運動力學刺激對骨質量影響的研究進展

趙常紅 李世昌 孫朋 劉媛 胡曉磐

1.西北民族大學體育學院，甘肅 蘭州 7301241 2.華東師范大學“青少年健康評價與運動干預”教育部重點實驗室，上海 200241

骨骼作為人體內最堅硬運動器官， 2017年發表在國際醫學頂級期刊JAMA(美國醫學學會雜志，影響因子44.405)的一篇文章指出，缺乏運動也是導致骨質疏松的主要原因[1]，主要表現為骨質量下降，脆性增加，骨裂紋損傷非線性增高，骨重建功能下降，甚至出現微骨折，從而降低骨的生物力學性能。骨的質量包括骨量和骨結構兩個方面，骨的力學性能也由這兩個指標預測。骨量是決定骨力學性能的直接因素之一，骨量的減少是骨質疏松的一個重要標志。

運動力學的刺激使骨骼也不斷調整、適應，運動力學刺激對骨髓間充質干細胞(mesenchymal stem cells，MSC)的增殖、分化、遷移，包括對骨微結構也有一定的影響。通過此綜述來闡述運動生物力學影響骨形成質量和細胞形態的可能性機制。

1 運動力學刺激對MSC成骨分化的作用

MSC是一類具有自我更新和多向分化潛能的多功能干細胞，在損傷組織修復和再生中，MSC從骨髓中動員、進入外周血循環向損傷組織位點定向遷移是其行使損傷組織修復功能的關鍵環節之一。MSC的成骨分化有3個階段：(1)快速增長階段，形成胞外膠原基質；(2)基質成熟階段，細胞增殖降低，堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)活性增加；(3)礦化階段，增殖進一步減慢，ALP活性降低，骨橋蛋白(osteopontin，OP)及骨鈣蛋白(osteocalcin，OC)等成骨標志蛋白合成增加。成骨早期的標志基因ALP、成骨分化中期的標志基因OP和晚期標志基因OC可以結合羥基磷灰石，由成骨細胞(osteoblasts，OB)在基質礦化階段合成[2]。

力學刺激是骨改建和生長的重要調節因素，在骨系細胞的分化與增殖中發揮關鍵作用。運動力學刺激在各種運動過程中完成各種動作給骨骼的一種反作用力。在沒有力學刺激尤其是運動力學刺激對抗重力的情況下，會導致骨吸收增加，如臥床和失重。不同大小、頻率和方式的力學刺激對骨組織的作用也是不同的，周期性的力學刺激比持續性的更能促進OB的增殖和基因表達，MSC在應力作用下可分化為OB[3]。研究發現，張力刺激可以促進MSC細胞增殖，提高其ALP的活性，顯著上調成骨相關基因Ets-1、Runx2和ALP的表達，從而促使MSC向OB分化。研究還發現，MSC在力學刺激下，隨著拉伸應變時間的增加，細胞的形態及伸展方向日趨沿著與力所施加的方向垂直排列，在骨質疏松癥時MSC的成骨分化能力降低，成脂分化能力增高，導致骨髓中的脂肪組織增多，而運動力學刺激有助于降低成脂分化[4]。

MSC在受力刺激后形態、骨架的變化能調節其選擇分化，以圓形形態生長時，MSC向脂肪細胞分化；當MSC以鋪展和粘附形態生長時，向OB分化。已有實驗證明，力學刺激細胞響應有個“閾值”，大于這個“閾值”，細胞才會應答反應，超過上限，就會有完全不同的、甚至負面的應答。較小的張應力能夠誘導MSC向OB方向分化。有規律的力學刺激使得OB分化的標志物(Runx2、Osx、Col1)上升和脂肪分化標志物(PPARγ-2、C/EBPα和脂滴)下降，加強骨質疏松癥患者的鍛煉，已被證明是增加骨礦物質含量和阻止絕經后與年齡有關的骨礦物質、細胞外基質減少的有效方法[5]。應力介導下調MSC成脂或成骨分化，部分通過PI3K/Akt/GSK-3β信號通路[6]。研究發現，通過力學刺激可誘導MSC體外增殖，科學運動的力學刺激也可能調控體內MSC的增殖和去向分化，具有促進骨形成和抑制骨吸收的能力，能有效防治骨質疏松癥且無藥理方面不良影響。

2 運動力學對骨質量信號通路的影響機制

2.1 力學刺激對OPG/RANKL的作用

MSC的增殖與成骨分化成反比關系，細胞增殖快，分化就慢，反之，分化快，細胞增殖就慢。運動促進骨的重建是一個動態的過程，短期的力學刺激在短期內增加骨的形成。周期的重復性機械力的變化導致骨的微裂縫和維修重塑，引起一系列細胞反應，局部調整細胞因子、生長因子和其他分子，如：IL-1β、TNF-α、PGE2、IL-6、IL-8、RANKL、OPG、IGF、TGFβ-1和FGF[7]。此外，OB接受力學刺激表現出在分子水平如骨橋蛋白、骨鈣素、PDGF和I、III型膠原的表達增加[8]。當運動生物力學刺激施加在OB時，它導致OPG/RANKL的表達升高，從而降低RANK/RANKL，抑制破骨細胞分化，包括p38 MAPK和ERK調節OPG感應介導轉錄因子負責RANKL表達的激活。破骨細胞受RANK調節，從而激活c-fos和NF-κB，這反過來又導致NFATc1活化。此外，運動形成的力刺激體外活性環氧合酶(cyclooxygenase，COX)和前列腺素的產生，減少RANKL從而抑制骨吸收[9]。力學刺激也被證明誘導的OB上的Wnt-β-catenin信號通路，促進OB的分化與骨形成[10]。見圖1。

圖1 在運動力學刺激下OB和破骨細胞相互作用的示意圖[9]Fig.1 Schematic diagram of the interaction between osteoblasts and osteoclasts under mechanical stimulation of exercise[9]

2.2 力學刺激對MAPK/ERK的作用

研究發現，人OB樣細胞在力學刺激后可直接促進脫氧核糖核酸的合成而不是通過自分泌，接收力學刺激的分子傳感器在收到信號后傳到細胞內部，開放的陽離子通道，OB間隙間交流及整合的產物也發現升高[11]。整合素是跨膜受體，將細胞外基質連接到細胞骨架，當一個信號出現時，與細胞骨架分子整合形成配合物。Rho家族成員的Ras相關G蛋白參與形成這些結構，除了上述作用，Rho家族成員可誘導多激酶和絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)通路[12]。RhoGTP酶和其他相關Ras已被證明力在OB發揮作用，就力學信號而言，細胞外信號調節激酶(extracellular signal regulated kinase，ERK)和c-Jun氨基末端激酶(c-jun N-terminal kinase，JNK)似乎發揮至關重要的作用[13]。

ERKs已被證明在OB的生長和分化起重要作用，它們的激活對OB生存、增殖、分化有著不同的作用[14]。ERK和JNK信號通路已被證明會導致Fos和Jun增加，通過磷酸化激活它們，從而改變活化蛋白-1(activated protein-1，AP-1)的活性，增加Col1和OC的表達。力持續的時間、周期、強度是激活JNK/ERK基因表達的重要因素[15]。OB分化轉錄因子AP-1，調節Col1、骨鈣素、OP和骨粘連蛋白的基因編碼，這種轉錄因子在早期外部力學刺激反應中起重要作用。還有Fos和Jun家族成員，編碼早期基因及MAPK信號通路的靶基因。OB可能在運動力學刺激的條件下，AP-1根據不同的細胞外信號調控基因轉錄[16]。研究表明，連續力學刺激人的成骨樣細胞，激活MAPK級聯反應，導致AP-1元件c-fos和c-Jun增加，更特別的是，連續應力導致成骨樣細胞RABRho GTPases活性失調。另一方面，有研究發現，OB樣細胞連續力學刺激后，AP-1作為一種重要的下游分子，通過p38 MAPK、MEK和RHoK通路調節表達，MAPK/ERK可能是一條重要的運動調控骨重塑和構建的通路[16]。

2.3 力學刺激對前列腺素E2(prostaglandin E2，PGE2)的作用

力學刺激會誘導成骨樣細胞PGE2的產生，OB在生理應激、生長因子、激素、創傷和炎癥細胞因子產生PGE2，進而誘導cAMP依賴的IGF-1產生[17]。IGF-1和IGF-2已被證明輪流誘發OBOSX的表達[18]。體內PGE2也會促使Runx2的表達升高，促進骨量增加，PGE2下游TGF-β在人成骨樣細胞表達增加，在骨中具有增加細胞外基質的作用[19]。OB中包含TGF-β1的目標Runx2，這也是為什么Runx2基因敲除的小鼠成熟OB數量降低和細胞外基質的形成缺陷的原因[20]。因此，筆者也猜想運動的力學刺激是否可能通過誘導成骨樣細胞PGE2的產生調控骨量的變化的呢？有待進一步研究。

2.4 力學刺激對一氧化氮(NO)的作用

OB對運動力學刺激的另一反應可能通過NO的產生，因為它結合到RAS調節位點，NO與MEK/ERK級聯相互作用，會導致細胞增殖和細胞外基質的生產[21]。在后一階段，Cox1、Cox2以及ERK1和ERK2被激活產生骨基質成分[22]。此外，力學刺激導致VEGF、BMP-2、BMP4、PGE2和IGF-1上調[23]。IGF-1通過PI3K-RACβ/Akt、MAPKs和Smad信號傳導途徑激活。在OB中BMPs誘導能促進Runx2、OSX和DLX5基因表達[24]。力學信號也能促進c-fos編碼、早期生長反應因子1(Egr-1)和基本成纖維細胞生長因子(bFGF)基因的表達。力學刺激的性質和特性決定了骨的形成，體外骨細胞用高頻和低強度的力學刺激，會導致細胞外基質增加，誘導骨形成，高強度力學加載促進BMPs拮抗劑表達從而抑制OB發育。連續力學刺激會導致細胞炎性因子及其受體的生產，如白介素(interleukin，IL)-1b，其生產與RANK-RANKL信號通路的激活相關，能促進骨吸收[25]。在生理強度水平內短周期的流體流動或循環的底物張力導致OB增殖和存活，能促進存活因子如IGF-1、IGF-2的產生和雌激素受體的激活，這也是重力維持OB活性的原因。失重或力學信號在體內不存在時會導致OB凋亡，減少與存活相關DNA轉錄因子的結合和正常線粒體失活，導致骨質疏松癥發生，這也是運動防止骨質疏松的重要原因[26]。應力過度會導致細胞脫離表面導致體外程序性的失巢凋亡[27]。運動力學刺激促進骨的形成比較復雜，可能通過細胞的Ca2+通道、G蛋白、IGF、整合素受體、IGF和TGFβ/BMP相應信號通路的活化，從而誘導NF-κB、COX-2、CREB、Runx2、AP-1上調和通過Wnt抑制細胞成脂分化來提高骨的質量，如圖2所示。

圖2 運動力學刺激后的信號轉導通路的交叉影響示意圖[3，28]Fig.2 Schematic diagram of the cross effects of signal transduction pathways after mechanical stimulation of exercise[3，28]

2.5 力學刺激對多囊蛋白(polycystin，PC)的作用

最近研究發現，PC似乎與骨組織細胞的運動力學傳導有關，如PC1，與原纖毛協同形成復合物，定位在特定的組織和細胞類型，包括OB、骨細胞。PC1基因敲除小鼠OB分化缺失，然后導致骨發育異常和骨質疏松，若PC1/原纖毛復合形成障礙，運動力學刺激的力學傳導也可能會缺失。運動的力學刺激可能通過PC1調節細胞功能。通過JAK2/STAT3信號軸與PC1-CT互動，誘導人OB Runx2基因轉錄，調節成骨分化。運動力學刺激引發的PC1介導的磷酸化和STAT3的核轉位，刺激誘導Runx2 mRNA升高。研究表明，力學刺激可能通過PC1-JAK2/STAT3信號軸上調Runx2基因表達，最終調控OB分化和骨形成[28]。

運動力學的傳導研究雖然還不是很清楚，但原發性纖毛的協調PC已被認為作為潛在的OB力學分子感受器。研究表明，PC1的N-端可“接收”力學信號，通過其PC1的C端復合PC2共同定位在原纖毛，有接收力學信號的潛在功能。研究發現，通過激活G蛋白信號通路，PC1調節Ca2+，通過鈣調神經磷酸酶/ NFAT軸傳遞信號，激活環孢素，一個特定的鈣調神經磷酸酶/NFAT通路抑制劑，降低磷酸化NFATc1活性[29]。這些數據表明，PC1可能充當運動力學傳導分子，通過鈣調神經磷酸酶/NFAT信號級聯調節OB的基因表達和OB分化。

2.6 力學刺激對Runx2的作用

Runx2轉錄因子在力學刺激向OB的分化和成熟中非常重要，是人成骨樣細胞力學信號的目標基因。運動力學刺激可能直接導致Runx2表達和DNA結合能力的增加。運動力學信號從等離子膜也就是從整合素開始，穿過細胞質通過MAPK信號級聯轉導，靶向Runx2基因和蛋白。隨著Runx2 DNA結合能力的增加，ERK1和ERK2被磷酸化，然后按時間順序和平行的方式被激活。ERK1和ERK2磷酸化是相互的，在體內磷酸化和激活Runx2，依次誘導成骨分化[30]。

力學信號進入細胞可能通過整合和激活的Ras-ERK1/2 MAPK信號通路，導致Runx2磷酸化和轉錄活性增強。Runx2是通過自動調節機制控制自己的表達，運動力學刺激可能激活ERK的磷酸化和Runx2。這些分子結合到Runx2啟動子促進Runx2的表達[30]。其次，Runx2基因啟動子被發現附有典型AP-1結合位點，表明AP-1在調節Runx2的表達中發揮作用。此外，研究還發現AP-1和Runx2蛋白相互作用來調節膠原酶-3的表達[31]。

在失重或微重力情況下對骨造成的影響是毀滅性的。運動力學刺激對骨形成非常重要，能激活多種細胞內信號通路，其中激活的陽離子通道的流體剪切應力刺激ERK-CREB信號增強Fos家族轉錄因子的表達，增強Wnt/β-catenin信號，以此來調控Runx2上升。

2.7 力學刺激對NF-κΒ的作用

骨質量的變化不僅與骨的形成相關，也與骨的吸收相關，轉錄因子NF-κB與炎癥過程有關，在破骨細胞的形成和骨吸收中起重要作用。NF-κB誘導骨重建和刺激破骨細胞的形成，它的激活通過RANK-RANKL系統或整合素將力學信號轉換為Src激酶[32]。除上述功能外，NF-κB也可能在力學刺激后刺激OB分化。到目前為止，只有證據表明NF-κB在力學刺激后，OB在OB中的核中被激活和易位[33]，運動力學刺激如何通過其激活OB特異性基因還有待進一步研究。

3 總結與展望

運動力學刺激可以有效增加骨礦物質含量，促進骨重建和塑造平衡，維持正常骨代謝功能。這一功能失調可導致骨質疏松癥、甲狀旁腺功能亢進癥、甲狀腺功能亢進癥、佩吉特病，運動力學刺激維持這一功能在運動科學領域顯得十分重要。雖然運動力學刺激分子機制已取得一定成果，但由于力學作用分子機制相當復雜，如：運動力的大小、持續時間、速度、頻率及形式等的不同所產生的結果也會有所差別。因此，應不斷關注力學刺激對骨質量影響在國內外的研究進展，為科學運動健骨提供理論參考。