靶基因。OB可能在運動力學(xué)刺激的條件下，AP-1根據(jù)不同的細胞外信號調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄[16]。研究表明，連續(xù)力學(xué)刺激人的成骨樣細胞，激活MAPK級聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致AP-1元件c-fos和c-Jun增加，更特別的是，連續(xù)應(yīng)力導(dǎo)致成骨樣細胞RABRho GTPases活性失調(diào)。另一方面，有研究發(fā)現(xiàn)，OB樣細胞連續(xù)力學(xué)刺激后，AP-1作為一種重要的下游分子，通過p38 MAPK、MEK和RHoK通路調(diào)節(jié)表達，MAPK/ERK可能是一條重要的運動調(diào)控骨重塑和構(gòu)建的通路[16]。

2.3 力學(xué)刺激對前列腺素E2(prostaglandin E2，PGE2)的作用

力學(xué)刺激會誘導(dǎo)成骨樣細胞PGE2的產(chǎn)生，OB在生理應(yīng)激、生長因子、激素、創(chuàng)傷和炎癥細胞因子產(chǎn)生PGE2，進而誘導(dǎo)cAMP依賴的IGF-1產(chǎn)生[17]。IGF-1和IGF-2已被證明輪流誘發(fā)OBOSX的表達[18]。體內(nèi)PGE2也會促使Runx2的表達升高，促進骨量增加，PGE2下游TGF-β在人成骨樣細胞表達增加，在骨中具有增加細胞外基質(zhì)的作用[19]。OB中包含TGF-β1的目標(biāo)Runx2，這也是為什么Runx2基因敲除的小鼠成熟OB數(shù)量降低和細胞外基質(zhì)的形成缺陷的原因[20]。因此，筆者也猜想運動的力學(xué)刺激是否可能通過誘導(dǎo)成骨樣細胞PGE2的產(chǎn)生調(diào)控骨量的變化的呢？有待進一步研究。

2.4 力學(xué)刺激對一氧化氮(NO)的作用

OB對運動力學(xué)刺激的另一反應(yīng)可能通過NO的產(chǎn)生，因為它結(jié)合到RAS調(diào)節(jié)位點，NO與MEK/ERK級聯(lián)相互作用，會導(dǎo)致細胞增殖和細胞外基質(zhì)的生產(chǎn)[21]。在后一階段，Cox1、Cox2以及ERK1和ERK2被激活產(chǎn)生骨基質(zhì)成分[22]。此外，力學(xué)刺激導(dǎo)致VEGF、BMP-2、BMP4、PGE2和IGF-1上調(diào)[23]。IGF-1通過PI3K-RACβ/Akt、MAPKs和Smad信號傳導(dǎo)途徑激活。在OB中BMPs誘導(dǎo)能促進Runx2、OSX和DLX5基因表達[24]。力學(xué)信號也能促進c-fos編碼、早期生長反應(yīng)因子1(Egr-1)和基本成纖維細胞生長因子(bFGF)基因的表達。力學(xué)刺激的性質(zhì)和特性決定了骨的形成，體外骨細胞用高頻和低強度的力學(xué)刺激，會導(dǎo)致細胞外基質(zhì)增加，誘導(dǎo)骨形成，高強度力學(xué)加載促進BMPs拮抗劑表達從而抑制OB發(fā)育。連續(xù)力學(xué)刺激會導(dǎo)致細胞炎性因子及其受體的生產(chǎn)，如白介素(interleukin，IL)-1b，其生產(chǎn)與RANK-RANKL信號通路的激活相關(guān)，能促進骨吸收[25]。在生理強度水平內(nèi)短周期的流體流動或循環(huán)的底物張力導(dǎo)致OB增殖和存活，能促進存活因子如IGF-1、IGF-2的產(chǎn)生和雌激素受體的激活，這也是重力維持OB活性的原因。失重或力學(xué)信號在體內(nèi)不存在時會導(dǎo)致OB凋亡，減少與存活相關(guān)DNA轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合和正常線粒體失活，導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥發(fā)生，這也是運動防止骨質(zhì)疏松的重要原因[26]。應(yīng)力過度會導(dǎo)致細胞脫離表面導(dǎo)致體外程序性的失巢凋亡[27]。運動力學(xué)刺激促進骨的形成比較復(fù)雜，可能通過細胞的Ca2+通道、G蛋白、IGF、整合素受體、IGF和TGFβ/BMP相應(yīng)信號通路的活化，從而誘導(dǎo)NF-κB、COX-2、CREB、Runx2、AP-1上調(diào)和通過Wnt抑制細胞成脂分化來提高骨的質(zhì)量，如圖2所示。

圖2 運動力學(xué)刺激后的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的交叉影響示意圖[3，28]Fig.2 Schematic diagram of the cross effects of signal transduction pathways after mechanical stimulation of exercise[3，28]

2.5 力學(xué)刺激對多囊蛋白(polycystin，PC)的作用

最近研究發(fā)現(xiàn)，PC似乎與骨組織細胞的運動力學(xué)傳導(dǎo)有關(guān)，如PC1，與原纖毛協(xié)同形成復(fù)合物，定位在特定的組織和細胞類型，包括OB、骨細胞。PC1基因敲除小鼠OB分化缺失，然后導(dǎo)致骨發(fā)育異常和骨質(zhì)疏松，若PC1/原纖毛復(fù)合形成障礙，運動力學(xué)刺激的力學(xué)傳導(dǎo)也可能會缺失。運動的力學(xué)刺激可能通過PC1調(diào)節(jié)細胞功能。通過JAK2/STAT3信號軸與PC1-CT互動，誘導(dǎo)人OB Runx2基因轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)成骨分化。運動力學(xué)刺激引發(fā)的PC1介導(dǎo)的磷酸化和STAT3的核轉(zhuǎn)位，刺激誘導(dǎo)Runx2 mRNA升高。研究表明，力學(xué)刺激可能通過PC1-JAK2/STAT3信號軸上調(diào)Runx2基因表達，最終調(diào)控OB分化和骨形成[28]。

運動力學(xué)的傳導(dǎo)研究雖然還不是很清楚，但原發(fā)性纖毛的協(xié)調(diào)PC已被認(rèn)為作為潛在的OB力學(xué)分子感受器。研究表明，PC1的N-端可“接收”力學(xué)信號，通過其PC1的C端復(fù)合PC2共同定位在原纖毛，有接收力學(xué)信號的潛在功能。研究發(fā)現(xiàn)，通過激活G蛋白信號通路，PC1調(diào)節(jié)Ca2+，通過鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶/ NFAT軸傳遞信號，激活環(huán)孢素，一個特定的鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶/NFAT通路抑制劑，降低磷酸化NFATc1活性[29]。這些數(shù)據(jù)表明，PC1可能充當(dāng)運動力學(xué)傳導(dǎo)分子，通過鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶/NFAT信號級聯(lián)調(diào)節(jié)OB的基因表達和OB分化。

2.6 力學(xué)刺激對Runx2的作用

Runx2轉(zhuǎn)錄因子在力學(xué)刺激向OB的分化和成熟中非常重要，是人成骨樣細胞力學(xué)信號的目標(biāo)基因。運動力學(xué)刺激可能直接導(dǎo)致Runx2表達和DNA結(jié)合能力的增加。運動力學(xué)信號從等離子膜也就是從整合素開始，穿過細胞質(zhì)通過MAPK信號級聯(lián)轉(zhuǎn)導(dǎo)，靶向Runx2基因和蛋白。隨著Runx2 DNA結(jié)合能力的增加，ERK1和ERK2被磷酸化，然后按時間順序和平行的方式被激活。ERK1和ERK2磷酸化是相互的，在體內(nèi)磷酸化和激活Runx2，依次誘導(dǎo)成骨分化[30]。

力學(xué)信號進入細胞可能通過整合和激活的Ras-ERK1/2 MAPK信號通路，導(dǎo)致Runx2磷酸化和轉(zhuǎn)錄活性增強。Runx2是通過自動調(diào)節(jié)機制控制自己的表達，運動力學(xué)刺激可能激活ERK的磷酸化和Runx2。這些分子結(jié)合到Runx2啟動子促進Runx2的表達[30]。其次，Runx2基因啟動子被發(fā)現(xiàn)附有典型AP-1結(jié)合位點，表明AP-1在調(diào)節(jié)Runx2的表達中發(fā)揮作用。此外，研究還發(fā)現(xiàn)AP-1和Runx2蛋白相互作用來調(diào)節(jié)膠原酶-3的表達[31]。

在失重或微重力情況下對骨造成的影響是毀滅性的。運動力學(xué)刺激對骨形成非常重要，能激活多種細胞內(nèi)信號通路，其中激活的陽離子通道的流體剪切應(yīng)力刺激ERK-CREB信號增強Fos家族轉(zhuǎn)錄因子的表達，增強Wnt/β-catenin信號，以此來調(diào)控Runx2上升。

2.7 力學(xué)刺激對NF-κΒ的作用

骨質(zhì)量的變化不僅與骨的形成相關(guān)，也與骨的吸收相關(guān)，轉(zhuǎn)錄因子NF-κB與炎癥過程有關(guān)，在破骨細胞的形成和骨吸收中起重要作用。NF-κB誘導(dǎo)骨重建和刺激破骨細胞的形成，它的激活通過RANK-RANKL系統(tǒng)或整合素將力學(xué)信號轉(zhuǎn)換為Src激酶[32]。除上述功能外，NF-κB也可能在力學(xué)刺激后刺激OB分化。到目前為止，只有證據(jù)表明NF-κB在力學(xué)刺激后，OB在OB中的核中被激活和易位[33]，運動力學(xué)刺激如何通過其激活OB特異性基因還有待進一步研究。

3 總結(jié)與展望

運動力學(xué)刺激可以有效增加骨礦物質(zhì)含量，促進骨重建和塑造平衡，維持正常骨代謝功能。這一功能失調(diào)可導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥、甲狀旁腺功能亢進癥、甲狀腺功能亢進癥、佩吉特病，運動力學(xué)刺激維持這一功能在運動科學(xué)領(lǐng)域顯得十分重要。雖然運動力學(xué)刺激分子機制已取得一定成果，但由于力學(xué)作用分子機制相當(dāng)復(fù)雜，如：運動力的大小、持續(xù)時間、速度、頻率及形式等的不同所產(chǎn)生的結(jié)果也會有所差別。因此，應(yīng)不斷關(guān)注力學(xué)刺激對骨質(zhì)量影響在國內(nèi)外的研究進展，為科學(xué)運動健骨提供理論參考。