应力刺激促进骨质疏松性骨折愈合研究进展

郝宝辉　李英超　乔伟松　秦大明　朱　东

(吉林大学第一医院创伤骨科，吉林　长春　130021)

骨质疏松导致骨折的概率为69.4%〔1〕。临床上对骨质疏松的治疗大多使用药物，虽然获得一定疗效，但同时也带来很多副作用。近年来研究发现生物力学因素如适当的应力刺激可以促进骨形成和骨重建效应,但是不同的强度及频率影响成骨效果〔2〕。在国际生物力学领域专家将机械振动用于动物和细胞实验，证实了低载荷机械振动可以促进骨细胞的生长〔3,4〕。大量实验研究表明低载荷(频率0～100 Hz，加速度0.1～0.5 g)机械振动能够促进成骨细胞的增殖与分化〔2～7〕。江建明等〔8〕频振动并通过流式细胞仪、化学比色法及放射免疫法进行检研究表明低频振动能够促进成骨细胞的增殖分化，低载荷机械振动逐渐成为一种非药物的治疗方法开始用于骨质疏松和骨折愈合的临床研究与治疗应用，取得了一定疗效。为进一步明确应力刺激对抗骨质疏松及促进骨折愈合的反应机制，本文将对成骨细胞的信号转导、基因转录、蛋白表达等方面进行综述。

1　应力刺激对抗骨质疏松和促进骨折愈合的影响

1.1应力刺激对抗骨质疏松研究进展骨质疏松是一种全身性、系统性疾病，常见于绝经后的妇女、老年人及一些患有慢性疾病的患者。马宗民等〔9〕选取损伤施加力学刺激，模拟动载荷重建模型，数值模拟运动防治骨质疏松，得出动载荷成骨效果优于静载荷，运动量增加10%～30%，骨密度增加3.13%～8.61%，这一结果为机械振动防治骨代谢性疾病提供了理论指导。近年来，科学家对物理疗法治疗骨质疏松的研究越来越深入，一些实验研究表明不同形式的机械振动可以减少骨量丢失，过低的或过高振动强度和频率都不利于成骨的反应〔10～12〕。Zhou等〔13〕通过对全身振动的骨进行Micro-CT扫描发现全身振动通过改善微管结构促进骨整合，全身振动从基因角度促进骨的形成比骨再吸收有优势。因此，低载荷机械振动振动疗法可作为一种新型的非药物治疗和预防骨质疏松症的治疗措施。

1.2应力刺激对骨折愈合的影响临床上一些创伤大、车祸、手术都可以导致骨折延迟愈合或骨折不愈合。对于骨折延迟愈合或不愈合临床上尚无有效措施去弥补。Qing等〔14〕发现低载荷机械振动可以改善去卵巢大鼠骨的密度；Cheung等〔15〕利用3-D多普勒和micro CT技术对经过高频低载荷机械振动处理的去势大鼠骨折部位进行检测，总结出高频低载荷机械振动可以增加骨折处的血流并促进血管再生，因此可以促进骨折愈合；Oliveira等〔16〕通过系统评价和META分析对全身振动对绝经后妇女骨密度进行研究，得出振动可以增加绝经后妇女的骨密度。张彤正〔17〕通过对27只熟成健康雄性犬相同麻醉和无菌环境下于左胫骨中段相同区域建造横行骨折单边外支架固定模型，并施加不同应力，得出适宜的应力刺激在犬胫骨骨干骨折愈合过程中能明显促进骨痂形成的数量及质量。李尚志〔18〕对大鼠构建骨不连模型，随机分组并施加机械应力后通过X线影像学评分、钙钴法碱性磷酸酶染色及测定加压前后局部成骨相关因子(BMP)、血管内皮生长因子(VEGF)的变化等检测方法，总结出机械应力可促进骨不连断端成骨细胞数量的增加及促进骨不连断端愈合。总之，低负荷振动对骨质疏松和骨折愈合有一定的影响，可以使其作为一种非药物、非侵入式的治疗骨质疏松性骨折的临床替代疗法〔19〕，但是其作用机制还有待深入研究。

2　应力刺激对成骨细胞信号转导的影响

骨细胞内有ERK通路、OPG/RANKL通路、Ca2+通路、BMP-2/Smads通路和Wnt/β-catenin通路等信号转导通路，均参与了骨的代谢过程。信号转导即信号的识别、转移与转换。细胞完成它们的生物学功能主要是通过各种细胞信号转导通路来调控的。

Ca2+是细胞内重要的第二信使，参与细胞及细胞间的信号传导，钙信号传导在骨细胞增殖与分化和骨代谢过程中非常重要，研究人员已经观察到力学刺激所导致的成骨细胞间的钙传递〔20〕。Malviya 等〔21〕研究显示对大鼠成骨细胞施加周期性拉伸刺激后，细胞内Ca2+浓度迅速升高，胞内Ca2+浓度的升高与细胞膜上Ca2+通道的激活和胞内Ca2+释放有关。在应激刺激作用下，Ca2+在细胞膜和细胞膜上均有表达,应力刺激信号是通过Ca2+将机械信号转化为成骨细胞的生物化学信号。说明Ca2+信号通路在应力刺激的胞内信号转导过程中确实有重要作用。

3　应力刺激对成骨细胞细胞代谢和细胞因子的调控

成骨细胞具有强大的分泌功能，分泌产生多种细胞外基质蛋白并通过其分泌功能控制骨基质的矿化过程，同时调控破骨细胞的活动，成骨细胞与破骨细胞的动态平衡很大程度决定了最终骨量。近年来，骨髓微环境中的局部调节因子如转化生长因子(TGF)-β、碱性磷酸酶(ALP)、胰岛素样生长因子(IGF-I)等对成骨细胞及骨形成的作用日益受到关注。

3.1TGF-βTGF-β是一组调节细胞生长和分化的生物活性细胞因子，在骨组织中有较高水平。大量实验证明了应力刺激对细胞增殖分化的影响是通过调控TGF-β的表达实现的〔20～22〕。邹淑娟等〔23〕对人克隆类成骨细胞株MG-63施加24 h的 6 %、12 %和24 %的拉伸力作用后,利用RT-PCR技术检测TGF-β的表达，6%和12%延伸率可明显促进MG-63细胞表达TGF-β,但24%的拉伸率对细胞TGF-β基因表达影响不明显。同样也有类似实验研究表明成骨细胞中的TGF-β是通过诱导 Smad3 的激活而发挥其作用的。

总之，应力刺激调控成骨细胞的增殖与分化可以通过影响TGF-β的表达来实现，但具体机制尚不清楚，后续通过实验的进一步将有助于了解应力刺激对成骨细胞影响的机制。

3.2IGF-IIGF-1是骨细胞中含量最丰富的生长因子，于骨细胞生成、储存于骨中，在骨吸收时释放。成骨细胞在骨吸收时也分泌大量的IGF-I，刺激成骨细胞的增殖、分化。鲜成玉等〔24〕通过体外拉伸装置对成骨细胞施加应力刺激。发现周期性的拉伸剌激,成骨细胞增殖及 IGF-I 、mRNA 表达的最好。说明机械拉伸刺激对成骨细胞增殖效应，是通过增强IGF-I的自分泌实现的。因此成骨细胞中含有的IGF-1可以调节骨的代谢和生长。

3.3ALPALP是骨形成早期阶段的重要标志。ALP是成骨细胞分化的指标，被普遍认为是成骨细胞分化的标志，能够反映成骨细胞增殖与分化的能力。唐林等〔25〕通过一种先进的细胞力学刺激装置对成骨细胞施加不同的周期性机械牵张力，结果表明施力24 h和48 h的实验组，随着机械牵张力增大，ALP活性反而下降；有研究〔13〕表明对人牙周膜细胞施加拉伸刺激，观察不同的机械牵张力(9%、12%、15%、18%、21%、24%)对ALP分泌及其活性的影响，结果显示随着牵张力的增大，ALP活性表现逐渐降低，并且和对照组(不加力组)有显著性差异，说明不同大小周期的机械牵张力对成骨细胞的分化有影响。

4　展　望

应力刺激在骨组织的新陈代谢中发挥着重要作用，因此从分子、蛋白、基因等方面研究应力刺激对成骨细胞增殖、分化及凋亡的影响生物学反应机制是目前的研究热点。随着大量科研人力物力的投入，会更加清楚地了解应力刺激对抗骨质疏松和促进骨折愈合机制，从而为防治骨质疏松、异位骨化等骨形成和骨形成相关疾病提供新的理论依据和治疗靶点。

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