力學(xué)因素對骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化的影響

張麗 李曉陽 劉儻

摘要：近年來，組織工程學(xué)領(lǐng)域發(fā)展突飛猛進(jìn)，已被列為一種修復(fù)或再生許多組織和器官的方法。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞具有良好的成骨向分化潛能，在骨組織工程領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞增殖和成骨向分化受多種力學(xué)因素的影響，且不同性質(zhì)的力學(xué)刺激對其定向分化的調(diào)節(jié)作用不盡相同。目前，許多學(xué)者致力于深入探討力學(xué)因素影響骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨向分化的具體途徑，但其調(diào)控機(jī)制尚未完全明確。本文綜述及討論力學(xué)因素對骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞所產(chǎn)生的增殖、定向成骨分化等生物學(xué)效應(yīng)的影響及可能涉及的力化學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路作用機(jī)制，以期豐富研究思路和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞;力學(xué)因素;骨向分化

中圖分類號：R329? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2019.02.012

文章編號：1006-1959（2019）02-0033-04

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）是一種來源于中胚層的原始祖細(xì)胞，是骨髓中具有自我更新和多向分化潛能的干細(xì)胞。BMSCs取材便易、易于分離培養(yǎng)，具有較強(qiáng)的分化潛能，在一定的體內(nèi)外條件下可使其定向分化為成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞等不同的組織細(xì)胞。由于其具有諸多優(yōu)點(diǎn)，因而受到研究者們的青睞，被當(dāng)作理想的組織工程學(xué)種子細(xì)胞和細(xì)胞治療、基因治療的靶細(xì)胞，在臨床治療創(chuàng)傷后骨不連、成骨不全、退行性骨關(guān)節(jié)疾病、骨質(zhì)疏松、中樞神經(jīng)系統(tǒng)病變等許多疾病方面具有良好的應(yīng)用前景。影響B(tài)MSCs成骨向分化的因素主要包括化學(xué)因素和物理因素，一般認(rèn)為激素、生長因子、細(xì)胞因子、趨化因子等組成的化學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路形成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)調(diào)控BMSCs的增殖分化，但是近年來，許多研究表明[1-3]，適當(dāng)?shù)奈锢硪蛩?，如：力學(xué)因素、電磁場、體外震波、熱處理、激光、超聲等在BMSCs成骨向分化過程中也發(fā)揮著不可忽視的作用。力學(xué)因素存在于一切細(xì)胞微環(huán)境中，是調(diào)節(jié)BMSCs生物學(xué)行為的一種重要途徑。BMSCs是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的研究熱點(diǎn)，通過比較不同力學(xué)因素對BMSCs生物學(xué)效應(yīng)的影響，達(dá)到最優(yōu)的定向分化效果，具有重要的醫(yī)學(xué)研究意義。本文就目前常用的不同性質(zhì)、大小、頻率、施加方式、作用時(shí)間的力學(xué)因素對BMSCs成骨向分化影響的相關(guān)研究進(jìn)行綜述，以期豐富研究思路和理論依據(jù)。目前常用的研究影響B(tài)MSCs成骨向分化的力學(xué)因素主要有壓應(yīng)力、牽張應(yīng)力、剪切應(yīng)力和重力等。

1壓應(yīng)力對BMSCs成骨向分化的影響

壓應(yīng)力模型將細(xì)胞培養(yǎng)于密閉容器中，通常利用氣體或流體作為傳導(dǎo)基質(zhì)，通過抽吸成真空的方式產(chǎn)生負(fù)壓，使培養(yǎng)環(huán)境內(nèi)的細(xì)胞受壓;也可以通過向密閉的培養(yǎng)腔內(nèi)注入二氧化碳、空氣、氮?dú)獾确绞疆a(chǎn)生正性壓力使細(xì)胞受壓;還可以通過液柱產(chǎn)生正性靜壓力使細(xì)胞受壓。其優(yōu)點(diǎn)是裝置設(shè)備簡單，細(xì)胞受力均勻，載荷易于傳遞且不依賴培養(yǎng)物與基質(zhì)的結(jié)合狀態(tài)，容易實(shí)現(xiàn)。Huang C等[1]將BMSCs植入羥基磷灰石支架，予以循環(huán)靜水壓的自動(dòng)生物處理器中孵育3周，結(jié)果發(fā)現(xiàn)骨鈣素、骨橋蛋白、骨連接蛋白和1型膠原水平增高。靜水壓顯著增強(qiáng)細(xì)胞活力，促進(jìn)成骨分化和成熟。Stavenschi E等[2]對BMSCs施加幅度為10 kPa、100 kPa、300 kPa，頻率為0.5 Hz、1 Hz、2 Hz的循環(huán)靜水壓，結(jié)果發(fā)現(xiàn)且循環(huán)靜水壓誘導(dǎo)BMSCs早期成骨反應(yīng)呈幅度和頻率依賴性，最強(qiáng)烈的促成骨反應(yīng)出現(xiàn)在最高值（300 kPa）和頻率（2 Hz）。姜喜亮等[3]通過對BMSCs施加適當(dāng)?shù)膲毫筇崛NA及蛋白，檢測重要信號分子FAK、整合素β1（integrinβ1）和整合素連接激酶（integrin-linked kinase，ILK）的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)整合素信號通路參與細(xì)胞力學(xué)信號向生物化學(xué)信號的轉(zhuǎn)化，在靜水壓力誘導(dǎo)細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)改變中的發(fā)揮一定作用。同時(shí)， 骨保護(hù)素（osteoprotegerin，OPG）及其配體（receptor activator of NFκB ligand，RANKL）在骨改建中具有重要作用。Liu J等[4]對體外分離培養(yǎng)的大鼠BMSCs施加靜態(tài)或動(dòng)態(tài)壓應(yīng)力刺激，采用實(shí)時(shí)定量RT-PCR檢測分析BRANKL和OPG mRNA水平，結(jié)果表明，在BMSCs成骨向分化的早期階段無論暴露于靜態(tài)或動(dòng)態(tài)壓應(yīng)力均促進(jìn)破骨效應(yīng)，RANKL/OPG表達(dá)上調(diào)。在成骨向分化的不同時(shí)期BMSCs對壓應(yīng)力顯示不同反應(yīng)。在無壓應(yīng)力刺激成骨誘導(dǎo)BMSCs的早期階段RANKL/OPG明顯升高，提示了骨重塑對機(jī)械刺激早期生物學(xué)反應(yīng)的新機(jī)制。因此，適當(dāng)?shù)膲簯?yīng)力可以促進(jìn)BMSCs增殖和多向分化，一定的壓應(yīng)力刺激可能是通過復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路調(diào)控BMSCs分化，但是具體的調(diào)節(jié)機(jī)制目前尚不完全明確，還需要不斷的探索研究。

2牽張應(yīng)力對BMSCs成骨向分化的影響

組織細(xì)胞常受到動(dòng)態(tài)牽拉應(yīng)力作用，體內(nèi)牽拉應(yīng)力通過細(xì)胞外基質(zhì)傳遞到細(xì)胞。牽張應(yīng)力是研究較早，目前研究較為成熟的一種力學(xué)因素。牽張應(yīng)力模型利用液體或氣體對彈性基底膜施加可控位移或壓力作用，使細(xì)胞基底膜產(chǎn)生彈性變化從而影響粘附于膜上的細(xì)胞受到相應(yīng)的牽張應(yīng)力作用。目前常用的加載系統(tǒng)有四點(diǎn)彎曲、軸向牽拉（單軸、雙軸）、真空作用模型，其中最為人所熟知的是Flexercell加載系統(tǒng)[5]。力學(xué)刺激的不同方式對BMSCs分化產(chǎn)生的效果并不相同。在成骨分化過程中，間歇施加周期性牽拉應(yīng)力和連續(xù)施加周期性牽拉應(yīng)力對BMSCs成骨向分化的影響是不同的。Grier WG等[6]使用自設(shè)計(jì)的循環(huán)拉伸應(yīng)變生物反應(yīng)器施加周期性和持續(xù)性牽拉應(yīng)力刺激人BMSCs，試驗(yàn)顯示，間歇施加周期性牽拉應(yīng)力（1 Hz，每6 h 10 min）對BMSCs的成骨向分化起到促進(jìn)作用。代慶剛等[7]對大鼠BMSCs進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，5%、10%、15%的持續(xù)牽張應(yīng)力均可更有效地促進(jìn)BMSCs的成骨向分化，但10%的持續(xù)牽張應(yīng)力的促進(jìn)效應(yīng)更顯著。持續(xù)牽張應(yīng)力作用下BMSCs細(xì)胞形態(tài)呈現(xiàn)一定規(guī)律性排列，其增殖活性受到抑制，但早期成骨向分化能力卻顯著提高[8]。由此可見，牽張應(yīng)力對BMSCs增殖和細(xì)胞骨架的排列等生物學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生重要作用。同時(shí)，牽張應(yīng)力可增強(qiáng)骨形態(tài)發(fā)生蛋白9（bone morphogenetic protein 9，BMP9）誘導(dǎo)的成骨作用。Song Y等[9]的研究顯示，牽張應(yīng)力誘導(dǎo)細(xì)胞骨架重組并通過阻滯細(xì)胞進(jìn)入細(xì)胞周期的S期來抑制細(xì)胞增值，促進(jìn)成骨分化。

BMSCs成骨向分化過程中，不同形式的牽張應(yīng)力對BMSCs增殖、成骨向分化的影響不同，間歇施加周期性牽拉應(yīng)力促進(jìn)BMSCs的成骨向分化，且牽張應(yīng)力對BMSCs的影響存在于適當(dāng)?shù)姆秶?，適宜的牽張應(yīng)力通過復(fù)雜的作用機(jī)制促進(jìn)BMSCs增殖、細(xì)胞形態(tài)、骨架排列、成骨向分化等一系列生物學(xué)行為。

3剪切應(yīng)力對BMSCs成骨向分化的影響

正常人體內(nèi)各類骨組織細(xì)胞持續(xù)暴露于荷載狀態(tài)下由于組織間隙內(nèi)液體流動(dòng)造成的剪切應(yīng)力中。根據(jù)流變學(xué)原理建立流動(dòng)小室，模擬體內(nèi)流體環(huán)境，利用流動(dòng)培養(yǎng)液對附著于培養(yǎng)基質(zhì)上的細(xì)胞產(chǎn)生剪切應(yīng)力，保證細(xì)胞在受到不同水平恒流或生理剪切應(yīng)力的作用下仍保持與基質(zhì)粘附。目前國內(nèi)外廣泛使用的研究流體剪切應(yīng)力對細(xì)胞影響的儀器主要為錐板流動(dòng)室、平行平板流動(dòng)室、板板流室、圓柱管流室和徑向流裝置等。其中平行平板流動(dòng)室其流室體積小，便于實(shí)時(shí)觀察、顯示和標(biāo)記，操作簡單快捷，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的優(yōu)點(diǎn)而成為最常用的操作模式。試驗(yàn)顯示流體剪切應(yīng)力能夠提高人BMSCs細(xì)胞增殖能力，增強(qiáng)細(xì)胞活性， 且與流體剪切應(yīng)力的模式相關(guān)。Liu L等[10]對人BMSCs實(shí)加間歇性和連續(xù)性流體剪切力刺激，發(fā)現(xiàn)前者較后者能更好的誘導(dǎo)成骨分化。Vetsch JR等[11]對人BMSCs實(shí)加不同流速的剪切力，發(fā)現(xiàn)高流速（0.061 m/s）、高剪切力（0.55～24 mPa）可顯著增強(qiáng)成骨分化。Hu K等[12]發(fā)現(xiàn)流體剪切應(yīng)力作用下的成骨細(xì)胞，通過激活TRPV 4通道使Ca2+內(nèi)流促進(jìn)核心結(jié)合因子Cbfα1的表達(dá)，從而誘導(dǎo)人BMSCs增殖。Becquart P等[13]研究顯示剪切應(yīng)力可通過激活ERK1/2信號通路促進(jìn)BMSCs成骨向分化，其作用較壓應(yīng)力更有效?？梢钥闯觯眉羟袘?yīng)力加載系統(tǒng)模型模擬體內(nèi)流體環(huán)境，可以促進(jìn)BMSCs增殖和成骨向分化，其發(fā)揮效應(yīng)依賴于施加應(yīng)力大小和作用時(shí)間。剪切應(yīng)力影響B(tài)MSCs生物活性的機(jī)制復(fù)雜，可能是通過一定的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路實(shí)現(xiàn)。

4微重力和離心力對BMSCs成骨向分化的影響

微重力影響B(tài)MSCs增殖和細(xì)胞骨架。李煜等[14]應(yīng)用旋轉(zhuǎn)細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)對小鼠BMSCs模擬微重力條件下行成骨誘導(dǎo)，培養(yǎng)10 d，檢測堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）及與成骨相關(guān)的基因蛋白COLI、Runx-2，結(jié)果發(fā)現(xiàn)微重力條件能明顯抑制成骨相關(guān)蛋白的表達(dá)。微重力條件可促進(jìn)BMSCs增殖，抑制BMSCs向成骨細(xì)胞的分化。細(xì)胞微絲骨架對微重力敏感，Mao XL等[15]利用恒溫器模擬微重力施加于BMSCs，發(fā)現(xiàn)微重力通過重塑F-肌動(dòng)蛋白和增加細(xì)胞硬度來抑制BMSCs的遷移。Li L等[16]在正常地面重力和模擬微重力下，將hBMSCs在成骨誘導(dǎo)0、2、7和14 d，然后通過RNA測序分析發(fā)現(xiàn)微重力抑制BMSCs 增殖并抑制成骨分化，但促進(jìn)脂肪形成。此外，微重力還延長高致瘤性細(xì)胞存活。楊先炯等[17]采用平行平板旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)裝置模擬微重力效應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Wnt3a/β-catenin信號通路可能介導(dǎo)了微重力效應(yīng)誘導(dǎo)的BMSCs增殖抑制。

在BMSCs向成骨細(xì)胞分化過程中，離心力是一種促進(jìn)因素。蔣斌等[18]對BMSCs實(shí)施不同大小的離心力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)較低轉(zhuǎn)速（200 r/min與500 r/min）的離心力可促進(jìn)BMSCs增殖，其中500 r/mmin干預(yù)5 d（相對離心力大小約為30.9 g）的促進(jìn)作用最強(qiáng)。而過高轉(zhuǎn)速（800 r/min，相對離心力大小約為79.2 g）的離心力表現(xiàn)為抑制作用。段峰等[19]給予成骨細(xì)胞不同轉(zhuǎn)速離心力（90 r/min，180 r/min，250 r/min）和相同轉(zhuǎn)速不同持續(xù)時(shí)間（6 h、12 h、24 h）的刺激，顯示離心力刺激可促進(jìn)成骨細(xì)胞骨形態(tài)發(fā)生蛋白信號通路中Runx-2mRNA 的表達(dá)，且都隨時(shí)間延長差異明顯，其中180 r/min組（旋轉(zhuǎn)半徑19 cm，相對離心力大小約為6.8 g）作用最強(qiáng)。

當(dāng)機(jī)體處于特殊的微重力環(huán)境，其自身重力消失，骨細(xì)胞缺乏必要的機(jī)械應(yīng)力刺激作用，BMSCs增殖明顯減慢，成骨細(xì)胞特異性基因的表達(dá)受到抑制，而脂肪細(xì)胞特異性基因的表達(dá)上升，模擬微重力通過Wnt3a/β-catenin細(xì)胞信號通路來抑制成骨細(xì)胞分化和促進(jìn)脂肪細(xì)胞分化。離心力能夠促進(jìn)BMSCs成骨向分化。

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞具有多向分化潛能， 在組織工程研究和多種疾病的臨床治療中被寄予厚望，具有重要的科研和臨床應(yīng)用價(jià)值，探討B(tài)MSCs定向增殖和分化的最佳誘導(dǎo)條件一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。力學(xué)刺激是一種影響B(tài)MSCs細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的重要外界因素。不同性質(zhì)的應(yīng)力以及應(yīng)力的大小、頻率、施加方式、作用時(shí)間等力因素影響B(tài)MSCs增殖、周期、骨架和分化等生物學(xué)行為。應(yīng)用各種力學(xué)裝置系統(tǒng)研究力學(xué)因素調(diào)節(jié)BMSCs生物學(xué)效應(yīng)的一系列實(shí)驗(yàn)表明，利用適當(dāng)?shù)臋C(jī)械力學(xué)因素結(jié)合各種促分化化學(xué)誘導(dǎo)因子能促進(jìn)BMSCs成骨向分化，這對組織工程具有深遠(yuǎn)的意義，同時(shí)也為臨床應(yīng)用力學(xué)刺激進(jìn)行治療提供必要的理論依據(jù)。BMSCs成骨向分化過程相關(guān)的細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和功能調(diào)控機(jī)制的研究已取得許多重要進(jìn)展，但力學(xué)刺激誘導(dǎo)BMSCs成骨向分化的力學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和機(jī)制還尚未完全明確。與此同時(shí)，如何更加科學(xué)有效地對BMSCs進(jìn)行力學(xué)加載，尋找最佳力學(xué)刺激條件等一些有關(guān)力學(xué)因素影響B(tài)MSCs成骨向分化的問題也亟待解決，這些是今后誘導(dǎo)BMSCs成骨向分化研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容，尚需進(jìn)一步的探索。

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收稿日期：2018-11-1;修回日期：2018-11-12

編輯/楊倩