宋敏 劉小鈺* 蔣林博 周靈通 董萬濤

1．甘肅中醫(yī)藥大學，甘肅 蘭州730000

2．甘肅中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院，甘肅蘭州730000

當前對于OP的認識已經從不可避免的老齡化后果轉變?yōu)榭梢栽缙陬A防和治療的慢性非傳染性疾病。目前對OP的研究更多地集中于骨代謝信號通路，而肌肉微環(huán)境與OP的相關性研究還未深入展開。中醫(yī)學認為脾腎虧虛是OP發(fā)生的根本，隨著人體衰老，臟腑器官機能衰退，氣血生化乏源，肌肉筋脈失養(yǎng)，導致肌肉骨骼協(xié)調失衡，骨枯髓空，骨肉不相親，更是強調了肌肉與骨骼的同等重要性。從現代醫(yī)學角度看，腎虛導致機體免疫功能下降，內分泌系統(tǒng)紊亂，激素調控失衡，從而打破了骨形成與骨吸收的穩(wěn)態(tài);脾虛則致肌肉微環(huán)境遭到破壞，肌肉功能下降，進一步加速了骨質疏松的發(fā)生。因此，重視肌肉與骨骼間的平衡制約關系，對于防治OP顯得尤為重要。

1 肌肉微環(huán)境

肌肉微環(huán)境主要包括肌源性干細胞、微循環(huán)、信號轉導通路以及肌肉收縮產生的機械負荷［1］。對OP的治療需要從肌肉、骨骼兩方面共同干預，一方面需要增加骨密度，提高骨強度;另一方面需要增加肌肉質量，提高肌肉力量。通過相關基礎研究，尋找并確定肌肉與骨骼共同的作用靶點，開展針對共同靶點的精準治療，是當前防治OP所追求的目標。

2 肌肉微環(huán)境與OP的相關性

2.1 肌源性干細胞與OP

肌源性干細胞(MDSCs)是經研究發(fā)現存在于肌肉中的一類多能干細胞群。長期以來，多項研究發(fā)現MDSCs具有體外增殖快、自我更新能力強、免疫特惠、骨骼再生以及多項分化潛能［2］的特點，在特定誘導條件下可以向特定形態(tài)特征和功能的不同胚層的細胞進行分化，如成骨細胞(OB)、造血細胞、神經細胞等［3］，能夠參與多種組織的損傷修復過程，在基因、組織工程領域具有廣泛應用前景。近年來，大量基礎研究證實，MDSCs在成骨方面發(fā)揮了一定的作用，可用于骨缺損、骨折不愈合、OP等疾病。骨成型蛋白(BMPs)是一種廣泛存在于骨基質中的酸性糖蛋白，屬于轉化生長因子(TGF-β)超家族成員，其中BMP-2是促進骨形成最強的生長因子，能夠誘導OB分化。已有研究［4］發(fā)現，人MDSCs經BMP-2誘導后，部分細胞胞體肥大并呈圓形改變，且胞體內高表達堿性磷酸酶(ALP)、骨鈣素(OCN)，說明MDSCs有向OB分化的可能，并且隨著BMP-2劑量的增加，ALP、OCN也相應增加。Claros等［5］在MDSCs向成骨及軟骨分化的實驗中發(fā)現，從鼠的骨骼肌獲取的MDSCs具有成纖維細胞樣形態(tài)，同時還可促進OCN、骨涎蛋白、骨橋蛋白等骨形成標志物的表達，且經成骨誘導培養(yǎng)基誘導后，ALP及鈣化結節(jié)活性增強，MDSCs與脫礦骨基質結合并移植到裸鼠皮下后能明顯促進骨形成。大量基礎研究表明，Ⅰ型膠原(ColⅠ)作為骨形成標志性生物大分子，MDSCs在向OB分化過程中會促進ColⅠ大量分泌，組織工程學相關研究也證實MDSCs除了在體外特定的條件下可誘導分化為OB，通過相應的載體在體內也可以分化為成骨樣細胞。Tamaki等［6］發(fā)現在肌肉組織缺損的小鼠體內移植體外擴增的MDSCs后，與對照組相比，肌容量及收縮功能明顯提高，而且將MDSCs移植到腎脂肪囊下層，移植部位發(fā)現新生的肌組織，證明MDSCs不但可以促進肌肉組織體積和功能的恢復，而且具有向肌組織分化的能力，相關研究［7，8］也進一步證實了這一觀點。另有研究［9］發(fā)現，MDSCs在促進小鼠骨骼肌肉再生的同時還可以促進周圍血管及神經的新生，而肌肉、神經的營養(yǎng)又主要來自于血供。因此，MDSCs在治療骨骼肌方面疾病的同時可以潛在地促進骨再生。但目前對MDSCs的起源、分離純化、特異性標志物及其鑒定、誘導分化成骨的具體調控機制等仍未完全闡明，需進一步對MDSCs進行更深入的研究。

2.2 微循環(huán)與OP

機體衰老的過程中，脂質過氧化損害加重，微循環(huán)發(fā)生障礙，血流變異常，細胞新陳代謝紊亂，功能減退，并呈進行性發(fā)展，最終導致相應的組織器官功能失常和疾病的發(fā)生。肌肉的正常收縮活動需要通過豐富的血供進行能量的充分補給和代謝產物的不斷清除。當肌肉局部的微循環(huán)與組織需要不相適應時，缺血缺氧、代謝障礙加重、肌肉失養(yǎng)，進而引起組織變性壞死，肌肉萎縮，肌力、肌量及收縮功能下降，骨應力刺激減少，加速骨質流失。對于骨組織而言，微循環(huán)障礙致營養(yǎng)物質不能正常通過哈弗氏系統(tǒng)進入骨骼，使得骨骼失養(yǎng)，直接導致骨質疏松。研究表明，老年性OP患者內分泌代謝紊亂的同時血流變也發(fā)生了改變，具體表現為紅細胞的聚集性和剛性增加，致血液黏度增加，最終導致局部微循環(huán)障。Roche等［10］通過動脈灌注硫酸鋇的方法發(fā)現小鼠雙側卵巢切除術后15 d，脛骨近端干骺端微血管數量明顯減少15%。另有實驗結果顯示，老年小鼠較青壯年小鼠脛骨干骺端H型血管內皮細胞減少，而H型血管內皮細胞又能夠介導骨內血管的新生［11，12］。因此，良好的血供不僅維持了肌肉的正常收縮活動，也為骨生長發(fā)育提供了必需的營養(yǎng)物質，治療OP應該重視血液流變性和微循環(huán)的改善。

2.3 骨骼肌信號轉導通路與OP

骨骼肌是一個動態(tài)組織，受外界刺激與自身疾病等多種因素的影響，且與OP的發(fā)生緊密相連。研究發(fā)現，存在調控骨骼肌與骨代謝的共同信號通路:PI3K-Akt、MAPK 及 NF-κB 信號通路。

2.3.1 PI3K-Akt信號通路:PI3K-Akt-mTORP70S6K是促進蛋白質合成的重要信號通路，由上游的IGF-Ⅰ與其受體結合后被激活，引起骨骼肌肥大，抑制蛋白質降解［13，14］。肌肉收縮產生的機械刺激促進IGF-Ⅰ分泌，與IGF-Ⅰ受體結合致酪氨酸激酶變構并磷酸化胰島素受體底物Ⅰ，激活磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)，PI3K磷酸化二磷脂酰肌醇為三磷脂酰肌醇，再激活下游蛋白，并建立起絲氨酸/蘇氨酸激酶(Akt)細胞膜脂質結合位點。Akt被轉位到細胞膜后被相應的蛋白激酶激活，進一步磷酸化一系列底物，包括調節(jié)蛋白合成和基因轉錄細胞增殖蛋白等。激活的雷帕霉素靶蛋白(mTOR)進而激活下游的靶基因40S核糖體S6蛋白激酶(P70S6K)，最終促進骨骼肌干細胞增殖、肌細胞分化并融合成肌管，促使肌肉生長。mTOR是調節(jié)肌肉大小及運動所致骨骼肌重塑的關鍵基因［15，16］，對于蛋白質翻譯起始復合物的形成、核糖體的生成以及多肽鏈的延伸等過程的正常進行起著重要的作用［17］。P70S6K是mTOR效應子中研究最廣泛的蛋白翻譯的正調節(jié)因子，P70S6K的Thr389磷酸化被認為是機械負荷誘導蛋白增加的標志［18］，并且P70S6K對于肌細胞通過蛋白質合成生長到最佳大小是必需的。用mTOR抑制劑處理C2C12細胞，能夠阻斷mTOR通路下游靶基因P70S6K的活化，致小鼠骨骼肌生長遲緩，肌核數減少。研究發(fā)現，過表達Akt基因，能夠增加蛋白合成，最終導致小鼠骨骼肌肥大。另外，Akt被激活后還能抑制糖原合酶激酶3β(GSK3β)活性，通過Akt-GSK3β信號通路增加蛋白質合成，調控肌肉的生長。相關研究也證實，加入GSK3β抑制劑，能夠顯著增加肌細胞的肥大，與Akt-mTOR-P70S6K信號通路具有協(xié)同作用。

PI3K-Akt信號通路在骨代謝中主要負責調控OB的增殖和分化，是正常骨代謝信號轉導通路的網絡中心，維持正常骨骼發(fā)育的動態(tài)平衡。當IGF-1激活 PI3K/Akt通路后，下游效應蛋白 mTORC1/S6K1能夠促進OB分化，正向調節(jié)BMP-2，誘導成人ALP，并抑制OB的凋亡［19］，減緩OP的發(fā)生。因此，PI3K-Akt信號通路在調控骨骼肌生長的同時還能促進OB的增殖、分化。Akt基因作為PI3K/Akt信號轉導的核心，治療骨骼與肌肉疾病的共同靶基因，將成為防治OP的新靶點，但具體作用機制需深入研究。

2.3.2Ras-Raf-MAPK/ERK信號通路:MAPK(細胞分裂素活化蛋白激酶)是存在于細胞內的一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。MAPK信號通路在骨骼肌內主要有3條:ERK1/2、JNK和P38通路。研究［20］表明，骨骼肌氧化應激反應激活此3條信號通路后，能夠導致肌肉蛋白分解，肌核凋亡，最終致骨骼肌萎縮。但是，抗氧化系統(tǒng)也會適應性地隨之上調。然而骨骼肌氧化應激通路較為復雜，各通路之間交叉作用，機制尚不明朗，還需進一步研究。另有研究［21］表明，ERK1/2、P38 和 JNK-1/2 信號通路之間的相互作用在調控骨骼肌分化、增殖方面也發(fā)揮重要作用，激活不同的MAPK通路能夠減緩肌肉的破壞，調控能量轉換及肌肉收縮蛋白的表達。

在成骨分化與增殖方面，MAPK信號通路占有重要地位，其中Ras-Raf-MAPK/ERK信號途徑最為經典。通過酪氨酸蛋白激酶受體和G蛋白偶聯受體，由小G蛋白和Ras亞型的結合體磷酸化Raf-1，活化的Raf-1進一步磷酸化下游的MEK1，隨后將信號傳遞給ERK酶促級聯反應。ERK1/2激活后轉位入細胞核，激活下游調控細胞生長、增殖和分化的相關轉錄因子(Elk-1、c-Myc、c-Fos、MPKAP-2、MSKs等)。丁道芳等［22］在研究MAPK信號通路與成骨相關的實驗中發(fā)現，提高MAPK-ERK1/2信號通路的激活程度，成骨相關基因蛋白(ColⅠ、Runx2、ALP)的表達水平也相應提高，抑制此通路后，相應蛋白的表達隨之下調，且反應細胞增殖的PCNA蛋白的表達與MAPK-ERK1/2信號通路的激活程度呈正相關。以MAPK信號通路為切入點，尋找共同靶基因，在促進骨生成的同時，又能減緩肌萎縮，是維持骨代謝與骨骼肌平衡的關鍵所在。

2.3.3 NF-κB信號通路:NF-κB與廢用性肌萎縮及慢性疾病導致的骨骼肌萎縮高度相關。通常所指的NF-κB是指具有分布廣生物活性高的異源二聚體p50/p65。IKB主要存在于細胞漿中，其成分IKBα是p50/p65主要抑制蛋白，IKB與p50/p65結合成三聚體后掩蓋NF-κB的核定位信號區(qū)域，抑制其表達。IKK是一種蛋白激酶復合體，當細胞受到外界刺激時，通過經典途徑激活IKK復合體，誘導IKB磷酸化，進而使p50/p65從復合物中解離，暴露核定位信號，并轉位核中與靶向基因的啟動子Foxo結合，進一步誘導MuRF的表達，從而啟動泛素蛋白酶體途徑加速肌蛋白的降解，導致骨骼肌萎縮。研究發(fā)現，MIKK小鼠的MuRF-1升高，而MISR轉基因鼠MuRF-1降低，說明NF-κB引起肌肉萎縮的作用機制可能是由MuRF-1上調引起的，抑制IKK/NF-κB/MuRF通路可以抑制小鼠的肌肉萎縮。另外，骨骼肌萎縮還與一些選擇性蛋白如肌球重鏈(MyHC)等的降解表達有關［23-25］，在肌萎縮組織中發(fā)現MuRF-1升高能夠引起MyHC和肌小節(jié)粗肌絲等組分的降解增加。目前，大多學者對NF-κB引起骨骼肌萎縮的可能機理認為是NF-κB可能通過增加泛素連接酶系統(tǒng)中某些蛋白的表達導致骨骼肌發(fā)生萎縮。還有部分學者認為可能是NF-κB通過引起某些與炎癥相關的小分子的表達從而直接或間接引起肌萎縮，或是NF-κB可能干擾肌生成，使骨骼肌無法再生和修復從而導致的肌萎縮。但是，隨著研究的深入，NF-κB信號通路引起骨骼肌萎縮已得到廣泛的認同，干預此通路可能成為減緩或治療肌肉萎縮的重要手段，但其具體機制還需進一步探討。

大量研究表明NF-κB信號通路在骨重塑中具有重要作用，且通過與其他信號通路間的交叉，影響骨質疏松的發(fā)生。核因子-κB受體活化因子配體(RANKL)是一種分泌型破骨細胞(OC)形成抑制因子，由OB、T細胞及基質細胞產生并表達于這些細胞，與 NF-κB受體活化因子(RANK)結合后激活TNF受體相關因子，最終激活NF-κB信號通路，致NF-κB與IKB分離轉移至細胞核內，使破骨基因轉錄增多，最終誘導OC生成、分化和成熟，并間接抑制成骨相關基因的表達。

臨床上不同類型的骨骼肌萎縮都將導致OP的發(fā)生，通過干預NF-κB信號通路，抑制肌肉萎縮，抑制OC的形成，不僅能夠為研發(fā)治療肌肉萎縮新藥物奠定一定的基礎，同時也可為防治OP提供多靶點治療。

2.4 肌肉收縮產生的機械負荷與OP

肌肉和骨骼作為運動系統(tǒng)的兩大重要組成部分，相互調節(jié)，共同維持骨穩(wěn)態(tài)。骨組織中存在著骨結構力圖適應力學環(huán)境的調控系統(tǒng)，隨著年齡的增長，OP的發(fā)生與力學-生物學調控系統(tǒng)機制失衡密切相關。骨結構與骨量主要由肌肉收縮所產生的機械負荷調節(jié)，而這種負荷則是作用于骨的最大生物應力，并受力學調控系統(tǒng)的控制。骨的結構發(fā)育與其所受外力相適應的過程遵循Wolff定律，附著于骨表面的肌肉收縮產生的機械負荷作用于骨組織內的力學敏感細胞，促進骨形成，抑制骨吸收。當這種機械負荷減弱時，則會引起骨代謝紊亂，骨微結構退化，骨量丟失進行性加重。

2.4.1 機械負荷對OB的影響:OB在維持骨骼生長發(fā)育的同時能夠應答機械應力刺激從而產生多種生物學效應。研究顯示，適當的機械負荷不僅可以刺激小鼠胚胎成骨細胞前體細胞(MC3T3-E1)的增殖、分化，促進成骨基質礦化，相比之下，與淫羊藿苷聯合作用成骨相關信號通路則更能顯著增加OPN、OCN、ColⅠ、BMP-2 等蛋白的表達，抑制 NF-κB 的活化［26，27］。Zhong 等［28］通過隨機對照試驗對 MC3T3-E1進行應力刺激干預，與靜置培養(yǎng)組相比，應力刺激能夠顯著增加Wnt10b及Lrp5的基因表達水平，并且機械加壓的效果更為顯著。運動醫(yī)學研究也發(fā)現，當人體處于活動狀態(tài)時，肌肉收縮對骨骼產生的應力能上調Runx2、ALP、及ColⅠ等成骨基因的表達，促進OB的增殖、分化。

2.4.2 機械負荷對OC的影響:OC與OB協(xié)同作用，在骨骼發(fā)育和形成過程中共同維持骨穩(wěn)態(tài)。骨吸收構成了骨重建的重要功能，體現了骨組織對力學環(huán)境的適應能力，隨著年齡的增長，肌肉收縮功能的減退，骨骼應力刺激減弱，骨吸收大于骨形成。OPG/RANK/RANKL信號通路主要負責誘導OC的成熟，調控骨吸收。研究表明，機械應力能夠通過OPG/RANKL/RANK信號通路直接或間接影響骨代謝，適宜的機械刺激可以上調OB分泌的OPG，通過高親和力與RANKL結合，防止RANK活化，抑制OC的分化、成熟，相反過度的應力刺激則使OPG/RANKL比例下調，促使OC活躍性增強，并誘導IL-6、IFN等炎性細胞因子傾向骨吸收，進一步加速骨質流失［29，30］?？咕剖崴嵝粤姿崦?TRACP)和組織蛋白酶-K為OC高分化的標志性酶。Suzuki等［31］對小鼠前破骨細胞進行機械應力干預，運用RT-PCR技術檢測到TRAP、組織蛋白酶-K、基質金屬蛋白酶9、降鈣素受體等mRNA表達下降，而抑制OC分化的誘導型一氧化氮合酶的mRNA表達被上調。上述研究結果進一步證明，機械應力能夠通過一定的途徑下調骨吸收蛋白基因的表達，進而削弱OC的增殖及分化，抑制骨吸收。

肌肉組織是引起最大動態(tài)性骨組織載荷與應變的因素。研究顯示，骨應力的大小直接決定骨代謝的方向，肌力對BMD的影響比肌肉含量對BMD的影響更為顯著。機械負荷作為提高BMD、維持骨礦物質含量最為有效的刺激，不僅能夠改善骨質疏松狀況，還可通過增加身體的平衡性和穩(wěn)定性，降低骨質疏松性骨折的發(fā)生率。因此，治療OP不再只是單純的通過藥物來增加BMD，能否通過特定、有效的運動方式對骨骼肌進行最大效應收縮功能鍛煉，從而達到預防OP的目的，也將是運動醫(yī)學研究領域的一大熱點。而且力學-生物學調控系統(tǒng)具體是通過何種途徑將力學信號轉化為生物學信號、對OB和OC進行調控的機制，還需后續(xù)工作者進一步證實。

3 結語

骨骼和肌肉共同組成人體的運動系統(tǒng)，生理上相互協(xié)助，病理上相互影響。已證實肌肉微環(huán)境在骨質疏松發(fā)病中扮演著重要角色。如何維持肌肉微環(huán)境的穩(wěn)態(tài)、促進骨形成是目前研究的重點，尤其從骨骼肌信號轉導通路以及將力學信號轉變?yōu)樯飳W信號的具體途徑進行深入研究，尋找兼顧肌肉和骨骼共同的作用靶點，可能成為今后研究OP的新途徑。