邢正 郭蘭蘭, 2 張靚*

1. 北京師范大學(xué)體育與運(yùn)動學(xué)院，北京 100089

2. 對外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)體育部，北京 100029

骨科研究奠基人之一Laroche[1]曾說“骨內(nèi)血流賦予骨骼生命，就像腦內(nèi)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(fā)育(軟骨內(nèi)骨化和膜內(nèi)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(tǒng)提供氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)、清除代謝物，還為骨骼運(yùn)送特定的激素(生長激素、甲狀旁腺素等)、細(xì)胞因子(轉(zhuǎn)化生長因子-β)和其他組織分泌的神經(jīng)遞質(zhì)(腦源性血清素[2]等)，以維持骨代謝的平衡。此外，血管內(nèi)皮細(xì)胞分泌的某些因子還具有促進(jìn)成骨(如血管內(nèi)皮生長因子)、抑制破骨(如神經(jīng)突起導(dǎo)向因子4)的作用。

在多種骨病的發(fā)生、發(fā)展及康復(fù)中，骨血管都發(fā)揮著重要作用。股骨頭壞死時，骨內(nèi)的血流或血管發(fā)生異常，恢復(fù)缺血區(qū)的血管生成及血供對治療起著關(guān)鍵作用。在骨折發(fā)生時，骨內(nèi)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(jìn)成骨的細(xì)胞，參與骨折的修復(fù)[3-4]。此外，骨血管與骨質(zhì)疏松的關(guān)系也備受關(guān)注。許多研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)骨內(nèi)的血管出現(xiàn)血流受阻、數(shù)量減少、結(jié)構(gòu)紊亂等異常時，會引起骨質(zhì)疏松的發(fā)生[5]；而當(dāng)骨血管結(jié)構(gòu)與功能改善后，骨質(zhì)疏松也得到緩解[6-7]。因此，骨血管已經(jīng)成為防治骨質(zhì)疏松癥的重要靶點(diǎn)之一。

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

1 骨內(nèi)的血管系統(tǒng)

與其他器官相似，骨內(nèi)也存在由動脈、靜脈和毛細(xì)血管構(gòu)成的血管網(wǎng)。但骨內(nèi)的毛細(xì)血管較為特殊，根據(jù)標(biāo)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(xì)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(dá)血小板-內(nèi)皮細(xì)胞粘附分子(platelet endothelial cell adhesion molecule-1, CD31)和內(nèi)皮粘蛋白(endomucin, EMCN)[10]。L型毛細(xì)血管在骨干的骨髓腔中形成密集且高度分支的毛細(xì)血管網(wǎng)，連接中央靜脈，并被密集的造血細(xì)胞包圍，表達(dá)較低水平的CD31和EMCN。血液通過動脈進(jìn)入骨后，大部分先流入H型毛細(xì)血管，而后在干骺端和骨干交匯處進(jìn)入L型毛細(xì)血管網(wǎng)，最終匯入中央靜脈[11](圖1)?，F(xiàn)有研究表明H型血管與骨形成有更加密切的關(guān)系。

近期，Gunzer等[12]在小鼠脛骨內(nèi)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百條橫跨脛骨皮質(zhì)的微小血管，表現(xiàn)出動脈或靜脈特征，其能夠使血液和免疫細(xì)胞有效、快速的穿梭于骨內(nèi)外，被稱為“跨皮質(zhì)血管(trans-cortical vessels)”。小鼠脛骨中大部分血流是通過跨皮質(zhì)血管運(yùn)輸?shù)?。目前其結(jié)構(gòu)和功能尚待進(jìn)一步研究。

2 骨血管與骨質(zhì)疏松癥

2.1 骨血管重建

骨內(nèi)的血管系統(tǒng)主要是從已有的血管產(chǎn)生，即以血管新生(angiogenesis)的方式形成，并伴隨著軟骨內(nèi)成骨以及膜內(nèi)成骨的全過程[13]。骨形成后，骨血管會根據(jù)骨的生理及病理變化進(jìn)行動態(tài)的重建(remodeling)。目前研究多關(guān)注于骨髓微環(huán)境對血管重建的作用。骨髓中的成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞及內(nèi)皮細(xì)胞系通過合成和分泌多種活性物質(zhì)，如血小板源生長因子BB(platelet derived growth factor BB, PDGF-BB)、軸突導(dǎo)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(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞的募集、遷移、成管等過程，進(jìn)而影響骨血管重建[11,14-15]。

2.2 骨質(zhì)疏松時骨血管的改變

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

衰老時骨內(nèi)出現(xiàn)缺氧且活性氧水平增加，內(nèi)皮細(xì)胞的遷移能力降低[21]。有研究[22]發(fā)現(xiàn)去卵巢誘導(dǎo)的骨質(zhì)疏松大鼠，骨內(nèi)缺氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia inducible factor-1, HIF-1α)和VEGF表達(dá)顯著減少，絕經(jīng)后婦女血管內(nèi)皮功能障礙抑制骨血管的生成[21]。糖皮質(zhì)激素通過抑制前破骨細(xì)胞PDGF-BB的分泌，抑制H型血管的生成[23]。最新研究[23]發(fā)現(xiàn)組蛋白乙?；揎梾⑴c了骨質(zhì)疏松時骨內(nèi)VEGF 、Notch-Dll4信號的表達(dá)調(diào)控，表觀遺傳調(diào)節(jié)可能是骨血管生成調(diào)節(jié)的新靶點(diǎn)。

2.3 骨血管調(diào)節(jié)骨質(zhì)疏松的發(fā)生和發(fā)展

骨血管生成與骨形成之間存在密切的時間和空間關(guān)系，這種關(guān)系被稱為“血管生成-骨形成耦聯(lián)”(angiogenesis-osteogenesis coupling)[24]，骨血管，尤其是H型血管，已成為骨質(zhì)疏松癥防治的重要靶點(diǎn)。H型內(nèi)皮細(xì)胞會產(chǎn)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(huán)境，調(diào)節(jié)骨的生長和穩(wěn)態(tài)[25](圖2)。H型內(nèi)皮細(xì)胞來源的成纖維細(xì)胞生長因子1(fibroblast growth factor 1, FGF1)、TGF-β和PDGF等可作用于骨祖細(xì)胞，促進(jìn)其存活及增殖[43]。Noggin介導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞中Notch信號通路的傳導(dǎo)，可作用于骨祖細(xì)胞、成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞，促進(jìn)骨形成[11]。缺氧會誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞分泌骨形態(tài)發(fā)生蛋白2 (bone morphogenetic protein 2, BMP2)，促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化[26]。內(nèi)皮細(xì)胞合成和分泌的骨保護(hù)素(osteoprotegerin, OPG)和Sema-III則會抑制破骨細(xì)胞的形成[27]。H型內(nèi)皮細(xì)胞還能夠合成基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMPs)和MMPs組織抑制物(Timps)共同作用于軟骨細(xì)胞，調(diào)節(jié)軟骨的吸收、骨的延長和重塑[28]。此外，內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)的microRNA也參與了骨形成的調(diào)節(jié)，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(nèi)皮細(xì)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(xì)胞、成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞及軟骨細(xì)胞，促進(jìn)骨形成、抑制骨吸收，在骨質(zhì)疏松癥防治中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

3 運(yùn)動促進(jìn)骨血管生成及作用機(jī)制

3.1 運(yùn)動促進(jìn)骨血管生成

科學(xué)的運(yùn)動對骨質(zhì)疏松癥的防治作用不可替代，長期運(yùn)動能促進(jìn)骨形成與骨吸收的平衡，調(diào)節(jié)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(yùn)動還可促進(jìn)多種組織器官如大腦[34]、心臟、肌肉[35]等重要臟器內(nèi)的血管生成，對骨也不例外。

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

3.2 運(yùn)動促進(jìn)骨血管生成的機(jī)制

3.2.1運(yùn)動對骨血管生成微環(huán)境的影響：骨微環(huán)境(bone microenvironment)是骨血管生存的場所，其細(xì)胞構(gòu)成多樣，受機(jī)械應(yīng)力、神經(jīng)、激素、信號分子等多條途徑的精密調(diào)節(jié)[40]，骨微環(huán)境的理化性質(zhì)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(nèi)皮細(xì)胞的剪切應(yīng)力作用，影響血管生成。血流是H型血管的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因素，它能夠激活Notch信號通路，作用于Dll4調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞活性，而H型內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)高水平的Dll4[42]。Stabley等[35]發(fā)現(xiàn)運(yùn)動能夠使部分骨內(nèi)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(yīng)力增大，最終導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞活性升高，骨血管生成增加。還有研究[43]報道當(dāng)骨血流量減少時生長板附近柱狀血管和內(nèi)皮芽結(jié)構(gòu)顯著減少，內(nèi)皮Notch信號受到抑制，且表達(dá)Osterix的骨祖細(xì)胞顯著減少，骨礦化率降低，而恢復(fù)骨血流之后血管生成和成骨都有改善，證明了運(yùn)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(yùn)動可通過調(diào)節(jié)成骨、破骨細(xì)胞分泌的信號分子，間接影響骨血管生成。成骨細(xì)胞來源的VEGF、SLIT3是調(diào)節(jié)H型血管生成的重要因子。有研究[44]發(fā)現(xiàn)在成骨細(xì)胞分化過程中施加機(jī)械牽張力可加速成骨細(xì)胞分化，同時促進(jìn)VEGF的表達(dá)。前破骨細(xì)胞分泌的PDGF-BB與其β受體(PDGFRβ)結(jié)合能夠促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞和內(nèi)皮祖細(xì)胞的遷移和分化，促進(jìn)H型血管生成以及成骨[11]。運(yùn)動不僅可以上調(diào)PDGF-BB的表達(dá)[45]，還能夠激活PDGF-BB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[46]。破骨細(xì)胞產(chǎn)生的基質(zhì)金屬蛋白酶對骨血管生成具有重要的調(diào)節(jié)作用。Stickens等[47]發(fā)現(xiàn)，MMP13和MMP9同時缺失的小鼠軟骨內(nèi)血管生成減少。MMP9可通過影響破骨細(xì)胞的遷移來調(diào)節(jié)血管生成。機(jī)械負(fù)荷能夠上調(diào)MMPs的表達(dá)[48-49]，男性在耐力和抗阻運(yùn)動后循環(huán)中MMPs含量升高。但運(yùn)動對骨內(nèi)上述信號分子表達(dá)的直接調(diào)節(jié)作用及其效應(yīng)尚未見報道，還需要更多的研究證實(shí)。此外，運(yùn)動調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)的HIF和Notch信號通路，促進(jìn)骨血管生成。骨H型血管內(nèi)皮細(xì)胞大量表達(dá)HIF-1α，在缺氧條件下HIF-1α轉(zhuǎn)位入核[14]，上調(diào)其靶基因vegf的表達(dá)，從而促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和遷移[50]。先前的研究表明，運(yùn)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(yùn)動可使內(nèi)皮祖細(xì)胞增多，上調(diào)HIF-1α和VEGF的表達(dá)。機(jī)械負(fù)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(jī)械負(fù)荷導(dǎo)致的血管生成是通過HIF-1α介導(dǎo)的[52]。運(yùn)動或機(jī)械負(fù)荷對Notch信號通路有強(qiáng)大的激活效應(yīng)[53]，Notch與配體Dll4結(jié)合后，可協(xié)同HIF1—VEGF等信號通路調(diào)控骨血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖及分化[54]。然而，運(yùn)動對骨H型內(nèi)皮細(xì)胞中Notch的調(diào)控作用未見有文獻(xiàn)報道，有待于進(jìn)一步研究。

3.2.2運(yùn)動促進(jìn)肌骨系統(tǒng)的作用：骨骼肌和骨骼作為運(yùn)動系統(tǒng)的重要組成部分，均發(fā)源于中胚層且由間充質(zhì)干細(xì)胞分化而來，存在著密不可分的關(guān)系。近來研究表明肌骨之間不僅存在機(jī)械力學(xué)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(yùn)動時肌肉的收縮可對骨表面形成強(qiáng)烈的牽拉刺激，導(dǎo)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(xì)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(xiàng)兔下頜骨牽拉實(shí)驗(yàn)中[57]，牽拉區(qū)血管生成增加、新骨生成較早且骨量明顯多于對照組，證實(shí)了血管在牽拉成骨中的重要作用。另外，肌肉牽拉還可促進(jìn)骨間質(zhì)液的流動，形成了作用于骨毛細(xì)血管外壁的剪切力，從而間接導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞的激活[58]。

3.2.2.2肌骨間信號分子的對話：作為一種內(nèi)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?，F(xiàn)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(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要作用。除此之外，已經(jīng)證實(shí)還有許多肌肉因子對血管生成也有重要作用。本實(shí)驗(yàn)室前期工作[60]提出運(yùn)動時骨骼肌apelin表達(dá)顯著增加，促進(jìn)心肌、骨骼肌內(nèi)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(qiáng)大的促血管生成作用，運(yùn)動是否可以通過對它們的調(diào)節(jié)來促進(jìn)骨血管的生成還需要更多研究證實(shí)。

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(dá)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(fā)現(xiàn)miR-133能夠作用于FGF和VEGF的受體，抑制內(nèi)皮細(xì)胞的增殖、存活及遷移，抑制血管的生成。Lin等[64]的一項(xiàng)研究表明，miR-1可靶向SARS(seryl-tRNA合成酶)促進(jìn)血管生成，而miR-206抑制VEGFA的表達(dá)，導(dǎo)致血管生成減少。運(yùn)動對多種肌源性miRNA的表達(dá)具有調(diào)節(jié)作用，已成為運(yùn)動改善健康的重要機(jī)制之一[65]。運(yùn)動是否通過肌源性miRNA來發(fā)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(diào)節(jié)：骨骼肌是糖、脂肪和蛋白質(zhì)代謝的主要場所，代謝過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物作為代謝小分子，不僅參與機(jī)體的物質(zhì)和能量代謝，還作為信號分子調(diào)節(jié)機(jī)體自穩(wěn)態(tài)，目前研究表明代謝小分子還可作為底物，參與蛋白質(zhì)翻譯后修飾調(diào)節(jié)，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(chǎn)物，是蛋白質(zhì)乙?；揎椀闹匾孜铮趋兰∈且阴］o酶A的主要來源。目前研究發(fā)現(xiàn)組蛋白乙?；揎椄淖兞巳旧|(zhì)結(jié)構(gòu)及功能，在成骨和破骨生成過程中均發(fā)揮重要作用[67]。Fu等[23]發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)疏松小鼠和人類骨骼內(nèi)皮細(xì)胞中鋅指轉(zhuǎn)錄因子(ZEB1)表達(dá)下降，減少Dll4和Notch1啟動子上的組蛋白乙?；?，從而抑制Notch信號傳導(dǎo)，導(dǎo)致骨中H型血管生成減少。乳酸是糖酵解的產(chǎn)物，在運(yùn)動時主要由骨骼肌產(chǎn)生，也具有促血管生成的功能。Song等[68]發(fā)現(xiàn)乳酸通過上調(diào)THP-1巨噬細(xì)胞中VEGF的表達(dá)，介導(dǎo)了炎癥時新血管生成的增多。另外，乳酸與內(nèi)皮細(xì)胞上G蛋白偶聯(lián)受體GPR81結(jié)合，激活下游的信號通路，促進(jìn)血管生成。骨骼肌產(chǎn)生的代謝小分子對骨骼的調(diào)節(jié)及機(jī)制探討是一個嶄新的方向，隨著代謝組學(xué)的發(fā)展，勢必會成為今后研究的熱點(diǎn)。

4 總結(jié)與展望

自2014年Nature雜志報道骨內(nèi)毛細(xì)血管可根據(jù)不同的內(nèi)皮細(xì)胞表型分為H型和L型之后，H型血管在骨的發(fā)育、重構(gòu)及修復(fù)中的作用被大量關(guān)注。隨后Nature雜志連續(xù)推出重磅研究，揭示了H型血管內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生的血管分泌因子對骨形成的作用，并發(fā)現(xiàn)成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞合成和分泌的信號分子也調(diào)節(jié)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(diǎn)。多種骨質(zhì)疏松的防治藥物在改善骨質(zhì)疏松的同時促進(jìn)、恢復(fù)了骨血管的生成，骨血管與骨質(zhì)疏松此消彼長。但骨血管生成改善骨質(zhì)疏松的具體機(jī)制和作用靶點(diǎn)還需要更多的研究證實(shí)。

科學(xué)的運(yùn)動對骨質(zhì)疏松癥的防治效果已被廣泛認(rèn)可，不過運(yùn)動是否通過刺激骨血管的生成改善骨質(zhì)疏松、運(yùn)動對骨血管生成的作用機(jī)制如何、不同的運(yùn)動方式是否會有不同的作用靶點(diǎn)等尚未見報道。但運(yùn)動對骨血管生成微環(huán)境的直接作用及運(yùn)動增強(qiáng)肌骨對話的間接作用，為運(yùn)動促進(jìn)血管生成、改善骨質(zhì)疏松的研究提供了新的視角，為科學(xué)運(yùn)動提供了理論依據(jù)。