运动对骨细胞分化与调节相关性研究进展*

蔡 科，张 丹

(1.华东交通大学体育与健康学院；2.江西省“体质健康与运动干预”重点实验室；3.华东交通大学体育健身研究中心，江西 南昌 330013)

在运动系统中，骨、骨连结和骨骼肌约占成人体重的60%～70%，具有执行支持、保护和运动的功能。骨是以骨组织(包括骨细胞、胶原纤维和基质等)为主体构成的器官，是在结缔组织或软骨基础上发育(骨化)形成的。骨组织的细胞成分包括骨原细胞(osteogenitor cell)、成骨细胞(osteoblast，亦称bone-forming cells)、骨细胞(osteocyte)和破骨细胞(Osteoclast，OC)。骨细胞主要来源于成骨细胞中骨髓间充质干细胞分化，约占骨细胞总数95%，是组成骨的主要成分。骨细胞是一个机械应力感受器，通过内分泌调节形式作用于成骨细胞和破骨细胞[1]。在运动过程中，不同的运动负荷能够作为有效刺激源并产生生物学效应影响骨的形态和内部结构[2]。Kerr等[3-4]在1972年提出了细胞分化与调节，随后在生物、医学等学科得到了广泛响应。细胞分化与调节是细胞按照自身的程序，发生的一种更新和清除异常细胞，维持自身内稳态和促进动态平衡状态。细胞分化与调节通路包括半胱天冬酶-3的裂解，DNA片段断裂，细胞骨架和核蛋白降解，蛋白交叉耦合，分化与调节小体的产生，噬菌细胞受体的配体的表达，最终噬菌细胞的吞噬这一系列的通路[5]。目前细胞分化与调节研究多在生物和医学等方面；在运动医学中主要集中运动与心肌、骨骼肌的细胞分化与调节；细胞分化与调节与Bcl-2蛋白家族、Caspase 家族成员、IGF家族成员、具有抑癌功能的“死亡基因” P53、Fas-Fasl 系统等，而运动与细胞分化与调节及对骨代谢的影响等方面研究已成为关注点。运动能够有效的促进骨代谢，运动是否对骨细胞分化与调节进行调控，相关研究较少。有关运动与骨细胞分化与调节之间相互关系尚不清楚。本文对运动与骨髓间充质干细胞(Bone Mesenchymal Stem Cells，BMSC)、成骨细胞、骨细胞、破骨细胞的分化与调节之间的关系来阐述运动对骨代谢的调控机制，以期为运动促进骨健康提供理论依据。

1 运动对骨细胞分化与调节影响的概述

运动对骨的化学成分和物理性质产生重要影响，且可以有效的促进骨的发生、发育和形态结构的改变。科学合理的运动能够有效的对骨内环境稳定产生促进作用。研究表明，运动的缺乏和不良的生活习惯会影响钙、磷的吸收和沉积，导致骨组织总量减少，增加骨质疏松危险因素。在中老年女性和男性，尤其是绝经后的妇女中表现尤为明显[6]。伴随着年龄的增长及身体机能状态出现显著下降，运动和体力活动减少及体内激素水平发生变化等因素是导致骨细胞分化降低，骨量减少的重要诱因。当今社会中，骨质疏松是影响公众健康的重要因子之一，而运动可以有效的预防和治疗骨质疏松、糖尿病、高血压的研究已有很多。研究表明，运动对骨细胞分化与调节的影响可能机制是机械应力效应、运动对骨细胞激素及细胞水平的表达变化、运动对骨细胞传导通路和递质的调控等。运动对骨质疏松的防治和机制的研究有待进一步研究。已有研究发现，利用运动对BMSC、成骨细胞、破骨细胞、骨细胞进行有效的干预，模拟运动产生的机械应力对骨骼的刺激，能够有效的促进BMSC向成骨细胞分化，抑制向脂肪细胞分化，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[7]。

2 运动与骨髓间充质干细胞分化与调节的关系

骨髓原始间充质干细胞是骨髓基质干细胞，对骨髓中的造血干细胞(hemopoietic stem cells, HSC)不仅有机械支持作用，具有多分化潜能，能分泌多种生长因子，如白介素-6(interleukin-6，IL-6)、白介素-11(interleukin-11，IL-11)、白细胞抑制因子(leukemia inhibitory factor，LIF)、巨噬细胞集落刺激因子(macrophages colony stimulating factor，M-CSF)及干细胞因子(stem cell facto，SCF)等原始细胞。在相关因素的诱导下，能分化为软骨、成骨、脂肪细胞。研究表明，机体患有骨质疏松症会伴有骨量减少且会引起骨髓脂肪细胞的增多[8]。运动作为刺激源能够促进BMSC向成骨细胞增殖和分化，抑制脂肪细胞的分化，提高BMSC的分化并减少其分化与调节。Case等[9]和Simmons等[10]研究表明，对小鼠进行2%和3%强度的牵张力运动干预后能够通过有效的下调过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator activated receptorγ2，PPARγ2)和甲状旁腺激素-1 (parathyroid hormone-1，PTHR-1)的表达并有效的抑制了脂肪细胞及脂肪细胞脂肪酸结合蛋白2和脂联素的蛋白表达。同时，BMSC中Ⅰ型胶原及骨粘连蛋白有明显升高，成骨细胞增殖分化现象上升。其中，实验组细胞外基质较对照组高出2.3倍。Sumanasinghe等[11]在研究中发现，周期性的运动作为牵张刺激源可以有效的上调间充质干细胞中重组人骨形态发生蛋白-2(recombinant human bone morphogenetic protein-2，BMP-2)的mRNA的表达，有效的促进了成骨细胞分化。而缺乏运动刺激，BMSC向成骨细胞转化的明显减弱，向脂肪细胞转化的能力明显增强。运动训练能够促进小鼠BMSC的分化，进一步促进BMSC向成骨细胞增殖分化。

3 运动与成骨细胞分化与调节的关系

成骨细胞由骨原细胞分化而来，当骨生长和再生过程中，成骨细胞于骨组织表面排列成规则的一层，并向周围分泌基质和纤维，将自身包埋于其中，形成类骨质(osteoid)，有骨盐沉积后则变为骨组织，成骨细胞则成熟为骨组织细胞[12]。研究表明，运动干预对机体产生的牵张力能有效影响骨细胞中BMP-2、重组人骨形态发生蛋白-4(recombinant human bone morphogenetic protein-4,BMP-4)、骨钙素、Runx2相关因子(runt related gene，Runx2)、碱性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)活性及I型胶原等成骨因子水平表达增加，增强了成骨细胞外基质的生物活性[13]。Du等[14]研究表明，与对照组相比较，对小鼠MC3T3-E1成骨细胞进行牵张力运动干预发现，Wnt10b及低密度脂蛋白相关蛋白5(Low-density lipoprotein receptor-related protein 5，Lrp5)的基因明显上调，而机械加压较前者干预效果更为显著。同时，MC3T3-E1成骨细胞灌注到3D培养模型中进行流体剪切力的干预，能显著提高成骨细胞ALP活性及细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases，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的表达，促进成骨细胞的增殖与分化[15]。相关研究表明，3%、6%强度的牵张刺激可以上调Wnt信号转导通路，促进成骨细胞分化，而12%强度的刺激及干预则成骨细胞分化较少，有抑制现象[16]。

在对人体的研究中发现，运动或身体体力活动时骨骼在不同程度上受到肌肉牵拉和地面反作用力的影响，人体内骨钙素、ALP表达上调从而促进成骨细胞数量的增加。Kish等[17]选取12例未成年男性和14例成年男性进行大强度递增式跳跃运动。结果表明，两组受试者在运动24小时后血清ALP和破骨细胞抑制因子(osteoclastogenesis inhibitory factor，OPG)明显升高。Lester等[18]研究表明，年轻女性经过8周的抗阻有氧训练，其血清中骨钙素、ALP等水平明显上升。由此提示，机械应力、骨骼的牵张刺激、流体剪切、加压力等机械刺激均能上调成骨细胞中Runx2、ALP、BMP-2、4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。

4 运动与骨细胞分化与调节的关系

骨细胞为成熟骨组织中的主要细胞，相当于人的成年期，由骨母细胞转化而来，对骨吸收和形成都起作用，是维持成熟骨新陈代谢的主要细胞，位于矿化的骨基质中。骨细胞是骨骼受力后首先做出应答的感受器，其通过生化传导通路将外界刺激源传递给成骨细胞、破骨细胞等效应细胞，对骨的形态结构和内环境稳态产生影响。Tatsumi等[19]通过对转基因小鼠模型研究发现，骨细胞缺乏会影响成骨细胞分化与调节，加速小鼠骨脆性和微结构负增长，同时发现骨细胞缺乏会对机体机械刺激应答产生负面影响，由此说明骨细胞是骨结构中接受和传递牵张力和机械应力的传导媒介。众所周知，合理科学的运动有利于机体骨小梁和骨密质、骨松质的排列及合理应力。研究发现，适宜的外界刺激能够促使骨细胞自我完善和提高骨细胞内对牵张力的敏感性，这提示骨细胞在运动的刺激下能够适应和接受外界对其产生的应力刺激[20]。Mann等[21]发现周期性的机械牵张力能够显著促进骨细胞增殖和分化并起到抑制人类骨细胞的分化与调节的速率。前列腺素E2是骨细胞增殖分化的重要物质，研究表明，在流体剪切力的作用下，骨细胞中前列腺素受体EP2D的表达明显增加从而促进前列腺素E2的分泌，有助于骨的形成。Maurel等[22]和Swift等[23]研究报道指出，有规律的运动及抗阻训练能够有效的促进大鼠骨小梁的布局和抑制骨细胞分化与调节，减轻骨质疏松现象、增加骨含量和生成率。Fonseca等[24]的研究也表明，大鼠股骨在接受最大的应力后能够有效的减少骨细胞死亡和骨空隙数量，起到保护股骨的作用。由此说明，运动产生的牵拉力和机械刺激能够有效的增加骨细胞数量，减少骨细胞分化与调节，促进骨形态、骨量重新分布和内部微结构完整性，有利于骨细胞重新适应新的力学环境。

5 运动与破骨细胞分化与调节的关系

破骨细胞是骨组织成分的一种，行使骨吸收(bone resorption)的功能。破骨细胞与成骨细胞在功能上相对应。二者协同，在骨骼的发育和形成过程中发挥重要作用。破骨细胞来源于造血干细胞的单核巨噬细胞谱系，主要分布在骨质表面、骨内血管通道周围。研究表明，人体长期坚持适度体育锻炼，可使机体内破骨细胞生物学性能方面得到改善，同时促进骨细胞、成骨细胞对破骨细胞的形成起着吸收和调节作用。Rubin等[25]采用牵张力对破骨细胞进行运动张力干预研究，其强度为5%，发现周期性机械牵张力干预能够有效的抑制破骨细胞的形成。运动产生的机械张力能够使破骨细胞分化因子(osteoclast differentiation factor，ODF) 及核因子κB受体活化因子配体(receptor activator for nuclear factor-κ B ligand，RANKL)的mRNA表达下调，而内源性一氧化氮合酶(nitrfic oxides synthase，NOS)的mRNA表达增加[26-27]。M-CSF、RANKL是破骨细胞分化有利诱导因子，其分泌会增强骨的吸收，其中γ-干扰素(Interferon-γ, IFN-γ)会使RNAK衔接蛋白降解加速，同时通过RANKL-RANK通路来抑制破骨细胞生成，运动产生的机械张力刺激能下调巨噬细胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor, M-CSF)、RANKL、IL-6、干扰素(Interferon, IFN)等细胞因子的表达抑制骨吸收，同时上调OPG、IFN 等成骨因子的表达，进而促进骨形成[28-29]。这提示运动产生的机械张力对破骨细胞的分化与调节产生一定影响。Suzuki等[30]和Nagatomi等[31]研究报道，运动产生的机械张力能有效抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)、基质金属蛋白酶-9(matrix metallopeptidase-9，MMP-9)、组织蛋白酶K(cathepsin K，CTSK)、白细胞介素1(Interleukin-1，IL-1)及肿瘤坏死因子-α(Tumor Necrosis Factor，TNF-α)、即刻早期基因c-Fos、降钙素基因相关受体mRNA表达，抑制破骨细胞产生，同时上调破骨细胞前体一氧化氮合酶mRNA表达。提示运动产生的机械张力和牵引力能够有效的抑制破骨细胞分化与调节及增殖和分化，抑制骨吸收过程。

6 小结与展望

现有研究已证明[32-34]，骨细胞是骨组织内环境稳态的重要标志，是骨组织修复和转换的重要因素，骨细胞发生分化与调节是骨质疏松症的重要诱因，因此有效抑制骨细胞分化与调节有利于减轻骨质疏松症发病率，并对骨转换和骨修复发挥着重要作用。从骨细胞应力的角度，运动对骨质疏松症的预防毋庸置疑。运动产生的机械张力能够直接对破骨细胞、成骨细胞产生作用，或间接的通过间充质干细胞、骨细胞及骨代谢信号转导通路调控成骨细胞及破骨细胞的增殖与分化，促进骨形成，预防骨质疏松症等骨疾病问题。细胞分化与调节对骨质疏松症的影响逐渐受到学者们的重视，但诱导或抑制骨细胞分化与调节的因素有很多，例如运动与骨免疫、骨细胞自噬、骨细胞代谢等功能系统之间相互作用，其中运动刺激产生牵张力后对骨组织细胞的影响及生物应激反应、骨细胞分化与调节的基因及调控机制有待进一步研究，通过这些研究可以更好的发现运动促进骨代谢的发生机制，为骨质疏松等骨代谢疾病的防治提供重要的理论依据。