應力刺激促進骨質疏松性骨折愈合研究進展

郝寶輝　李英超　喬偉松　秦大明　朱　東

(吉林大學第一醫院創傷骨科，吉林　長春　130021)

骨質疏松導致骨折的概率為69.4%〔1〕。臨床上對骨質疏松的治療大多使用藥物，雖然獲得一定療效，但同時也帶來很多副作用。近年來研究發現生物力學因素如適當的應力刺激可以促進骨形成和骨重建效應,但是不同的強度及頻率影響成骨效果〔2〕。在國際生物力學領域專家將機械振動用于動物和細胞實驗，證實了低載荷機械振動可以促進骨細胞的生長〔3,4〕。大量實驗研究表明低載荷(頻率0～100 Hz，加速度0.1～0.5 g)機械振動能夠促進成骨細胞的增殖與分化〔2～7〕。江建明等〔8〕頻振動并通過流式細胞儀、化學比色法及放射免疫法進行檢研究表明低頻振動能夠促進成骨細胞的增殖分化，低載荷機械振動逐漸成為一種非藥物的治療方法開始用于骨質疏松和骨折愈合的臨床研究與治療應用，取得了一定療效。為進一步明確應力刺激對抗骨質疏松及促進骨折愈合的反應機制，本文將對成骨細胞的信號轉導、基因轉錄、蛋白表達等方面進行綜述。

1　應力刺激對抗骨質疏松和促進骨折愈合的影響

1.1應力刺激對抗骨質疏松研究進展骨質疏松是一種全身性、系統性疾病，常見于絕經后的婦女、老年人及一些患有慢性疾病的患者。馬宗民等〔9〕選取損傷施加力學刺激，模擬動載荷重建模型，數值模擬運動防治骨質疏松，得出動載荷成骨效果優于靜載荷，運動量增加10%～30%，骨密度增加3.13%～8.61%，這一結果為機械振動防治骨代謝性疾病提供了理論指導。近年來，科學家對物理療法治療骨質疏松的研究越來越深入，一些實驗研究表明不同形式的機械振動可以減少骨量丟失，過低的或過高振動強度和頻率都不利于成骨的反應〔10～12〕。Zhou等〔13〕通過對全身振動的骨進行Micro-CT掃描發現全身振動通過改善微管結構促進骨整合，全身振動從基因角度促進骨的形成比骨再吸收有優勢。因此，低載荷機械振動振動療法可作為一種新型的非藥物治療和預防骨質疏松癥的治療措施。

1.2應力刺激對骨折愈合的影響臨床上一些創傷大、車禍、手術都可以導致骨折延遲愈合或骨折不愈合。對于骨折延遲愈合或不愈合臨床上尚無有效措施去彌補。Qing等〔14〕發現低載荷機械振動可以改善去卵巢大鼠骨的密度；Cheung等〔15〕利用3-D多普勒和micro CT技術對經過高頻低載荷機械振動處理的去勢大鼠骨折部位進行檢測，總結出高頻低載荷機械振動可以增加骨折處的血流并促進血管再生，因此可以促進骨折愈合；Oliveira等〔16〕通過系統評價和META分析對全身振動對絕經后婦女骨密度進行研究，得出振動可以增加絕經后婦女的骨密度。張彤正〔17〕通過對27只熟成健康雄性犬相同麻醉和無菌環境下于左脛骨中段相同區域建造橫行骨折單邊外支架固定模型，并施加不同應力，得出適宜的應力刺激在犬脛骨骨干骨折愈合過程中能明顯促進骨痂形成的數量及質量。李尚志〔18〕對大鼠構建骨不連模型，隨機分組并施加機械應力后通過X線影像學評分、鈣鈷法堿性磷酸酶染色及測定加壓前后局部成骨相關因子(BMP)、血管內皮生長因子(VEGF)的變化等檢測方法，總結出機械應力可促進骨不連斷端成骨細胞數量的增加及促進骨不連斷端愈合?？傊?，低負荷振動對骨質疏松和骨折愈合有一定的影響，可以使其作為一種非藥物、非侵入式的治療骨質疏松性骨折的臨床替代療法〔19〕，但是其作用機制還有待深入研究。

2　應力刺激對成骨細胞信號轉導的影響

骨細胞內有ERK通路、OPG/RANKL通路、Ca2+通路、BMP-2/Smads通路和Wnt/β-catenin通路等信號轉導通路，均參與了骨的代謝過程。信號轉導即信號的識別、轉移與轉換。細胞完成它們的生物學功能主要是通過各種細胞信號轉導通路來調控的。

Ca2+是細胞內重要的第二信使，參與細胞及細胞間的信號傳導，鈣信號傳導在骨細胞增殖與分化和骨代謝過程中非常重要，研究人員已經觀察到力學刺激所導致的成骨細胞間的鈣傳遞〔20〕。Malviya 等〔21〕研究顯示對大鼠成骨細胞施加周期性拉伸刺激后，細胞內Ca2+濃度迅速升高，胞內Ca2+濃度的升高與細胞膜上Ca2+通道的激活和胞內Ca2+釋放有關。在應激刺激作用下，Ca2+在細胞膜和細胞膜上均有表達,應力刺激信號是通過Ca2+將機械信號轉化為成骨細胞的生物化學信號。說明Ca2+信號通路在應力刺激的胞內信號轉導過程中確實有重要作用。

3　應力刺激對成骨細胞細胞代謝和細胞因子的調控

成骨細胞具有強大的分泌功能，分泌產生多種細胞外基質蛋白并通過其分泌功能控制骨基質的礦化過程，同時調控破骨細胞的活動，成骨細胞與破骨細胞的動態平衡很大程度決定了最終骨量。近年來，骨髓微環境中的局部調節因子如轉化生長因子(TGF)-β、堿性磷酸酶(ALP)、胰島素樣生長因子(IGF-I)等對成骨細胞及骨形成的作用日益受到關注。

3.1TGF-βTGF-β是一組調節細胞生長和分化的生物活性細胞因子，在骨組織中有較高水平。大量實驗證明了應力刺激對細胞增殖分化的影響是通過調控TGF-β的表達實現的〔20～22〕。鄒淑娟等〔23〕對人克隆類成骨細胞株MG-63施加24 h的 6 %、12 %和24 %的拉伸力作用后,利用RT-PCR技術檢測TGF-β的表達，6%和12%延伸率可明顯促進MG-63細胞表達TGF-β,但24%的拉伸率對細胞TGF-β基因表達影響不明顯。同樣也有類似實驗研究表明成骨細胞中的TGF-β是通過誘導 Smad3 的激活而發揮其作用的。

總之，應力刺激調控成骨細胞的增殖與分化可以通過影響TGF-β的表達來實現，但具體機制尚不清楚，后續通過實驗的進一步將有助于了解應力刺激對成骨細胞影響的機制。

3.2IGF-IIGF-1是骨細胞中含量最豐富的生長因子，于骨細胞生成、儲存于骨中，在骨吸收時釋放。成骨細胞在骨吸收時也分泌大量的IGF-I，刺激成骨細胞的增殖、分化。鮮成玉等〔24〕通過體外拉伸裝置對成骨細胞施加應力刺激。發現周期性的拉伸剌激,成骨細胞增殖及 IGF-I 、mRNA 表達的最好。說明機械拉伸刺激對成骨細胞增殖效應，是通過增強IGF-I的自分泌實現的。因此成骨細胞中含有的IGF-1可以調節骨的代謝和生長。

3.3ALPALP是骨形成早期階段的重要標志。ALP是成骨細胞分化的指標，被普遍認為是成骨細胞分化的標志，能夠反映成骨細胞增殖與分化的能力。唐林等〔25〕通過一種先進的細胞力學刺激裝置對成骨細胞施加不同的周期性機械牽張力，結果表明施力24 h和48 h的實驗組，隨著機械牽張力增大，ALP活性反而下降；有研究〔13〕表明對人牙周膜細胞施加拉伸刺激，觀察不同的機械牽張力(9%、12%、15%、18%、21%、24%)對ALP分泌及其活性的影響，結果顯示隨著牽張力的增大，ALP活性表現逐漸降低，并且和對照組(不加力組)有顯著性差異，說明不同大小周期的機械牽張力對成骨細胞的分化有影響。

4　展　望

應力刺激在骨組織的新陳代謝中發揮著重要作用，因此從分子、蛋白、基因等方面研究應力刺激對成骨細胞增殖、分化及凋亡的影響生物學反應機制是目前的研究熱點。隨著大量科研人力物力的投入，會更加清楚地了解應力刺激對抗骨質疏松和促進骨折愈合機制，從而為防治骨質疏松、異位骨化等骨形成和骨形成相關疾病提供新的理論依據和治療靶點。

1Blotman F,Cortet B,Hilliquin P,etal.Characterisation of patients with postmenopausal osteoporosis in French primary healthcare〔J〕.Drugs Aging，2007;24(7):603-14.

2Zhang L,Zhao WZ,He SW,etal.Effect of vibration stress stimulation on bone marrow stem cells for repairing rabbit bone defects 〔J〕.J Clin Rehab Tissue Eng Res,2011;15(40):7411-5.

3Rubin C,Recker R,Cullen D,etal.Prevention of postmenopausal bone loss by a low-magnitude,high-frequency mechanical stimuli:a clinical trial assessing compliance,efficacy,and safety〔J〕.J Bone Miner Res,2004;19(3):343-51.

4Luu YK,Capilla E,Rosen CJ,etal.Mechanical stimulation of mesenchymal stem cell proliferation and differentiation promotes osteogenesis while preventing dietary-induced obesity〔J〕.J Bone Miner Res,2009；24(1):50-61.

5Li M,Wu W,Tan L,etal.Low-magnitude mechanical vibration regulates expression of osteogenic proteins in ovariectomized rats 〔J〕.Biochem Biophys Res Commun,2015;465(3):344-8.

6Gómez-Cabello A,González-Agüero A,Morales S,etal.Effects of a short-term whole body vibration intervention on bone mass and structure in elderly people〔J〕.J Sci Med Sport,2014；17(2):160.

7Guo Y,Zhang C,Zeng Q,etal.Mechanical strain promotes osteoblast ECM formation and improves its osteoinductive potential〔J〕.Biol Med Eng Online,2012;11(1):80.

8江建明,孫煒,吳一民,等.低頻振動對人成骨細胞生物學特性影響的研究〔J〕.中國矯形外科雜志,2003;10(20):153-5.

9馬宗民，李淑嫻.動載荷作用下骨重建力學調控機制〔J〕.醫用生物力學,2015;30(4):346-9.

10Bramlett HM,Dietrich WD,Marcillo A,etal.Effects of low intensity vibration on bone and muscle in rats with spinal cord injury〔J〕.Osteoporos Int,2014;25(9):2209-19.

11Demiray L,?zcivici E.Bone marrow stem cells adapt to low-magnitude vibrations by altering theircytoskeleton during quiescence and osteogenesis〔J〕.Turk J Biol,2015;39(1):88-97.

12Zhang R,He G,Zhu D,etal.Seven Day Insertion rest in whole body vibration improves multi-level bone quality in tail suspension rats〔J〕.PLoS One,2014；9(3):e92312.

13Zhou Y,Guan X,Liu T,etal.Whole body vibration improves osseointegration by up-regulating osteoblastic activity but down-regulating osteoblast-mediated osteoclastogenesis via ERK1/2 pathway〔J〕.Bone，2015;(71)：17-24.

14Qing F,Xie P,Liem YS,etal.Administration duration influences the effects of low-magnitude,high-frequency vibration on ovariectomized rat bone〔J〕.J Orthop Res,2016;34(7):1147-57.

15Cheung WH,Sun MH，Zheng YP.Stimulated angiogenesis for fracture healing augmented by low-magnitude,high-frequency vibration in a rat model-evaluation of pulsed-wave doppler,3-DPower Doppler ultrasonography and Micro-CT microangiography〔J〕.J Ultrasound Med Biol(UMB),2012;38(12):2120-9.

16Oliveira LC,Oliveira RG,Pires-Oliveira DAA.Effects of whole body vibration on bone mineral density in postmenopausal women:a systematic review and meta-analysis〔J〕.Osteoporosis International,2016；27(10):2913-33.

17張彤正.不同應力刺激對犬脛骨骨折愈合的影響〔D〕.成都：西南醫科大學，2015.

18李尚志.機械應力作用下促進骨不連愈合的療效觀察〔D〕.濟南：山東大學,2015.

19Birmingham E,Kreipke TC,Dolan EB,etal.Mechanical stimulation of bone marrow in situ,induces bone formation in trabecular explants〔J〕.Ann Biomed Eng,2015;43(4):1036-50.

20Li J，Wang J，Zou Y，etal.The influence of delayed compressive stress on TGF-beta1-induced chondrogenic differentiation of rat BMSCs through Smad-dependent and Smad-independent pathways 〔J〕.Biomaterials，2012;33(33) ：8395-405.

21Malviya AN，Klein C.Mechanism regulating nuclear calcium signaling〔J〕.Can J Physiol Pharmacol，2006;84(3-4):403-22.

22Kim IS，Song YM，Hwang SJ.Osteogenic responses of human mesenchymal stromal cells to static stretch 〔J〕.J Dent Res，2010;89(10) ：1129-34.

23鄒淑娟,胡靜.機械張力對人成骨樣細胞 TGF-β表達的影響 〔J〕.現代口腔醫學雜志,2002;16(3):214-5.

24鮮成玉,王遠亮,張兵兵,等.機械拉伸對成骨細胞增殖及IGF-ImRNA表達的影響 〔J〕.生物醫學工程學雜志,2007;24(2):312-5.

25唐林，林珠，李永明，機械牽張力對成骨細胞堿性磷酸酶及骨鈣蛋白的影響〔J〕.臨床口腔醫學雜志，2005;21(11)：648-50.