力學(xué)信號對成骨細(xì)胞凋亡的影響

魏鶴翔 張騰 張永 吳定 張成俊*

1.蘭州大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000 2.蘭州大學(xué)第二醫(yī)院，甘肅 蘭州 730000

骨骼是一種自適應(yīng)性器官，可以通過調(diào)整和改變自身結(jié)構(gòu)來適應(yīng)外部的應(yīng)力環(huán)境[1]。成骨細(xì)胞作為骨形成的主要介質(zhì)，其增殖與凋亡對骨的生長發(fā)育和骨創(chuàng)傷的修復(fù)有關(guān)鍵的影響[2]。成骨細(xì)胞的凋亡與多種疾病密切相關(guān)，如骨質(zhì)疏松癥、航空飛行及長期臥床導(dǎo)致的骨質(zhì)流失等[3-5]。對成骨細(xì)胞凋亡的研究可能給上述幾種疾病的預(yù)防、治療與康復(fù)提供新的思路與方法。

力學(xué)信號是影響成骨細(xì)胞凋亡的重要因素之一，在骨形成和骨重塑過程中起著重要的調(diào)節(jié)作用。力學(xué)信號可刺激成骨細(xì)胞主導(dǎo)的骨形成過程從而增加骨量；而力學(xué)信號的缺失則可減少骨形成并通過刺激破骨細(xì)胞主導(dǎo)的骨吸收過程使骨量減少[6]。早期關(guān)于應(yīng)力對骨組織影響的理論主要以1892年提出的Wolff定律為代表，該定律提出的應(yīng)力影響骨骼形成的這一基本觀點(diǎn)得到了廣泛的認(rèn)同[7]。在此基礎(chǔ)上，F(xiàn)rost提出了“機(jī)械穩(wěn)定器理論”，該理論定義了骨骼生物學(xué)中構(gòu)建和重塑這兩個基本過程，并初步探討了骨骼的功能適應(yīng)性[7-8]。目前，有關(guān)應(yīng)力對骨組織影響的研究還在不斷深入進(jìn)行。

目前，關(guān)于力學(xué)信號的研究最具代表性的為流體剪切應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力與靜水壓力3種力學(xué)負(fù)荷[4]。這3種應(yīng)力不僅是當(dāng)前研究的焦點(diǎn)，且均對成骨細(xì)胞的凋亡過程存在重要影響?，F(xiàn)針對這3種應(yīng)力加載對成骨細(xì)胞凋亡的影響作一綜述。

1 流體剪切應(yīng)力與成骨細(xì)胞凋亡

流體剪切應(yīng)力(fluid shear stress，F(xiàn)SS)可以模擬人體在運(yùn)動時骨組織內(nèi)組織液對成骨細(xì)胞的影響。體內(nèi)骨組織中有著復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)，組織液會隨著各種原因?qū)е碌墓墙M織形變在這些孔隙結(jié)構(gòu)形成的微管中流動，從而對細(xì)胞施加流體剪切應(yīng)力[2,9]。目前研究證明，流體剪切應(yīng)力是生理?xiàng)l件下對成骨細(xì)胞影響最大的因素之一，缺乏流體剪切應(yīng)力可直接引起骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞凋亡[10]。目前的流體剪切應(yīng)力研究采用的加載應(yīng)力有單向流體剪切應(yīng)力與振蕩流體剪切應(yīng)力之分，其中振蕩流體剪切應(yīng)力被認(rèn)為最具有生理學(xué)意義[11]。

許多研究認(rèn)為一定強(qiáng)度的流體剪切應(yīng)力可抑制細(xì)胞凋亡，目前研究公認(rèn)強(qiáng)度為10～12 dyne/cm2(即1～1.2 Pa)的流體剪切應(yīng)力抑制細(xì)胞凋亡的作用最明顯[12]。如Pavalko等[11]的研究中使用12 dyne/cm2的流體剪切應(yīng)力作用于成骨細(xì)胞4 h后，由TNF-α誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞凋亡可以被顯著抑制，他們的研究還發(fā)現(xiàn)抑制PI3激酶可以阻斷流體剪切應(yīng)力對TNF-α誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞凋亡的抑制作用，說明流體剪切應(yīng)力可通過激活PI3激酶和抑制凋亡相關(guān)蛋白caspase-3表達(dá)抑制TNF-α誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞凋亡。而在Wang等[10]的研究中發(fā)現(xiàn)，振蕩流體剪切應(yīng)力可以通過抑制TNFR I的表面表達(dá)、抑制caspase-8的活化等方式抑制TNF-α介導(dǎo)的成骨細(xì)胞凋亡，且這種作用與此前發(fā)現(xiàn)的一些凋亡抑制因子如MPK、NO等無關(guān)，在他們的研究中，12 dyne/cm2的流體剪切應(yīng)力作用5 min即可顯著抑制TNF-α誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞凋亡，而流體剪切應(yīng)力加載2 h可以幾乎完全消除成骨細(xì)胞的凋亡形態(tài)學(xué)征象。

同時，部分研究指出強(qiáng)度過大的流體剪切應(yīng)力的流體剪切應(yīng)力具有促進(jìn)成骨細(xì)胞凋亡的作用。研究指出，流體剪切應(yīng)力作用1 h以上時，成骨細(xì)胞形態(tài)開始改變，細(xì)胞脫落增多，隨作用時間延長，成骨細(xì)胞凋亡趨勢更加明顯，當(dāng)流體剪切應(yīng)力作用4 h以上時，成骨細(xì)胞形態(tài)全部改變，大部分細(xì)胞出現(xiàn)凋亡征象[12]。Liu等[13]的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流體剪切應(yīng)力強(qiáng)度不超過2 Pa時，成骨細(xì)胞中凋亡抑制蛋白bcl-2和凋亡相關(guān)蛋白caspase-3的表達(dá)量均隨加載流體剪切應(yīng)力的強(qiáng)度增大而明顯增大，成骨細(xì)胞凋亡情況也沒有出現(xiàn)明顯的變化；而當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度超過3 Pa時，bcl-2水平轉(zhuǎn)而隨應(yīng)力強(qiáng)度增大而下降，細(xì)胞出現(xiàn)大量凋亡。

上述研究的結(jié)果說明，流體剪切應(yīng)力的作用存在明顯的抗凋亡-促凋亡轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，即一定強(qiáng)度流體剪切應(yīng)力可抑制細(xì)胞凋亡，但超出閾值強(qiáng)度的流體剪切應(yīng)力可促進(jìn)細(xì)胞凋亡，與Frost的機(jī)械穩(wěn)定器理論相符合[7]。而同樣根據(jù)Frost的機(jī)械穩(wěn)定器理論推導(dǎo)，過長時間的流體剪切應(yīng)力加載對于成骨細(xì)胞也應(yīng)存在促進(jìn)凋亡的作用，由于目前針對此方面的研究較少，還不能得出確切結(jié)論。

2 牽張應(yīng)力與成骨細(xì)胞凋亡

牽張應(yīng)力可模擬在骨骼受壓形變時對成骨細(xì)胞的牽張作用。由于成骨細(xì)胞在完成骨形成后大部轉(zhuǎn)為骨細(xì)胞并被包裹入骨基質(zhì)，未轉(zhuǎn)化的成骨細(xì)胞主要位于骨組織邊緣和骨膜附近，因此骨骼受到外力形變時成骨細(xì)胞會隨之受到牽張力的影響[15]。加載牽張應(yīng)力的研究常將細(xì)胞接種至專用硅膠彈性膜上，并進(jìn)行周期性牽拉。牽張應(yīng)力的強(qiáng)度以該強(qiáng)度下細(xì)胞的形變量表示,并通常以百分率方式表示[16-17]。

目前，有關(guān)牽張應(yīng)力的研究已經(jīng)比較完善。如Chen等[15]的研究對不同強(qiáng)度和不同加載時間下成骨細(xì)胞的凋亡情況均進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明，牽張應(yīng)力導(dǎo)致形變在6 %且作用時間小于4 h時，加載牽張應(yīng)力可顯著抑制成骨細(xì)胞凋亡；而形變在12 %時，只有應(yīng)力加載時間在2 h以內(nèi)時可起到較弱抑制凋亡作用。所有強(qiáng)度的應(yīng)力加載均會在一定時間后轉(zhuǎn)而促進(jìn)成骨細(xì)胞凋亡，且該時間隨加載強(qiáng)度與最適強(qiáng)度數(shù)值的差值增大而增大。而Li等[16]則進(jìn)一步研究了不同強(qiáng)度牽張應(yīng)力作用時成骨細(xì)胞內(nèi)凋亡相關(guān)蛋白的表達(dá)情況。在他們的研究中，拉伸6 %時牽張應(yīng)力可降低caspase-3和caspase-8的活性并增強(qiáng)bcl-2表達(dá)，從而抑制由血清饑餓引起的成骨細(xì)胞凋亡；而當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度增強(qiáng)至拉伸12 %時，caspase-3表達(dá)反而被促進(jìn)，caspase-8和Bax的表達(dá)隨之上升，從而促進(jìn)成骨細(xì)胞凋亡。因此，可以認(rèn)為bcl-2/bax蛋白家族在牽張應(yīng)力調(diào)控成骨細(xì)胞凋亡的過程中起著非常重要的作用，由于該家族蛋白的含量與比例在牽張應(yīng)力作用下隨加載時間延長而發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致牽張應(yīng)力作用下的成骨細(xì)胞出現(xiàn)與時間相關(guān)的抗凋亡-促凋亡作用轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。同時，Liu等[18]在他們的研究中指出，12 %循環(huán)拉伸應(yīng)力可上調(diào)成骨細(xì)胞中微小RNA(miRNA)的表達(dá)，從而有效抑制成骨細(xì)胞中Smad5的表達(dá)，進(jìn)而對骨形成過程產(chǎn)生積極影響。

對上述研究內(nèi)容進(jìn)行綜合分析，可以認(rèn)為牽張應(yīng)力信號與流體剪切應(yīng)力信號對于成骨細(xì)胞的影響相似，同樣存在多效性，主要的影響因素均包括力學(xué)信號的強(qiáng)度，由于以時間為變量的研究較少，牽張應(yīng)力的加載時間對于成骨細(xì)胞凋亡的影響尚難以量化。

3 靜水壓力與成骨細(xì)胞凋亡

靜水壓力(hydrostatic pressure，HP)可模擬骨組織直接承受壓力時成骨細(xì)胞受到的力作用。骨內(nèi)骨液的加壓在骨力學(xué)中起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)樗峁┝遂o水壓力，并迫使間質(zhì)液和骨髓分別流經(jīng)腔隙-小管系統(tǒng)(LCS)和髓腔內(nèi)，同時向骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞施加流體剪切應(yīng)力[19]。有研究指出，靜水壓力可均勻地施加于所有細(xì)胞，因此培養(yǎng)基流動所導(dǎo)致的養(yǎng)分遷移等因素對靜水壓力研究的影響要小于上述兩種負(fù)荷相關(guān)的研究[20]。而成骨細(xì)胞對靜水壓力的敏感性要大于對流體剪切應(yīng)力的敏感性[21]。由于任何使用培養(yǎng)基進(jìn)行的應(yīng)力加載研究都無法完全去除靜水壓力的作用，因此，使用靜水壓力的細(xì)胞研究有著重要的意義。

目前，對于靜水壓力與成骨細(xì)胞凋亡間關(guān)系的研究相對較少?，F(xiàn)有的靜水壓力研究主要包括直接對培養(yǎng)細(xì)胞的培養(yǎng)基加載壓力和外加氣壓以間接加載壓力兩種[17,22]，為模擬生理?xiàng)l件下靜水壓力對骨組織的作用情況，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)研究多采用循環(huán)靜水壓力[2,22]。Takai等[17]的研究給小梁骨外植體模型施加動態(tài)靜水壓，然后通過骨組織形態(tài)計(jì)量學(xué)方法證明，在加載第8天，動態(tài)靜水壓顯著增強(qiáng)了成骨細(xì)胞活性，但該研究同時指出，該作用與模型中活骨細(xì)胞的數(shù)量存在關(guān)聯(lián)性，故難以確定靜水壓力對于單獨(dú)存在的成骨細(xì)胞具有類似作用。Gardinier等[23]的研究及上述研究都認(rèn)為，靜水壓力對細(xì)胞的作用與細(xì)胞間及細(xì)胞內(nèi)的信號蛋白如NFκB、磷脂酶C等相關(guān)，而非對單個細(xì)胞的獨(dú)立作用。因此，靜水壓力研究往往使用立體模型進(jìn)行。然而由于缺乏有效的技術(shù)手段，對生理靜水壓力的直接測量及其在體內(nèi)的效果評估仍然受到限制[24]。

由于缺乏其他類似研究佐證，上述研究的結(jié)論僅具有學(xué)術(shù)上的指導(dǎo)意義。目前，靜水壓力對成骨細(xì)胞凋亡具體影響的量化研究仍較少?，F(xiàn)有研究僅能確定較低強(qiáng)度靜水壓力對成骨細(xì)胞有積極作用[25]。然而，根據(jù)流體剪切應(yīng)力對成骨細(xì)胞作用影響與牽張應(yīng)力對成骨細(xì)胞作用影響的相似性，可以猜想靜水壓力與上述兩種應(yīng)力對成骨細(xì)胞的作用也存在著一定的相似性，即與時間和強(qiáng)度相關(guān)的抗凋亡-促凋亡轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，但這種猜想仍有待于未來研究的證實(shí)。

4 討論

綜合看來，目前應(yīng)力相關(guān)研究主要圍繞著一個基本問題，即力學(xué)負(fù)荷對成骨細(xì)胞造成影響的具體機(jī)制。如大多數(shù)關(guān)于流體剪切應(yīng)力的研究都指出，流體剪切應(yīng)力可以抑制TNF-α誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞凋亡[11]。除此之外，ERK5信號通路[26-27]、PI3K/AKT途徑[28]等均與應(yīng)力加載抑制或促進(jìn)成骨細(xì)胞凋亡有關(guān)。因此，可以認(rèn)為力學(xué)負(fù)荷對成骨細(xì)胞凋亡的影響是多途徑并受多種信號因子調(diào)控的。

根據(jù)上述研究統(tǒng)合分析，可以推測某些力學(xué)信號對于成骨細(xì)胞的影響存在與時間和強(qiáng)度相關(guān)的多效性，即抗凋亡-促凋亡轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為：①當(dāng)應(yīng)力類型與作用時間均不變時，低于最適強(qiáng)度的流體剪切應(yīng)力可抑制成骨細(xì)胞凋亡，而高于最適強(qiáng)度的流體剪切應(yīng)力則會促進(jìn)成骨細(xì)胞凋亡，實(shí)際加載強(qiáng)度與最適存活強(qiáng)度相差越大，其抑/促凋亡作用就越強(qiáng)[14]；②當(dāng)應(yīng)力類型與加載強(qiáng)度不變時，隨作用時間延長，流體剪切應(yīng)力抗成骨細(xì)胞凋亡的作用逐漸增強(qiáng)，并在特定時間點(diǎn)達(dá)到峰值，在該時間點(diǎn)之后，流體剪切應(yīng)力抗凋亡的作用隨作用時間延長而減弱，反而會出現(xiàn)隨時間增強(qiáng)的促凋亡作用[11-13]。機(jī)械牽張應(yīng)力與流體剪切應(yīng)力相似，存在加載強(qiáng)度不同導(dǎo)致的多效性，但由于長時間高強(qiáng)度加載的研究較少，因此仍需要未來研究驗(yàn)證[16-17]。靜水壓力有很大可能同樣存在類似的抗凋亡-促凋亡轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，有待未來研究證實(shí)。

5 研究現(xiàn)狀與展望

受限于研究條件，當(dāng)前的相關(guān)研究大多僅針對一種應(yīng)力，甚至一種應(yīng)力的一種特殊類型，而且目前大多數(shù)研究針對單一種類細(xì)胞的研究，難以模擬較為復(fù)雜的生理狀況下受力模式及信號傳導(dǎo)情況[29]。對于多種應(yīng)力作用于不同類型細(xì)胞間的比較研究較少。因此，對不同力學(xué)負(fù)荷加載進(jìn)行比較可能是未來的研究方向。在機(jī)體生理?xiàng)l件下，力學(xué)信號主要作用于骨組織整體，而目前研究多針對某一單獨(dú)的細(xì)胞，未來研究應(yīng)著重模擬骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞與成骨細(xì)胞作為整體對力學(xué)信號的反應(yīng)[30]。

根據(jù)現(xiàn)有的研究，可以發(fā)現(xiàn)各種應(yīng)力對成骨細(xì)胞的影響具有相似性[14,16-17]。亞細(xì)胞水平的研究也證明，各種應(yīng)力影響成骨細(xì)胞凋亡的信號通路等存在重合，如流體剪切應(yīng)力與牽張應(yīng)力均可通過bcl-2/bax蛋白家族調(diào)控成骨細(xì)胞的凋亡過程[14,17]。因此，未來對于應(yīng)力加載與成骨細(xì)胞凋亡關(guān)系的研究應(yīng)更多地著眼于各種應(yīng)力加載影響的共同點(diǎn)以及多種力學(xué)負(fù)荷共同作用對成骨細(xì)胞的影響?；蛟S可根據(jù)各不同力學(xué)負(fù)荷間的共同點(diǎn)提出一個包括多種力學(xué)信號和細(xì)胞內(nèi)信號通路在內(nèi)的統(tǒng)一性理論。而與力學(xué)信號加載時間和強(qiáng)度相關(guān)的抗凋亡-促凋亡轉(zhuǎn)化現(xiàn)象很有可能是這個統(tǒng)一性理論的突破口。同時，由于大多數(shù)研究為體外細(xì)胞研究，成果難以轉(zhuǎn)化用于臨床，未來研究應(yīng)更多注重力學(xué)負(fù)荷在以原發(fā)性骨質(zhì)疏松為代表的相關(guān)疾病的治療中可能起到的作用[31]。