成骨細胞和破骨細胞在骨組織工程學的作用

邢曉東

（遼寧工業大學醫院，遼寧 錦州 121001)

近年來，組織工程學逐漸應用于骨組織再生和修復，而成骨細胞和破骨細胞在其中發揮著重要的作用，然而一些影響因素限制了其進一步應用，如何有效的控制影響因素，突破這些限制，使成骨細胞和破骨細胞在骨修復、骨重塑領域開拓更加廣泛的應用空間。

1 成骨細胞（OB）

1.1 OB在骨組織工程學中的作用

OB是骨形成的主要功能細胞，負責骨基質的合成、分泌和礦化。OB在維持骨架中起著至關重要的作用。OB負責著骨基質的沉積和對OC的調節。在分化期間，OB有活躍的分泌功能，能合成和分泌骨基質中的多種有機成分，包括Ⅰ型膠原蛋白、蛋白多糖、骨鈣蛋白、骨粘連蛋白、骨橋蛋白、骨唾液酸蛋白等；還分泌胰島素樣生長因子Ⅰ、胰島素樣生長因子Ⅱ、成纖維細胞生長因子、白細胞介素-1和前列腺素等，他們對骨生長均有重要作用；此外，還分泌破骨細胞刺激因子、前膠原酶和纖溶酶原激活劑，他們能促進骨的吸收。

1.2 影響OB的因素

1.2.1 正性因素

（1）降鈣素：刺激 IGF-1、c-fos、Ⅰ型膠原和骨鈣素mRNA 表達，刺激 OB增殖和分化；（2）性激素：能夠刺激OB，促進骨的形成；（3）胰島素樣生長因子（IGF）：可刺激OB的增殖和分化并作用于OB和OB前體，促進骨骼的更新；（4）骨形態發生蛋白（BMP）：可刺激原代OB或從骨組織中分離出的其他類型細胞分化為OB；（5）轉移生長因子-β（TGF-β）：刺激非轉化的OB的DNA合成及細胞增殖。

1.2.2 負性因素

（1）皮質類固醇：長期給予超量可以抑制OB的形成和功能。適當劑量能減少前成骨細胞轉化為OB，使骨量減少；（2）糖皮質激素：導致成熟的具有分泌功能的OB和支撐OC產生的OB的數目減少。

1.2.3 雙重作用因素

（1）瘦素（leptin）：它可以作用于中樞神經細胞來削弱OB的活動，或者直接結合于OB表面受體來促進骨的發育的作用；（2）血小板衍生生長因子（PDEF）：能顯著促進OB的增殖，卻部分抑制OB的分化。

2 破骨細胞（OC）

2.1 OC在骨組織工程學中的作用

破骨細胞是一種巨大的多核細胞，起源于骨髓中的造血干細胞。破骨細胞接觸到骨基質，開始活化，細胞骨架發生重組、細胞極性開始形成并出現骨吸收特異性的膜區域。由于破骨細胞的骨吸收與成骨細胞的骨形成處于動態平衡過程，使骨組織不斷更新，因此維持了骨骼的硬度與彈性。除此之外，影響成骨細胞的活性，介導干細胞從骨髓到血液循環的遷移，也是破骨細胞的重要骨生理功能。

2.2 影響OC的因素：

2.2.1 正性因素

（1）TNF：促進T細胞產生M-CSF并刺激OB和其他細胞分泌RANKL，進而促進 OC 分化；（2）1,25-(OH)2D3：維生素的 D3 不能直接作用于成熟的破骨細胞，但可以誘導成骨細胞生成IL-1和IL-6促進骨吸收。

2.2.2 負性因素

（1）降鈣素：降鈣素能夠明顯抑制破骨細胞活性，減少骨吸收，廣泛應用于治療骨質疏松疾病；（2）雌激素：通過TGF-β、成骨細胞分泌產物、和ERKs磷酸化等途徑的介導，促進破骨細胞的凋亡，亦能夠通過促進OPG的產生和抑制C-MSF及TNF的產生來抑制OC產生。另外，雌激素也能通過抑制c-JNK的表達和、c-JUN的活性以及AP-1和啟動子的結合來抑制RANKL誘導OC的產生；（3）OPG：成骨細胞分泌的骨保護素 （OPG），是一種可溶性TNF受體家族成員，也是RANKL的受體，能與RANKL特異性結合，進而抑制破骨細胞的形成、活性和存活；（4）IL-4：能通過抑制IkB的磷酸化來抑制NF-κB的核轉位，進而抑制NF-κB的DNA結合活性，從而完全抑制OC形成；（5）INF-γ：通過促進 TRAF6 的降解來抑制 OC；（6）MLAA：RANKL 誘導的OC前體細胞分泌的MLAA被認為是抑制OC形成的一種自身反饋調節機制。

2.2.3 雙重作用因素

（1）TGF-β：低溶度TGF-β促進OC分化,而高溶度則反過來抑制其分化；（2）PG:在不同的培養系中，對于破骨細胞的形成和骨吸收具有促進或抑制的作用。

3 OB和OC的相互作用

OB與OC的相互作用從分子生物學層面來說，是駕于兩種細胞跨膜蛋白的接觸之上的。兩者的相互作用從細胞水平層面來說分為內、外部因素：

3.1 內部因素

（1）OB有通過在前破骨細胞表面的受體激活子RANKL調節骨吸收、分化和融合的作用。同時，成骨細胞分泌一種可溶的骨保護素（OPG）通過與RANKL結合阻斷RANK/RANKL交互作用，從而妨礙破骨細胞分化和激活。因此，RANKL和OPG的平衡又決定了破骨細胞的形成和功能。

（2）在骨吸收階段，OB分泌的MCP-1（單核細胞趨化蛋白-1）等趨化因子可以刺激OC前體募集，促使OC活化。

（3）OB能夠釋放骨鈣素，胎球蛋白-A，膠原蛋白I型等化學誘導因子，這些因子在骨形成過程中沉積于骨基質中，并能促進OC融合并包埋于骨基質中。

（4）骨吸收到骨形成過程中有一個過渡階段，即OC誘導OB活化促進骨形成過程，在此過程中OC分泌偶聯因子是OB活化的關鍵。

（5）伴隨著骨吸收，OC溶解骨質并釋放轉化生長因子-B，骨形態發生蛋白(骨形成蛋白)和胰島素樣生長因子(IGF)-Ⅱ等細胞因子，從而激活OB。

3.2 外界因素

（1）皮質類固醇：長期給予超過生理劑量的皮質類固醇能夠增加OC的活性和數量，又可以抑制OB的形成和功能。適當劑量可降低前成骨細胞對骨膠原的合成，還能減少前成骨細胞轉化為OB，使骨量減少，增加發生骨質疏松性骨折的概率。

（2）甲狀旁腺激素：由甲狀旁腺主細胞和嗜酸性細胞合成，通過PKA和PKC信號轉導通路介導來對OB和OC的功能進行調節，在骨代謝中具有促進骨形成和骨吸收的雙重作用。

（3）IL-1：能促進OB分泌 RANKL，促進OC形成。

（4）M-CSF：T細胞產生的M-CSF，一方面刺激OB和其他細胞分泌RANKL，進而促進OC分化。另一方面，M-CSF可以通過激活破骨細胞內的信號傳導通路，使成骨細胞的數目增多，說明了M-CSF使破骨細胞增殖而激活的信號傳導通路間接影響了成骨細胞。

（5）FGFs：在特定的濃度范圍內，FGFs能夠促進OB和OC的生成和增殖。但在另一濃度范圍內，FGFs起到抑制作用。

成骨細胞和破骨細胞對于骨重塑過程的動態耦聯平衡起著至關重要的作用。大量的實驗研究證明，成骨細胞和破骨細胞的作用不是單一因素作用的結果，使兩種骨細胞相互影響，相互作用的結果，如何有效的控制影響因素，是治療骨修復、骨重塑的關鍵。