压应力对骨愈合过程中破骨细胞的作用机制研究进展

郑未来(综述)，于大淼，廉永云(审校)

(哈尔滨医科大学附属第四医院骨科，哈尔滨 150001)

压应力对骨愈合过程中破骨细胞的作用机制研究进展

郑未来△(综述)，于大淼，廉永云※(审校)

(哈尔滨医科大学附属第四医院骨科，哈尔滨 150001)

摘要：近年来运用力学技术治疗骨不愈合成为骨科领域的重点，尤其是压应力学对骨细胞作用的分子机制研究更是临床医师和广大科研工作者研究的热点。该文通过分析引起骨不连的力学因素以及骨保护素/细胞核因子κB受体活化因子配基信号系统的组成和相互作用，进一步探讨压应力抑制破骨细胞分化的内在机制，从而为更深一步拓宽医学与工程学尤其是力学领域的通力合作打下坚实的基础。

关键词：破骨细胞；压应力；骨保护素/细胞核因子κB 受体活化因子配基/细胞核因子κB 受体活化因子

骨不愈合变化复杂，影响因素众多，其发生率为5%～7%，好发于四肢长管状骨骨干[1]，对患者的生活质量产生较大影响，同时给患者家庭以及社会带来沉重的负担。破骨细胞是骨细胞中一种重要的成分，其功能与成骨细胞相对立，对骨骼的成长和塑形起重要作用，其在骨折后骨骼的重构中亦起重要作用。由于骨组织结构复杂,破骨细胞在骨折愈合的各个时期都表现出吞噬能力，并且其活性明显强于成骨细胞，骨不连时骨吸收力度远大于骨形成的力度。现就压应力对骨愈合过程中破骨细胞相关分子方面的作用机制予以综述。

1压应力对骨愈合的影响

临床经验表明，除严重骨质疏松以及代谢性疾病外，全身因素对骨折后的愈合影响并不大[2]。研究表明，骨组织所受的应力可影响骨折的愈合[3]，但详细机制尚待进一步研究。Iwakura等[4]研究发现，骨不连细胞广泛存在于骨不连断端组织中，其某些功能与骨髓间充质干细胞相近。骨折愈合早期，纵向的压应力能刺激成骨细胞分化，抑制破骨细胞成熟，有利于骨折的愈合；同时纵向的压应力可加速钙盐的沉积，促使骨的密度与结构更加牢固可靠[5]。纵向的压应力对骨吸收有一定的制约作用，对骨形成有一定的促进作用。而剪应力的作用完全相反，经剪应力刺激后两骨折端成纤维细胞大量增生，同时两骨折端的摩擦破坏新生的骨痂和微小血管，以至于骨修复过程延迟，甚至停止。

2破骨细胞的起源以及与压应力相关的细胞内信号转导系统

破骨细胞直径约为100 μm，不同的细胞内所含精密堆积核的数量不同，其数值为2～50[6]。破骨细胞分布于体内骨组织各个部分,如骨组织表面以及骨组织血管内。

2.1破骨细胞的起源以及细胞内生物学信号变化破骨细胞是骨组织中的重要成分，在骨吸收的过程中起非常关键的作用。自发现破骨细胞至今，其起源一直存在很大争议。目前认为，血系多能造血干细胞是破骨细胞的主要来源[7]。研究发现，在骨吸收过程中，骨保护素(osteoprotegerin,OPG)/细胞核因子κB 受体活化因子配基(receptor activator of nuclear factor-κB ligand,RANKL)/细胞核因子κB 受体活化因子(receptor activator of NK-κB,RANK)信号通路系统明显被激活，说明生物学信号与骨不愈合密不可分[8]。

2.2RANK/RANKL/OPG系统的激活影响破骨细胞RANKL和OPG是肿瘤坏死因子家族成员。OPG是1977年Simonet发现的一个与骨量密切相关的基因，该基因定位于人染色体8q23～24,长27 kb，含有5个外显子，编码蛋白与肿瘤坏死因子受体类似，因此命名为OPG[9]。骨组织内成骨细胞、成纤维细胞以及骨髓干细胞均表达OPG，OPG受到体内多种细胞因子和激素调控。Belibasakis和Bostanci[10]的实验发现，OPG转基因大鼠切除卵巢后骨量未丢失。OPG通过OPG/RANK/RANKL系统促进破骨细胞的凋亡以及抑制破骨细胞的分化，从而促进骨缺损的修复，有利于骨不连的愈合[11-12]。RANK属于肿瘤坏死因子家族成员，其存在于骨骼和胸腺，为Ⅰ型跨膜蛋白，以三聚体形式进行信号转导[13-14]。Pilichou等[15]研究发现，RANK细胞外区由183个氨基酸组成，跨膜区由21个氨基酸组成，细胞质区由383个氨基酸组成。RANKL起源点很多,成骨细胞是其中之一，其实质为三聚体Ⅱ型跨膜蛋白，相对分子质量约为38 000，易受前列腺素、甲状旁腺素等体液调节的控制；同时，RANKL具有引起炎症反应的作用，肿瘤坏死因子及白细胞介素与骨密度具有极高的相关性，但是在破骨细胞成熟分化以及凋亡方面，RANKL作用更强[16]。RANKL可分为两种类型，一种为膜嵌合型，另一种为细胞质型；膜嵌合型分布于细胞膜表面，为三聚体形式，而细胞质型分布以可溶形式存在于细胞质内，两种类型RANKL均具有生物活性，且具有易溶性RANKL的活性尤为突出[17]。RANK受体蛋白具有特异性，位于破骨细胞前体细胞上，易被RANKL识别，两者结合后促进破骨细胞分化的能力即被释放出来[18]。

2.3骨折微环境通过OPG系统影响破骨细胞的成熟分化在诸多破坏因素影响下,骨折端微环境促使RANKL与RANK快速结合,破骨前体细胞立即接收RANKL自身信号,开启“多米诺骨牌”，前体细胞剧增；而破骨细胞成熟化则在瞬间完成。OPG的出现提示，成骨细胞与破骨细胞的相互作用及如何阻断破骨细胞前体细胞分化为破骨细胞这一链条。当OPG大量存在时,其促使成骨细胞与破骨细胞的功能发生此消彼长的趋势，RANKL为OPG的配体；当OPG与RANKL结合时,打断了RANKL与RANK偶合的途径,破骨细胞也就无法分化成熟，仍然停留在前体阶段，其作用消失[19]。

2.4压应力抑制破骨细胞分化成骨细胞与破骨细胞密切相关，于大淼和廉永云[20]就压应力对雄性大鼠成骨细胞的分子作用机制进行相关实验，结果较为理想，找到了引起OPG与RANKL正性调节的合理量化值(包括压应力的大小、时间以及压应变频率等)。虽然破骨细胞不像成骨细胞可以在体外独立存在，但是相关实验方法和技术却可以为下一步破骨细胞的实验所借鉴。通过观察RANKL/OPG比值显著变化发现，在压应力时间为4 h、压应变频率为1 Hz、压应力为12 MPa 时正性调节最佳[21]。当然由于每个科研实验组所使用的体外压应力装置不同，科研方法以及角度途径不同，得出具体量化值亦不同，但是至少说明压应力对于成骨细胞功能有积极的促进作用。段莉和郑根建[22]通过探讨体外破骨细胞分化在两种不同培养方法时所受到的影响，分析破骨细胞分化过程中的关键信号——Notch2分子信使RNA和蛋白表达水平的差异，为进一步破骨细胞功能实验奠定基础。有学者通过对运动员的调查研究发现，自行车运动员前臂骨密度强于其他类型运动员；举重运动员整体骨密度高于其他类型运动员；划船运动员脊柱骨密度较高等，这些现象是应力通过引起破骨细胞活性减弱以及成骨细胞活性增强，从而影响骨骼发育的结果[23-25]。赵熠等[26]总结出影响破骨细胞分化的诸多因子，为此后的研究提供了更广阔的思路。

2.5压应力作用于破骨细胞的机制压应力能改变RANKL和RANK的结合度，从而抑制破骨细胞成熟，弱化破骨细胞的分化程度，减少骨吸收,强化成骨细胞的影响,刺激骨纤维连接，加强骨重构及重构后的强度。RANKL/OPG比值在压应力影响下起伏不定,比值上升时表明骨吸收能力加强，反之则减弱[27]。可见,破骨细胞的能力具体是由RANKL/OPG比值来体现。RANKL在加力4 h后减少至最低点,OPG在加力后1 h减少至最低点，4 h升至最高[28]。通过分析得出破骨细胞形成过程较为复杂。在压应力、压应变频率以及时间在一定范围内出现改变的情况下，RANKL与OPG也在发生着相应的变化,并对骨密度以及骨强度有巨大的调节作用[29]。刘晓春和黄东[30]发现，白细胞介素1受体相关激酶4对成骨细胞分化骨形成蛋白-Smad通道有一定的影响。OPG的发现，使成骨细胞与破骨细胞的相互作用成为了可能。但是压应力对于成骨细胞与破骨细胞的调节有无先后顺序，是否需要其他力学信号加以辅助，或者OPG/RANKL/RANK信号系统本身也只是在骨重构中的协调系统，而不起主要作用等问题目前尚不清楚。现有学者发现，破骨细胞通过微管将信号传递至骨表面，并建立相对完整的网络系统，其形态类似于神经元的反射弧[31]。OPG/RANKL/RANK系统的发现确实是骨重构过程的一个突破。对于 OPG/RANK/RANKL系统的研究，现在仍然处于初级阶段，许多问题有待解决，如在骨吸收和骨重构过程中，该系统的作用以及在相同压力环境下，研究成骨细胞的相关量化条件能否适用于破骨细胞，至今还是一个谜。特别是随着其他力学信号以及信号通路的发现，这一问题将变得越来越复杂。

3小结

压应力通过细胞内信号转导系统作用于骨细胞，现阶段不同的实验室得出的数据有所差异，但是适宜的刺激可抑制破骨细胞成熟促进骨折愈合，这一点在临床上已有证实。今后的研究方向要对压应力作用于破骨细胞影响的认识更加理论化，找出能指导临床患者功能锻炼的合理数据并开发相关药物，加快骨折愈合的速度，减少患者的痛苦以及减轻家庭负担。

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The Compressive Stress on the Mechanism of Osteoclasts during Bone HealingZHENGWei-lai,YUDa-miao,LIANYong-yun.(DepartmentofOrthopedics,theFourthAffiliatedHospitalofHarbinMedicalUniversity，Harbin150001，China)

Abstract：Over the last period the use of mechanical treatment of bone nonunion,especially study on the molecular mechanism of compressive stress on the bone cells has become the focus of the orthopedic field.Here analyzes the factors causing the composition of nonunion mechanics and osteoprotegerin/receptor activator of nuclear factor κB ligand signaling system,and further explores the intrinsic mechanisms of how stress suppresses osteoclast differentiation,so as to lay a solid foundation for deeper cooperation between medicine and engineering,especially mechanics.

Key words:Osteoclasts; Compressive stress; Osteoprotegerin/receptor activator of nuclear factor κB ligand/receptor activator of nuclear factor κB

收稿日期：2014-10-30修回日期：2015-02-17编辑：郑雪

基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12521182)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.17.009

中图分类号:R68

文献标识码:A

文章编号：1006-2084(2015)17-3095-03