机械应力对骨骼不同细胞的作用分析

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  机械应力刺激是维持骨骼系统稳定的必要条件之一,机械刺激的缺乏将引起骨代谢紊乱、骨微结构退化及骨量流失,导致骨质疏松。下面由学术堂为大家整理出一篇题目为“机械应力对骨骼不同细胞的作用分析”的人体生理学论文,供大家参考。

   原标题:机械应力对骨组织细胞影响的研究进展

  机械应力刺激是维持骨骼系统稳定的必要条件之一,机械刺激的缺乏将引起骨代谢紊乱、骨微结构退化及骨量流失,导致骨质疏松。长期卧床、石膏固定、微重力或失重等缺乏机械刺激的状态都将导致骨量显着流失〔1,2〕。中老年人由于身体机能衰退、体力活动减少等因素也导致机体的机械负荷加载降低,加快骨量流失,目前,人口老龄化所导致的骨质疏松高发病率已成为一个全球性的公共卫生问题〔3〕。由于运动的无毒副作用及促成骨效应,运动干预已成为防治骨质疏松的有效方法之一。当前认为运动防治骨质疏松的可能机制主要为运动的机械刺激效应、运动诱导激素及细胞因子水平的变化、运动对骨代谢信号转导通路的调控以及运动对青少年时期骨峰值量的促进作用等,但运动防治骨质疏松的确切机制仍未阐明。为了更深入地研究运动改善骨代谢的机制,许多离体研究利用机械应力对骨髓间充质干细胞(BMSC)、成骨细胞、骨细胞以及破骨细胞进行干预,模拟运动对机体骨骼的机械刺激,结果发现适宜的机械应力能够促进间充质干细胞向成骨细胞分化,抑制间充质干细胞向脂肪细胞分化,同时促进成骨细胞的增殖及分化,降低破骨细胞的活性及数量,促进骨形成,抑制骨吸收〔4〕。本文主要就机械应力对骨组织细胞影响的研究作一综述,为进一步研究运动防治骨质疏松的机制提供理论依据。

   1机械应力对BMSC影响

  BMSC是一种具有多分化潜能的原始细胞,在一定的诱导条件下,能够向成骨细胞、脂肪细胞以及软骨细胞等细胞分化。BMSC在骨生长代谢以及老年性骨质疏松中发挥着重要作用,其增殖及其向成骨细胞转化的能力会随着机体的衰老而减退,这可能是老年性骨质疏松的病因之一。人体研究或动物实验均证实,骨质疏松的病人或动物在骨量减少的同时也伴随着骨髓脂肪的增多〔5〕。而适宜的机械应力刺激能够促进BMSC向成骨细胞分化,抑制BMSC向脂肪细胞的分化,提高BMSC的增殖并减少其凋亡。Case等〔6〕对C57BL/6小鼠的BMSC进行强度为2%的牵张力干预,发现 机 械 牵 张 力 能 够 通 过 下 调PPARγ2的表达来限制脂肪细胞的分化,同时抑制脂肪细胞脂肪酸结合蛋白2及脂联素的蛋白表达。此外,牵张力刺激也能够上调BMSC中Ⅰ型胶原及骨粘连蛋白的表达,促进细胞外矿化形成,促使BMSC向成骨细胞分化〔7〕。Sumanasinghe等〔8〕通过构建人间充质干细胞的3D胶原基质模型,发现周期性的机械牵张可以上调间充质干细胞中BMP-2的表达,同时诱导成骨分化。Simmons等〔9〕采用牵张强度为3%,频率为0. 25 Hz的周期性机械牵张力刺激BMSC,发现实验组细胞外基质矿化是对照组的2. 3倍。而缺乏机械应力刺激时,BMSC向成骨细胞转化的能力则被抑制,向脂肪细胞转化的能力被增强。Meyers等〔10〕报道,微重力环境能够抑制人间充质干细胞向成骨细胞分化,增强其向脂肪分化,7天的微重力环境能够显着降低人间充质干细胞中Rho A的活性及cofilin丝切蛋白的磷酸化,增加310%的脂质堆积。而使用腺病毒构建表达组成性活化 型Rho A能够显着增加I型胶原、ALP等成骨基因的表达,抑制瘦素、葡萄糖转运蛋白4等成脂基因的表达。此外,一些动物实验也表明,运动训练能够提高小鼠BMSC的数量,促进BMSC向成骨分化,抑制BMSC向脂肪细胞分化〔11〕,同时显着上调PTHR1及BMP-2的mRNA表达〔12〕,PTHR1与BMP-2均能促进成骨细胞的增殖与分化,进一步促进BMSC向成骨分化。

   2机械应力对成骨细胞的影响

  成骨细胞来源于间充质干细胞,具有分泌、矿化骨基质以及调节破骨细胞等多种功能,是维持骨骼生长发育并能应答机械应力刺激从而产生多种生物学效应的骨组织细胞之一〔13〕。骨形成过程中,机械应力通过影响胶原蛋白的排列增强骨强度〔14〕,同时上调成骨细胞中骨钙素、Runx2、Osterix、ALP、BMP2及I型胶原等成骨因子的基因表达及蛋白表达,提高成骨细胞活性,进而促进成骨细胞的增殖及分化〔15〕。有研究报道,机械牵张力能够促进细胞外基质的生成,提高细胞外基质BMP-2、BMP-4、ALP、胶原以及钙离子的水平,增强ALP活性,上调Runx2及骨钙素的基因表达,增强成骨细胞外基质的生物活性〔16〕。Zhong等〔17〕对比了静置培养、机械牵张与机械加压对MC3T3-E1成骨细胞的干预效果,发现与对照组相比较,牵张力能够显着上调Wnt10b及Lrp5的基因表达,而机械加压的效果则更为明显。

  流体剪切力也能提高成骨细胞ALP活性及ERKs的磷酸化水平,上调整合素β1、I型胶原以及基质金属蛋白酶1 /3的表达,促进成骨细胞的增殖与分化〔18〕。Du等〔19〕将MC3T3-E1成骨细胞灌注到3D培养模型中,对比静置培养、单向流体剪切力以及振荡性流体剪切力对成骨细胞的干预效果,发现静置培养组细胞增殖区域只局限于支架表面,单向流组细胞增殖率显着高于静置培养的细胞,但分布不均匀,而振荡流组不仅细胞增殖率高,而且分布均匀,同时ALP活性显着升高。

  人体研究也表明,运动或体力活动时肌肉对骨骼的牵拉应力及地面反作用力所形成的冲击性压力也能提高机体ALP、骨钙素等成骨因子的水平,促进成骨细胞的增殖及分化。Lester等〔20〕报道,8 w的抗阻训练或抗阻训练联合有氧训练可以提高年轻女性血清骨特异性ALP、骨钙素等骨形成标记物的水平,降低骨吸收标记物TRAP的水平。Kish等〔21〕让12名男孩及14名年轻男性进行急性的增强式跳跃运动,运动后24小时两组受试者血清骨特异性ALP有所升高,OPG显着增高。综上所述,机械牵张、加压以及流体剪切力等机械刺激均能上调成骨细胞中Runx2、ALP、BMP2以及Ⅰ型胶原等成骨因子的表达,促进成骨细胞的增殖及分化。

 
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