物理療法調(diào)控骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化治療骨質(zhì)疏松癥的研究進(jìn)展

趙軍，孔令俊，王興盛，徐世紅，袁劍，鄧葉龍

(1.甘肅省中醫(yī)院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，甘肅 蘭州 730000)

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)是一種以骨量減少、骨組織微結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致脆性骨折風(fēng)險(xiǎn)增高為特征的全身性骨代謝疾病[1]。目前，臨床治療OP主要以藥物治療和物理療法為主。藥物治療周期長(zhǎng)、不良反應(yīng)多，患者依從性不佳，影響臨床療效[2-3]。物理療法主要包括運(yùn)動(dòng)療法和物理因子療法，其中物理因子療法包括全身振動(dòng)、脈沖電磁場(chǎng)、體外沖擊波等[4]。有研究[5-6]表明，物理療法能夠促進(jìn)骨小梁重塑、提高骨密度，延緩OP進(jìn)展，其作用機(jī)制與調(diào)控骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone mesenchymal stem cell，BMSC)成骨分化密切相關(guān)。本文對(duì)運(yùn)動(dòng)療法、全身振動(dòng)、脈沖電磁場(chǎng)、體外沖擊波等物理療法調(diào)控BMSC成骨分化治療OP的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 運(yùn)動(dòng)療法調(diào)控BMSC成骨分化治療OP

目前尚無統(tǒng)一的運(yùn)動(dòng)療法治療標(biāo)準(zhǔn)，臨床上多根據(jù)患者自身情況進(jìn)行個(gè)性化定制。多項(xiàng)研究表明[7-11]，運(yùn)動(dòng)療法在提高OP患者骨密度、減少骨丟失、降低骨折風(fēng)險(xiǎn)方面療效顯著。Watson等[7]研究發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)度抗沖擊訓(xùn)練能夠提高絕經(jīng)后低骨密度女性腰椎和股骨的骨密度。Filipovic等[8]針對(duì)絕經(jīng)后OP患者制定了12周的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃，結(jié)果顯示其可改善絕經(jīng)后女性骨強(qiáng)度，降低骨折風(fēng)險(xiǎn)。Ng等[9]的研究結(jié)果表明，16周的單側(cè)跳躍沖擊運(yùn)動(dòng)能夠改善絕經(jīng)后女性股骨頸、脛骨遠(yuǎn)端的骨密度。Harding等[10]針對(duì)中老年骨質(zhì)疏松患者開展了為期8個(gè)月的運(yùn)動(dòng)治療，每周進(jìn)行2次高強(qiáng)度抗沖擊訓(xùn)練和等距軸向壓縮訓(xùn)練，結(jié)果顯示治療結(jié)束后患者股骨近端骨密度較治療前提高。

運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的肌肉張力和機(jī)械應(yīng)力能夠作用于骨骼，引起骨內(nèi)壓力變化，組織液通過腔隙小管系統(tǒng)自高壓區(qū)流向骨細(xì)胞所在的低壓區(qū)，組織液流動(dòng)刺激骨細(xì)胞，導(dǎo)致骨細(xì)胞內(nèi)鈣濃度、環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)、肌醇三磷酸、前列腺素等物質(zhì)增加[11]。這些物質(zhì)一方面能夠促進(jìn)骨膜細(xì)胞的礦化作用，另一方面能夠促進(jìn)BMSC向成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化，增加骨形成。BMSC屬于機(jī)械刺激敏感型細(xì)胞，運(yùn)動(dòng)治療過程中產(chǎn)生的機(jī)械刺激能夠通過多條信號(hào)通路發(fā)揮作用，從而影響B(tài)MSC成骨分化[12]。Case等[13]研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)療法能夠增加小鼠BMSC的數(shù)量，并促使其成骨分化，其作用機(jī)制與β-連環(huán)蛋白的激活以及過氧化物酶增殖物激活受體-γ(per-oxisome proliferater-activated receptor-γ，PPAR-γ)的表達(dá)抑制有關(guān)。Li等[14]研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)療法能夠促進(jìn)Runx相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(Runt-related transcription factor 2，Runx2)、成骨相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子Osterix以及Wnt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)通路相關(guān)蛋白的表達(dá)，抑制PPAR-γ、轉(zhuǎn)錄因子CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白(CCAAT/enhancer-binding protein，C/EBP)的表達(dá)，從而能夠促進(jìn)BMSC成骨分化，抑制其成脂分化。Runx2是骨形成蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)家族的靶基因，是BMSC成骨分化的重要調(diào)節(jié)因子[15]。Yuan等[16]研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)療法能夠激活BMP家族，進(jìn)而誘導(dǎo)Runx2表達(dá)，發(fā)揮促進(jìn)BMSC成骨分化的作用。Chen等[17]研究發(fā)現(xiàn)，循環(huán)拉伸能夠激活A(yù)MP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)，上調(diào)沉默信息調(diào)節(jié)因子1(silence infor-mation regulator 1，SIRT1)，通過AMPK-SIRT1信號(hào)通路上調(diào)Runx2的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)BMSC成骨分化。此外，miRNAs在運(yùn)動(dòng)療法調(diào)控BMSC成骨分化過程中發(fā)揮重要的作用。Mao等[18]研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)療法還可下調(diào)靶向BMSC成骨分化相關(guān)基因的miRNAs、上調(diào)靶向BMSC破骨分化相關(guān)基因的miRNAs，促進(jìn)成骨細(xì)胞的增值與分化，抑制破骨細(xì)胞的增殖與分化。母系表達(dá)基因3(maternally expressed gene 3，MEG3)是長(zhǎng)鏈非編碼RNA(long noncoding RNA，lncRNA)的一員，可調(diào)控BMSC成骨分化；Zhu等[19]研究發(fā)現(xiàn)，拉伸應(yīng)變可上調(diào)lncRNA-MEG3的表達(dá)，抑制BMSC中miR-140-5p的表達(dá)，促進(jìn)BMSC成骨分化。

2 全身振動(dòng)調(diào)控BMSC成骨分化治療OP

全身振動(dòng)是一種能夠改善肌肉-骨骼系統(tǒng)的訓(xùn)練方法，其主要通過機(jī)械振動(dòng)和外部負(fù)荷激活相應(yīng)的神經(jīng)反射，促進(jìn)肌肉收縮的同時(shí)對(duì)骨骼產(chǎn)生反復(fù)的壓力刺激[20]。相關(guān)研究[21]表明，全身振動(dòng)能夠促進(jìn)骨形成、抑制骨吸收，進(jìn)而提高骨強(qiáng)度和骨密度，降低發(fā)生骨質(zhì)疏松性骨折的風(fēng)險(xiǎn)。Eldeeb等[22]采用全身振動(dòng)治療絕經(jīng)后低骨密度患者，在治療24周后，患者腰椎、股骨骨密度均增加。Luo等[23]的研究結(jié)果也表明，絕經(jīng)后低骨密度患者在進(jìn)行全身振動(dòng)訓(xùn)練后，腰椎、股骨骨密度增加。Yu等[24]研究發(fā)現(xiàn)，采用加速度<1 g、頻率20～90 Hz的低強(qiáng)度振動(dòng)能夠有效促進(jìn)BMSC成骨分化，增強(qiáng)骨形成。Wysocki等[25]研究發(fā)現(xiàn)，低強(qiáng)度振動(dòng)能夠通過miR-378a-3p增強(qiáng)Runx2、堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)、Ⅰ型膠原蛋白及骨鈣素的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)BMSC成骨分化。Li等[26]研究發(fā)現(xiàn)，低強(qiáng)度振動(dòng)一方面能夠上調(diào)Runx2、成骨相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子Osterix、Ⅰ型膠原蛋白及骨鈣素mRNA和蛋白的表達(dá)，下調(diào)PPAR-γ的表達(dá)，另一方面能夠上調(diào)雌激素受體的表達(dá)，并激活Wnt信號(hào)通路，進(jìn)而促進(jìn)BMSC成骨分化。Zhao等[27]研究發(fā)現(xiàn)，低強(qiáng)度高頻率振動(dòng)能夠抑制PAR-γ、轉(zhuǎn)錄因子C/EBP、脂聯(lián)素的表達(dá)，促進(jìn)p38、促分裂原活化的蛋白激酶磷酸化，進(jìn)而促進(jìn)BMSC成骨分化，增強(qiáng)骨形成。此外，Wen等[28]研究發(fā)現(xiàn)，低強(qiáng)度振動(dòng)能夠促進(jìn)大鼠的骨形成，并能夠通過SIRT1/p53/p21信號(hào)通路抑制成骨細(xì)胞的衰老。

3 脈沖電磁場(chǎng)調(diào)控BMSC成骨分化治療OP

脈沖電磁場(chǎng)是一種治療OP的非侵入性物理因子療法，目前已在臨床上廣泛應(yīng)用，并取得良好療效[29]。Ebid等[30]采取脈沖電磁場(chǎng)結(jié)合運(yùn)動(dòng)療法對(duì)95例OP男性患者進(jìn)行了12周的治療，結(jié)果顯示患者髖關(guān)節(jié)和腰椎骨密度顯著增加。Liu等[31]分別采用阿侖膦酸鈉口服和脈沖電磁場(chǎng)治療絕經(jīng)后OP患者，治療24周后2組患者腰椎和股骨近端骨密度均顯著提高，且2組提高率無顯著差異。Catalano等[32]采用脈沖電磁場(chǎng)治療43例絕經(jīng)后OP患者，結(jié)果顯示核因子κB受體活化因子配體與骨保護(hù)素(osteoprotegrin，OPG)的比值顯著降低，Dkk-1表達(dá)量降低、β-連環(huán)蛋白表達(dá)量升高。BMSC具有向成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞及脂肪細(xì)胞等多種細(xì)胞分化的潛能。脈沖電磁場(chǎng)能促進(jìn)BMSC中ALP、BMP-2的表達(dá)，并抑制脂肪因子、激活蛋白2等成脂分化相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，從而促進(jìn)BMSC成骨分化、抑制BMSC成脂分化[33]。BMP-2是骨基質(zhì)中的酸性蛋白，屬于轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(transforming growth factor，TGF)-β超家族成員[34]。Martini等[35]將人BMSC暴露于頻率75 Hz、強(qiáng)度1.5 mT的脈沖電磁場(chǎng)中，結(jié)果表明脈沖電磁場(chǎng)可促進(jìn)BMP-2、BMP-6和BMPⅠ型受體基因表達(dá)，增強(qiáng)人BMSC成骨分化。白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-6是趨化因子家族的一種細(xì)胞因子，也是炎癥因子之一。Wang等[36]研究發(fā)現(xiàn)，IL-6能夠激活Toll樣受體(Toll-like receptor，TLR)2、TLR4和Akt通路，從而抑制β-連環(huán)蛋白、Setd7的表達(dá)，抑制成骨分化。脈沖電磁場(chǎng)則能夠上調(diào)腺苷受體A2a、A3的表達(dá)，降低IL-6、IL-8等炎癥因子的表達(dá)，增加cAMP、IL-10等的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)成骨分化[37]。此外，De Mattei等[38]研究發(fā)現(xiàn)，脈沖電磁場(chǎng)能夠通過上調(diào)miR-26a和miR-29b的表達(dá)、降低miR-125b的表達(dá)，促進(jìn)BMSC成骨分化。因此，脈沖電磁場(chǎng)不僅能夠通過調(diào)控成骨分化及成脂分化相關(guān)蛋白的表達(dá)促進(jìn)BMSC成骨分化，同時(shí)還能夠通過抑制炎癥因子的表達(dá)、調(diào)控相關(guān)miRNA的表達(dá)來促進(jìn)BMSC成骨分化，進(jìn)而影響OP的進(jìn)展。

4 體外沖擊波調(diào)控BMSC成骨分化治療OP

體外沖擊波是一種高能量壓力波，能夠?qū)θ梭w組織產(chǎn)生空化效應(yīng)，在細(xì)胞水平產(chǎn)生力學(xué)刺激，從而促進(jìn)多種生長(zhǎng)因子的表達(dá)[39-41]。Huang等[42]研究發(fā)現(xiàn)，體外沖擊波能夠增強(qiáng)骨質(zhì)疏松大鼠骨折區(qū)域OPG和BMP-2的表達(dá)，促進(jìn)骨形成。W?lfl等[43]研究發(fā)現(xiàn)，體外沖擊波能夠提高低骨密度患者的骨轉(zhuǎn)換標(biāo)志物的表達(dá)水平。Shi等[44]研究發(fā)現(xiàn)，體外沖擊波可誘導(dǎo)氧化還原反應(yīng)，增加胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，激活內(nèi)皮型一氧化氮合酶，從而促進(jìn)成骨分化。Wang等[45]研究發(fā)現(xiàn)，體外沖擊波可引起膜擾動(dòng)，并激活Ras信號(hào)通路，誘導(dǎo)核心結(jié)合因子a1、Ⅰ型膠原蛋白和骨鈣素mRNA表達(dá)，促進(jìn)BMSC成骨分化。Li等[46]研究發(fā)現(xiàn)，體外沖擊波能夠通過TGF-β/Sma和Mad相關(guān)蛋白(Sma-and Mad-related protein，Smad)2途徑促進(jìn)BMSC成骨分化；Smad家族介導(dǎo)BMP信號(hào)通路，其中Smad2可轉(zhuǎn)化TGF-β信號(hào)，誘導(dǎo)BMSC成骨分化相關(guān)基因表達(dá)。

5 小 結(jié)

OP的發(fā)生與成骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨形成和破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收之間的平衡被打破密切相關(guān)，而BMSC成骨分化對(duì)維持二者平衡至關(guān)重要。BMSC屬于機(jī)械刺激敏感型細(xì)胞，其能夠?qū)⑸锪W(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為生物化學(xué)信號(hào)，影響其增殖分化。物理療法治療OP取得了顯著的臨床療效，其能夠通過調(diào)控BMSC成骨分化來達(dá)到增加骨密度和骨強(qiáng)度、降低脆性骨折發(fā)生率的目的。然而，目前已有研究表明，運(yùn)動(dòng)療法、全身振動(dòng)、脈沖電磁場(chǎng)、體外沖擊波等物理療法能夠通過多條信號(hào)通路調(diào)控BMSC成骨分化，但其具體作用機(jī)制較為復(fù)雜，尚未完全明確。因此，對(duì)于不同物理療法調(diào)控BMSC成骨分化的具體機(jī)制，尚需進(jìn)一步開展動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、細(xì)胞實(shí)驗(yàn)等進(jìn)一步深入研究。