微重力對骨穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)作用的相關(guān)研究進展△

段 劭，李 超，林 源，陶樹清

（哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院骨外二科，黑龍江哈爾濱150081）

骨量的維持是一個動態(tài)的過程，需要在骨形成和骨吸收之間保持嚴(yán)格的平衡。骨形成由成骨細胞調(diào)控，而破骨細胞決定骨基質(zhì)的吸收。這些細胞在正常的骨骼發(fā)育過程中發(fā)揮作用，同時在成熟的骨組織中受嚴(yán)格調(diào)控以維持血清鈣穩(wěn)定和骨骼的完整性，以防止骨質(zhì)疏松性骨折發(fā)生［1］。骨形成和骨吸收之間的平衡對于保持骨量和礦物質(zhì)穩(wěn)定至關(guān)重要，所以骨重塑是骨穩(wěn)態(tài)的基礎(chǔ)［2］。

骨細胞表達大量的核因子-κB受體激活劑配體（re?ceptor activator for nuclear factor-κB ligand,RANKL），是體內(nèi)骨重塑中RANKL的主要來源，調(diào)節(jié)成骨細胞和破骨細胞來協(xié)調(diào)骨穩(wěn)態(tài)［3］。作為先天免疫系統(tǒng)的組成部分，巨噬細胞消除凋亡的成骨細胞，這一吞噬過程在新骨形成中起重要作用；巨噬細胞有2種表型：促炎癥（M1）和抗炎癥（M2），與破骨細胞形成存在信號級聯(lián)。巨噬細胞間接參與骨組織內(nèi)穩(wěn)態(tài)的建立［4］。

微重力環(huán)境下機械載荷減少對骨結(jié)構(gòu)的機械完整性有直接影響。經(jīng)雙能X線吸收測定法檢測，航天員下肢骨礦物質(zhì)密度（BMD）每個月下降1%～1.6%［5］。研究證實，經(jīng)過4～6個月失重的航天員中骨吸收標(biāo)記物，如：Ⅰ型膠原交聯(lián)N端肽（NTXI），Ⅰ型膠原交聯(lián)C端肽（CTX-I）較飛行前增加75%～125%［6］；在微重力條件下，骨形成標(biāo)記物I型前膠原羧基末端前肽（PICP）早在第8 d就比飛行前降低60%［7］。減弱的成骨機能和增強的破骨活性，是微重力導(dǎo)致骨穩(wěn)態(tài)失衡和骨質(zhì)流失的原因。本文將綜述微重力對骨穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)作用的主要研究進展，探索微重力在細胞水平的調(diào)控機制。

1 微重力對成骨細胞的作用

機械載荷促進骨形成，而微重力會減少機械載荷導(dǎo)致骨量的減少。l型電壓敏感鈣通道（LTCCs），特別是Cav1.2 LTCCs，在機械刺激導(dǎo)致成骨細胞的反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。模擬微重力使miR-103上調(diào)導(dǎo)致成骨細胞的 Cav1.2 LTCCs 部分抑制［8］。Sun 等［9］研究發(fā)現(xiàn)，模擬微重力極大地抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣通道蛋白鈣離子釋放和肌醇1，4，5-三磷酸受體的功能表達。這些結(jié)果表明，模擬微重力可通過抑制小鼠原代成骨細胞鈣通道，顯著降低細胞內(nèi)游離鈣濃度，使成骨細胞增殖減少進而引起骨丟失。Sun等［10］發(fā)現(xiàn)，miR-181c-5p通過促進細胞周期阻滯在g2期，介導(dǎo)模擬微重力誘導(dǎo)的成骨細胞增殖受損。

Shi等［11］通過敲除細胞內(nèi)轉(zhuǎn)運蛋白88 siRNA阻斷纖毛的形成，發(fā)現(xiàn)抑制細胞松弛素D的能力可促進成骨。這些結(jié)果表明，初級纖毛的消失可能是微重力抑制成骨的原因之一。研究數(shù)據(jù)表明初生纖毛作為微重力傳感器通過解聚微管抑制成骨細胞分化和礦化［12］。另一項研究顯示，在模擬微重力條件下miR-494直接靶向骨形態(tài)發(fā)生蛋白2受體抗體（BMPR2）和Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2（RUNX2）信號通路抑制成骨細胞分化［13］。代謝組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)分析顯示，模擬微重力處理導(dǎo)致線粒體蛋白減少，線粒體內(nèi)環(huán)境平衡明顯失調(diào)，其中復(fù)合物III上調(diào)60%，復(fù)合物IV下調(diào)14%，同時ATP質(zhì)子運輸合成降低，氧化谷胱甘肽和抗氧化酶數(shù)量顯著降低，微重力可能會抑制成骨細胞的功能，損害線粒體的能量勢能和細胞的能量狀態(tài)［14］。上述研究提示，通過改變鈣離子濃度、細胞周期、細胞骨架和細胞能量代謝，微重力對成骨細胞增值與分化產(chǎn)生負向調(diào)節(jié)作用。

2 微重力對破骨細胞的作用

破骨細胞是吸收骨的多核細胞，Sambandam等［15］使用旋轉(zhuǎn)細胞培養(yǎng)系統(tǒng)模擬微重力，發(fā)現(xiàn)腫瘤壞死因子相關(guān)的凋亡誘導(dǎo)配體（TRAIL）信號在破骨細胞分化起重要作用，抑制TRAIL的表達可能是治療骨流失的有效措施。進一步研究顯示，下調(diào)合胞素A導(dǎo)致RAW264.7細胞（破骨細胞前體）的自噬活性被顯著抑制，所以微重力調(diào)節(jié)合胞蛋白A的表達可以促進破骨細胞的形成［16］。破骨細胞的形成受到泛素-蛋白酶體途徑的調(diào)控，Ethiraj等［17］發(fā)現(xiàn)，在微重力下蛋白酶體抑制劑處理的RAW264.7細胞p-c-Jun活性水平降低，c-Fos和NFATc1表達下降，破骨細胞形成被抑制。

Chatani等［18］研究發(fā)現(xiàn)，在破骨細胞中，TRAPGFP和MMP9-DsRed的信號在微重力下的第4 d和第6 d出現(xiàn)急劇增加。研究顯示TRAP-GFP/Osterix-DsRed雙轉(zhuǎn)基因青鳉魚在國際空間站飼養(yǎng)56 d后，其咽骨和牙齒區(qū)域的礦物密度降低，破骨細胞被激活，fkbp5和ddit4基因表達明顯上調(diào)［19］。相較于成骨細胞，微重力對破骨細胞的研究數(shù)據(jù)有限，但結(jié)果提示微重力通過細胞自噬和基因激活促進破骨細胞的形成，引起骨穩(wěn)態(tài)失衡。

3 微重力對骨細胞的作用

太空飛行期間的微重力環(huán)境會導(dǎo)致特定部位的骨質(zhì)流失。航天飛行后，股骨干骺端的骨小梁體積降低64%，骨吸收增加140%，并導(dǎo)致骨髓脂肪侵襲；骨干皮質(zhì)變薄并伴有骨膜吸收。骨細胞陷窩體積減小，空陷窩高度增加344%；椎體中，整體骨體積降低。微重力可導(dǎo)致骨細胞死亡，而骨細胞死亡可引發(fā)骨吸收，導(dǎo)致骨量和微觀結(jié)構(gòu)惡化［20］。Aguirre 等［21］發(fā)現(xiàn)，模擬微重力處理3 d內(nèi)，小鼠骨小梁和骨皮質(zhì)骨細胞凋亡的發(fā)生率增加。正常重力中凋亡骨細胞是隨機分布的，而微重力中凋亡的骨細胞優(yōu)先聚集于骨皮質(zhì)內(nèi)并隨后被吸收。

硬凝素是Sost基因的蛋白質(zhì)產(chǎn)物，是一種有效的骨形成抑制劑。硬凝素幾乎只存在于骨細胞中，骨細胞通過調(diào)節(jié)其硬凝素信號調(diào)節(jié)效應(yīng)細胞群中的Wnt信號，協(xié)調(diào)骨穩(wěn)態(tài)平衡［22］。微重力導(dǎo)致機械刺激降低骨細胞Sost基因的表達。Blaber等［23］研究發(fā)現(xiàn)，小鼠骨骼的骨盆和股骨區(qū)域是骨質(zhì)流失的活躍部位，并表明這種流失并不局限于破骨細胞的吸收作用，微重力誘導(dǎo)的骨細胞骨溶解也發(fā)揮關(guān)鍵作用。微重力條件可以引起應(yīng)激反應(yīng)和內(nèi)源性糖皮質(zhì)激素（GC）水平升高，高水平的GC會導(dǎo)致骨質(zhì)流失。阻斷成骨細胞和骨細胞中的GC信號，可以預(yù)防微重力引起的皮質(zhì)骨丟失［24］。以上研究結(jié)果表明，微重力上調(diào)骨細胞凋亡，促進骨細胞溶解，干預(yù)骨穩(wěn)態(tài)。

4 微重力對巨噬細胞作用

巨噬細胞在骨穩(wěn)態(tài)平衡中發(fā)揮關(guān)鍵支持作用，保護身體內(nèi)部器官，協(xié)調(diào)骨處于恒定的更替狀態(tài)［25］。Wang等［26］發(fā)現(xiàn)，模擬微重力激活巨噬細胞中p38 MAPK-C/EBP細胞活化途徑，上調(diào)精氨酸酶和IL-6的表達，下調(diào)IL-12的表達，導(dǎo)致微重力下的免疫抑制。研究顯示，人體對IL-6非常敏感，這一關(guān)鍵細胞因子的變化可能導(dǎo)致在微重力中體內(nèi)免疫造血和骨骼代謝平衡失調(diào)［27］。He等［28］研究顯示，微重力模型小鼠（后肢懸吊）血清和股骨中IL-6表達上調(diào)。而IL-6阻斷劑治療可顯著減輕骨丟失，使脛骨的骨密度增加、骨小梁厚度和數(shù)量增加、脛骨近端骨體積分?jǐn)?shù)增加、股骨骨干的極限負荷和剛度增加，提高小鼠血清骨鈣素水平和堿性磷酸酶的活性，上調(diào)骨橋蛋白mRNA和RUNX2表達；在微重力下RAW264.7細胞中，IL-6阻斷劑下調(diào)組織蛋白酶K和酒石酸抗性酸性磷酸酶（TRAP）的mRNA表達，減少了TRAP陽性的多核破骨細胞的數(shù)量。IL-6阻斷緩解了微重力引起的骨丟失。結(jié)合 Wang［26］和 He［28］的研究，結(jié)果顯示模擬微重力可刺激巨噬細胞介導(dǎo)IL-6表達上調(diào)影響成骨和破骨代謝活性。

Thiel等［29］研究結(jié)果表明，在微重力誘導(dǎo)下，初級巨噬細胞具有細胞形態(tài)變化的快速反應(yīng)和潛在適應(yīng)重力轉(zhuǎn)導(dǎo)的細胞骨架。另一項研究結(jié)論顯示，微重力條件下免疫功能紊亂可能是單核/巨噬細胞系統(tǒng)中ICAM-1調(diào)節(jié)的結(jié)果，而ICAM-1被認(rèn)為是哺乳動物細胞中快速反應(yīng)和持續(xù)的重力調(diào)節(jié)分子［30］。上述數(shù)據(jù)表明，巨噬細胞對微重力的快速感應(yīng)是影響免疫和骨骼系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

5 總結(jié)和展望

太空飛行期間，微重力引起的骨量喪失和骨穩(wěn)態(tài)的改變是航天員的主要健康風(fēng)險之一。微重力導(dǎo)致成骨細胞增殖分化抑制，破骨細胞活性增強，骨細胞凋亡溶解，巨噬細胞介導(dǎo)免疫炎癥因子干預(yù)骨穩(wěn)態(tài)。骨骼系統(tǒng)的平衡調(diào)節(jié)機制復(fù)雜，多細胞類型相互影響，多信號通路交叉作用?，F(xiàn)階段，在微重力對骨穩(wěn)態(tài)研究領(lǐng)域中，有關(guān)成骨細胞的分子靶點和通路研究較豐富，而破骨細胞與骨細胞研究數(shù)據(jù)較少，還需進一步探索。微重力作用巨噬細胞的研究屬最新的研究熱點。微重力影響巨噬細胞通過免疫和骨系統(tǒng)信號通路調(diào)節(jié)骨穩(wěn)態(tài)可能是新方向。進一步研究微重力對骨穩(wěn)態(tài)的具體機制，可能為未來骨穩(wěn)態(tài)失調(diào)引起的骨質(zhì)疏松尋找合適的治療靶點。