機(jī)械應(yīng)力調(diào)控成骨細(xì)胞信號(hào)通路影響骨重塑的研究進(jìn)展

余文悅 尹程程 孫宏晨

生理狀態(tài)下，骨骼處于不斷重建的連續(xù)過(guò)程，稱為骨重塑。遺傳、激素、營(yíng)養(yǎng)、生物活性物質(zhì)、機(jī)械力等都能影響此過(guò)程，其中機(jī)械應(yīng)力是刺激骨形成的重要因素，比如促進(jìn)骨骼成熟和重建等，其缺乏可導(dǎo)致骨代謝紊亂、骨量流失等[1]。成骨細(xì)胞作為骨重塑中關(guān)鍵的效應(yīng)細(xì)胞，可感受體內(nèi)外力學(xué)刺激，并將力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為生物化學(xué)信號(hào)，參與骨形成的生理活動(dòng)[2]。機(jī)械應(yīng)力能影響成骨細(xì)胞內(nèi)不同信號(hào)通路而調(diào)節(jié)其增殖、分化等，從而調(diào)控骨重塑[3]。本文對(duì)不同機(jī)械應(yīng)力對(duì)成骨細(xì)胞信號(hào)通路調(diào)控的相關(guān)研究予以綜述，以期為探究機(jī)械應(yīng)力影響骨重塑的具體機(jī)制以及臨床治療骨相關(guān)疾病提供新思路。

一、與骨重塑相關(guān)的機(jī)械應(yīng)力的分類

機(jī)械應(yīng)力是刺激骨組織再生的重要因素之一，目前對(duì)機(jī)械應(yīng)力影響骨重塑的研究主要集中在成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞對(duì)機(jī)械應(yīng)力的響應(yīng)上。與骨重塑密切相關(guān)的機(jī)械應(yīng)力有多種形式，其中已被用于研究離體細(xì)胞和組織的主要有以下幾種：壓縮應(yīng)力，是最常見的機(jī)械應(yīng)力，主要裝置有加力板、加力箱[4]；拉伸應(yīng)力，通常采用四點(diǎn)彎曲細(xì)胞力學(xué)加載裝置等形成[4]；流體剪切力，指組織液等流經(jīng)細(xì)胞膜表面所產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，可通過(guò)流動(dòng)腔、蠕動(dòng)泵等實(shí)施[5]；流體靜壓力，用于模擬運(yùn)動(dòng)過(guò)程中關(guān)節(jié)軟骨所受的應(yīng)力環(huán)境，可利用細(xì)胞液壓裝置或采用流固耦合模型模擬[6]；機(jī)械離心力，是慣性的表現(xiàn)，產(chǎn)生離心運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象[7]；重力，因地球的吸引力而受到的力，包括高重力、微重力及強(qiáng)磁重力[8]；低強(qiáng)度脈沖超聲波，是一種超過(guò)人類聽力范圍的高頻聲波，主要裝置是超聲耦合器[9]。應(yīng)用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的體內(nèi)施加機(jī)械應(yīng)力的方法，比如后肢懸吊模擬試驗(yàn)以及股骨四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)等也逐漸成熟[10,11]。近年來(lái)，成骨細(xì)胞對(duì)機(jī)械應(yīng)力的應(yīng)激反應(yīng)成為研究熱點(diǎn)，針對(duì)其潛在機(jī)制的相關(guān)報(bào)道也如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)。

二、不同機(jī)械應(yīng)力對(duì)成骨細(xì)胞信號(hào)通路的調(diào)控作用

成骨細(xì)胞表面具有多種機(jī)械感受器，包括機(jī)械敏感性離子通道、細(xì)胞外基質(zhì)-整合素-細(xì)胞骨架系統(tǒng)、G 蛋白及酪氨酸激酶等，都參與機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)的生物學(xué)過(guò)程，最終調(diào)節(jié)細(xì)胞核內(nèi)基因的表達(dá)[12]。成骨細(xì)胞對(duì)機(jī)械環(huán)境非常敏感，對(duì)其施加機(jī)械應(yīng)力會(huì)引起細(xì)胞功能變化等適應(yīng)性反應(yīng)，在機(jī)制上影響調(diào)控其生長(zhǎng)和分化的信號(hào)通路，進(jìn)而改變骨的質(zhì)量和形態(tài)[3]。

1.壓縮應(yīng)力

作為常見的機(jī)械應(yīng)力，壓縮應(yīng)力可通過(guò)不同的信號(hào)通路引起成骨細(xì)胞在骨形成中的相關(guān)效應(yīng)。

骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）相關(guān)信號(hào)通路在骨重塑研究領(lǐng)域已有多年，臨床前期研究已證實(shí)BMP 能夠誘導(dǎo)新骨形成[13]。Bmpr1aca 小鼠可實(shí)現(xiàn)在成骨細(xì)胞中條件性激活BMP/Smad 信號(hào)通路，Kamiya 等人對(duì)該小鼠股骨進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)成骨細(xì)胞數(shù)量增加，并存在動(dòng)態(tài)骨形成，證實(shí)了壓縮應(yīng)力可通過(guò)激活成骨細(xì)胞中BMP/Smad 信號(hào)通路而增強(qiáng)骨形成[10]。

核因子-κB 受體活化因子配體（receptor activator for nuclear factor-κB ligand，RANKL）可由成骨細(xì)胞分泌，能夠與破骨細(xì)胞表面RANK 結(jié)合，加速破骨細(xì)胞分化、成熟；而骨保護(hù)素（osteoprotegrin，OPG），可與RANK 競(jìng)爭(zhēng)性地結(jié)合RANKL，從而抑制破骨細(xì)胞形成[14]，因此RANKL/RANK/OPG 信號(hào)軸通過(guò)調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞之間交互作用而影響骨重塑。基于此，Shen 等人對(duì)小鼠原代成骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞前體細(xì)胞系MC3T3-E1 施加不同大小的壓縮應(yīng)力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)參與調(diào)控成骨細(xì)胞分化的Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2（runt-related transcription factor 2，Runx-2）在2 g/cm2的壓縮應(yīng)力作用下顯著增加，RANKL/OPG 比率明顯下降，因此，適宜大小的壓應(yīng)力可通過(guò)RANKL/RANK/OPG 信號(hào)通路作用于成骨細(xì)胞，進(jìn)而間接抑制破骨細(xì)胞形成[15]。

Wnt/β-catenin 信號(hào)通路在骨形成中發(fā)揮重要作用，壓縮應(yīng)力可激活該信號(hào)通路，不僅對(duì)MC3T3-E1 增殖起正向調(diào)節(jié)作用，而且可以調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞分化[4,16]。有研究證實(shí)了壓縮應(yīng)力可以激活Wnt/βcatenin 信號(hào)通路而促進(jìn)人下頜骨成骨細(xì)胞前體細(xì)胞的礦化[17]。此外，有研究證實(shí)，哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物2（mammalian target of rapamycin complex 2，mTORc2）是機(jī)械應(yīng)力激活β-catenin 活性的關(guān)鍵復(fù)合物，為了明晰它在機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用，Lewis 等人通過(guò)對(duì)小鼠體內(nèi)晚期分化的成骨細(xì)胞條件性敲除mTORc2 亞基基因Rictor 后，對(duì)脛骨施加壓縮應(yīng)力，證實(shí)了成骨細(xì)胞中的mTORc2 信號(hào)通路是壓縮應(yīng)力調(diào)控骨形成的關(guān)鍵信號(hào)通路[18]。

2010 年，Ardem 實(shí)驗(yàn)室在篩選機(jī)械敏感的離子通道時(shí)發(fā)現(xiàn)了壓電型機(jī)械敏感離子通道組件1（piezo type mechanosensitive ion channel component 1，PIEZO1）[19]，PIEZO1 可以調(diào)控Hippo 信號(hào)通路下游的yes 相關(guān)蛋白（yes associated protein，YAP）的核定位，是機(jī)械應(yīng)力調(diào)節(jié)骨重塑的關(guān)鍵信號(hào)通路位點(diǎn)[20]。Wang 等人利用小鼠后肢懸吊模擬失重模型，發(fā)現(xiàn)Piezo1 敲除的小鼠對(duì)失重引起的破骨細(xì)胞活性增強(qiáng)和骨量丟失不敏感；受PIEZO1 調(diào)控的基質(zhì)蛋白Col2α1 和Col9α2 可以抑制破骨細(xì)胞分化；因此，PIEZO1/YAP 信號(hào)通路影響成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞的相互作用，從而參與調(diào)節(jié)機(jī)械應(yīng)力誘導(dǎo)的骨重塑[11]。

綜上，壓縮應(yīng)力是較早受到關(guān)注的機(jī)械應(yīng)力，適宜范圍內(nèi)的機(jī)械應(yīng)力可通過(guò)BMP、Wnt/β-catenin 以及新近發(fā)現(xiàn)的PIEZO1/YAP 等信號(hào)通路而調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞功能，了解壓縮應(yīng)力影響成骨細(xì)胞的具體信號(hào)通路及機(jī)制對(duì)于更有效地調(diào)控骨重塑至關(guān)重要，對(duì)機(jī)械應(yīng)力在生物醫(yī)學(xué)中的研究發(fā)展具有重要價(jià)值。

2.拉伸應(yīng)力

拉伸應(yīng)力也可調(diào)控不同信號(hào)通路介導(dǎo)的成骨細(xì)胞增殖、分化過(guò)程。細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2（extracellular signal-regulated kinase，ERK1/2）信號(hào)通路可以調(diào)控成骨細(xì)胞分化[21]。Yan 等人發(fā)現(xiàn)生理范圍內(nèi)的拉伸應(yīng)力（2000～2500 Me）通過(guò)激活ERK1/2 信號(hào)通路促進(jìn)MC3T3-E1 的增殖活性，而5000 Me 的拉伸應(yīng)力抑制其增殖[22]。骨硬化素（sclerostin，SOST）是由骨細(xì)胞分泌的一種糖蛋白，能夠抑制成骨細(xì)胞分化，促進(jìn)破骨細(xì)胞形成，其表達(dá)受機(jī)械刺激的調(diào)節(jié)[23]。為了探究機(jī)械信號(hào)如何調(diào)控SOST，Sasaki 等人分別使用PIEZO1 激動(dòng)劑、AKT 抑制劑刺激骨細(xì)胞，并施加持續(xù)循環(huán)拉伸應(yīng)力，證實(shí)了拉伸應(yīng)力可以通過(guò)激活骨細(xì)胞中PIEZO1/AKT 信號(hào)通路下調(diào)SOST[24]。此外，有學(xué)者探究拉伸應(yīng)力影響成骨細(xì)胞成骨能力與水解酶二甲基喹甲酰胺1（dimethylarginine dimethylaminohydrolase 1，DDAH1）的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)加載5%拉伸應(yīng)力作用下，Taz/Smad4 信號(hào)被激活而上調(diào)DDAH1 表達(dá)，促進(jìn)了骨形成[25]。因此，適宜范圍內(nèi)的拉伸應(yīng)力可以促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖及分化，對(duì)骨愈合的臨床治療思路具有參考價(jià)值。

3.流體剪切力

組織液等細(xì)胞外液流經(jīng)細(xì)胞膜表面對(duì)成骨細(xì)胞施加的流體剪切力，可以激活相關(guān)信號(hào)，促進(jìn)成骨相關(guān)蛋白表達(dá)而調(diào)控骨形成[26]。細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶5（extracellular signal-regulated kinase，ERK5）可以調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、分化和凋亡，流體剪切力可通過(guò)調(diào)控ERK5 信號(hào)而影響成骨細(xì)胞增殖[27]。克魯珀?duì)枠右蜃?（Kruppel-like factor 4，KLF4）在骨組織中表達(dá)明顯，研究發(fā)現(xiàn)敲除KLF4 可增強(qiáng)成骨細(xì)胞增殖、分化而促進(jìn)骨形成[28]。為了明確成骨細(xì)胞中ERK5 信號(hào)與KLF4 的相互關(guān)系，Zhang 等人發(fā)現(xiàn)，在流體剪切力刺激下，MC3T3-E1 中ERK5 信號(hào)被激活，KLF4 表達(dá)水平降低，最終成骨細(xì)胞增殖上調(diào)[29]。信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3（signal transducer and activator of transcription 3，STAT3）可促進(jìn)生理?xiàng)l件下的骨形成，并響應(yīng)通過(guò)骨細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)的機(jī)械負(fù)載[30]。有研究發(fā)現(xiàn)，在成骨細(xì)胞中條件性敲除Stat3的小鼠中，機(jī)械應(yīng)力誘導(dǎo)的骨形成減少，伴成骨細(xì)胞減少、破骨細(xì)胞增多[31]?；|(zhì)金屬蛋白酶13（matrix metallopeptidase 13，MMP-13）能夠降解間質(zhì)膠原纖維，在機(jī)械負(fù)荷下，其在MC3T3-E1 中的表達(dá)升高[32]。流體剪切力可以通過(guò)促進(jìn)Mmp-13 基因表達(dá)，激 活 Nmp4/CIZ （nuclear matrix protein 4/cas interacting zinc finger protein）/MMP-13 通路，從而促進(jìn)成骨細(xì)胞分化[33]。近年來(lái)對(duì)流體剪切力在骨疾病中的機(jī)制研究越來(lái)越多，成骨細(xì)胞對(duì)流體剪切力的響應(yīng)具有一定的敏感性和適應(yīng)性，相關(guān)的具體機(jī)制也在不斷完善和更新。

4.低強(qiáng)度脈沖超聲波

低強(qiáng)度脈沖超聲波（low intensity pulsed ultrasound，LIPUS）以高頻聲波壓力波的形式傳輸?shù)浇M織中，是FDA 批準(zhǔn)用于臨床上促進(jìn)骨折愈合的治療方法[34]。肌生長(zhǎng)抑素（myostatin，MSTN）屬于轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β 超家族，有研究表明LIPUS 可以通過(guò)上調(diào)WNT1 和β-catenin 的表達(dá)，激活MSTN 信號(hào)通路促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖[35]。Tang 等人觀察了LIPUS對(duì)后肢懸吊大鼠骨愈合的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)LIPUS 有效地降低了血清中MSTN 的含量，抑制其受體及其下游信號(hào)分子，激活了成骨細(xì)胞WNT 信號(hào)通路，促進(jìn)了骨缺損的愈合[36]。此外，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)MC3T3-E1可以響應(yīng)LIPUS 的機(jī)械信號(hào)，通過(guò)PIEZO1 將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)進(jìn)細(xì)胞內(nèi)，激活ERK1/2 信號(hào)通路，促其成骨向分化[37]。明晰LIPUS 對(duì)成骨細(xì)胞發(fā)揮作用的生物學(xué)機(jī)制，可為未來(lái)研究無(wú)創(chuàng)骨折康復(fù)及其他骨疾病的物理因子治療提供新思路。

5.流體靜壓力

流體靜壓力是人體內(nèi)骨細(xì)胞的恒定機(jī)械應(yīng)變，參與成骨細(xì)胞生成，也可以被軟骨細(xì)胞感知，有研究表明其能夠通過(guò)抑制基質(zhì)合成和誘導(dǎo)促炎基因的表達(dá)，促使軟骨退化[38]。許多第二信使信號(hào)通路的匯聚點(diǎn)是絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPKs），其中ERK1/2 可以響應(yīng)流體剪切力，ERK1/2 信號(hào)通路的激活是機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵通路之一[39]。有研究對(duì)人胎成骨細(xì)胞施加持續(xù)性流體靜壓力，發(fā)現(xiàn)人胎成骨細(xì)胞中的ERK1/2 通路可被激活[40]。

迄今為止，流體靜壓力調(diào)控間充質(zhì)干細(xì)胞的相關(guān)研究較多，例如流體靜壓力可以通過(guò)lncRNA PAGBC/miR-133b/RUNX2 誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞，從而促進(jìn)骨形成[6]。除此之外，流體靜壓力還可以在雌激素受體信號(hào)的參與下，通過(guò)激活c-Jun 氨基端激酶1/2（c-Jun N-terminal kinases-1/2，JNK-1/2）促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的軟骨向分化[41]。相比之下，流體靜壓力對(duì)于成骨細(xì)胞的相關(guān)研究相對(duì)不足，更多骨重塑相關(guān)的信號(hào)通路有待進(jìn)一步探索。

機(jī)械應(yīng)力刺激是調(diào)控骨重塑的關(guān)鍵因素之一，壓縮應(yīng)力、拉伸應(yīng)力、流體剪切力以及低強(qiáng)度脈沖超聲波等可以通過(guò)改變成骨細(xì)胞內(nèi)多種信號(hào)通路而影響其生物學(xué)行為，包括增殖、分化和礦化等，從而影響骨重塑。探明機(jī)械應(yīng)力對(duì)成骨細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路的影響及具體機(jī)制，以更有效地調(diào)控機(jī)械應(yīng)力刺激誘導(dǎo)的骨發(fā)育及骨改建，具有重要的臨床意義。然而，目前關(guān)于機(jī)械應(yīng)力的力學(xué)作用參數(shù)（如頻率、大小、振幅、轉(zhuǎn)速等）對(duì)成骨細(xì)胞的作用機(jī)制尚缺乏系統(tǒng)研究，對(duì)此有待更多探索，以便更好地應(yīng)用于口腔科、骨科等臨床實(shí)踐中。