成骨細胞、破骨細胞與骨折愈合的相關性研究進展

張葆鑫　王興國　郝廷

[摘要] 骨折是骨科臨床最常見的疾病，指骨的力學完整性喪失，同時也包括局部軟組織與血管的損傷。骨折愈合是指對骨組織創傷局部的修復，是一個連續不斷的過程，一面清除破壞，一面再生修復，其本質就是骨折斷端發生的骨重建塑型過程。由成骨細胞主導的骨形成與由破骨細胞主導、成骨細胞和破骨細胞共同調控的骨吸收在骨重建過程中起重要作用，但有關兩者與骨折愈合的關聯性未見系統報道。本文以細胞生物學功能為出發點，從成骨細胞與破骨細胞對骨形成、骨吸收的影響入手對成骨/破骨細胞與骨折愈合的關聯性做系統性綜述。

[關鍵詞] 成骨細胞；破骨細胞；骨折愈合；骨形成；骨吸收

[中圖分類號] R683 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-9701（2017）17-0161-04

[Abstract] Fracture is the most common disease in the orthopedics，the mechanical integrity of phalanx is lost，and the damage of local soft tissue and blood vessels is also included in fracture. Fracture healing refers to the local repair of bone tissue trauma，and is a continuous process，with removing the damage on the one hand and regeneration and repair on the other hand. Its essence is the bone reconstruction and plastic process occurred at fracture ends. Bone formation dominated by osteoblasts and bone resorption which is dominated by osteoclasts，co-regulated by osteoblasts，play an important role in bone remodeling. But the association between the two and bone healing is not reported. In this paper，the relationship between osteoblasts/osteoclasts and bone healing was systematically reviewed based on the influence of osteoblasts and osteoclasts on bone formation and bone resorption，with cell biology function as a starting point.

[Key words] Osteoblasts；Osteoclasts；Fracture healing；Bone formation；Bone resorption

骨折是骨科臨床最常見、發生率最高的疾病，骨組織屬于可再生性組織，其修復進程是一個復雜的生理過程，且影響因素眾多，不僅受患者自身因素及環境因素的影響，也受微觀性因素如細胞因子、體細胞、內分泌因素的影響。據臨床流行病學資料統計，美國每年約有10萬骨折患者發生預后不良甚至骨不連[1]，全球約有5%～10%的骨折患者由于治療不當或其他因素造成骨折不愈合、延遲愈合及骨不連[2]。因此，探索骨折愈合的影響因素對于骨折愈合的預后與治療具有深遠意義，而隨著細胞生物學與遺傳學等學科的深入研究，越來越多與骨折愈合相關的功能型細胞見諸報道。骨折愈合的本質是一個持續不斷的骨質破壞清除與再生修復的進程，其基礎是骨膜成骨細胞的再生，而成骨細胞并非單獨起作用，而是與破骨細胞相互作用、相互影響共同調控骨吸收/骨形成起作用，本文就成骨細胞與破骨細胞與骨折愈合的關聯性。

1 骨折愈合概述

骨折是指骨的力學完整性喪失，同時也包括局部軟組織與血管的損傷。骨折愈合是指對骨組織創傷局部的修復，是骨折斷端間的組織修復反應，這種反應表現為骨折的愈合過程，最終結局是恢復骨骼的正常結構與功能。這一過程與軟組織愈合的不同點在于軟組織主要通過顯微組織完成愈合過程，而骨折愈合還需要使纖維組織繼續轉變為骨組織以完成骨折愈合過程。骨折愈合是涉及到眾多不同種類的骨細胞、細胞因子、基因的相互作用的復雜的生理過程，大致可分為肉芽組織修復期、原始骨痂形成期、成熟骨板期與塑型期四個階段[3]：（1）肉芽組織修復期：骨折局部血腫機化，骨折斷端正常骨性結構及周圍軟組織均受損，毛細血管侵入血腫后，血腫分化成成纖維細胞進而分化成為膠原纖維而形成肉芽組織，此過程一般在骨折發生后2～3周內完成；（2）原始骨痂形成期：骨痂即骨折斷端的受損組織刺激細胞增生后形成的機構與來源上均為復合型的組織，可根據其來源與部位分為內骨痂、外骨痂、橋梁骨痂與連接骨痂，骨痂形成期即骨外膜及骨內膜的膜內骨化過程。在這一階段中，骨折處骨化部分逐漸接近并整合，骨折端血腫通過肉芽組織形成開始骨化，最終內外骨痂與橋梁骨痂及連接骨痂融合，代表著原始骨痂正式形成，這一過程在骨折后6～12周內完成；（3）成熟骨板期：這一階段中，骨痂的范圍與密度逐漸增加，表現為骨痂處新生的骨小梁數量增多、排列逐漸趨于規則，并且隨著血管與成骨細胞、破骨細胞侵入死骨逐漸完成死骨的清除與替代過程，骨痂與骨質交界線變得模糊不清并漸漸消失，骨痂被破骨細胞逐步清除后由板狀骨替代。此過程發生于骨折后8～12周，且在這一階段骨折端髓腔仍處于封閉狀態；（4）塑型期：骨的塑型期是成骨細胞與破骨細胞共同作用的結果，使骨折斷端處的骨結構按照力學原理重新改造，與此同時封閉的髓腔再通，多余的骨痂被清除，骨折痕跡大致消失不見。此階段發生在骨折后1～2年內完成。

2 骨折愈合的影響因素

2.1 全身因素

骨折愈合的全身因素包括吸煙史、激素（如甲狀腺激素、皮質類激素及性激素等）、全身綜合營養狀態、骨質疏松癥等、是影響骨折愈合的非主要影響因素。

2.2 局部因素

骨折愈合的局部因素眾多，大致可分為有利影響因素與不利影響因素：（1）有利性因素：局部血液供應良好，骨折端局部受傷較輕或穩定性好，局部生長因子數，局部生理符合等。（2）不利性因素：局部血液供應不良，骨折端局部受傷較重或穩定性欠佳，局部有感染或骨髓病變，局部腫瘤影響，手術治療后造成的內置物過大、排斥反應、植骨量不足引起的局部愈合障礙等因素。

2.3 藥物因素

西方的學者們認為骨折愈合是自然的過程，沒有藥物可以促進骨折的愈合，但在骨折愈合初期階段，由于炎癥反應的存在，抗炎藥物如吲哚美辛、阿司匹林等確實可以通過影響血管擴張進與局部血氧供應來影響骨折愈合，另外四環素類、皮質酮類、抗凝藥及抗腫瘤藥物均能影響骨折愈合；中藥對骨折的治療在我國歷史上屢見不鮮，國內學者經過大量實驗研究發現，中成藥如丹參、當歸、肉桂、煅狗骨與麥飯石等單方藥或益氣化瘀劑、接骨散、益氣活血湯、理氣活血劑、生肌象皮藥膏等復方藥劑具有促進骨折愈合的功效[4-11]。

2.4 物理性因素

電磁療法是促進骨折愈合、預防骨不連的一種較為有效的方法。首先，電磁療法可以通過其電信號刺激細胞增殖、分化，并向成骨方面轉化；其次，點此療法可以通過其脈沖磁場可以改變骨細胞及軟骨細胞的生物學功能進而消除骨橋之間的軟組織促進骨折愈合；第三，電磁療法可以促進血液供應以及刺激生長因子的釋放增加。氧張力也是影響骨折愈合的因素之一，骨折處的局部相對缺氧有利于軟骨形成與骨形成。有些研究發現，新生骨組織中的氧張力處于相對較低的水平。

2.5 與骨折愈合相關的細胞、蛋白及其他生物活性因素

從細胞學與分子生物學角度看來，骨折的愈合與體內的細胞因子及相關骨細胞與蛋白密切相關。上世紀60年代，Urist等通過實驗與臨床證實發現了骨形成蛋白（bone morphogenic protein，BMP）有持續骨誘導作用，能促進組織修復，進而促進骨愈合；Banks與Peck在1977年通過體外研究中發現骨源性生長因子（bone-derived growth factor，BDGF）能夠刺激軟骨的合成與軟骨細胞的增殖復制，促進軟骨的修復進程；1982年，Farley與Baylin發現了在骨形成與骨吸收中重要影響因子骨生長因子（skeletal growth factor，SGF），具有促進骨形成與調控骨形成——骨吸收平衡的功能；眾多骨細胞中，成骨細胞與破骨細胞是介導骨吸收與骨形成的關鍵因素，在骨折愈合中調控新骨形成以及骨重建的平衡，是影響骨折愈合的關鍵細胞；此外，轉化生長因子β（transforming growth factor β，TGF-β）、血小板源性生長因子（platelet-derived growth factor，PDGF）、軟骨源生長因子（cartilage-derived factor）也是影響骨折愈合的相關物質。

3 成骨細胞、破骨細胞的結構及主要生物學功能

3.1 成骨細胞的結構及生物學功能

成骨細胞是骨形成的主要功能細胞，其主要功能是主導骨基質的合成、分泌和礦化過程，其分泌的骨基質包括糖蛋白與膠原蛋白，不僅會影響骨組織生理條件下的生長與代謝，同時影響損傷狀態下骨組織的修復重建。生理狀態下，骨組織不斷地進行著代謝并重建，骨組織也通過骨重建進行自身損傷的修復以保持其正常的形態結構與功能的穩定性。骨重建過程包括破骨細胞貼附在舊骨區域，分泌酸性物質溶解礦物質，分泌蛋白酶消化骨基質，形成骨吸收陷窩；其后，成骨細胞移行至被吸收部位，分泌骨基質，骨基質礦化而形成新骨。

成骨細胞與成纖維細胞、脂肪細胞以及肌細胞同源，均來源于間充質細胞前體細胞的分化[12-15]，且成骨細胞本身并不增殖。人體內的成骨細胞按照是否具有生物學功能分為非功能型與功能型成骨細胞：（1）非功能型成骨細胞呈扁平狀，由于不具有生物學功能因而內含細胞器較少，沿骨表面排列；（2）功能型成骨細胞呈立方形，彼此相連接成一排，單個細胞直徑約20 μm大小，其細胞內部結構在電鏡下可見有大量的粗面內質網、高爾基體與線粒體[16]。

3.2 破骨細胞的結構及生物學功能

破骨細胞是一種骨細胞，行使骨吸收的功能，組織蛋白酶K的高度表達是其生物學標志。有關破骨細胞的來源問題眾說紛紜，從最初的骨原細胞融合學說，到單核吞噬細胞融合學說，再到80年代被學者通過細胞離體培養證實，得出破骨細胞來源于骨髓干細胞。破骨細胞較成骨細胞大，其細胞直徑約30～100 μm，內含幾十到上百個細胞核以及大量的溶酶體、線粒體、核糖體。電鏡下觀察可發現有很多結構完全不同的亞結構位于破骨細胞的褶皺膜上，這些亞結構是破骨細胞行使骨吸收功能的保證[17]，而褶皺膜由于其不規則的表面大大增加了各個亞結構之間的接觸面積，進而極大程度上增加了破骨細胞骨吸收的作用面積。破骨細胞行使骨吸收功能。首先，破骨細胞是人體內唯一具有溶解骨組織能力的細胞，一個破骨細胞可以溶解由100個成骨細胞共同形成的骨質，因而是骨代謝過程中的核心功能細胞。其次，破骨細胞是一種可以移動的細胞，它可以在一處進行骨吸收作用后移行至另一處繼續進行骨吸收[18]。

4 成骨細胞、破骨細胞在骨折愈合中的作用

骨折愈合是一個連續不斷的過程，一面清除破壞，一面再生修復，其本質就是骨折斷端發生的骨吸收、骨形成與骨重建塑型的過程。主要由成骨細胞介導的骨形成與主要由破骨細胞介導的骨吸收在這一過程中起到重要作用，通過調節成骨與骨清除作用，在骨折愈合時期增強骨形成促使新骨組織增殖形成，同時促進骨吸收加快以促使骨痂破壞清除，完成骨組織的再生修復[19]。

骨吸收主要是由破骨細胞介導的，在骨吸收與骨重建過程中作為重要的啟動因子。骨吸收可分為5個階段：（1）破骨細胞附著于骨表面；（2）破骨細胞的極化；（3）細胞分泌物質啟動破骨作用；（4）啟動后的破骨細胞脫離骨表面；（5）脫離后的破骨細胞移行至新的骨表面進行下一次的骨吸收過程。首先，由于破骨細胞含有大量的磷酸酶、溶酶體等物質，游離的破骨細胞附著在骨膜表面后即分泌酸與酶，繼而啟動骨吸收；其次，破骨細胞的分泌的酸主導的骨溶解，加速骨清除與骨破壞，促使骨組織脫礦；而破骨細胞分泌的酶主導骨的膠原降解，繼而將剩余的有機物清除分解，進一步完成骨吸收[18]。

成骨細胞不僅在骨形成的過程中起重要作用，而且與破骨細胞共同作用調控骨吸收[20，21]。一方面，成骨細胞通過合成并分泌膠原蛋白與糖蛋白，在骨吸收處形成非礦化骨基質，這是骨形成的基礎，隨后鈣磷結晶沉淀與骨基質中使骨基質鈣化，形成骨組織，即新骨形成[22]；此外，成骨細胞還可以分泌堿性磷酸酶以介導骨組織礦化。另一方面，成骨細胞也參與調控骨吸收[23]。成骨細胞合成并分泌的糖蛋白骨橋素是破骨細胞附著于骨面啟動骨吸收過程的重要因子，其分泌的骨涎蛋白直接參與骨吸收過程，而破骨細胞脫離骨面后，成骨細胞則進入骨面開始介導成骨活動[24，25]。

總之，骨折愈合是個反復進行的骨形成與骨吸收的復雜過程。成骨細胞與破骨細胞在此過程中相互影響對方的生物學活性，且這種作用是雙向的，即成骨細胞既可以促進又可以抑制破骨細胞的形成與分化。當成骨細胞體現出生長優勢時，骨形成機制活躍，促使骨組織形成，加速骨愈合；而成骨細胞體現其生長優勢時又會分泌作用于破骨細胞的細胞因子，進而激發破骨細胞的骨吸收作用，加速對骨痂的清除，而破骨細胞也會反作用于成骨細胞，進一步促進其骨形成作用。此過程循環往復，直至骨痂完全清除、骨折端完全被新生骨組織所取代。

有關骨折愈合的影響因素有很多，但大部分均與藥物及局部血液供應因素有關，需要探索新思路來為骨折愈合提供新方法。隨著相關細胞生物學的深入研究，越來越多的與骨折愈合有關系的關聯細胞被人們所研究、熟知，為骨折愈合的靶向治療提供了新思路。骨折愈合是一個連續不斷的過程，一面清除破壞，一面再生修復，其本質就是骨折斷端發生的骨吸收、骨形成與骨重建塑型的過程。由成骨細胞主導的骨形成與破骨細胞主導、成骨細胞參與調控的骨吸收過程是影響舊的骨痂清除破壞與新骨組織形成的重要骨細胞，二者相互作用，相互影響，相互協調，共同調控骨重建。隨著細胞生物學有關成骨/破骨細胞的不斷深入研究，兩者之間的相互作用及影響骨折愈合的機制會更為詳盡的為人們所熟知，能夠為骨折愈合的治療及愈合不良提供新的方向與策略。

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（收稿日期：2017-03-23）