力學信號對成骨細胞凋亡的影響

魏鶴翔 張騰 張永 吳定 張成俊*

1.蘭州大學第二臨床醫學院，甘肅 蘭州 730000 2.蘭州大學第二醫院，甘肅 蘭州 730000

骨骼是一種自適應性器官，可以通過調整和改變自身結構來適應外部的應力環境[1]。成骨細胞作為骨形成的主要介質，其增殖與凋亡對骨的生長發育和骨創傷的修復有關鍵的影響[2]。成骨細胞的凋亡與多種疾病密切相關，如骨質疏松癥、航空飛行及長期臥床導致的骨質流失等[3-5]。對成骨細胞凋亡的研究可能給上述幾種疾病的預防、治療與康復提供新的思路與方法。

力學信號是影響成骨細胞凋亡的重要因素之一，在骨形成和骨重塑過程中起著重要的調節作用。力學信號可刺激成骨細胞主導的骨形成過程從而增加骨量；而力學信號的缺失則可減少骨形成并通過刺激破骨細胞主導的骨吸收過程使骨量減少[6]。早期關于應力對骨組織影響的理論主要以1892年提出的Wolff定律為代表，該定律提出的應力影響骨骼形成的這一基本觀點得到了廣泛的認同[7]。在此基礎上，Frost提出了“機械穩定器理論”，該理論定義了骨骼生物學中構建和重塑這兩個基本過程，并初步探討了骨骼的功能適應性[7-8]。目前，有關應力對骨組織影響的研究還在不斷深入進行。

目前，關于力學信號的研究最具代表性的為流體剪切應力、機械應力與靜水壓力3種力學負荷[4]。這3種應力不僅是當前研究的焦點，且均對成骨細胞的凋亡過程存在重要影響。現針對這3種應力加載對成骨細胞凋亡的影響作一綜述。

1 流體剪切應力與成骨細胞凋亡

流體剪切應力(fluid shear stress，FSS)可以模擬人體在運動時骨組織內組織液對成骨細胞的影響。體內骨組織中有著復雜的孔隙結構，組織液會隨著各種原因導致的骨組織形變在這些孔隙結構形成的微管中流動，從而對細胞施加流體剪切應力[2,9]。目前研究證明，流體剪切應力是生理條件下對成骨細胞影響最大的因素之一，缺乏流體剪切應力可直接引起骨細胞和成骨細胞凋亡[10]。目前的流體剪切應力研究采用的加載應力有單向流體剪切應力與振蕩流體剪切應力之分，其中振蕩流體剪切應力被認為最具有生理學意義[11]。

許多研究認為一定強度的流體剪切應力可抑制細胞凋亡，目前研究公認強度為10～12 dyne/cm2(即1～1.2 Pa)的流體剪切應力抑制細胞凋亡的作用最明顯[12]。如Pavalko等[11]的研究中使用12 dyne/cm2的流體剪切應力作用于成骨細胞4 h后，由TNF-α誘導的成骨細胞凋亡可以被顯著抑制，他們的研究還發現抑制PI3激酶可以阻斷流體剪切應力對TNF-α誘導的成骨細胞凋亡的抑制作用，說明流體剪切應力可通過激活PI3激酶和抑制凋亡相關蛋白caspase-3表達抑制TNF-α誘導的成骨細胞凋亡。而在Wang等[10]的研究中發現，振蕩流體剪切應力可以通過抑制TNFR I的表面表達、抑制caspase-8的活化等方式抑制TNF-α介導的成骨細胞凋亡，且這種作用與此前發現的一些凋亡抑制因子如MPK、NO等無關，在他們的研究中，12 dyne/cm2的流體剪切應力作用5 min即可顯著抑制TNF-α誘導的成骨細胞凋亡，而流體剪切應力加載2 h可以幾乎完全消除成骨細胞的凋亡形態學征象。

同時，部分研究指出強度過大的流體剪切應力的流體剪切應力具有促進成骨細胞凋亡的作用。研究指出，流體剪切應力作用1 h以上時，成骨細胞形態開始改變，細胞脫落增多，隨作用時間延長，成骨細胞凋亡趨勢更加明顯，當流體剪切應力作用4 h以上時，成骨細胞形態全部改變，大部分細胞出現凋亡征象[12]。Liu等[13]的研究發現，當流體剪切應力強度不超過2 Pa時，成骨細胞中凋亡抑制蛋白bcl-2和凋亡相關蛋白caspase-3的表達量均隨加載流體剪切應力的強度增大而明顯增大，成骨細胞凋亡情況也沒有出現明顯的變化；而當應力強度超過3 Pa時，bcl-2水平轉而隨應力強度增大而下降，細胞出現大量凋亡。

上述研究的結果說明，流體剪切應力的作用存在明顯的抗凋亡-促凋亡轉化現象，即一定強度流體剪切應力可抑制細胞凋亡，但超出閾值強度的流體剪切應力可促進細胞凋亡，與Frost的機械穩定器理論相符合[7]。而同樣根據Frost的機械穩定器理論推導，過長時間的流體剪切應力加載對于成骨細胞也應存在促進凋亡的作用，由于目前針對此方面的研究較少，還不能得出確切結論。

2 牽張應力與成骨細胞凋亡

牽張應力可模擬在骨骼受壓形變時對成骨細胞的牽張作用。由于成骨細胞在完成骨形成后大部轉為骨細胞并被包裹入骨基質，未轉化的成骨細胞主要位于骨組織邊緣和骨膜附近，因此骨骼受到外力形變時成骨細胞會隨之受到牽張力的影響[15]。加載牽張應力的研究常將細胞接種至專用硅膠彈性膜上，并進行周期性牽拉。牽張應力的強度以該強度下細胞的形變量表示,并通常以百分率方式表示[16-17]。

目前，有關牽張應力的研究已經比較完善。如Chen等[15]的研究對不同強度和不同加載時間下成骨細胞的凋亡情況均進行了實驗，實驗證明，牽張應力導致形變在6 %且作用時間小于4 h時，加載牽張應力可顯著抑制成骨細胞凋亡；而形變在12 %時，只有應力加載時間在2 h以內時可起到較弱抑制凋亡作用。所有強度的應力加載均會在一定時間后轉而促進成骨細胞凋亡，且該時間隨加載強度與最適強度數值的差值增大而增大。而Li等[16]則進一步研究了不同強度牽張應力作用時成骨細胞內凋亡相關蛋白的表達情況。在他們的研究中，拉伸6 %時牽張應力可降低caspase-3和caspase-8的活性并增強bcl-2表達，從而抑制由血清饑餓引起的成骨細胞凋亡；而當應力強度增強至拉伸12 %時，caspase-3表達反而被促進，caspase-8和Bax的表達隨之上升，從而促進成骨細胞凋亡。因此，可以認為bcl-2/bax蛋白家族在牽張應力調控成骨細胞凋亡的過程中起著非常重要的作用，由于該家族蛋白的含量與比例在牽張應力作用下隨加載時間延長而發生變化，進而導致牽張應力作用下的成骨細胞出現與時間相關的抗凋亡-促凋亡作用轉化現象。同時，Liu等[18]在他們的研究中指出，12 %循環拉伸應力可上調成骨細胞中微小RNA(miRNA)的表達，從而有效抑制成骨細胞中Smad5的表達，進而對骨形成過程產生積極影響。

對上述研究內容進行綜合分析，可以認為牽張應力信號與流體剪切應力信號對于成骨細胞的影響相似，同樣存在多效性，主要的影響因素均包括力學信號的強度，由于以時間為變量的研究較少，牽張應力的加載時間對于成骨細胞凋亡的影響尚難以量化。

3 靜水壓力與成骨細胞凋亡

靜水壓力(hydrostatic pressure，HP)可模擬骨組織直接承受壓力時成骨細胞受到的力作用。骨內骨液的加壓在骨力學中起著至關重要的作用，因為它提供了靜水壓力，并迫使間質液和骨髓分別流經腔隙-小管系統(LCS)和髓腔內，同時向骨細胞和成骨細胞施加流體剪切應力[19]。有研究指出，靜水壓力可均勻地施加于所有細胞，因此培養基流動所導致的養分遷移等因素對靜水壓力研究的影響要小于上述兩種負荷相關的研究[20]。而成骨細胞對靜水壓力的敏感性要大于對流體剪切應力的敏感性[21]。由于任何使用培養基進行的應力加載研究都無法完全去除靜水壓力的作用，因此，使用靜水壓力的細胞研究有著重要的意義。

目前，對于靜水壓力與成骨細胞凋亡間關系的研究相對較少。現有的靜水壓力研究主要包括直接對培養細胞的培養基加載壓力和外加氣壓以間接加載壓力兩種[17,22]，為模擬生理條件下靜水壓力對骨組織的作用情況，當前實驗研究多采用循環靜水壓力[2,22]。Takai等[17]的研究給小梁骨外植體模型施加動態靜水壓，然后通過骨組織形態計量學方法證明，在加載第8天，動態靜水壓顯著增強了成骨細胞活性，但該研究同時指出，該作用與模型中活骨細胞的數量存在關聯性，故難以確定靜水壓力對于單獨存在的成骨細胞具有類似作用。Gardinier等[23]的研究及上述研究都認為，靜水壓力對細胞的作用與細胞間及細胞內的信號蛋白如NFκB、磷脂酶C等相關，而非對單個細胞的獨立作用。因此，靜水壓力研究往往使用立體模型進行。然而由于缺乏有效的技術手段，對生理靜水壓力的直接測量及其在體內的效果評估仍然受到限制[24]。

由于缺乏其他類似研究佐證，上述研究的結論僅具有學術上的指導意義。目前，靜水壓力對成骨細胞凋亡具體影響的量化研究仍較少。現有研究僅能確定較低強度靜水壓力對成骨細胞有積極作用[25]。然而，根據流體剪切應力對成骨細胞作用影響與牽張應力對成骨細胞作用影響的相似性，可以猜想靜水壓力與上述兩種應力對成骨細胞的作用也存在著一定的相似性，即與時間和強度相關的抗凋亡-促凋亡轉化現象，但這種猜想仍有待于未來研究的證實。

4 討論

綜合看來，目前應力相關研究主要圍繞著一個基本問題，即力學負荷對成骨細胞造成影響的具體機制。如大多數關于流體剪切應力的研究都指出，流體剪切應力可以抑制TNF-α誘導的成骨細胞凋亡[11]。除此之外，ERK5信號通路[26-27]、PI3K/AKT途徑[28]等均與應力加載抑制或促進成骨細胞凋亡有關。因此，可以認為力學負荷對成骨細胞凋亡的影響是多途徑并受多種信號因子調控的。

根據上述研究統合分析，可以推測某些力學信號對于成骨細胞的影響存在與時間和強度相關的多效性，即抗凋亡-促凋亡轉化現象，主要表現為：①當應力類型與作用時間均不變時，低于最適強度的流體剪切應力可抑制成骨細胞凋亡，而高于最適強度的流體剪切應力則會促進成骨細胞凋亡，實際加載強度與最適存活強度相差越大，其抑/促凋亡作用就越強[14]；②當應力類型與加載強度不變時，隨作用時間延長，流體剪切應力抗成骨細胞凋亡的作用逐漸增強，并在特定時間點達到峰值，在該時間點之后，流體剪切應力抗凋亡的作用隨作用時間延長而減弱，反而會出現隨時間增強的促凋亡作用[11-13]。機械牽張應力與流體剪切應力相似，存在加載強度不同導致的多效性，但由于長時間高強度加載的研究較少，因此仍需要未來研究驗證[16-17]。靜水壓力有很大可能同樣存在類似的抗凋亡-促凋亡轉化現象，有待未來研究證實。

5 研究現狀與展望

受限于研究條件，當前的相關研究大多僅針對一種應力，甚至一種應力的一種特殊類型，而且目前大多數研究針對單一種類細胞的研究，難以模擬較為復雜的生理狀況下受力模式及信號傳導情況[29]。對于多種應力作用于不同類型細胞間的比較研究較少。因此，對不同力學負荷加載進行比較可能是未來的研究方向。在機體生理條件下，力學信號主要作用于骨組織整體，而目前研究多針對某一單獨的細胞，未來研究應著重模擬骨細胞、破骨細胞與成骨細胞作為整體對力學信號的反應[30]。

根據現有的研究，可以發現各種應力對成骨細胞的影響具有相似性[14,16-17]。亞細胞水平的研究也證明，各種應力影響成骨細胞凋亡的信號通路等存在重合，如流體剪切應力與牽張應力均可通過bcl-2/bax蛋白家族調控成骨細胞的凋亡過程[14,17]。因此，未來對于應力加載與成骨細胞凋亡關系的研究應更多地著眼于各種應力加載影響的共同點以及多種力學負荷共同作用對成骨細胞的影響?；蛟S可根據各不同力學負荷間的共同點提出一個包括多種力學信號和細胞內信號通路在內的統一性理論。而與力學信號加載時間和強度相關的抗凋亡-促凋亡轉化現象很有可能是這個統一性理論的突破口。同時，由于大多數研究為體外細胞研究，成果難以轉化用于臨床，未來研究應更多注重力學負荷在以原發性骨質疏松為代表的相關疾病的治療中可能起到的作用[31]。