朱鴻飛，褚立希，譚朝丹

骨關(guān)節(jié)炎(Osteoarthritis，OA)是生物學(xué)和力學(xué)因素共同作用下細胞外基質(zhì)、軟骨細胞、軟骨下骨三者合成與分解失衡的結(jié)果，是一種以關(guān)節(jié)邊緣和軟骨下骨質(zhì)再生以及關(guān)節(jié)軟骨變性和丟失為特征的慢性骨性關(guān)節(jié)疾病。近年來，機械力學(xué)刺激在軟骨下骨損傷修復(fù)以及重塑過程中的作用正日益受到關(guān)注。成骨細胞與破骨細胞的動態(tài)平衡是軟骨下骨重塑與修復(fù)的關(guān)鍵，力學(xué)刺激對于成骨細胞的影響已有許多相關(guān)研究，而破骨細胞在骨修復(fù)過程中活性明顯強于成骨細胞，近年來越來越多的學(xué)者對此已有關(guān)注，本文就力學(xué)刺激對軟骨下骨修復(fù)過程中破骨細胞相關(guān)分子方面的作用機制予以綜述。

1 破骨細胞與軟骨下骨

軟骨下骨承接著關(guān)節(jié)軟骨向下傳導(dǎo)的應(yīng)力負荷，主要起到吸收應(yīng)力、將應(yīng)力負荷向關(guān)節(jié)的周圍和下方傳遞，可以保護關(guān)節(jié)軟骨以緩沖震蕩，維持關(guān)節(jié)形狀。目前，軟骨下骨在未來的骨關(guān)節(jié)炎治療中將發(fā)揮重要作用已得到眾多學(xué)者的公認(rèn)[1]。骨關(guān)節(jié)炎時，正常的力學(xué)傳導(dǎo)平衡被打破，軟骨下骨骨組織所承受的應(yīng)力負荷明顯增加，當(dāng)超過骨小梁對于應(yīng)力的緩沖能力的限度時，骨小梁會發(fā)生微骨折，持續(xù)的微骨折的積累導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨下骨及骨組織的損傷。為了修復(fù)損傷的骨組織，在異常應(yīng)力和生物學(xué)作用下，骨皮質(zhì)的纖維血管組織浸潤鈣化軟骨，得以侵炎性組織入，繼而活化破骨細胞，導(dǎo)致軟骨內(nèi)的骨化中心激活以及潮線擴張，加速軟骨的退變。研究發(fā)現(xiàn)，OA軟骨下骨中組織蛋白酶K、基質(zhì)金屬蛋白酶-9 (Matrix Metalloproteinase-9，MMP-9)、細胞核因子kB受體活化因子配體(Receptor Activator of Nuclear Factor-κB Ligand, RANKL)和抗酒石酸酸性磷酸酶(Tartrate-Resistant Acid Phosphatase，TRAP)等骨吸收標(biāo)記的基因表達水平增高，促進破骨細胞的增殖與活化，而破骨細胞凋亡及白細胞介素受體I型(Interleukin-1 Receptor I Type，IL-1RI)表達卻下降，表現(xiàn)為骨重塑提高，骨吸收增加[2]。骨關(guān)節(jié)炎中，異常激活的成骨細胞和破骨細胞可引起軟骨下骨的骨重塑，同時逆向影響上層軟骨生物力學(xué)環(huán)境，進而導(dǎo)致上層軟骨的退變。軟骨下骨的修復(fù)與重塑取決于骨吸收與骨形成的平衡，在破骨細胞形成的同時成骨細胞也在增殖及分化。Sanchez等[3]對OA患者軟骨下骨硬化區(qū)和非硬化區(qū)的成骨細胞施加大小為1MPa、頻率為1Hz的周期性壓應(yīng)力，持續(xù)4h，結(jié)果RANKL和MMPs的表達均增加。但是，由于破骨細胞研究條件的局限性，骨關(guān)節(jié)炎中的破骨細胞影響軟骨下骨重塑的作用機制，仍有待進一步研究。

2 破骨細胞與力學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

2.1 破骨細胞的起源及信號調(diào)節(jié)通道 破骨細胞來源于造血干細胞的單核巨噬細胞譜系[4]，在骨吸收過程中起著非常重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)，骨保護素(Osteoprotegerin,OPG) 是調(diào)控成骨細胞功能活動的重要分子，破骨細胞分化因子(Osteoclast Ddifferentiation Factor,ODF)是調(diào)控破骨細胞功能活動的重要分子。ODF又稱為細胞核因子kB受體活化因子配體(Receptor Activator for Nuclear Factor-κ B Ligand RANKL),主要由成骨細胞合成,RANKL與破骨細胞表面的受體--細胞核因子κB 受體活化因子(Receptor Activator of Nuclear Factor-κB，RANK)結(jié)合可增加破骨細胞的增殖，增加骨吸收。OPG/RANKL/RANK通路是成骨細胞與破骨細胞之間相互作用的信號通道，可調(diào)控骨吸收。OPG主要由間充質(zhì)干細胞和成骨細胞合成和分泌,具有增加骨密度、抑制破骨細胞活性和降低破骨細胞分化的功能[5]，含有5 個外顯子，其與腫瘤壞死因子受體(Tumor Necrosis Factor Receptor，TNF)的編碼蛋白類似，屬于TNF受體超家族。研究表明，OPG 基因被敲除的小鼠有骨小梁和骨皮質(zhì)減少、骨質(zhì)疏松嚴(yán)重等癥狀同時伴有OPG 轉(zhuǎn)基因過度表達的小鼠則會出現(xiàn)骨硬化癥[6]。RANKL是一種三聚體Ⅱ型跨膜蛋白，由317 個氨基酸構(gòu)成，廣泛表達于淋巴細胞、軟骨細胞和成骨細胞中[7]。人類RANKL基因主要表達于骨髓、骨及淋巴組織。RANKL可結(jié)合破骨細胞表面受體RANK，具有促進破骨細胞分化、生成、活化成熟的作用，進而破壞骨質(zhì)。 RANK屬于TNF超家族成員，是一種Ⅰ型跨膜糖蛋白，由616個氨基酸組成。RANK編碼基因由29個氨基酸信號肽、細胞外編碼區(qū)183 個氨基酸、跨膜區(qū)21個氨基酸和細胞質(zhì)區(qū)383個氨基酸組成[8]。OPG可以通過競爭性地結(jié)合RANKL，阻礙RANKL與RANK結(jié)合，抑制破骨細胞活性，阻礙骨吸收。因此OPG/RANK/RANKL調(diào)節(jié)軸對于破骨細胞分化及骨重建的耦聯(lián)作用非常關(guān)鍵。

2.2 力學(xué)刺激與OPG/RANKL/RANK信號通路 力學(xué)刺激作用于細胞后，細胞可通過細胞外基質(zhì)-整合素-細胞骨架系統(tǒng)、鈣離子通道、G 蛋白與酪氨酸激酶等多種途徑將細胞外物理性的應(yīng)力信號轉(zhuǎn)變?yōu)榧毎麅?nèi)的化學(xué)信號，傳導(dǎo)至細胞核內(nèi)，細胞核內(nèi)的相關(guān)基因被活化，調(diào)控合成一些細胞因子，起到調(diào)控細胞增殖、分化、凋亡的作用。大量研究表明，OPG/RANKL/RANK信號通路是力學(xué)敏感通路[9]。在OPG/RANKL/RANK系統(tǒng)中，骨髓基質(zhì)及成骨細胞在分泌RANKL使破骨細胞分化、促進骨吸收的同時也會分泌一定量的OPG 以防止骨過度吸收。OPG/RANKL比值下降時破骨細胞活性增強，骨吸收增加[10]。適宜的機械應(yīng)力刺激和運動能促進OPG的表達，提高OPG/RANKL比例，有利于促進骨骼生長[11]。Boreham等[12]發(fā)現(xiàn)，有規(guī)律的耐力運動能使骨量明顯增加1%～6%，提高成骨細胞活性，促進骨形成；而過度運動則抑制OPG 的表達，上調(diào)RANKL表達，OPG/RANKL比例下降，增強破骨細胞活性，導(dǎo)致骨微損傷[13]。這些實驗都說明中等強度的應(yīng)力刺激可引起OPG/RANKL比值升高，有利于促進骨形成；而大強度的應(yīng)力刺激則引起OPG/RANKL比值下降，不利于骨骼發(fā)展。

3 力學(xué)刺激對破骨細胞的作用

3.1 機械應(yīng)力抑制破骨細胞分化 骨骼處于動態(tài)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，骨重建與修復(fù)均與生理或外加力學(xué)刺激相關(guān)，其中由成骨細胞與破骨細胞主導(dǎo)的骨形成和骨吸收在整個過程中保持動態(tài)平衡[14-15]。成骨細胞與破骨細胞密切相關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)[16]，利用成骨細胞和破骨前體細胞共培養(yǎng)可誘導(dǎo)出更多的破骨細胞和高水平的Notch2表達，為進一步破骨細胞功能實驗奠定基礎(chǔ)。大量研究證實[17-19]，機械應(yīng)力可直接抑制破骨細胞分化，并通過下調(diào)ODF及RANKL、MMP-9、組織蛋白酶-K、降鈣素受體等骨吸收標(biāo)志物的mRNA表達，上調(diào)內(nèi)源性一氧化氮合酶(Endogenous Nitric Oxide Synthase，eNOS)mRNA表達，起到抑制骨吸收的作用。研究發(fā)現(xiàn)[20-21]，應(yīng)力刺激可抑制破骨細胞分化，進而防止軟骨及軟骨下骨的退化，起到治療關(guān)節(jié)炎的作用。力學(xué)刺激能通過骨細胞、成骨細胞間接調(diào)控破骨細胞的增殖及活性，且能直接作用于破骨細胞并產(chǎn)生生物效應(yīng)，1000μs大小的循環(huán)壓力可以增強成骨細胞的活性，同時促進BMSCs向成骨細胞分化，并抑制破骨前體細胞RAW264.7向破骨細胞分化。力學(xué)刺激會改變RANK與RANKL的結(jié)合度，從而抑制破骨細胞成熟、分化，減少骨吸收，其是調(diào)節(jié)破骨細胞增殖與分化的主要因子。巫松輝等[22]發(fā)現(xiàn)復(fù)合振動能通過抑制RANKL 誘導(dǎo)破骨細胞形成，下調(diào)破骨細胞特異基因組織蛋白酶K，MMP-9和TRAP的表達，達到抑制骨吸收的作用。應(yīng)力刺激還可通過下調(diào)IL-1、TNF-α等炎性因子及TRAP、ODF、巨噬細胞集落刺激因子(M-CSF)、RANKL等骨吸收因子的表達，降低破骨細胞的增殖及分化能力，進而抑制骨吸收。Nagatomi等[23]發(fā)現(xiàn)周期性機械壓力能下調(diào)IL-1及TNF-α等促進破骨細胞分化的細胞因子的基因表達，顯著抑制骨吸收。但是，在目前環(huán)境下研究成骨細胞的相關(guān)量化條件是否適用于破骨細胞，仍有待進一步觀察。

3.2 不同大小的力學(xué)刺激對破骨細胞的不同作用 骨的修復(fù)與重建需要力學(xué)刺激的參與，不同大小的力學(xué)刺激對于破骨細胞的作用不同。陳國仙等[24]觀察不同頻率振蕩應(yīng)力(3～10Hz、15～35Hz、35～45Hz、50～70Hz 和70～90Hz)分別作用于體外誘導(dǎo)分化的RAW264.7細胞，發(fā)現(xiàn)不同振動頻率組破骨細胞特異性基因(TRAP、MMP-9和CATK)表達水平逐漸減低，而B、C、D組中OPG基因表達逐漸上調(diào)，同時RANKL基因的表達逐漸下調(diào)，說明RAW264.7細胞不同程度地被抑制向成熟破骨細胞增殖分化。劉應(yīng)芬等[25]研究發(fā)現(xiàn)， 16.08dyne/cm2的剪切力作用30min可使TRAP活性最強，同時通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)吸收陷窩的面積和數(shù)量均有較為明顯的提升，促進了破骨細胞的吸收活性。力學(xué)環(huán)境是影響骨組織細胞增殖、分化和凋亡的重要因素，許多學(xué)者在骨的生物學(xué)和力學(xué)方面做了大量研究工作。2500 με被認(rèn)為是生理范圍內(nèi)的應(yīng)變，3000～5000με是生理性過載應(yīng)變，生理性過載應(yīng)變水平下長期循環(huán)加載或超過5000με為病理過載，會引起病理性骨重塑與重建。在一定的作用時間內(nèi)，較高強度的生理載荷促進破骨細胞分化和功能，低強度載荷抑制破骨細胞分化，病理性載荷抑制破骨細胞分化[26]。研究還發(fā)現(xiàn)，不同強度周期性應(yīng)變力對分化初期破骨前體細胞和已分化的破骨前體細胞的破骨分化和功能狀態(tài)的影響有明顯差異，2500με的周期性應(yīng)變力可顯著抑制成骨細胞+破骨細胞共培養(yǎng)體系中破骨細胞的分化功能，減少骨吸收[27]。

4 展望

力學(xué)刺激改善骨修復(fù)的可能途徑為一定大小及頻率的應(yīng)力上調(diào)OPG、IFN等成骨因子的表達以促進骨形成，同時下調(diào)RANKL等骨吸收因子的表達抑制骨吸收。有關(guān)應(yīng)力信號如何分別影響和交互影響骨形成和骨吸收過程從而影響軟骨下骨的作用機制還有待進一步的探索和研究。因此，研究通過適宜應(yīng)力刺激調(diào)節(jié)或直接靶向干預(yù)破骨細胞及OPG/RANKL/RANK系統(tǒng)來治療骨關(guān)節(jié)炎既是機遇又是挑戰(zhàn)。

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