骨細胞網絡結構對骨形成和骨吸收的影響

陳晨 張剛 谷銘勇 李宗玉 桑成林 左貴來

1.中國人民解放軍濟南軍區總醫院，骨創科 250031 2.山東大學附屬山東省千佛山醫院，骨科 250014

骨骼是一種動態的、獨特的礦化結締組織[1]。在人類的一生中要通過持續的塑形(modeling)和再塑形(remodeling)來維護和保障骨組織的健康。骨的塑形主要是指兒童和青少年時期骨骼生長發育的過程，骨的再塑形則是指一生中骨組織持續更新的過程，主要包括骨吸收和骨形成。要維護正常健康的骨組織，需要相互協調并且平衡的骨形成、骨吸收過程[2, 3]。通過骨的再塑形過程可以調整骨組織的結構和密度，應用最少的骨組織達即可達到最大的強度而滿足人體的生理需要。就如同一百年前沃爾夫描述的那樣，作用在骨骼上的力決定了它們的結構[4]。骨骼塑形和再塑形的過程是由基本多細胞單位(BMU)完成的，實際上也有很多種其他細胞參與這個過程。在骨的多細胞單位(BMU)中破骨細胞負責骨的吸收而成骨細胞負責骨質吸收后的骨形成，在生理狀態下兩者處于精準的平衡狀態。但是到底是何種細胞調節了這個精準的配合過程，至今不是很清楚。隨著對骨細胞的而研究的深入，越來越多的實驗證據表明骨細胞可能是調節這一過程的關鍵因素。

骨細胞被人們所認識主要是因為他的形態和埋藏在礦化的基質中，而非是他的功能。因為直到最近10年我們一直未能對這類細胞的特征和其在骨組織中所起到的作用有一個清晰的認識[5]。盡管其在成年個體骨組織中占到所有細胞的95%以上，并且這個比例隨著年齡和骨組織體積的增加而增加。骨細胞位于礦化的基質中的骨陷窩(lacuna)中，它們每個細胞大約伸出40 -100個細胞突起(dendritic processes)。細胞突起在礦化的骨組織中形成的細小通道稱為骨小管(canaliculi)。骨細胞和骨陷窩-骨小管形成骨細胞-骨陷窩骨小管系統[6, 7]。大量研究證據表明骨細胞是直接調控成骨細胞(Osteoblast)和破骨細胞(Osteoclast)完成再塑形的關鍵力學感應細胞，是我們研究骨塑形和骨重塑過程中所不能忽視的細胞[8-10]。

1 骨細胞對骨形成的作用

骨細胞在生理狀態下對骨形成的影響還有爭議的。應用白喉毒素刪除體內的骨細胞時骨形成急劇下降，說明骨細胞影響骨形成。但是骨形成的降低可能是由于骨細胞壞死引起的繼發性炎癥引起的，因為實驗證實成骨細胞的成熟在白喉毒素受體陽性的小鼠中是受到抑制[8-10]。與此相反的是骨細胞密度和骨形成呈負相關，隨著年齡的增加骨陷窩的空陷窩率和骨膜骨形成率都會增加，提示這兩者可能存在著某些聯系。在攜帶變異的Col1a1膠原的小鼠(可以抵抗type I collagen 降解)中，2周時發現骨細胞的空陷窩增加，而后空陷窩增加一直持續增加到10-12月齡。然而在 3-12月齡顱骨骨外膜和脛骨/股骨的骨內膜骨沉積率增加[8]。此外在敲除骨細胞的Gja1的小鼠在骨外膜(periosteal)和內皮質骨(endocortical surfaces)表面的骨形成率增加，而活性骨細胞在這個區域消失[12]。在4月齡的BCL2轉基因小鼠中，在骨細胞網絡結構被破壞的情況下骨小梁和皮質骨的骨形成增加，盡管這個結果不能完全排除在成骨細胞過度表達BCL2對骨形成的影響[13]。在激活HIF的轉基因鼠中發現骨量在3周持續增加，直到8月齡時骨量的持續增加導致骨髓腔幾乎完全閉合，與骨量持續增加相伴隨的是骨細胞的形態，功能發生變化；骨細胞的凋亡持續增加，到8月齡時骨細胞的中的70%幾乎因為凋亡而變成空陷窩。結合以上的轉基因小鼠的模型來看骨細胞密度和骨形成呈負相關，在生理條件下骨細胞網絡抑制骨的形成[14]。

SOST(骨硬化蛋白)是由骨細胞特異性表達并且通過結合拮抗低密度脂蛋白共受體5和/或者6(LRP 5 和/或 LRP6)抑制成骨細胞的功能，進而抑制骨的形成，是骨形成重要的負性調控因子。在SOST敲除的小鼠中骨小梁和皮質骨的骨膜成骨(periosteal surfaces)和皮質骨內成骨(endocortical surfaces)都增加。此外在骨細胞中特異性的敲除PTH受體后SOST的表達升高，而特異性的持續表達PTH受體后SOST表達下降，因此SOST可能參與了PTH的合成[9]。這說明SOST是一個由骨細胞合成重要的參與成骨細胞分化和功能的調節因子。由于SOST通過骨細胞骨陷窩骨小管網絡結構傳播，而且沒有信號可以通過沒有骨細胞的骨陷窩。而在敲除Vhl激活HIF信號通過的小鼠中，骨細胞骨陷窩骨小管網絡結構系統破壞，他們之間的聯系大為減少，而且空陷窩明顯增加。并且在骨細胞內其自身表達SOST的量同時也下降。然而在敲除Vhl激活HIF信號通過的小鼠中的骨小梁和皮質骨骨膜表面和皮質骨內表面的成骨都增強。由此可以判斷骨細胞可以通過擴散SOST作為抑制的化學到達骨膜或者皮質骨內表面從而抑制成骨[14]。

除了通過SOST等化學信號連接以外，令人感興趣的是Kamioka等的工作，認為一些骨細胞的突起的延伸超越成骨細胞層，直接建立骨細胞結構網絡和骨髓腔之間的聯系[15]。通過這些樹突在骨細胞網絡結構和骨髓腔之建立起可能的直接聯系。Veno PA等使用活細胞成像的方法研究表明骨細胞尤其是那些剛剛包埋進的骨細胞可以伸出或者收縮他們的樹突裝突起，不僅和別的骨細胞和成骨細胞接觸也可以進入骨髓腔[16]。這表明骨細胞有能力建立或者打破與別的細胞系的連接。但是最新的研究證實骨基質中的骨細胞的細胞突起對G-CSF刺激的造血干細胞動員之間有關[17]，而以osterix為啟動子敲除Vhl激活HIF信號通過的文章報道，在激活HIF的小鼠外周血中紅細胞大量增加[18],這可能的原因是由于骨細胞突起的減少而導致和骨髓腔聯系的聯系減少[19]。

2 骨細胞對骨吸收的作用

早期的研究者觀察體外培養的雞骨細胞(isolated avian osteocytes)發現，骨細胞可以促進破骨細胞的形成和激活，從而得出骨細胞可以發出信號促進骨吸收這一觀點[20]。這個現象在隨后的骨樣細胞系MLO-Y4中得到證實[20]，但另外一些實驗室的研究并沒有觀察到這個現象，與此同時來源于MLO-Y4的條件性培養液同時促進成骨細胞的分化[22]，也可以促進間充質干細胞的增殖和成骨方向分化[23]。傳統的觀點認為激活破骨細胞的RANKL主要來源于成骨細胞，但是最新的體外研究證實埋藏于骨基質的骨細胞才是調控破骨細胞形成的RANKL的來源，在骨基質的吸收過程中起到至關重要的作用，應用DMP-1 Cre條件性的敲除骨細胞的RANKL后，轉基因鼠的骨量增加[24, 25]。

現在越來越多的研究者認為骨細胞丟失的同時可能也失去了對骨吸收的抑制[26-28]，骨細胞死亡后骨吸收增加，在生理條件下骨細胞一直被認為是抑制骨吸收的[26-28]。一個典型的例子就是應用白喉毒素刪除體內的骨細胞[11]。轉基因小鼠表達DMP控制之下的白喉毒素受體，然后注射白喉毒素，導致骨吸收的大量增加和嚴重的骨質疏松。DMP-1表達于成骨細胞開始埋于骨基質時，高峰表達于未成熟骨細胞，在成熟骨細胞表達下降[11]。由白喉毒素原發性或者繼發性引起的壞死，骨細胞內的細胞成分從骨陷窩中釋放出來，到達骨表面或者血管促進破骨細胞的生成促進修復過程。這似乎是因為注射白喉毒素后高表達RANKL。盡管骨細胞死亡誘導骨吸收，但是是否活的骨細胞抑制骨吸收一直不是很清楚。

然而骨組織中并不存在一個可以被骨細胞本質性抑制的已經分化好的破骨細胞池(a pool of differentiated osteoclasts)。相反破骨細胞是根據具體的需要、由循環系統中的單核細胞分化而來的[32, 33]，而這些分化信號的傳遞則是通過骨細胞的網絡結構系統[5，34]。Gja1是重要的縫隙連接蛋白，在成骨細胞功能和成骨細胞生成方面起到重要作用。敲除骨細胞的Gja1導致骨細胞之間的縫隙連接受損，然而仍然通過骨小管網絡保持聯系[12]。在Gja1的轉基因鼠的模型中，可以觀察到由于皮質骨內表面的破骨細胞增加而導致的骨髓腔增寬。這可能暗示在條件性的基因敲除鼠中，骨細胞的凋亡可能誘導骨吸收。而這可能是因為死亡的骨細胞釋放細胞內的物質通過未受損的骨小管網絡結構觸發破骨細胞的形成和骨質吸收。皮質骨髓腔內的破骨前體細胞和免疫細胞可能促進骨細胞死亡后皮質骨內表面破骨細胞的生成。另外一種骨細胞網絡結構障礙的動物模型是成骨細胞敲除BCL2的轉基因小鼠。BCL2轉基因小鼠可能是由于BCL2具有改變細胞骨架結構的功能從而導致了骨細胞突起的數目的減少[12]。細胞逐漸由凋亡而死亡，在4月齡時Tunnel陽性細胞達到80%。然而在BCL2轉基因鼠并未因為骨細胞的凋亡而引起骨吸收的增加，與此同時由于小管數量的減少和骨細胞的凋亡增加而引起細胞內外的網絡結構的改變。在BCL2轉基因并沒有增強骨吸收可能是骨小管網絡結構的異常，死亡的骨細胞內的結構物質不能釋放到骨組織表面和血管。

3 骨細胞的內分泌功能

考慮到骨細胞深埋于礦化的骨基質中，似乎遠離其他細胞和器官，把骨細胞歸類于內分泌細胞似乎是一件很反常的事情。 但是實際上在骨陷窩骨小管系統(lacunocanalicular system)里流動的骨小管細胞間質液(canalicular fluid)可以反應出骨組織循環的組成，骨細胞和激素、血液系統中各種循環因子的聯系。通過骨硬組織切片在激光共聚焦下的觀察也也證實了骨小管系統可以直接和血管相互連接[39]。通過小鼠的尾靜脈注射普施安紅(procion red)，經過短暫的幾分鐘紅色就可以循環擴散到骨細胞-骨陷窩骨小管系統，研究證實最大70KD 的物質可以很容易的從血液系統到達骨陷窩骨小管中。這種骨小管細胞間質液和血液系統的聯系使得骨細胞可以暴露于遠離器官分泌的循環激素中，同時也為骨細胞分泌的激素和其他蛋白調節介質進入循環系統作用于遠離靶器官(distant target organs)提供了通道。

最近一個非常令人振奮的是發現骨細胞可以產生內分泌因子，所以與之相適應的骨細胞網絡結構(osteocyte network)應該被視為一種內分泌組織，并且發現其在調節機體磷的代謝中起到至關重要的作用。在2000年被發現以來，FGF23一直被視為骨細胞最重要的內分泌因素[40]。FGF23最初在丘腦的腹外側核被發現，但是骨組織的含量最高，主要是由骨細胞產生[41, 42]，尤其是在低磷血癥的時候含量增加。FGF23的一個重要靶器官是腎臟。骨組織和腎臟之間的信號主要取決于循環水平的FGF23的含量，在維持血清磷水平中起到至關重要的作用。FGF23主要降低腎臟中鈉磷協同轉運蛋白的NaPi-IIa和 NaPi-IIc的表達，從而抑制腎臟中磷的重吸收。此外過量的FGF23降低1α羥化酶的表達，抑制25羥化維生素D羥化， 使 25(OH)D不能轉化成1，25(OH)2D[41]。這種腸腔中1，25(OH,)2D的減少將影響NaPi-IIb表達，使得小腸中磷的吸收減少，導致低磷血癥[43]。這種骨細胞和腎臟之間的作用是雙向的，1,25(OH)2D 在小鼠模型和細胞培養模型中誘導骨細胞FGF23的表達[44]，這意味著在骨細胞和腎臟之間可能存在著負反饋效應。

基因打靶技術，尤其是特異性的骨細胞條件性敲除小鼠，揭示了骨細胞對于骨形成和骨吸收的重要作用。盡管這些技術只是揭示了骨細胞的某一個基因在骨代謝中的作用，整體骨細胞網絡結構的功能遠沒有闡述清楚，但是依據骨細胞網絡結構破壞的小鼠動物模型的組織學研究，骨細胞網絡結構在骨代謝方面的功能逐漸清晰。在生理條件下骨細胞網絡結構通過激活破骨細胞促進骨吸收，通過抑制成骨細胞抑制骨形成。骨細胞網絡結構對骨量是一個負反饋的作用，而力學刺激可以抑制這種反饋信號，使得骨量增加。