结合力生长因子探讨骨肉不相亲理论与骨质疏松症

蒋林博 宋敏* 刘小钰 周灵通 董万涛 刘涛 巩彦龙

1. 甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730000 2. 甘肃中医药大学附属医院，甘肃 兰州 730000

骨质疏松症(OP)是由各种原因导致的以骨量减少，骨组织微结构破坏，骨骼脆性增加，易于发生骨折的一种全身性骨病[1]。中医学本身并没有骨质疏松症这一病名，但依据其病因、病机概要和症状，归属于“骨枯”、“骨痿”、“骨极”。根据历代中医经典文献记载，可知本病与中医脾、肾二脏关系密切，脾肾亏虚是本病的最主要的发病机制之一。脾主肌肉，肾主骨，脾肾亏虚则会影响骨骼与肌肉的相互关系，中医对这种病机加以总结，谓之骨肉不相亲。

1 骨肉不相亲理论

骨肉不相亲理论从中医理论出发，是对骨骼和肌肉二者之关系的总结。在中医理论中，肾为先天之本，在体合骨，生髓；脾为后天之本，在体合肉，主四肢。《素问·痿论》曰“肾主身之骨髓，脾主身之肌肉。”肾精充足，骨髓生化有源，髓以养骨，则骨骼坚固有力；脾运化水谷精微，以滋养肌肉，则肌肉丰满。脾失运化，则四肢营养缺乏，倦怠无力。《素问·太阴阳明论》曰：“四肢皆禀气于胃而不得至经，必因于脾乃得禀也。今脾病不能为胃行其津液，四肢不得禀水谷气......筋骨肌肉皆无气以生，固不用焉。”骨肉不相亲理论认为脾肾二脏相辅相成，密不可分。肾精充盈，则骨骼坚固有力，同时肾精充沛，先天之气兴旺，亦可助脾之运化，则水谷得以运化，气血化生有源，肌肉丰满，四肢有力，反之气血充盈亦滋养肾气。此先天之本与后天之本，相资相助，互相为用，使人体骨骼肌肉强健有力，反之则骨枯肉痿。可见脾肾亏虚、骨肉不相亲是骨痿的主要病机。从现代医学角度看，骨肉不相亲则导致骨骼与肌肉之间关系失调，相互作用减弱。因此肌肉对骨骼机械应力刺激的减弱也属于骨肉不相亲的范畴。

2 机械应力刺激与骨质量

骨骼与肌肉是构成人体运动系统的主要部分，众所周知，骨密度与运动密切相关。在运动时，肌肉对骨组织有一种机械力的刺激作用，肌肉发达，对骨骼产生足够的力学刺激，可影响骨组织的结构，使骨密度增加，骨骼强健。研究表明，机械应力刺激对骨组织代谢有至关重要的作用[2]，戚孟春等[3]研究表明，机械力刺激是骨髓间充质干细胞成骨分化的关键驱动因子,对骨形成过程和骨痂形成具有重要作用。在一定的范围内，足够的机械应力刺激能促进骨形成，使骨密度增加。例如网球运动员的惯用臂与对侧臂相比，拥有更高的骨密度和骨强度[4]。相反，若骨骼受到的机械力刺激不足，会使骨量减少。有研究将卧床17周志愿者与正常人骨密度进行对比，发现长期卧床患者骨量较正常人显著丢失，说明缺乏机械力刺激是造成骨密度下降、骨量丢失的重要原因[5]。高平等[6]对我国不同年龄男女运动员骨密度进行分析发现，各年龄段男女运动员身体各部位骨密度均高于普通人群，表明长期运动与骨量的保持存在正相关的关系，长期运动不仅能提高骨骼最高峰骨值，还可以减少随年龄增长而导致的骨量丢失。秦朗[7]通过研究不同性别体育专业规律运动学生与非体育专业无规律运动学生的身体成分及骨密度发现，持续性的规律运动组与对照组相比，骨密度具有显著的差异，说明持续规律的运动可以增加骨骼的峰值骨量。谭思洁等[8]通过研究老年男性身体不同部位肌肉力量与骨密度(BMD)的关系，发现下肢肌力与下肢骨、股骨颈BMD，背力与脊柱BMD，负重曲肘与上肢骨BMD均具有高度的关联性。上述研究表明，足够的机械力刺激对保持骨量具有重要作用，而骨骼所受的力学刺激来源于骨骼肌，肌肉强健才能产生足够的机械力刺激，以保持骨量，防止骨量丢失。

3 机械应力刺激与力生长因子

胰岛素样生长因子I(IGF-I)与机体的生长发育、组织修复重建紧密关联，IGF-Ⅰ的表达与细胞受到的机械应力刺激有密切的关系。在受到应力刺激的骨骼肌中，存在大量内分泌和自分泌的 IGF-Ⅰ。在骨骼肌机械力刺激的诱导下，IGF-Ⅰ的表达过程会发生选择性剪切，产生 2种不同的异构体：IGF-IEb(人体内称为IGF-IEc)和IGF-Ⅰ(IGF-ⅠEa)[9]。研究[10,11]发现，当骨骼肌受到拉力刺激时，IGF-IEb的表达上调，故将其取名为力生长因子(mechano growth factor MGF)，MGF的特点是在IGF-Ⅰ的羧基端多出一个延伸肽(E肽)，因此使其拥有了不同的特性，而且MGF和IGF-ⅠEa对肌肉组织的再生重建都具有促进作用，当骨骼肌所受负荷增加时，肌肉中MGF表达也显著增加。研究表明，MGF对机械应力刺激很敏感，可在多种组织和细胞中产生。MGF可以通过促进肌卫星细胞活化、成肌细胞的增殖，从而对治疗肌肉损伤具有重要作用，并可以预防心肌损伤，同时对修复神经受损也有着一定的作用[12]。随着研究的推进，张兵兵等[13]发现，在力学刺激下，成骨细胞也能产生MGF，周期性拉力刺激可以使成骨细胞中的MGF mRNA和蛋白质的表达水平显著提高。Deng等[14]实验研究发现，MGF及其E肽对成骨细胞的增殖、骨形成、修复骨损伤也具有积极作用。可见，MGF除作用于肌肉、神经外，也参与骨组织的形成、重建，其机制可能与其对骨代谢相关细胞、信号通路的作用有关。

4 力生长因子与成骨机制

4.1 力生长因子对成骨细胞增殖的影响

成骨细胞(OB)是骨组织中维持骨量的重要细胞之一，由骨髓间充质干细胞分化而来，通过分泌骨基质参与骨形成[15]。OB亦是骨组织的成骨效应细胞，具有力学敏感性，在成骨过程中处于中心地位[16]。

近年来研究表明，应力刺激下，力生长因子MGF可以影响OB的增殖与分化[17]。辛娟等[18]分析力生长因子及MGF-Ct24E(羧基端24个氨基酸构成的短肽)对OB增殖及相关基因表达的影响中发现：MGF-Ct24E组的细胞增殖水平明显高于对照组，并在第一天最为显著，说明MGF-Ct24E能显著促进OB的早期增殖，而细胞周期显示，MGF-Ct24E组的细胞S期和G2/M期比例明显提高，基因芯片分析显示，MGF-Ct24E能上调细胞增殖、分化的相关基因，说明MGF-Ct24E能在早期显著促进OB的增殖，提高细胞S期和G2/M期比例，并通过调控细胞增殖、分化的相关基因来促进细胞增殖。Deng等[19]研究发现，MGF和其E肽对MC3T3-E1成骨样细胞的增殖具有明显促进作用，其促进作用是IGF-Ⅰ的1.4倍，并能通过激活MAPK-Erk1/2 信号通路调控OB的增殖。此外还发现[19]额外的机械力刺激可以提高骨形成的重要蛋白BMP-2的表达，并且MGF24E可以通过上调P-Smad蛋白和下游成骨基因的表达，以增强BMP-2/Smad信号通路的传导。在活体内，MGF24E可以上调内源性BMP-2的表达，并显著提高骨密度。Xin等[20]研究MGF24E对成骨细胞功能的调节和基因转录时发现，在实验前3天，MGF24E可以显著增强OB成骨细胞增殖和细胞周期相关基因的表达，使成骨分化基因的表达下调，而长达3周的MGF24E干预则能促进成骨分化，说明MGF24E在前期可以增强细胞增殖，并延缓成骨分化，在更高级阶段则刺激成骨分化，由此可见，在体外骨形成的初始阶段，MGF-Ct24E能促进OB的增殖和上调细胞周期进程相关基因的表达，从而促使骨形成。

4.2 力生长因子对骨髓间充质干细胞成骨分化的影响

骨髓间充质干细胞(BMSCs)是一类未分化的充质干细胞，具有高度的分化潜能，可分化为成骨细胞、脂肪细胞、软骨细胞等多种细胞，BMSCs可以通过向成骨细胞分化参与骨形成，与骨质疏松症密切相关[21]。

大量研究表明，MGF对OB的增殖具有显著的促进作用，而近年来关于MGF对BMSCs作用机制的研究也有了进一步的进展。Li[22]通过研究MGF对体外培养的人骨髓间充质干细胞(hBMSCs)的影响，发现经MGF E肽干预后，hBMSCs向成骨分化、成脂分化、成软骨分化均显著增加，且细胞周期的G1期延长，证实了MGF能增强BMSCs的三系分化。Tong等[23]研究发现，力生长因子可以过PI3K/Akt信号通路有效促进BMSCs的增殖和成骨分化。随后又开展进一步实验，结果显示：力生长因子水平为45μg/L 作用5天时，BMSCs成骨分化效果最明显，以45μg/L干预BMSCs 4 h后，碱性磷酸酶和骨钙素mRNA、蛋白表达水平以及AKT和mTOR的磷酸化水平达到最高。实验说明力生长因子能有效促进BMSCs分化为OB，其作用机制通过PI3K/Akt信号通路实现，并且在力生长因子水平为45μg/L，干预4 h后效果最佳[24]。李海滨[25]研究发现，力生长因子干预下的hBMSCs其碱性磷酸酶的表达和活性显著增加，细胞基质的矿化程度也明显高于对照组；细胞周期研究表明，MGF通过调节周期蛋白Cyclin和CDK2，阻滞细胞从G1期向S期转化，从而使hBMSCs趋于分化状态，以促进hBMSCs分化。由以上研究得出，力生长因子可能是通过激活PI3K/Akt信号转导通路及延缓细胞周期来促进BMSCs向成骨分化，从而促进骨形成。

5 结合力生长因子探讨骨肉不相亲理论与骨质疏松症

肾主骨生髓，脾主肌肉四肢，肌肉与骨骼的关系，正是中医脾肾二脏关系在体的体现[26]。脾肾二脏的相资互用，对应于骨骼与肌肉的相互协调，脾肾亏虚、骨肉不相亲则使骨骼与肌肉相互作用减弱，导致以骨痿为代表的一系列疾病的出现。脾主肌肉，气血生化有源，肾气得以滋养，肾主骨生髓，肾气足，则生髓充盈，骨骼强健，此过程可以理解为“骨-肉”调节系统。现代医学也认为，骨骼肌丰满有力，使其对骨骼产生足够的机械应力刺激，进而刺激胰岛素样生长因子I选择性剪切，促使其异构体MGF的表达增加。研究表明，MGF可以调控细胞分裂周期；激活成骨相关信号通路MAPK-Erk1/2，以促进成骨基因表达和成骨细胞增殖；激活PI3K/Akt信号通路以促进骨髓间充质干细胞的增殖和成骨分化。此外，MGF还可以通过上调BMP-2、P-Smad蛋白和下游成骨基因的表达以增强重要的成骨信号通路BMP-2/Smad通路的传导，直接促进骨形成。因此，MGF具有保持骨量，增加骨密度，防治骨质疏松的作用。综上，这一生理过程构成了以“肌肉-应力刺激-MGF-骨代谢-骨骼”为线路的调节系统，并且在此线路中，MGF充当了媒介作用。而这一调节系统与骨肉不相亲理论所述的“骨-肉”调节系统极其相似，可以推测，这两种调节系统之间应该存在同一微观作用机制，而骨肉不相亲理论中肉与骨之间的作用也可能就是通过MGF来实现的，MGF将成为连接中医骨肉不相亲理论与现代医学OP发病机制的桥梁之一。因此，从肌肉与骨骼的关系入手，引出机械应力刺激和MGF，并与骨肉不相亲理论相结合，不仅从分子生物学角度阐述了骨肉不相亲理论的科学内涵，也在一定程度上解释和完善了骨肉不相亲理论防治OP的内在机制，成为目前OP研究的新思路，但由于其涉及的信号通路、内在作用靶点机制等相关分子生物学研究尚少，还需后续工作者进一步深入钻研。