失重或模拟失重对骨形成影响的研究进展

徐 沁，张丽君，王永春，张 舒，闫 铭第四军医大学 学员一旅，陕西西安 700；第四军医大学 航空航天医学系，陕西西安 700；西京医院 骨科，陕西西安 700

失重或模拟失重对骨形成影响的研究进展

徐 沁1，张丽君1，王永春2，张 舒2，闫 铭3
1第四军医大学 学员一旅，陕西西安 710032；2第四军医大学 航空航天医学系，陕西西安 710032；3西京医院 骨科，陕西西安 710032

随着航天事业的飞速发展，航空旅游甚至太空移民将不再是幻想，太空失重环境对人体健康影响的研究也显得越发重要。中长期飞行的失重环境会对机体多个器官系统产生影响，其中以心血管系统和骨骼系统影响最明显。本文根据近年来国内外相关领域的研究，主要就微重力环境对间充质干细胞增殖分化及成骨细胞形成、周期及功能等方面的影响作一简要综述。

失重；骨髓间充质干细胞；成骨细胞

正常人体骨骼系统的维持依靠成骨细胞的骨形成和破骨细胞的骨吸收。成骨细胞由骨髓间充质干细胞分化而来，其被矿化骨基质包埋后成为骨细胞，骨细胞在骨小管内相互连接并与表面的成骨细胞相连，形成类似于神经细胞的连接网络[1]。破骨细胞来源于造血干细胞，主要负责溶解骨[2]。成骨细胞是骨形成的效应细胞，同时参与调控破骨细胞的分化成熟，故目前认为成骨细胞在骨重建机制中处于中心地位。本文将从微重力对间充质干细胞增殖、分化及成骨细胞的形态、信号通路、周期、分化的影响来陈述骨形成的机制。

1 微重力对骨髓间充质干细胞的影响

骨髓间充质干细胞是一种多能干细胞，能自我更新且具有多向分化潜能[3]。正常重力下，骨髓间充质干细胞可分化为包括成骨细胞在内的多种细胞，但在微重力的作用下，其增殖被抑制且表现出脂肪分化倾向，从而阻碍其向成骨细胞分化，使骨形成减少[4]。

1.1 微重力对骨髓间充质干细胞增殖活性的影响 一般认为，微重力可使骨髓间充质干细胞的增殖速度减慢，Huang等[5]的实验证实了这一观点。Shi等[6]的实验则表明，这是由于强磁重力场下人骨髓间充质干细胞(human bone mesenchymal stem cell，hMSC)骨架被破坏，最终死亡。但在王南丁等[3]的实验中，骨髓间充质干细胞增殖速度不降反升，干细胞标记物Oct4和SSEA4表达较高，细胞保持未分化状态。分析二者的实验，所用细胞来源不同，微重力处理时间也不相同，Huang等处理时间更长。由于失重对细胞而言是一种应激反应，可能在短期内hMSC的增殖活性代偿性增高，但其增殖速度无论是升高还是降低，hMSC向成骨细胞分化的数量均降低，抑制骨形成。

1.2 微重力对骨髓间充质干细胞分化的影响 微重力条件下骨髓间充质干细胞向脂肪细胞分化增加，向成骨细胞分化减少。正常重力下，机械负荷作用于与细胞表面整合素结合的细胞外基质，激活黏着斑激酶，之后激活MEK/ ERK通路，增强Runt相关转录因子2(Runx2)活性，该因子的活性与成骨细胞的形成、分化相关。相对的，p38MAPK的磷酸化可以活化过氧化物酶体增殖激活受体(peroxisome proliferator-activated receptorγ2，PPARγ2)。PPARγ2和其他一些与脂肪细胞形成相关的蛋白质的高表达则会抑制Runx2的表达[4]。微重力首先作用于细胞骨架和(或)细胞形态，进而改变细胞内部信号传导通路并最终影响细胞的基因表达[4]。研究发现，微重力条件下，hMSC的细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases，ERK)和碱性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)活性下降，Runx2和胶原Ⅰ等成骨标志基因水平降低，p38MAPK活性和PPARγ2 mRNA水平升高，促进脂肪酶、油脂形成[4-5,7-8]。此外，黄国平等[4]提出，除p38MAPK活化可使PPARγ2 mRNA水平升高外，微重力环境可能通过另一条未知通路使PPARγ2 mRNA水平升高。

通过以上实验可以发现，微重力不仅对间充质干细胞本身增殖、分化活性有影响，同时改变了其正常的分化方向，抑制骨形成，但具体机制仍有待进一步研究。

2 微重力对成骨细胞的影响

失重抑制成骨细胞增殖、分化，使其凋亡增加，微观上表现在分化相关基因表达下降，胶原Ⅰ蛋白、骨钙蛋白和骨骼生长因子含量减少。

2.1 微重力对成骨细胞形态的影响 成骨细胞的骨架系统对重力变化较为敏感，与hMSC类似，微重力环境可诱导成骨细胞骨架系统解聚重排[9]。在短期空间飞行中即可观察到成骨细胞形态发生明显改变，如细胞变圆变大、形态不规则、核异常、细胞骨架变细、微绒毛分布改变和细胞膜表面功能区分布集中不均匀，孔道增多等[10]。这可能与模拟失重条件下整合素α2、整合素α5、整合素β1的mRNA表达明显下降有关[11]。重力通过细胞外基质-整合素-细胞骨架系统作用于成骨细胞，整合素表达降低意味着力学信号转为化学信号的效率降低，可使细胞骨架及离子通道发生改变，出现形态异常。

2.2 微重力对成骨细胞信号通路的影响 在细胞骨架的形成过程中，钙离子通道发挥了很大作用，游离钙离子与钙调蛋白结合，激活下游分子肌球蛋白轻链激酶(myosin light chain kinase，MLCK)和钙调蛋白依赖激酶Ⅱ(calcium dependent protein kinaseⅡ，CaMKⅡ)，二者均可与钙调蛋白结合，活化的MLCK与钙调蛋白结合则可促进细胞骨架微丝的形成[12]。孙中洋等[13]的研究发现，失重可降低细胞内游离钙离子的浓度。罗明志等[12]用Western blot检测显示，模拟失重环境下，钙调蛋白的表达和CaMKⅡ活性下降，但MLCK的表达不受影响，提示失重可能通过抑制Ca2+、钙调蛋白和CaMKⅡ信号使微丝解体。王脉桃等[14]在模拟微重力的环境中观察到内皮型一氧化氮合酶(eNOS)活性下调，诱导型一氧化氮合酶(iNOS)活性升高，细胞内NO含量升高，对细胞造成损伤，推测其与Ca2+通道被抑制有关。值得一提的是，胡泽兵等[15]用分子生物技术找出了在模拟失重条件下具有潜在调控作用的5种内含子miR-335-5P、miR-335-3P、miR-511-5P、miR-5114、miR-511，这几种内含子与细胞多种基本生物功能及MAPK、Focal adhesion、ErbB等多种信号通路有关，可以预测成骨细胞相关功能的改变。信号通路对成骨细胞发挥功能至关重要，故对微重力条件下信号通路改变机制的研究具有重要意义，能为防治骨丢失提供研究靶点。

2.3 微重力对成骨细胞分化的影响 微重力条件下成骨细胞分化能力降低。成骨细胞的分化过程包括增殖、细胞外基质成熟和胞外基质矿化3个阶段，Ⅰ型胶原、碱性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)、骨钙蛋白(osteocalcin，OCN)分别是这3个不同分化阶段的产物[16]。戴钟铨等[17]发现，在微重力环境培养24 h、48 h后，Ⅰ型胶原的表达升高。Ⅰ型胶原能够促进成骨细胞分化，其含量增多表面上看应该促进成骨细胞分化，但却与实际情况不符，对此，戴钟铨等认为，这是由于微重力环境下细胞外成熟胶原减少，细胞内代偿性表达Ⅰ型胶原蛋白，由于过度代偿消耗自身物质反而使成骨细胞活性下降，从而抑制成骨细胞分化。王脉桃等[16]观察到模拟微重力下成骨细胞中ALP及OCN降低。

研究发现，在体外培养成骨细胞的实验中，OGP能促进成骨细胞样细胞增殖，提高ALP的活性，增加细胞胶原合成、分泌和钙盐沉积，提高骨量和骨密度，促进成骨[18-19]。刘俊丽等[20]的实验数据表明，回转微重力条件下，成骨细胞分泌的ALP和骨桥素(osteopontin，OPN)减少，而加入OGP活性片段OGP10-14的细胞组分泌的ALP和OPN增加，表明OGP10-14可促进失重环境下成骨细胞的增殖和分化，抑制骨丢失。其机制与OGP10-14可促进成骨细胞Runx2的表达有关[21]。但在6 d 的实际太空飞行实验后，有人观察到ALP表达及活性增高[10]，有可能是细胞的一种代偿反应。仅有ALP活性增高可使成骨细胞分化，但无法使其矿化[11]，这可能是ALP升高未使骨丢失改善的原因。胰岛素样生长因子1可促进成骨细胞分化，抑制凋亡[22]。苏嘉霖等[22]推测模拟失重可能通过影响胰岛素样生长因子1 mRNA进而影响成骨细胞分化。

2.4 微重力对成骨细胞周期的影响 研究表明，模拟失重条件下G1期细胞显著增多，而S期与G2 + M期细胞显著减少。而且随着作用时间的增加，G1期细胞数量的变化趋势不是很明显，但始终显著高于正常重力下的细胞，而S期与G2 + M期细胞数量一直显著低于正常重力下的细胞[23]。通过对细胞周期变化机制的进一步探讨，研究人员发现，在成骨细胞的分裂过程中，微重力没有改变细胞周期蛋白D和E的含量，在细胞周期分裂早期时，相关的重要分子也都没有改变，在S期和G2 + M期的细胞中，只有细胞周期蛋白A和B的含量显著降低，并进一步影响细胞周期的变化，有学者认为，该变化可能是微重力导致细胞周期变化的主要机制[24]。微重力条件下，阻碍成骨细胞周期进程的因素还与肌动蛋白骨架相关多种基因、胰岛素样生长因子、表皮生长因子、碱性胰岛素样生长因子等的表达下降及细胞代谢功能的降低有关[23]。很多人推测失重环境下成骨细胞的生长周期存在阻滞点，但目前关于细胞周期阻滞点在哪里尚未得出一致结论。王攀等[24]、孟芮等[25]认为，阻滞点在S期。郑红霞等[26]证实S期阻滞点是由于微重力使细胞微管系统受损，纺锤体异常概率增加。而张晓铀等却认为，细胞阻滞点在G0/G1期。其差异可能与所用细胞系不同有关。失重不仅作用于成骨细胞，机体所有组织细胞都处于失重状态。孟芮等[25]使用失重后的骨细胞培养基使成骨细胞越过细胞周期阻滞点，提示失重条件下骨细胞促进成骨细胞增殖。

3 结语

失重可通过抑制骨髓间充质干细胞和成骨细胞的增殖、分化及促进破骨细胞成熟分化而抑制骨形成，造成骨质丢失。目前的研究侧重于失重对间充质干细胞分化及成骨细胞的影响，而对破骨细胞的研究较少，有人声称这是由于破骨细胞几乎不发挥作用。但Nabavi等[27]在微重力环境下观察到更多由破骨细胞引起的骨吸收陷窝，表明破骨细胞也发挥着重要的作用。目前的研究证实，微重力下人前破骨细胞的数量及其向破骨细胞的分化增加[28]，成熟破骨细胞的数量也有提升[15]，其机制可能涉及破骨细胞成熟的基因表达增多[15]、转移生长因子β2(transforming growth factor beta 2，TGF-β2)表达减少，抑制成骨细胞增殖分化和促进破骨细胞的增殖[29]、分化[30]等。

总之，失重环境可影响人体内环境稳态，使代谢系统改变，造成骨量减少、骨质疏松、软组织损伤及骨折愈合延迟等不良后果[31]。随着对微重力条件下骨髓间充质干细胞、成骨细胞、骨细胞及破骨细胞等增殖、分化等研究的深入，将有助于我们更好地理解失重对骨组织的影响并积极寻找应对措施，从而改善宇航员持续性骨丢失的现状。

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Advances in effects of weightlessness or simulated weightlessness on bone formation

XU Qin1, ZHANG Lijun1, WANG Yongchun2, ZHANG Shu2, YAN Ming3
1The First Cadet Brigade, Fourth Military Medical University, Xi'an 710032, Shaanxi Province, China;2Department of Aerospace Biodynamics, Fourth Military Medical University, Xi'an 710032, Shaanxi Province, China;3Department of Orthopaedics, Xijing Hospital; Xi'an 710032, Shaanxi Province, China

YAN Ming. Email: yanming@fmmu.edu.cn

With the rapid development of aerospace, travelling or even living in space is no longer a fantasy. Thus, the researches about the influences induced by weightlessness on human body have become more and more important. Weightless environment during long term space flight can make great influences on organs and systems of human, especially on cardiovascular system and skeletal system. This review will illustrate the influences on proliferation and differentiation of mesenchymal stem cells and formation, cell cycle, and function of osteoblast induced by weightlessness based on the national and international researches in related fields in recent years.

weightlessness bone; mesenchymal stem cells; osteoblast

R 852.22

A

2095-5227(2015)03-0291-03

10.3969/j.issn.2095-5227.2015.03.025

时间：2014-11-05 10:46

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3275.R.20141105.1046.004.html

2014-09-01

国家自然科学基金项目(81301581；81372130)

Supported by the National Natural Science Foundation of China(81301581; 81372130)

徐沁，女，在读本科。Email: 736325408@qq.com

闫铭，博士，讲师。Email: yanming@fmmu.edu.cn