機(jī)械應(yīng)力下骨細(xì)胞行為變化的研究進(jìn)展

詹紅偉 王倩 移植 張蕾 張娟 李燕香 耿彬 吳萌 夏亞一* 姜金*

1.蘭州大學(xué)第二醫(yī)院,甘肅 蘭州 730030

2.蘭州大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院,甘肅 蘭州 730030

骨細(xì)胞占骨組織細(xì)胞總量的90%以上,是骨骼中主要的機(jī)械應(yīng)力感受細(xì)胞[1]。骨細(xì)胞具備多種生理功能,其中包括協(xié)調(diào)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的重塑、機(jī)械傳導(dǎo)、礦物質(zhì)穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)、與除骨骼以外器官的相互作用等[2-3]。骨細(xì)胞還可直接重塑骨骼的細(xì)胞外基質(zhì)骨,為骨骼結(jié)構(gòu)和功能的維護(hù)和調(diào)控提供必要的支持[4]。骨細(xì)胞之間通過(guò)樹(shù)突連接相互聯(lián)系,并分布在充滿(mǎn)液體的腔隙網(wǎng)絡(luò)中,該網(wǎng)絡(luò)遍布整個(gè)礦化的骨組織,機(jī)體在運(yùn)動(dòng)時(shí),骨細(xì)胞的樹(shù)突狀結(jié)構(gòu)能感受到周?chē)后w所產(chǎn)生的流體剪切力(fluid shear stress,FSS)[5]。除了響應(yīng)FSS外,骨細(xì)胞還能直接感知細(xì)胞外基質(zhì)應(yīng)變力的變化,這也是骨細(xì)胞感受機(jī)械刺激的另一個(gè)重要方式[6]。研究表明,生理上的機(jī)械應(yīng)力刺激可以降低骨細(xì)胞的凋亡水平,并促進(jìn)其分化[7-10]。此外,骨細(xì)胞在機(jī)械應(yīng)力刺激下可以通過(guò)直接或間接的方式調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的分化程度,從而參與骨重塑過(guò)程[11-16]。為了明確機(jī)械應(yīng)力下骨細(xì)胞行為變化及其對(duì)其他類(lèi)型細(xì)胞影響的具體作用機(jī)制,本文從骨細(xì)胞分化、凋亡及其與成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的相互作用等方面對(duì)機(jī)械應(yīng)力下骨細(xì)胞行為的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,為今后骨質(zhì)疏松基礎(chǔ)研究提供理論參考。

1 機(jī)械應(yīng)力對(duì)骨細(xì)胞分化的影響

1.1 骨細(xì)胞的分化過(guò)程

骨細(xì)胞是成骨細(xì)胞譜系中分化程度最高的細(xì)胞。成骨細(xì)胞來(lái)源于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞,后者也可以分化成脂肪細(xì)胞和成軟骨細(xì)胞。骨膜中的骨祖細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞,有5%～20%的成骨細(xì)胞最終分化為骨細(xì)胞,而其余的成骨細(xì)胞會(huì)因細(xì)胞凋亡或逐漸扁平化成為骨襯細(xì)胞,分布在骨表面,如圖1所示[17]。在骨細(xì)胞形成的過(guò)程中,成骨細(xì)胞的形態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨羌?xì)胞為特征的樹(shù)突狀,這一過(guò)程還伴隨著自噬介導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)面積和線(xiàn)粒體數(shù)量的減少,以及胞漿突起的形成[18]。這些長(zhǎng)的細(xì)胞質(zhì)突起穿過(guò)骨質(zhì)中的小管道,使骨細(xì)胞之間可以相互作用,并分泌因子影響鄰近的骨細(xì)胞和骨表面或骨髓中的其他細(xì)胞。與此同時(shí),轉(zhuǎn)錄和翻譯上的重大變化使骨細(xì)胞中調(diào)控骨平衡的分子得以表達(dá)[19]。研究已經(jīng)證實(shí)不同基因負(fù)責(zé)細(xì)胞形態(tài)和骨小管網(wǎng)絡(luò)的形成,例如,E11蛋白是骨細(xì)胞啟動(dòng)樹(shù)突形成的關(guān)鍵分子[20];牙本質(zhì)基質(zhì)蛋白1表達(dá)則對(duì)牙齒的成熟至關(guān)重要[21]。

圖1 機(jī)械應(yīng)力調(diào)控骨細(xì)胞分化過(guò)程示意圖Fig.1 Diagram depicting the regulation of osteocyte differentiation by mechanical stress

1.2 機(jī)械應(yīng)力下影響分化的分子機(jī)制

Zhang等[10]利用3D生物打印技術(shù)制備了含有人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu),并施加機(jī)械載荷,培養(yǎng)8周后形成了具有骨細(xì)胞特征的類(lèi)器官。該研究發(fā)現(xiàn),在機(jī)械刺激作用下,在第9～31 d,類(lèi)器官內(nèi)樹(shù)突狀細(xì)胞的比例和長(zhǎng)度逐漸增加,并顯著高于對(duì)照組。這表明長(zhǎng)期機(jī)械載荷能夠促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向骨細(xì)胞分化。前列腺素E2(prostaglandin E2,PGE2)是機(jī)械載荷影響骨重建和吸收過(guò)程中的關(guān)鍵因子,它可以介導(dǎo)成骨細(xì)胞的礦化和破骨細(xì)胞分化[22](圖1)。Wilmoth等[23]開(kāi)發(fā)了一種新型3D水凝膠雙層復(fù)合材料來(lái)模擬骨細(xì)胞生態(tài)位中的生理應(yīng)力水平,并在其上培養(yǎng)IDG-SW3前體骨細(xì)胞。并發(fā)現(xiàn),在PGE2干預(yù)下,骨細(xì)胞成熟標(biāo)志物的骨硬化蛋白(sclerostin,Sost)表達(dá)顯著增高,進(jìn)展為更成熟的表型。這說(shuō)明PGE2可以通過(guò)自分泌或旁分泌方式調(diào)節(jié)骨細(xì)胞在機(jī)械應(yīng)力下的分化水平[9]。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),與去雌激素組相比,雌激素處理組骨細(xì)胞在流體剪切力作用下分泌的NO和PGE2水平升高,并且Sost和骨鈣素表達(dá)也增加,這些結(jié)果提示雌激素參與調(diào)節(jié)骨細(xì)胞對(duì)機(jī)械應(yīng)力刺激的敏感性[24]。骨細(xì)胞在受到機(jī)械應(yīng)力刺激后,通過(guò)分泌PGE2和NO等信號(hào)分子來(lái)促進(jìn)前體骨細(xì)胞的分化成熟,如圖1所示。然而,有關(guān)其細(xì)胞內(nèi)下游分子和信號(hào)通路的調(diào)控機(jī)制尚未得到充分報(bào)道,這為進(jìn)一步研究提供了新的研究方向。

2 機(jī)械應(yīng)力對(duì)骨細(xì)胞凋亡的影響

骨細(xì)胞凋亡是骨重塑過(guò)程中的一種生理現(xiàn)象,有利于去除死骨組織,實(shí)現(xiàn)骨細(xì)胞自我更新和維持骨質(zhì)量[25]。然而,多種病理狀態(tài)的發(fā)生和發(fā)展,可能會(huì)導(dǎo)致骨細(xì)胞凋亡失衡,如衰老、廢用、糖皮質(zhì)激素過(guò)量以及性腺激素缺乏等[26-28]。

骨細(xì)胞凋亡和機(jī)械刺激之間存在著“U”型關(guān)系[7]。機(jī)械刺激過(guò)弱或過(guò)強(qiáng)都會(huì)引起更多的骨細(xì)胞凋亡,而適度的機(jī)械應(yīng)力刺激則可以降低骨細(xì)胞凋亡水平。有實(shí)驗(yàn)顯示,在應(yīng)力達(dá)到3 000～4 000微應(yīng)變的峰值時(shí),使用短時(shí)間應(yīng)力刺激的骨細(xì)胞凋亡比率比無(wú)應(yīng)力組減少了40%[8]。此外,在嚙齒動(dòng)物太空飛行模型中,機(jī)械卸載會(huì)促進(jìn)骨細(xì)胞衰老和凋亡,這可能是導(dǎo)致機(jī)械卸載引起的骨代謝失衡的主要原因[29]。在機(jī)械卸載模型中,小鼠骨小梁和骨皮質(zhì)的骨細(xì)胞凋亡及其導(dǎo)致的骨量流失均顯著增加,這提示骨細(xì)胞凋亡在調(diào)節(jié)骨架對(duì)機(jī)械負(fù)荷變化適應(yīng)性過(guò)程中發(fā)揮重要作用[30]。值得注意的是,骨細(xì)胞凋亡主要發(fā)生在骨皮質(zhì)內(nèi)表面附近,而靠近骨膜表面的骨細(xì)胞凋亡水平變化并不顯著,這可能與皮質(zhì)內(nèi)表面附近的骨細(xì)胞對(duì)維持細(xì)胞活性所需生長(zhǎng)因子的需求量更大有關(guān)[31]。

Tan等[32]將FSS作用于骨細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)骨細(xì)胞內(nèi)NO生成增加,并抑制了骨細(xì)胞凋亡,提示NO是FSS抑制骨細(xì)胞凋亡的重要介質(zhì)。此外,整合素、Src激酶和ERK也是FSS下維持骨細(xì)胞活性的重要信號(hào)分子[33]。Kitase等[34]發(fā)現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力下骨細(xì)胞產(chǎn)生的PGE2也能保護(hù)其本身的活性,進(jìn)一步證實(shí)PGE2通過(guò)EP2受體和EP4受體激活cAMP/PKA和PI3K/AKT信號(hào)通路,抑制GSK-3活性,促進(jìn)β-catenin核轉(zhuǎn)位和表達(dá),從而對(duì)骨細(xì)胞起到保護(hù)作用。還有學(xué)者認(rèn)為鑲嵌在骨細(xì)胞上的整合素能感應(yīng)生態(tài)位的FSS,并將機(jī)械信號(hào)傳導(dǎo)至細(xì)胞質(zhì)以防止細(xì)胞凋亡[30]。

細(xì)胞間隙連接蛋白43(connexin 43,Cx43)是骨細(xì)胞機(jī)械信號(hào)傳導(dǎo)中的“質(zhì)量檢查點(diǎn)”,對(duì)維持其機(jī)械敏感性至關(guān)重要。FGF7可上調(diào)Cx43的表達(dá),并促進(jìn)β-catenin在胞質(zhì)內(nèi)聚集和部分核轉(zhuǎn)位,從而維持骨細(xì)胞活性[35]。為保證骨細(xì)胞獲得充足營(yíng)養(yǎng)和氧氣交換,其需要完整的腔隙-小管網(wǎng)絡(luò)。然而,在機(jī)械卸載期間,腔隙-小管網(wǎng)絡(luò)可能遭到破壞,導(dǎo)致骨細(xì)胞缺氧[36]。因此,有學(xué)者認(rèn)為缺氧是機(jī)械卸載下骨細(xì)胞凋亡的另一個(gè)重要原因。缺氧會(huì)引起線(xiàn)粒體ATP減少、ROS增加和胞內(nèi)pH降低等一系列變化,從而對(duì)細(xì)胞造成損傷并引發(fā)細(xì)胞凋亡[37]。生理狀態(tài)下FSS在骨細(xì)胞周?chē)a(chǎn)生流動(dòng),促進(jìn)氧氣擴(kuò)散,從而抑制缺氧引起的細(xì)胞凋亡。Montesi等[38]發(fā)現(xiàn)在低氧條件下,骨細(xì)胞內(nèi)氧調(diào)節(jié)蛋白150(ORP150)表達(dá)水平顯著升高,并推測(cè)ORP150可能對(duì)低氧條件下的骨細(xì)胞具有保護(hù)作用。另有研究顯示,在缺氧期間,腺病毒E1B19 kDa互作蛋白也呈現(xiàn)高表達(dá)狀態(tài),但其在骨細(xì)胞凋亡中的具體作用有待進(jìn)一步研究[39]。

研究表明鳶尾素和骨形態(tài)發(fā)生蛋白-7(bone morphogenetic protein-7,BMP-7)也參與了機(jī)械應(yīng)力下骨細(xì)胞凋亡的調(diào)控。Storlino等[30]發(fā)現(xiàn),在老齡和失重小鼠模型中,鳶尾素能夠通過(guò)抑制氧化應(yīng)激和糖皮質(zhì)激素的誘導(dǎo)來(lái)降低骨細(xì)胞凋亡,并增加皮質(zhì)骨中存活骨細(xì)胞的數(shù)量。Wang等[40]發(fā)現(xiàn),在地塞米松誘導(dǎo)的骨細(xì)胞凋亡模型中,機(jī)械刺激能夠上調(diào)骨細(xì)胞內(nèi)BMP-7表達(dá)來(lái)降低凋亡水平,并證實(shí)BMP-7抗凋亡作用主要通過(guò)其受體BMPR2介導(dǎo),可能與PI3K/AKT/GSK3b信號(hào)通路的激活有關(guān)。骨細(xì)胞凋亡在骨代謝中扮演著重要的角色。機(jī)械刺激通過(guò)作用于骨細(xì)胞膜表面的整合素和Cx43,以及促進(jìn)骨細(xì)胞分泌PGE2和BMP-7的方式,將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)化為生物信號(hào)。隨后,這些信號(hào)通過(guò)細(xì)胞內(nèi)的ERK、cAMP/PKA和PI3K/AKT等信號(hào)通路介導(dǎo),發(fā)揮對(duì)細(xì)胞凋亡的抑制作用,進(jìn)而維持骨代謝平衡,見(jiàn)圖2。

圖2 機(jī)械應(yīng)力調(diào)控骨細(xì)胞凋亡示意圖Fig.2 Diagram depicting the regulation of osteocyte apoptosis by mechanical stress

3 機(jī)械應(yīng)力下骨細(xì)胞與其他類(lèi)型細(xì)胞的相互作用

骨細(xì)胞通過(guò)多種細(xì)胞傳感器,包括初級(jí)纖毛、整合素、離子通道和縫隙連接等,感受機(jī)械刺激,被激活后釋放生物信號(hào),從而調(diào)控效應(yīng)細(xì)胞的生物學(xué)行為。在機(jī)械應(yīng)力下,骨細(xì)胞能夠直接或間接地促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化,并抑制破骨細(xì)胞的分化。另外,骨細(xì)胞也能通過(guò)分泌細(xì)胞外囊泡的方式,有效地招募骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞并促進(jìn)其成骨分化[41]?？傊?骨細(xì)胞在機(jī)械應(yīng)力下與成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞等相互作用中發(fā)揮著重要的生物學(xué)作用。

3.1 骨細(xì)胞與成骨細(xì)胞的偶聯(lián)機(jī)制

成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)和定向分化受到多步驟的分子通路控制,其中不同的轉(zhuǎn)錄因子和信號(hào)蛋白對(duì)其分化起到重要的調(diào)控作用[42]。在機(jī)械應(yīng)力下,骨細(xì)胞感應(yīng)機(jī)械刺激并向成骨細(xì)胞發(fā)出信號(hào),調(diào)節(jié)其分化程度。Cx43介導(dǎo)的縫隙連接是骨細(xì)胞直接調(diào)控成骨細(xì)胞的重要機(jī)制,通過(guò)縫隙連接骨細(xì)胞向成骨細(xì)胞發(fā)出信號(hào),提高其堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)的活性從而促進(jìn)其分化。除此之外,骨細(xì)胞通過(guò)調(diào)控IL-6[12]、IL-11[11]、整合素α5[43]和PGE2[43]等的分泌來(lái)間接調(diào)控成骨細(xì)胞分化水平,見(jiàn)圖3。

圖3 機(jī)械應(yīng)力介導(dǎo)骨細(xì)胞調(diào)控成骨細(xì)胞分化示意圖Fig.3 Diagram depicting the regulation of osteoblast differentiation in osteocyte mediated by mechanical stress

Cx43已被證明在骨形成和動(dòng)態(tài)平衡中扮演許多重要的角色,包括調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的增殖、分化和凋亡[44]。ALP是成骨細(xì)胞分化時(shí)分泌的一種糖蛋白酶,因此是成骨細(xì)胞分化的重要標(biāo)志物。Taylor等[45]通過(guò)建立一種體外三維共培養(yǎng)系統(tǒng)(骨細(xì)胞-成骨細(xì)胞),證明了機(jī)械應(yīng)力下骨細(xì)胞通過(guò)縫隙連接將生物信號(hào)傳遞給成骨細(xì)胞的能力。他們發(fā)現(xiàn),在暴露于FSS下的骨細(xì)胞中,縫隙連接在骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞之間形成,且成骨細(xì)胞的ALP活性顯著增加,從而促進(jìn)了成骨細(xì)胞的分化。Yvanoff等[46]開(kāi)發(fā)了一種基于活細(xì)胞的微流控平臺(tái),研究了骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞之間通過(guò)Cx43介導(dǎo)的縫隙連接的細(xì)胞間通訊。他們發(fā)現(xiàn)高分辨率熒光顯微鏡顯示在成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞之間接觸處存在Cx43蛋白。暴露在微流體通道中的FSS會(huì)導(dǎo)致鈣波響應(yīng)從骨細(xì)胞傳播到鄰近的成骨細(xì)胞,從而促進(jìn)了成骨細(xì)胞的分化。此外,他們還發(fā)現(xiàn)加入縫隙連接抑制劑(18β-甘草次酸)可以消除鈣波從骨細(xì)胞向周?chē)晒羌?xì)胞的傳播[46]。Loiselle等[47]的研究結(jié)果同樣表明,Cx43在骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞之間的形成,并介導(dǎo)機(jī)械應(yīng)力下骨細(xì)胞對(duì)成骨細(xì)胞分化的促進(jìn)作用。

機(jī)械負(fù)荷會(huì)刺激骨細(xì)胞釋放多種合成代謝信號(hào),包括細(xì)胞因子、PGE2和整合素等,以誘導(dǎo)成骨細(xì)胞的分化。Hao等[12]發(fā)現(xiàn),壓縮循環(huán)力下MLO-Y4骨細(xì)胞可以產(chǎn)生IL-6,通過(guò)STAT3和ERK信號(hào)通路來(lái)調(diào)節(jié)小鼠顱骨成骨細(xì)胞的ALP活性,進(jìn)而影響成骨細(xì)胞的分化。Dong等[11]研究發(fā)現(xiàn),在機(jī)械應(yīng)力下,IL-11可通過(guò)激活I(lǐng)L-11Rα-STAT1/3來(lái)增強(qiáng)Wnt信號(hào)的級(jí)聯(lián)作用,從而促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化,有利于骨形成。此外,Zhao等[43]觀察到,在機(jī)械應(yīng)力下整合素α5是脛骨成骨反應(yīng)的必需因素,其中機(jī)制可能是骨細(xì)胞細(xì)胞膜上的整合素α5通過(guò)Cx-43半通道釋放PGE2,進(jìn)而減少Sost蛋白,且增加β-catenin在成骨細(xì)胞中的表達(dá),從而參與機(jī)械負(fù)荷下的成骨反應(yīng)。Matsuzaka等[48]使用一種新型可控FSS刺激成骨細(xì)胞-骨細(xì)胞共培養(yǎng)裝置,發(fā)現(xiàn)在不同水平FSS下,骨細(xì)胞可以通過(guò)增加PGE2的分泌來(lái)調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的排列,并通過(guò)高度排列的骨基質(zhì)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)骨組織的功能化。同時(shí),Matsuzaka等[48]也發(fā)現(xiàn),拮抗成骨細(xì)胞上PGE2的EP2和EP4受體可導(dǎo)致定向膠原基質(zhì)上成骨細(xì)胞排列的喪失。

3.2 骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞的偶聯(lián)機(jī)制

破骨細(xì)胞是起源于單核巨噬細(xì)胞系的多核細(xì)胞,它是人體唯一能夠明確降解骨的細(xì)胞,負(fù)責(zé)在舊骨區(qū)域分泌酸性物質(zhì)、溶解骨中的礦物質(zhì),并分泌蛋白酶來(lái)消化骨基質(zhì)。在機(jī)械應(yīng)力下,破骨細(xì)胞的活動(dòng)主要受到骨細(xì)胞的調(diào)控。其中,核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor-kappa B ligand,RANKL)和骨保護(hù)素(osteoprotegerin,OPG)是調(diào)控破骨細(xì)胞分化的重要分子[49]。當(dāng)骨細(xì)胞受到機(jī)械應(yīng)力刺激后,通過(guò)降低RANKL/OPG比率來(lái)抑制破骨細(xì)胞的分化。此外,骨細(xì)胞還能通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞因子及信號(hào)分子的分泌來(lái)調(diào)控破骨細(xì)胞的分化,例如CXCL5[15]、IL-6[15]、NO[16]、MEPE[14]等,見(jiàn)圖4。

圖4 機(jī)械應(yīng)力介導(dǎo)骨細(xì)胞調(diào)控破骨細(xì)胞分化示意圖Fig.4 Diagram depicting the regulation of osteoclast differentiation in osteocyte mediated by mechanical stress

骨細(xì)胞產(chǎn)生的RANKL在破骨細(xì)胞的分化過(guò)程中起主要調(diào)節(jié)作用。RANKL以膜結(jié)合的形式通過(guò)骨細(xì)胞樹(shù)突狀突起延伸到骨表面并進(jìn)入骨髓和骨膜間,從而提供給破骨細(xì)胞前體細(xì)胞。進(jìn)一步結(jié)合到破骨細(xì)胞前體表面的RANK上,刺激破骨細(xì)胞前體向破骨細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化,使破骨細(xì)胞成熟[50]。研究發(fā)現(xiàn),在骨重建過(guò)程中,未受機(jī)械刺激的骨細(xì)胞為破骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞前體細(xì)胞提供了一個(gè)有利于其增殖分化的環(huán)境,從而引導(dǎo)骨吸收沿著骨的負(fù)荷軸方向進(jìn)行,而受到機(jī)械應(yīng)力刺激的骨細(xì)胞則會(huì)減少RANKL的表達(dá),從而抑制破骨細(xì)胞的分化[49]。Xu等[51]使用自主研發(fā)的微流控共培養(yǎng)平臺(tái)研究骨細(xì)胞在不同水平FSS對(duì)破骨細(xì)胞分化的影響,發(fā)現(xiàn)與低水平FSS(0.5 Pa和1 Pa)刺激相比,在骨細(xì)胞受到2 Pa FSS刺激的小室中,分化的破骨細(xì)胞數(shù)量顯著減少。骨細(xì)胞來(lái)源的OPG對(duì)于RANKL在骨細(xì)胞中的運(yùn)輸和隨后的調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的功能是必需的。研究表明,在機(jī)械負(fù)荷下,MLO-Y4骨細(xì)胞的OPG蛋白的表達(dá)也發(fā)生了變化。Kulkarni等[14]使用脈沖流體力學(xué)加載骨細(xì)胞1 h后,對(duì)RANKL/OPG比值的變化進(jìn)行了評(píng)估。他們發(fā)現(xiàn)在機(jī)械應(yīng)力下,骨細(xì)胞可以通過(guò)分泌可溶性因子MEPE來(lái)促進(jìn)自身OPG的分泌,從而抑制破骨細(xì)胞分化。Takayanagi等[52]進(jìn)一步研究得出RANKL通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子NFATc1 來(lái)調(diào)控破骨細(xì)胞的最終分化。

在機(jī)械應(yīng)力下的骨細(xì)胞也能分泌細(xì)胞因子及信號(hào)分子來(lái)調(diào)控破骨細(xì)胞的分化。Pathak等[53]對(duì)人原代骨細(xì)胞用10%的類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎(rheumatoid arthritis,RA)血清或健康對(duì)照血清處理7 d,之后對(duì)其用脈沖流體力學(xué)施加1 h,發(fā)現(xiàn)RA血清可使RANKL/OPG表達(dá)比例增加3.4倍,顯著促進(jìn)了破骨細(xì)胞的分化,而機(jī)械負(fù)荷可以抵消這一作用。這表明機(jī)械應(yīng)力可能阻止炎癥驅(qū)動(dòng)的骨細(xì)胞介導(dǎo)的RA內(nèi)破骨細(xì)胞形成。他們還觀察到,在機(jī)械應(yīng)力下,正常血清處理的骨細(xì)胞在60 min內(nèi)NO產(chǎn)生的總量增加了3.5倍。這一現(xiàn)象表明,骨細(xì)胞在受到機(jī)械應(yīng)力刺激后,可能通過(guò)分泌大量的NO來(lái)抑制破骨細(xì)胞的分化。Tan等[16]同樣發(fā)現(xiàn),通過(guò)機(jī)械應(yīng)力作用的骨細(xì)胞釋放可溶性因子可調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的生成,且此作用至少部分依賴(lài)于機(jī)械應(yīng)力對(duì)骨細(xì)胞內(nèi)NO釋放通路的激活。Lau等[54]發(fā)現(xiàn)在低強(qiáng)度高頻振動(dòng)下,骨細(xì)胞通過(guò)分泌可溶性因子抑制破骨細(xì)胞的數(shù)量和大小。同時(shí),振動(dòng)的骨細(xì)胞分泌的RANKL顯著減少,這提示RANKL可能參與了低強(qiáng)度高頻振動(dòng)對(duì)破骨細(xì)胞分化的抑制作用。此外,Tirado-Cabrera等[15]通過(guò)蛋白質(zhì)組學(xué)分析和中和實(shí)驗(yàn)表明,機(jī)械應(yīng)力刺激的骨細(xì)胞通過(guò)減少CXCL5的分泌來(lái)抑制破骨細(xì)胞的募集和分化。另外,他們還發(fā)現(xiàn),在機(jī)械應(yīng)力下,骨細(xì)胞可以通過(guò)激活PTH1R來(lái)降低IL-6的分泌,從而抑制破骨細(xì)胞的分化。然而,另有學(xué)者發(fā)現(xiàn)壓縮循環(huán)力下骨細(xì)胞通過(guò)增加IL-6的分泌來(lái)抑制破骨細(xì)胞分化[12]。

4 總結(jié)與展望

機(jī)械應(yīng)力通過(guò)促進(jìn)骨細(xì)胞分化和抑制凋亡的方式參與骨重塑過(guò)程。此外,受機(jī)械應(yīng)力刺激的骨細(xì)胞通過(guò)直接或間接的方式促進(jìn)成骨細(xì)胞分化,同時(shí)抑制破骨細(xì)胞分化,從而在骨代謝的生理或病理過(guò)程中發(fā)揮重要作用。盡管在體外研究中已經(jīng)得到了大量關(guān)于機(jī)械應(yīng)力下骨細(xì)胞生物學(xué)行為變化的證據(jù),但為了進(jìn)一步闡明這些變化在機(jī)械應(yīng)力下的骨穩(wěn)態(tài)中的作用,還需要開(kāi)展更多以動(dòng)物模型為基礎(chǔ)的體內(nèi)研究。此外,機(jī)械應(yīng)力的刺激方式有多種形式,例如FSS、持續(xù)靜壓力、牽張力、微重力等。目前的研究主要集中在FSS上,未來(lái)的研究應(yīng)該擴(kuò)展到其他機(jī)械應(yīng)力刺激方式,以更全面地了解機(jī)械應(yīng)力對(duì)骨細(xì)胞生物學(xué)行為變化的機(jī)制,這將為預(yù)防和治療骨質(zhì)疏松提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。