骨血管與運動改善骨質疏松的研究進展

邢正 郭蘭蘭, 2 張靚*

1. 北京師范大學體育與運動學院，北京 100089

2. 對外經濟貿易大學體育部，北京 100029

骨科研究奠基人之一Laroche[1]曾說“骨內血流賦予骨骼生命，就像腦內血流賦予大腦生命、冠狀動脈血流賦予心臟生命一樣”，提示骨血管是骨骼賴以生存的組織。骨血管在骨發育(軟骨內骨化和膜內骨化)、再生和重塑過程中起著重要作用。血管不僅為骨骼系統提供氧氣和營養物質、清除代謝物，還為骨骼運送特定的激素(生長激素、甲狀旁腺素等)、細胞因子(轉化生長因子-β)和其他組織分泌的神經遞質(腦源性血清素[2]等)，以維持骨代謝的平衡。此外，血管內皮細胞分泌的某些因子還具有促進成骨(如血管內皮生長因子)、抑制破骨(如神經突起導向因子4)的作用。

在多種骨病的發生、發展及康復中，骨血管都發揮著重要作用。股骨頭壞死時，骨內的血流或血管發生異常，恢復缺血區的血管生成及血供對治療起著關鍵作用。在骨折發生時，骨內的血管會迅速向損傷部位聚集生長，輸送各種生長因子及促進成骨的細胞，參與骨折的修復[3-4]。此外，骨血管與骨質疏松的關系也備受關注。許多研究發現，當骨內的血管出現血流受阻、數量減少、結構紊亂等異常時，會引起骨質疏松的發生[5]；而當骨血管結構與功能改善后，骨質疏松也得到緩解[6-7]。因此，骨血管已經成為防治骨質疏松癥的重要靶點之一。

運動作為一種促進骨健康的重要手段，其效果已經人盡皆知。適量運動能夠極大地提高骨量和骨強度，促進骨形成，有效地治療和預防骨質疏松癥，其療效甚至優于使用抗骨質疏松癥藥物[8]。世界衛生組織推薦運動作為預防和治療非藥物性骨質疏松癥的首選物理療法[9]。運動可通過多條途徑防治骨質疏松癥，那么運動是否通過促進骨內的血管生成改善骨質疏松？運動又是通過何種機制來促進骨血管生成？這是本文將重點介紹的內容。因此，本文將對骨內的血管系統、骨血管在骨質疏松發生中的作用及運動對骨血管影響及可能的作用機制這三個方面來進行綜述。

1 骨內的血管系統

與其他器官相似，骨內也存在由動脈、靜脈和毛細血管構成的血管網。但骨內的毛細血管較為特殊，根據標志物和功能的差異可分為 2 種亞型：H型 (CD31hiEmcnhi)和L型(CD31loEmcnlo)。H型毛細血管位于干骺端生長板附近，互相連接為血管柱，高水平表達血小板-內皮細胞粘附分子(platelet endothelial cell adhesion molecule-1, CD31)和內皮粘蛋白(endomucin, EMCN)[10]。L型毛細血管在骨干的骨髓腔中形成密集且高度分支的毛細血管網，連接中央靜脈，并被密集的造血細胞包圍，表達較低水平的CD31和EMCN。血液通過動脈進入骨后，大部分先流入H型毛細血管，而后在干骺端和骨干交匯處進入L型毛細血管網，最終匯入中央靜脈[11](圖1)。現有研究表明H型血管與骨形成有更加密切的關系。

近期，Gunzer等[12]在小鼠脛骨內發現了數百條橫跨脛骨皮質的微小血管，表現出動脈或靜脈特征，其能夠使血液和免疫細胞有效、快速的穿梭于骨內外，被稱為“跨皮質血管(trans-cortical vessels)”。小鼠脛骨中大部分血流是通過跨皮質血管運輸的。目前其結構和功能尚待進一步研究。

2 骨血管與骨質疏松癥

2.1 骨血管重建

骨內的血管系統主要是從已有的血管產生，即以血管新生(angiogenesis)的方式形成，并伴隨著軟骨內成骨以及膜內成骨的全過程[13]。骨形成后，骨血管會根據骨的生理及病理變化進行動態的重建(remodeling)。目前研究多關注于骨髓微環境對血管重建的作用。骨髓中的成骨細胞、破骨細胞、軟骨細胞及內皮細胞系通過合成和分泌多種活性物質，如血小板源生長因子BB(platelet derived growth factor BB, PDGF-BB)、軸突導向分子3(slit guidance ligand 3, SLIT3) 、Delta樣配體4(delta-like ligand4, Dll4)、VEGF等(圖2)，以旁自分泌的方式激活多條信號通路，調節內皮細胞的募集、遷移、成管等過程，進而影響骨血管重建[11,14-15]。

2.2 骨質疏松時骨血管的改變

有研究[16]表明老年性和絕經后骨質疏松癥時，骨內血管減少及毛細血管稀疏是其重要特征，核磁結果發現，患者椎骨髓質的血液灌注顯著降低。在去卵巢及他莫昔芬誘導的骨質疏松中，均發現骨密度與骨內血管灌注同步降低[5,17]。此外，在糖皮質激素誘導的繼發性骨質疏松癥中同樣發現骨血管減少和血流量下降[18-19]。與正常人相比，絕經后骨質疏松癥患者H型血管稀疏、分布凌亂，呈點狀、竇狀，其特征性的CD31和EMCN陽性染色變弱[20]，提示H型血管減少和結構紊亂是骨質疏松時骨血管的主要改變。

衰老時骨內出現缺氧且活性氧水平增加，內皮細胞的遷移能力降低[21]。有研究[22]發現去卵巢誘導的骨質疏松大鼠，骨內缺氧誘導因子1α(hypoxia inducible factor-1, HIF-1α)和VEGF表達顯著減少，絕經后婦女血管內皮功能障礙抑制骨血管的生成[21]。糖皮質激素通過抑制前破骨細胞PDGF-BB的分泌，抑制H型血管的生成[23]。最新研究[23]發現組蛋白乙酰化修飾參與了骨質疏松時骨內VEGF 、Notch-Dll4信號的表達調控，表觀遺傳調節可能是骨血管生成調節的新靶點。

2.3 骨血管調節骨質疏松的發生和發展

骨血管生成與骨形成之間存在密切的時間和空間關系，這種關系被稱為“血管生成-骨形成耦聯”(angiogenesis-osteogenesis coupling)[24]，骨血管，尤其是H型血管，已成為骨質疏松癥防治的重要靶點。H型內皮細胞會產生大量的血管分泌因子，通過旁自分泌的方式作用于骨微環境，調節骨的生長和穩態[25](圖2)。H型內皮細胞來源的成纖維細胞生長因子1(fibroblast growth factor 1, FGF1)、TGF-β和PDGF等可作用于骨祖細胞，促進其存活及增殖[43]。Noggin介導內皮細胞中Notch信號通路的傳導，可作用于骨祖細胞、成骨細胞和軟骨細胞，促進骨形成[11]。缺氧會誘導內皮細胞分泌骨形態發生蛋白2 (bone morphogenetic protein 2, BMP2)，促進成骨細胞的分化[26]。內皮細胞合成和分泌的骨保護素(osteoprotegerin, OPG)和Sema-III則會抑制破骨細胞的形成[27]。H型內皮細胞還能夠合成基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMPs)和MMPs組織抑制物(Timps)共同作用于軟骨細胞，調節軟骨的吸收、骨的延長和重塑[28]。此外，內皮細胞表達的microRNA也參與了骨形成的調節，如miR-214-3p[29]、miR-126[30]、miR-129-1-3p[31]與不同的靶基因作用，不僅作用于內皮細胞自身的分化過程，還以外泌體為載體影響骨形成的過程。綜上可見，血管分泌因子作用于骨祖細胞、成骨細胞、破骨細胞及軟骨細胞，促進骨形成、抑制骨吸收，在骨質疏松癥防治中發揮著關鍵作用。

3 運動促進骨血管生成及作用機制

3.1 運動促進骨血管生成

科學的運動對骨質疏松癥的防治作用不可替代，長期運動能促進骨形成與骨吸收的平衡，調節骨小梁排列和密度，加速骨的礦化，改善骨代謝，提升骨量。此外，運動還可促進多種組織器官如大腦[34]、心臟、肌肉[35]等重要臟器內的血管生成，對骨也不例外。

有研究[36]表明，經過一段時間的跑臺運動后，大鼠骨髓血流量和后肢骨骨量普遍增加。Holstein等[37]發現經過3周跑輪運動的小鼠顱骨缺損愈合速度顯著快于非運動組小鼠，骨血管直徑顯著增加。此外在跑輪運動第9天時，每日跑步距離與血管密度呈正相關。在另一項[38]研究中，8周游泳訓練使大鼠股骨毛細血管數量顯著增加。Zhang等[39]發現去卵巢骨質疏松大鼠在進行遞增強度跑臺運動后，股骨血管生成活動明顯增強。以上研究結果表明，運動對骨內的血管生成有著強大的刺激作用，但運動刺激骨血管的機制研究尚待加強。

3.2 運動促進骨血管生成的機制

3.2.1運動對骨血管生成微環境的影響：骨微環境(bone microenvironment)是骨血管生存的場所，其細胞構成多樣，受機械應力、神經、激素、信號分子等多條途徑的精密調節[40]，骨微環境的理化性質對骨血管的生成有著重要的作用[41]。首先，血流量、血流模式和血流速度會通過對內皮細胞的剪切應力作用，影響血管生成。血流是H型血管的關鍵調節因素，它能夠激活Notch信號通路，作用于Dll4調節內皮細胞活性，而H型內皮細胞表達高水平的Dll4[42]。Stabley等[35]發現運動能夠使部分骨內的血流量增大、流速加快、動脈壓升高，從而使血液對血管壁的剪切應力增大，最終導致內皮細胞活性升高，骨血管生成增加。還有研究[43]報道當骨血流量減少時生長板附近柱狀血管和內皮芽結構顯著減少，內皮Notch信號受到抑制，且表達Osterix的骨祖細胞顯著減少，骨礦化率降低，而恢復骨血流之后血管生成和成骨都有改善，證明了運動引起的血流量變化對骨形成和血管生成十分重要。其次，運動可通過調節成骨、破骨細胞分泌的信號分子，間接影響骨血管生成。成骨細胞來源的VEGF、SLIT3是調節H型血管生成的重要因子。有研究[44]發現在成骨細胞分化過程中施加機械牽張力可加速成骨細胞分化，同時促進VEGF的表達。前破骨細胞分泌的PDGF-BB與其β受體(PDGFRβ)結合能夠促進間充質干細胞和內皮祖細胞的遷移和分化，促進H型血管生成以及成骨[11]。運動不僅可以上調PDGF-BB的表達[45]，還能夠激活PDGF-BB信號轉導[46]。破骨細胞產生的基質金屬蛋白酶對骨血管生成具有重要的調節作用。Stickens等[47]發現，MMP13和MMP9同時缺失的小鼠軟骨內血管生成減少。MMP9可通過影響破骨細胞的遷移來調節血管生成。機械負荷能夠上調MMPs的表達[48-49]，男性在耐力和抗阻運動后循環中MMPs含量升高。但運動對骨內上述信號分子表達的直接調節作用及其效應尚未見報道，還需要更多的研究證實。此外，運動調節內皮細胞內的HIF和Notch信號通路，促進骨血管生成。骨H型血管內皮細胞大量表達HIF-1α，在缺氧條件下HIF-1α轉位入核[14]，上調其靶基因vegf的表達，從而促進內皮細胞的增殖和遷移[50]。先前的研究表明，運動可以增加骨骼肌中HIF的水平，并參與血管生成過程。Ribeiro等[51]的研究表明，一次抗阻運動可使內皮祖細胞增多，上調HIF-1α和VEGF的表達。機械負荷可以改善小鼠的血管生成和骨形成，但這一過程在HIF-1α缺失小鼠中受到抑制，表明機械負荷導致的血管生成是通過HIF-1α介導的[52]。運動或機械負荷對Notch信號通路有強大的激活效應[53]，Notch與配體Dll4結合后，可協同HIF1—VEGF等信號通路調控骨血管內皮細胞的增殖及分化[54]。然而，運動對骨H型內皮細胞中Notch的調控作用未見有文獻報道，有待于進一步研究。

3.2.2運動促進肌骨系統的作用：骨骼肌和骨骼作為運動系統的重要組成部分，均發源于中胚層且由間充質干細胞分化而來，存在著密不可分的關系。近來研究表明肌骨之間不僅存在機械力學的相互作用，還存在生物信號分子的相互對話。

3.2.2.1肌骨間的物理作用：運動時肌肉的收縮可對骨表面形成強烈的牽拉刺激，導致牽拉成骨。肌肉牽拉能夠直接刺激骨膜，而骨膜中富含具有成骨分化能力的細胞[55]。研究表明血管生成在牽拉成骨中扮演著重要角色。Choi等[56]通過透射電鏡觀察到，牽拉大鼠脛骨使其骨膜血管和骨髓血管生成均增加。在一項兔下頜骨牽拉實驗中[57]，牽拉區血管生成增加、新骨生成較早且骨量明顯多于對照組，證實了血管在牽拉成骨中的重要作用。另外，肌肉牽拉還可促進骨間質液的流動，形成了作用于骨毛細血管外壁的剪切力，從而間接導致內皮細胞的激活[58]。

3.2.2.2肌骨間信號分子的對話：作為一種內分泌器官，骨骼肌能夠合成和釋放多種活性分子，即肌肉因子。現有研究[59]報道，骨骼肌分泌的IGF-1、FGF-2、Myostatin等因子，通過旁分泌的方式，在骨代謝調節中發揮著重要作用。除此之外，已經證實還有許多肌肉因子對血管生成也有重要作用。本實驗室前期工作[60]提出運動時骨骼肌apelin表達顯著增加，促進心肌、骨骼肌內的血管生成。骨骼肌合成的多種生長因子VEGF、PDGFs、FGFs等也都具有強大的促血管生成作用，運動是否可以通過對它們的調節來促進骨血管的生成還需要更多研究證實。

3.2.2.3肌源性microRNA對骨血管生成的作用：骨骼肌特異性高表達的miRNA，被稱為肌源性miRNA，主要包括miR-1、miR-133a、miR-133b、miR-206等[61]，大量研究[62-63]提示它們對血管生成也有著重要的作用。研究發現miR-133能夠作用于FGF和VEGF的受體，抑制內皮細胞的增殖、存活及遷移，抑制血管的生成。Lin等[64]的一項研究表明，miR-1可靶向SARS(seryl-tRNA合成酶)促進血管生成，而miR-206抑制VEGFA的表達，導致血管生成減少。運動對多種肌源性miRNA的表達具有調節作用，已成為運動改善健康的重要機制之一[65]。運動是否通過肌源性miRNA來發揮促骨血管生成的作用，這方面的研究成果值得期待。

3.2.2.4肌源性代謝小分子對骨血管的調節：骨骼肌是糖、脂肪和蛋白質代謝的主要場所，代謝過程中產生的中間產物作為代謝小分子，不僅參與機體的物質和能量代謝，還作為信號分子調節機體自穩態，目前研究表明代謝小分子還可作為底物，參與蛋白質翻譯后修飾調節，影響多種病理過程[66]。乙酰輔酶A(acetyl-CoA)是糖類、脂肪、氨基酸氧化時的重要中間產物，是蛋白質乙酰化修飾的重要底物，骨骼肌是乙酰輔酶A的主要來源。目前研究發現組蛋白乙酰化修飾改變了染色質結構及功能，在成骨和破骨生成過程中均發揮重要作用[67]。Fu等[23]發現骨質疏松小鼠和人類骨骼內皮細胞中鋅指轉錄因子(ZEB1)表達下降，減少Dll4和Notch1啟動子上的組蛋白乙酰化，從而抑制Notch信號傳導，導致骨中H型血管生成減少。乳酸是糖酵解的產物，在運動時主要由骨骼肌產生，也具有促血管生成的功能。Song等[68]發現乳酸通過上調THP-1巨噬細胞中VEGF的表達，介導了炎癥時新血管生成的增多。另外，乳酸與內皮細胞上G蛋白偶聯受體GPR81結合，激活下游的信號通路，促進血管生成。骨骼肌產生的代謝小分子對骨骼的調節及機制探討是一個嶄新的方向，隨著代謝組學的發展，勢必會成為今后研究的熱點。

4 總結與展望

自2014年Nature雜志報道骨內毛細血管可根據不同的內皮細胞表型分為H型和L型之后，H型血管在骨的發育、重構及修復中的作用被大量關注。隨后Nature雜志連續推出重磅研究，揭示了H型血管內皮細胞產生的血管分泌因子對骨形成的作用，并發現成骨細胞、破骨細胞合成和分泌的信號分子也調節H型血管的生成，H型血管已成為骨科疾病防治的重要靶點。多種骨質疏松的防治藥物在改善骨質疏松的同時促進、恢復了骨血管的生成，骨血管與骨質疏松此消彼長。但骨血管生成改善骨質疏松的具體機制和作用靶點還需要更多的研究證實。

科學的運動對骨質疏松癥的防治效果已被廣泛認可，不過運動是否通過刺激骨血管的生成改善骨質疏松、運動對骨血管生成的作用機制如何、不同的運動方式是否會有不同的作用靶點等尚未見報道。但運動對骨血管生成微環境的直接作用及運動增強肌骨對話的間接作用，為運動促進血管生成、改善骨質疏松的研究提供了新的視角，為科學運動提供了理論依據。