陳晨 張剛 谷銘勇 李宗玉 桑成林 左貴來

1.中國人民解放軍濟(jì)南軍區(qū)總醫(yī)院，骨創(chuàng)科 250031 2.山東大學(xué)附屬山東省千佛山醫(yī)院，骨科 250014

骨骼是一種動態(tài)的、獨特的礦化結(jié)締組織[1]。在人類的一生中要通過持續(xù)的塑形(modeling)和再塑形(remodeling)來維護(hù)和保障骨組織的健康。骨的塑形主要是指兒童和青少年時期骨骼生長發(fā)育的過程，骨的再塑形則是指一生中骨組織持續(xù)更新的過程，主要包括骨吸收和骨形成。要維護(hù)正常健康的骨組織，需要相互協(xié)調(diào)并且平衡的骨形成、骨吸收過程[2, 3]。通過骨的再塑形過程可以調(diào)整骨組織的結(jié)構(gòu)和密度，應(yīng)用最少的骨組織達(dá)即可達(dá)到最大的強(qiáng)度而滿足人體的生理需要。就如同一百年前沃爾夫描述的那樣，作用在骨骼上的力決定了它們的結(jié)構(gòu)[4]。骨骼塑形和再塑形的過程是由基本多細(xì)胞單位(BMU)完成的，實際上也有很多種其他細(xì)胞參與這個過程。在骨的多細(xì)胞單位(BMU)中破骨細(xì)胞負(fù)責(zé)骨的吸收而成骨細(xì)胞負(fù)責(zé)骨質(zhì)吸收后的骨形成，在生理狀態(tài)下兩者處于精準(zhǔn)的平衡狀態(tài)。但是到底是何種細(xì)胞調(diào)節(jié)了這個精準(zhǔn)的配合過程，至今不是很清楚。隨著對骨細(xì)胞的而研究的深入，越來越多的實驗證據(jù)表明骨細(xì)胞可能是調(diào)節(jié)這一過程的關(guān)鍵因素。

骨細(xì)胞被人們所認(rèn)識主要是因為他的形態(tài)和埋藏在礦化的基質(zhì)中，而非是他的功能。因為直到最近10年我們一直未能對這類細(xì)胞的特征和其在骨組織中所起到的作用有一個清晰的認(rèn)識[5]。盡管其在成年個體骨組織中占到所有細(xì)胞的95%以上，并且這個比例隨著年齡和骨組織體積的增加而增加。骨細(xì)胞位于礦化的基質(zhì)中的骨陷窩(lacuna)中，它們每個細(xì)胞大約伸出40 -100個細(xì)胞突起(dendritic processes)。細(xì)胞突起在礦化的骨組織中形成的細(xì)小通道稱為骨小管(canaliculi)。骨細(xì)胞和骨陷窩-骨小管形成骨細(xì)胞-骨陷窩骨小管系統(tǒng)[6, 7]。大量研究證據(jù)表明骨細(xì)胞是直接調(diào)控成骨細(xì)胞(Osteoblast)和破骨細(xì)胞(Osteoclast)完成再塑形的關(guān)鍵力學(xué)感應(yīng)細(xì)胞，是我們研究骨塑形和骨重塑過程中所不能忽視的細(xì)胞[8-10]。

1 骨細(xì)胞對骨形成的作用

骨細(xì)胞在生理狀態(tài)下對骨形成的影響還有爭議的。應(yīng)用白喉毒素刪除體內(nèi)的骨細(xì)胞時骨形成急劇下降，說明骨細(xì)胞影響骨形成。但是骨形成的降低可能是由于骨細(xì)胞壞死引起的繼發(fā)性炎癥引起的，因為實驗證實成骨細(xì)胞的成熟在白喉毒素受體陽性的小鼠中是受到抑制[8-10]。與此相反的是骨細(xì)胞密度和骨形成呈負(fù)相關(guān)，隨著年齡的增加骨陷窩的空陷窩率和骨膜骨形成率都會增加，提示這兩者可能存在著某些聯(lián)系。在攜帶變異的Col1a1膠原的小鼠(可以抵抗type I collagen 降解)中，2周時發(fā)現(xiàn)骨細(xì)胞的空陷窩增加，而后空陷窩增加一直持續(xù)增加到10-12月齡。然而在 3-12月齡顱骨骨外膜和脛骨/股骨的骨內(nèi)膜骨沉積率增加[8]。此外在敲除骨細(xì)胞的Gja1的小鼠在骨外膜(periosteal)和內(nèi)皮質(zhì)骨(endocortical surfaces)表面的骨形成率增加，而活性骨細(xì)胞在這個區(qū)域消失[12]。在4月齡的BCL2轉(zhuǎn)基因小鼠中，在骨細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞的情況下骨小梁和皮質(zhì)骨的骨形成增加，盡管這個結(jié)果不能完全排除在成骨細(xì)胞過度表達(dá)BCL2對骨形成的影響[13]。在激活HIF的轉(zhuǎn)基因鼠中發(fā)現(xiàn)骨量在3周持續(xù)增加，直到8月齡時骨量的持續(xù)增加導(dǎo)致骨髓腔幾乎完全閉合，與骨量持續(xù)增加相伴隨的是骨細(xì)胞的形態(tài)，功能發(fā)生變化；骨細(xì)胞的凋亡持續(xù)增加，到8月齡時骨細(xì)胞的中的70%幾乎因為凋亡而變成空陷窩。結(jié)合以上的轉(zhuǎn)基因小鼠的模型來看骨細(xì)胞密度和骨形成呈負(fù)相關(guān)，在生理條件下骨細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)抑制骨的形成[14]。

SOST(骨硬化蛋白)是由骨細(xì)胞特異性表達(dá)并且通過結(jié)合拮抗低密度脂蛋白共受體5和/或者6(LRP 5 和/或 LRP6)抑制成骨細(xì)胞的功能，進(jìn)而抑制骨的形成，是骨形成重要的負(fù)性調(diào)控因子。在SOST敲除的小鼠中骨小梁和皮質(zhì)骨的骨膜成骨(periosteal surfaces)和皮質(zhì)骨內(nèi)成骨(endocortical surfaces)都增加。此外在骨細(xì)胞中特異性的敲除PTH受體后SOST的表達(dá)升高，而特異性的持續(xù)表達(dá)PTH受體后SOST表達(dá)下降，因此SOST可能參與了PTH的合成[9]。這說明SOST是一個由骨細(xì)胞合成重要的參與成骨細(xì)胞分化和功能的調(diào)節(jié)因子。由于SOST通過骨細(xì)胞骨陷窩骨小管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)傳播，而且沒有信號可以通過沒有骨細(xì)胞的骨陷窩。而在敲除Vhl激活HIF信號通過的小鼠中，骨細(xì)胞骨陷窩骨小管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)破壞，他們之間的聯(lián)系大為減少，而且空陷窩明顯增加。并且在骨細(xì)胞內(nèi)其自身表達(dá)SOST的量同時也下降。然而在敲除Vhl激活HIF信號通過的小鼠中的骨小梁和皮質(zhì)骨骨膜表面和皮質(zhì)骨內(nèi)表面的成骨都增強(qiáng)。由此可以判斷骨細(xì)胞可以通過擴(kuò)散SOST作為抑制的化學(xué)到達(dá)骨膜或者皮質(zhì)骨內(nèi)表面從而抑制成骨[14]。

除了通過SOST等化學(xué)信號連接以外，令人感興趣的是Kamioka等的工作，認(rèn)為一些骨細(xì)胞的突起的延伸超越成骨細(xì)胞層，直接建立骨細(xì)胞結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和骨髓腔之間的聯(lián)系[15]。通過這些樹突在骨細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和骨髓腔之建立起可能的直接聯(lián)系。Veno PA等使用活細(xì)胞成像的方法研究表明骨細(xì)胞尤其是那些剛剛包埋進(jìn)的骨細(xì)胞可以伸出或者收縮他們的樹突裝突起，不僅和別的骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞接觸也可以進(jìn)入骨髓腔[16]。這表明骨細(xì)胞有能力建立或者打破與別的細(xì)胞系的連接。但是最新的研究證實骨基質(zhì)中的骨細(xì)胞的細(xì)胞突起對G-CSF刺激的造血干細(xì)胞動員之間有關(guān)[17]，而以osterix為啟動子敲除Vhl激活HIF信號通過的文章報道，在激活HIF的小鼠外周血中紅細(xì)胞大量增加[18],這可能的原因是由于骨細(xì)胞突起的減少而導(dǎo)致和骨髓腔聯(lián)系的聯(lián)系減少[19]。

2 骨細(xì)胞對骨吸收的作用

早期的研究者觀察體外培養(yǎng)的雞骨細(xì)胞(isolated avian osteocytes)發(fā)現(xiàn)，骨細(xì)胞可以促進(jìn)破骨細(xì)胞的形成和激活，從而得出骨細(xì)胞可以發(fā)出信號促進(jìn)骨吸收這一觀點[20]。這個現(xiàn)象在隨后的骨樣細(xì)胞系MLO-Y4中得到證實[20]，但另外一些實驗室的研究并沒有觀察到這個現(xiàn)象，與此同時來源于MLO-Y4的條件性培養(yǎng)液同時促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化[22]，也可以促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖和成骨方向分化[23]。傳統(tǒng)的觀點認(rèn)為激活破骨細(xì)胞的RANKL主要來源于成骨細(xì)胞，但是最新的體外研究證實埋藏于骨基質(zhì)的骨細(xì)胞才是調(diào)控破骨細(xì)胞形成的RANKL的來源，在骨基質(zhì)的吸收過程中起到至關(guān)重要的作用，應(yīng)用DMP-1 Cre條件性的敲除骨細(xì)胞的RANKL后，轉(zhuǎn)基因鼠的骨量增加[24, 25]。

現(xiàn)在越來越多的研究者認(rèn)為骨細(xì)胞丟失的同時可能也失去了對骨吸收的抑制[26-28]，骨細(xì)胞死亡后骨吸收增加，在生理條件下骨細(xì)胞一直被認(rèn)為是抑制骨吸收的[26-28]。一個典型的例子就是應(yīng)用白喉毒素刪除體內(nèi)的骨細(xì)胞[11]。轉(zhuǎn)基因小鼠表達(dá)DMP控制之下的白喉毒素受體，然后注射白喉毒素，導(dǎo)致骨吸收的大量增加和嚴(yán)重的骨質(zhì)疏松。DMP-1表達(dá)于成骨細(xì)胞開始埋于骨基質(zhì)時，高峰表達(dá)于未成熟骨細(xì)胞，在成熟骨細(xì)胞表達(dá)下降[11]。由白喉毒素原發(fā)性或者繼發(fā)性引起的壞死，骨細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞成分從骨陷窩中釋放出來，到達(dá)骨表面或者血管促進(jìn)破骨細(xì)胞的生成促進(jìn)修復(fù)過程。這似乎是因為注射白喉毒素后高表達(dá)RANKL。盡管骨細(xì)胞死亡誘導(dǎo)骨吸收，但是是否活的骨細(xì)胞抑制骨吸收一直不是很清楚。

然而骨組織中并不存在一個可以被骨細(xì)胞本質(zhì)性抑制的已經(jīng)分化好的破骨細(xì)胞池(a pool of differentiated osteoclasts)。相反破骨細(xì)胞是根據(jù)具體的需要、由循環(huán)系統(tǒng)中的單核細(xì)胞分化而來的[32, 33]，而這些分化信號的傳遞則是通過骨細(xì)胞的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)[5，34]。Gja1是重要的縫隙連接蛋白，在成骨細(xì)胞功能和成骨細(xì)胞生成方面起到重要作用。敲除骨細(xì)胞的Gja1導(dǎo)致骨細(xì)胞之間的縫隙連接受損，然而仍然通過骨小管網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系[12]。在Gja1的轉(zhuǎn)基因鼠的模型中，可以觀察到由于皮質(zhì)骨內(nèi)表面的破骨細(xì)胞增加而導(dǎo)致的骨髓腔增寬。這可能暗示在條件性的基因敲除鼠中，骨細(xì)胞的凋亡可能誘導(dǎo)骨吸收。而這可能是因為死亡的骨細(xì)胞釋放細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)通過未受損的骨小管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)觸發(fā)破骨細(xì)胞的形成和骨質(zhì)吸收。皮質(zhì)骨髓腔內(nèi)的破骨前體細(xì)胞和免疫細(xì)胞可能促進(jìn)骨細(xì)胞死亡后皮質(zhì)骨內(nèi)表面破骨細(xì)胞的生成。另外一種骨細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)障礙的動物模型是成骨細(xì)胞敲除BCL2的轉(zhuǎn)基因小鼠。BCL2轉(zhuǎn)基因小鼠可能是由于BCL2具有改變細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)的功能從而導(dǎo)致了骨細(xì)胞突起的數(shù)目的減少[12]。細(xì)胞逐漸由凋亡而死亡，在4月齡時Tunnel陽性細(xì)胞達(dá)到80%。然而在BCL2轉(zhuǎn)基因鼠并未因為骨細(xì)胞的凋亡而引起骨吸收的增加，與此同時由于小管數(shù)量的減少和骨細(xì)胞的凋亡增加而引起細(xì)胞內(nèi)外的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變。在BCL2轉(zhuǎn)基因并沒有增強(qiáng)骨吸收可能是骨小管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的異常，死亡的骨細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)物質(zhì)不能釋放到骨組織表面和血管。

3 骨細(xì)胞的內(nèi)分泌功能

考慮到骨細(xì)胞深埋于礦化的骨基質(zhì)中，似乎遠(yuǎn)離其他細(xì)胞和器官，把骨細(xì)胞歸類于內(nèi)分泌細(xì)胞似乎是一件很反常的事情。 但是實際上在骨陷窩骨小管系統(tǒng)(lacunocanalicular system)里流動的骨小管細(xì)胞間質(zhì)液(canalicular fluid)可以反應(yīng)出骨組織循環(huán)的組成，骨細(xì)胞和激素、血液系統(tǒng)中各種循環(huán)因子的聯(lián)系。通過骨硬組織切片在激光共聚焦下的觀察也也證實了骨小管系統(tǒng)可以直接和血管相互連接[39]。通過小鼠的尾靜脈注射普施安紅(procion red)，經(jīng)過短暫的幾分鐘紅色就可以循環(huán)擴(kuò)散到骨細(xì)胞-骨陷窩骨小管系統(tǒng)，研究證實最大70KD 的物質(zhì)可以很容易的從血液系統(tǒng)到達(dá)骨陷窩骨小管中。這種骨小管細(xì)胞間質(zhì)液和血液系統(tǒng)的聯(lián)系使得骨細(xì)胞可以暴露于遠(yuǎn)離器官分泌的循環(huán)激素中，同時也為骨細(xì)胞分泌的激素和其他蛋白調(diào)節(jié)介質(zhì)進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)作用于遠(yuǎn)離靶器官(distant target organs)提供了通道。

最近一個非常令人振奮的是發(fā)現(xiàn)骨細(xì)胞可以產(chǎn)生內(nèi)分泌因子，所以與之相適應(yīng)的骨細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(osteocyte network)應(yīng)該被視為一種內(nèi)分泌組織，并且發(fā)現(xiàn)其在調(diào)節(jié)機(jī)體磷的代謝中起到至關(guān)重要的作用。在2000年被發(fā)現(xiàn)以來，F(xiàn)GF23一直被視為骨細(xì)胞最重要的內(nèi)分泌因素[40]。FGF23最初在丘腦的腹外側(cè)核被發(fā)現(xiàn)，但是骨組織的含量最高，主要是由骨細(xì)胞產(chǎn)生[41, 42]，尤其是在低磷血癥的時候含量增加。FGF23的一個重要靶器官是腎臟。骨組織和腎臟之間的信號主要取決于循環(huán)水平的FGF23的含量，在維持血清磷水平中起到至關(guān)重要的作用。FGF23主要降低腎臟中鈉磷協(xié)同轉(zhuǎn)運蛋白的NaPi-IIa和 NaPi-IIc的表達(dá)，從而抑制腎臟中磷的重吸收。此外過量的FGF23降低1α羥化酶的表達(dá)，抑制25羥化維生素D羥化， 使 25(OH)D不能轉(zhuǎn)化成1，25(OH)2D[41]。這種腸腔中1，25(OH,)2D的減少將影響NaPi-IIb表達(dá)，使得小腸中磷的吸收減少，導(dǎo)致低磷血癥[43]。這種骨細(xì)胞和腎臟之間的作用是雙向的，1,25(OH)2D 在小鼠模型和細(xì)胞培養(yǎng)模型中誘導(dǎo)骨細(xì)胞FGF23的表達(dá)[44]，這意味著在骨細(xì)胞和腎臟之間可能存在著負(fù)反饋效應(yīng)。

基因打靶技術(shù)，尤其是特異性的骨細(xì)胞條件性敲除小鼠，揭示了骨細(xì)胞對于骨形成和骨吸收的重要作用。盡管這些技術(shù)只是揭示了骨細(xì)胞的某一個基因在骨代謝中的作用，整體骨細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的功能遠(yuǎn)沒有闡述清楚，但是依據(jù)骨細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破壞的小鼠動物模型的組織學(xué)研究，骨細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在骨代謝方面的功能逐漸清晰。在生理條件下骨細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通過激活破骨細(xì)胞促進(jìn)骨吸收，通過抑制成骨細(xì)胞抑制骨形成。骨細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對骨量是一個負(fù)反饋的作用，而力學(xué)刺激可以抑制這種反饋信號，使得骨量增加。