運動對骨細胞分化與調(diào)節(jié)相關性研究進展*

蔡 科，張 丹

(1.華東交通大學體育與健康學院；2.江西省“體質健康與運動干預”重點實驗室；3.華東交通大學體育健身研究中心，江西 南昌 330013)

在運動系統(tǒng)中，骨、骨連結和骨骼肌約占成人體重的60%～70%，具有執(zhí)行支持、保護和運動的功能。骨是以骨組織(包括骨細胞、膠原纖維和基質等)為主體構成的器官，是在結締組織或軟骨基礎上發(fā)育(骨化)形成的。骨組織的細胞成分包括骨原細胞(osteogenitor cell)、成骨細胞(osteoblast，亦稱bone-forming cells)、骨細胞(osteocyte)和破骨細胞(Osteoclast，OC)。骨細胞主要來源于成骨細胞中骨髓間充質干細胞分化，約占骨細胞總數(shù)95%，是組成骨的主要成分。骨細胞是一個機械應力感受器，通過內(nèi)分泌調(diào)節(jié)形式作用于成骨細胞和破骨細胞[1]。在運動過程中，不同的運動負荷能夠作為有效刺激源并產(chǎn)生生物學效應影響骨的形態(tài)和內(nèi)部結構[2]。Kerr等[3-4]在1972年提出了細胞分化與調(diào)節(jié)，隨后在生物、醫(yī)學等學科得到了廣泛響應。細胞分化與調(diào)節(jié)是細胞按照自身的程序，發(fā)生的一種更新和清除異常細胞，維持自身內(nèi)穩(wěn)態(tài)和促進動態(tài)平衡狀態(tài)。細胞分化與調(diào)節(jié)通路包括半胱天冬酶-3的裂解，DNA片段斷裂，細胞骨架和核蛋白降解，蛋白交叉耦合，分化與調(diào)節(jié)小體的產(chǎn)生，噬菌細胞受體的配體的表達，最終噬菌細胞的吞噬這一系列的通路[5]。目前細胞分化與調(diào)節(jié)研究多在生物和醫(yī)學等方面；在運動醫(yī)學中主要集中運動與心肌、骨骼肌的細胞分化與調(diào)節(jié)；細胞分化與調(diào)節(jié)與Bcl-2蛋白家族、Caspase 家族成員、IGF家族成員、具有抑癌功能的“死亡基因” P53、Fas-Fasl 系統(tǒng)等，而運動與細胞分化與調(diào)節(jié)及對骨代謝的影響等方面研究已成為關注點。運動能夠有效的促進骨代謝，運動是否對骨細胞分化與調(diào)節(jié)進行調(diào)控，相關研究較少。有關運動與骨細胞分化與調(diào)節(jié)之間相互關系尚不清楚。本文對運動與骨髓間充質干細胞(Bone Mesenchymal Stem Cells，BMSC)、成骨細胞、骨細胞、破骨細胞的分化與調(diào)節(jié)之間的關系來闡述運動對骨代謝的調(diào)控機制，以期為運動促進骨健康提供理論依據(jù)。

1 運動對骨細胞分化與調(diào)節(jié)影響的概述

運動對骨的化學成分和物理性質產(chǎn)生重要影響，且可以有效的促進骨的發(fā)生、發(fā)育和形態(tài)結構的改變?？茖W合理的運動能夠有效的對骨內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定產(chǎn)生促進作用。研究表明，運動的缺乏和不良的生活習慣會影響鈣、磷的吸收和沉積，導致骨組織總量減少，增加骨質疏松危險因素。在中老年女性和男性，尤其是絕經(jīng)后的婦女中表現(xiàn)尤為明顯[6]。伴隨著年齡的增長及身體機能狀態(tài)出現(xiàn)顯著下降，運動和體力活動減少及體內(nèi)激素水平發(fā)生變化等因素是導致骨細胞分化降低，骨量減少的重要誘因。當今社會中，骨質疏松是影響公眾健康的重要因子之一，而運動可以有效的預防和治療骨質疏松、糖尿病、高血壓的研究已有很多。研究表明，運動對骨細胞分化與調(diào)節(jié)的影響可能機制是機械應力效應、運動對骨細胞激素及細胞水平的表達變化、運動對骨細胞傳導通路和遞質的調(diào)控等。運動對骨質疏松的防治和機制的研究有待進一步研究。已有研究發(fā)現(xiàn)，利用運動對BMSC、成骨細胞、破骨細胞、骨細胞進行有效的干預，模擬運動產(chǎn)生的機械應力對骨骼的刺激，能夠有效的促進BMSC向成骨細胞分化，抑制向脂肪細胞分化，同時促進成骨細胞的增殖及分化，降低破骨細胞的活性及數(shù)量，促進骨形成，抑制骨吸收[7]。

2 運動與骨髓間充質干細胞分化與調(diào)節(jié)的關系

骨髓原始間充質干細胞是骨髓基質干細胞，對骨髓中的造血干細胞(hemopoietic stem cells, HSC)不僅有機械支持作用，具有多分化潛能，能分泌多種生長因子，如白介素-6(interleukin-6，IL-6)、白介素-11(interleukin-11，IL-11)、白細胞抑制因子(leukemia inhibitory factor，LIF)、巨噬細胞集落刺激因子(macrophages colony stimulating factor，M-CSF)及干細胞因子(stem cell facto，SCF)等原始細胞。在相關因素的誘導下，能分化為軟骨、成骨、脂肪細胞。研究表明，機體患有骨質疏松癥會伴有骨量減少且會引起骨髓脂肪細胞的增多[8]。運動作為刺激源能夠促進BMSC向成骨細胞增殖和分化，抑制脂肪細胞的分化，提高BMSC的分化并減少其分化與調(diào)節(jié)。Case等[9]和Simmons等[10]研究表明，對小鼠進行2%和3%強度的牽張力運動干預后能夠通過有效的下調(diào)過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator activated receptorγ2，PPARγ2)和甲狀旁腺激素-1 (parathyroid hormone-1，PTHR-1)的表達并有效的抑制了脂肪細胞及脂肪細胞脂肪酸結合蛋白2和脂聯(lián)素的蛋白表達。同時，BMSC中Ⅰ型膠原及骨粘連蛋白有明顯升高，成骨細胞增殖分化現(xiàn)象上升。其中，實驗組細胞外基質較對照組高出2.3倍。Sumanasinghe等[11]在研究中發(fā)現(xiàn)，周期性的運動作為牽張刺激源可以有效的上調(diào)間充質干細胞中重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(recombinant human bone morphogenetic protein-2，BMP-2)的mRNA的表達，有效的促進了成骨細胞分化。而缺乏運動刺激，BMSC向成骨細胞轉化的明顯減弱，向脂肪細胞轉化的能力明顯增強。運動訓練能夠促進小鼠BMSC的分化，進一步促進BMSC向成骨細胞增殖分化。

3 運動與成骨細胞分化與調(diào)節(jié)的關系

成骨細胞由骨原細胞分化而來，當骨生長和再生過程中，成骨細胞于骨組織表面排列成規(guī)則的一層，并向周圍分泌基質和纖維，將自身包埋于其中，形成類骨質(osteoid)，有骨鹽沉積后則變?yōu)楣墙M織，成骨細胞則成熟為骨組織細胞[12]。研究表明，運動干預對機體產(chǎn)生的牽張力能有效影響骨細胞中BMP-2、重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-4(recombinant human bone morphogenetic protein-4,BMP-4)、骨鈣素、Runx2相關因子(runt related gene，Runx2)、堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)活性及I型膠原等成骨因子水平表達增加，增強了成骨細胞外基質的生物活性[13]。Du等[14]研究表明，與對照組相比較，對小鼠MC3T3-E1成骨細胞進行牽張力運動干預發(fā)現(xiàn)，Wnt10b及低密度脂蛋白相關蛋白5(Low-density lipoprotein receptor-related protein 5，Lrp5)的基因明顯上調(diào)，而機械加壓較前者干預效果更為顯著。同時，MC3T3-E1成骨細胞灌注到3D培養(yǎng)模型中進行流體剪切力的干預，能顯著提高成骨細胞ALP活性及細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases，ERKs)的磷酸化水平，上調(diào)整合素β1、I型膠原以及基質金屬蛋白酶的表達，促進成骨細胞的增殖與分化[15]。相關研究表明，3%、6%強度的牽張刺激可以上調(diào)Wnt信號轉導通路，促進成骨細胞分化，而12%強度的刺激及干預則成骨細胞分化較少，有抑制現(xiàn)象[16]。

在對人體的研究中發(fā)現(xiàn)，運動或身體體力活動時骨骼在不同程度上受到肌肉牽拉和地面反作用力的影響，人體內(nèi)骨鈣素、ALP表達上調(diào)從而促進成骨細胞數(shù)量的增加。Kish等[17]選取12例未成年男性和14例成年男性進行大強度遞增式跳躍運動。結果表明，兩組受試者在運動24小時后血清ALP和破骨細胞抑制因子(osteoclastogenesis inhibitory factor，OPG)明顯升高。Lester等[18]研究表明，年輕女性經(jīng)過8周的抗阻有氧訓練，其血清中骨鈣素、ALP等水平明顯上升。由此提示，機械應力、骨骼的牽張刺激、流體剪切、加壓力等機械刺激均能上調(diào)成骨細胞中Runx2、ALP、BMP-2、4以及Ⅰ型膠原等成骨因子的表達，促進成骨細胞的增殖及分化。

4 運動與骨細胞分化與調(diào)節(jié)的關系

骨細胞為成熟骨組織中的主要細胞，相當于人的成年期，由骨母細胞轉化而來，對骨吸收和形成都起作用，是維持成熟骨新陳代謝的主要細胞，位于礦化的骨基質中。骨細胞是骨骼受力后首先做出應答的感受器，其通過生化傳導通路將外界刺激源傳遞給成骨細胞、破骨細胞等效應細胞，對骨的形態(tài)結構和內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生影響。Tatsumi等[19]通過對轉基因小鼠模型研究發(fā)現(xiàn)，骨細胞缺乏會影響成骨細胞分化與調(diào)節(jié)，加速小鼠骨脆性和微結構負增長，同時發(fā)現(xiàn)骨細胞缺乏會對機體機械刺激應答產(chǎn)生負面影響，由此說明骨細胞是骨結構中接受和傳遞牽張力和機械應力的傳導媒介。眾所周知，合理科學的運動有利于機體骨小梁和骨密質、骨松質的排列及合理應力。研究發(fā)現(xiàn)，適宜的外界刺激能夠促使骨細胞自我完善和提高骨細胞內(nèi)對牽張力的敏感性，這提示骨細胞在運動的刺激下能夠適應和接受外界對其產(chǎn)生的應力刺激[20]。Mann等[21]發(fā)現(xiàn)周期性的機械牽張力能夠顯著促進骨細胞增殖和分化并起到抑制人類骨細胞的分化與調(diào)節(jié)的速率。前列腺素E2是骨細胞增殖分化的重要物質，研究表明，在流體剪切力的作用下，骨細胞中前列腺素受體EP2D的表達明顯增加從而促進前列腺素E2的分泌，有助于骨的形成。Maurel等[22]和Swift等[23]研究報道指出，有規(guī)律的運動及抗阻訓練能夠有效的促進大鼠骨小梁的布局和抑制骨細胞分化與調(diào)節(jié)，減輕骨質疏松現(xiàn)象、增加骨含量和生成率。Fonseca等[24]的研究也表明，大鼠股骨在接受最大的應力后能夠有效的減少骨細胞死亡和骨空隙數(shù)量，起到保護股骨的作用。由此說明，運動產(chǎn)生的牽拉力和機械刺激能夠有效的增加骨細胞數(shù)量，減少骨細胞分化與調(diào)節(jié)，促進骨形態(tài)、骨量重新分布和內(nèi)部微結構完整性，有利于骨細胞重新適應新的力學環(huán)境。

5 運動與破骨細胞分化與調(diào)節(jié)的關系

破骨細胞是骨組織成分的一種，行使骨吸收(bone resorption)的功能。破骨細胞與成骨細胞在功能上相對應。二者協(xié)同，在骨骼的發(fā)育和形成過程中發(fā)揮重要作用。破骨細胞來源于造血干細胞的單核巨噬細胞譜系，主要分布在骨質表面、骨內(nèi)血管通道周圍。研究表明，人體長期堅持適度體育鍛煉，可使機體內(nèi)破骨細胞生物學性能方面得到改善，同時促進骨細胞、成骨細胞對破骨細胞的形成起著吸收和調(diào)節(jié)作用。Rubin等[25]采用牽張力對破骨細胞進行運動張力干預研究，其強度為5%，發(fā)現(xiàn)周期性機械牽張力干預能夠有效的抑制破骨細胞的形成。運動產(chǎn)生的機械張力能夠使破骨細胞分化因子(osteoclast differentiation factor，ODF) 及核因子κB受體活化因子配體(receptor activator for nuclear factor-κ B ligand，RANKL)的mRNA表達下調(diào)，而內(nèi)源性一氧化氮合酶(nitrfic oxides synthase，NOS)的mRNA表達增加[26-27]。M-CSF、RANKL是破骨細胞分化有利誘導因子，其分泌會增強骨的吸收，其中γ-干擾素(Interferon-γ, IFN-γ)會使RNAK銜接蛋白降解加速，同時通過RANKL-RANK通路來抑制破骨細胞生成，運動產(chǎn)生的機械張力刺激能下調(diào)巨噬細胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor, M-CSF)、RANKL、IL-6、干擾素(Interferon, IFN)等細胞因子的表達抑制骨吸收，同時上調(diào)OPG、IFN 等成骨因子的表達，進而促進骨形成[28-29]。這提示運動產(chǎn)生的機械張力對破骨細胞的分化與調(diào)節(jié)產(chǎn)生一定影響。Suzuki等[30]和Nagatomi等[31]研究報道，運動產(chǎn)生的機械張力能有效抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)、基質金屬蛋白酶-9(matrix metallopeptidase-9，MMP-9)、組織蛋白酶K(cathepsin K，CTSK)、白細胞介素1(Interleukin-1，IL-1)及腫瘤壞死因子-α(Tumor Necrosis Factor，TNF-α)、即刻早期基因c-Fos、降鈣素基因相關受體mRNA表達，抑制破骨細胞產(chǎn)生，同時上調(diào)破骨細胞前體一氧化氮合酶mRNA表達。提示運動產(chǎn)生的機械張力和牽引力能夠有效的抑制破骨細胞分化與調(diào)節(jié)及增殖和分化，抑制骨吸收過程。

6 小結與展望

現(xiàn)有研究已證明[32-34]，骨細胞是骨組織內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的重要標志，是骨組織修復和轉換的重要因素，骨細胞發(fā)生分化與調(diào)節(jié)是骨質疏松癥的重要誘因，因此有效抑制骨細胞分化與調(diào)節(jié)有利于減輕骨質疏松癥發(fā)病率，并對骨轉換和骨修復發(fā)揮著重要作用。從骨細胞應力的角度，運動對骨質疏松癥的預防毋庸置疑。運動產(chǎn)生的機械張力能夠直接對破骨細胞、成骨細胞產(chǎn)生作用，或間接的通過間充質干細胞、骨細胞及骨代謝信號轉導通路調(diào)控成骨細胞及破骨細胞的增殖與分化，促進骨形成，預防骨質疏松癥等骨疾病問題。細胞分化與調(diào)節(jié)對骨質疏松癥的影響逐漸受到學者們的重視，但誘導或抑制骨細胞分化與調(diào)節(jié)的因素有很多，例如運動與骨免疫、骨細胞自噬、骨細胞代謝等功能系統(tǒng)之間相互作用，其中運動刺激產(chǎn)生牽張力后對骨組織細胞的影響及生物應激反應、骨細胞分化與調(diào)節(jié)的基因及調(diào)控機制有待進一步研究，通過這些研究可以更好的發(fā)現(xiàn)運動促進骨代謝的發(fā)生機制，為骨質疏松等骨代謝疾病的防治提供重要的理論依據(jù)。