骨科微生物力学研究进展

贺祖斌 陆晓生

[专家介绍]陆晓生，主任医师、研究员、教授、医学博士、硕士研究生导师，曾到北京积水潭医院、欧洲德布勒森大学等国内外医疗机构深造。广西第一批高层次人才、广西“新世纪十百千人才工程”第二层次人选、自然科学系列研究员、自治区五一劳动奖章获得者。现任百色市妇幼保健院党总支书记、院长。兼任中国肢残康复专业委员会青年委员会常委、广西医院经营管理专业委员会委员、广西中西医结合学会外科分会常委、广西医学会骨质疏松和骨矿盐疾病学分会常委、广西医师协会理事、 广西医师协会骨科医师分会小儿骨科专业委员会常委、中国中西医结合学会骨伤科分会第八届委员会骨搬移治疗糖尿病足及微血管网再生专家工作委员会常委、广西医师协会第一届骨科医师分会外固定专业委员会副主任委员。长期从事骨关节创伤、脊柱基础和临床研究，连续4年荣获全国暨国际骨科学术大会奖学金并作学术报告。发表专业论文20余篇（含SCI收录）。获7项国家专利授权;主持科研获奖6项，获省部级科研立项资助和省部级科技进步奖，获广西科技进步二等奖1项。

【摘要】 生物力学在骨科无时无刻、无处不在，无论是长骨、短骨或者扁骨结构中，抑或在各种骨折、畸形、肿瘤等手术中。骨骼受力性能好，所受应力分布合理，力学系统通过平衡各种应力状态以适用人体的各种体位和活动。Wolff定律指出骨骼生长过程中在力学刺激下可改变其结构，应力刺激可促进骨形成，应力刺激缺失则可引起骨丢失，即用进废退;对骨产生的应力包括压应力、牵张应力和流体剪应力;应力状态下的骨形成与重建在于其局部的成骨细胞和破骨细胞功能改变。课题组从微观上对骨科生物力学的研究进行综述。

【关键词】 生物力学;成骨细胞;破骨细胞

中图分类号：R684   文献标志码：A   DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2020.10.001

【Abstract】   Biomechanics is ubiquitous in orthopedics， whether it is in the structures of long bones， short bones or flat bones， or in various operations such as fractures， deformities， tumors， etc. Bone has good mechanical performance and reasonable stress distribution， and the mechanical system is suitable for various postures and activities of the human body by balancing various stress states. Wolff's law indicates that the structure of bones can be changed under mechanical stimulation during the growth process. Stress stimulation can promote bone formation， and loss of stress stimulation can cause bone loss， that is， "use it or lose it". Stress on bones includes compressive stress， tensile stress and fluid shear stress;bone formation and reconstruction under stress is due to changes in the function of local osteoblasts and osteoclasts. The research group review the research of orthopedic biomechanics from the microscopic point of view.

【Key words】 biomechanics;osteoblasts;osteoclasts

对于应力状态下骨变化的规律，德国医学博士Wolff提出了Wolff定律：力学刺激下的骨骼在生长过程中可改变其结构，应力刺激可促进骨形成，应力缺失则可引起骨丢失，即用进废退。骨形成与重建需要适当的应力刺激，研究发现运动量增加10%～30%其骨密度增加3.13%～8.61%。而应力刺激强度及频率的不同可影响成骨，过低或过高振动强度和频率均不利于成骨[1～2]。ZHOU等[3]用微型CT扫描全身振动的骨骼，发现振动是通过改善微管结构刺激骨重塑的，从基因角度论证了全身振动刺激成骨作用要强于骨吸收。骨折断端成骨细胞（OB）数量的增加及骨折断端愈合离不开机械应力的刺激。应力刺激下的骨塑形和骨重建是通过破骨细胞的骨吸收作用和成骨细胞骨形成作用所触发的[4]，破骨细胞和成骨细胞的功能激活可由激素、细胞因子或机械刺激引起局部产生的信号分子等多种因素决定。骨细胞感受到机械应力作用而发生骨应力改变，激活力学传导通路促使成骨细胞与破骨细胞作出反应。为了深入探索，课题组决定对不同压应力、牵张应力及流体剪应力（FSS）状态下的成骨细胞和破骨细胞功能改变的研究进行综述。

1 不同应力状态下的成骨细胞与破骨细胞

成骨细胞来源于内外骨膜和骨髓中基质内的间充质始祖细胞的分化，是骨形成的主要功能细胞，负责骨基质的合成、分泌和矿化。成熟的成骨细胞可被不同种类的激素或生长因子激活而提高胞浆cAMP的水平刺激DNA和胶原的合成。成骨细胞是重要的感受与效应细胞，应力作用下内源性细胞骨架、离子通道及非胶原蛋白等途径较早而快速地响应机械应力刺激，通过多种信号通路将应力刺激信号转化为细胞内化学传导信号，并将化学信号传递到相应的效应靶点而触发成骨效应[5～6]。机械应力刺激导致的细胞因子和信号通路的改变在此过程中起关键作用，BMPs及Wnt/β-catenin通路是目前最重要的信号通路。SOST通过对β-catenin在成骨细胞中的磷酸化的阻碍作用可抑制Wnt信号通路[7]。破骨细胞是由骨髓中的髓系祖细胞分裂为增殖性单核吞噬细胞即为破骨细胞的前体，进入血液后在信号因子作用下进入骨组织结构中，经化学因子、转录因子、细胞因子等相关因素作用下分化融合形成多核成熟破骨细胞，再被活化成具有破骨功能的破骨细胞。破骨细胞不具备有丝分裂功能，是隶属单核巨噬细胞系統的一种终末细胞。增殖性单核吞噬细胞经过血液循环渗透进入到骨表面而启动破骨细胞的骨吸收作用。破骨细胞前体在NF-κB受体活化因子配体（RANKL）和巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF）作用下分化成破骨细胞，M-CSF和RANKL是破骨细胞形成和分化必不可少的细胞因子。破骨细胞发生破骨作用时自身细胞骨架重构而产生缝合区、褶皱缘、基底区和功能分泌区多种结构。褶皱缘深面为富含初级溶酶体和吞噬小泡的小泡区，溶酶体内蛋白酶可降解细胞外基质，而H离子可溶解矿物质，其分解产物被吞噬形成囊泡，继而转运到功能分泌区排出细胞外[8]。破骨细胞在骨折愈合各个时期的活性明显强于成骨细胞，吞噬能力强，骨吸收远大于骨形成力度。

1.1 压应力的作用

1.1.1 压应力对成骨细胞功能的影响 生理状况下外力作用于成骨细胞，动态压应力的持续刺激作用对成骨细胞的成骨功能产生重要作用。KOYAMA等[9]的研究显示在3.0 g/m2持续的静压力时可诱导破骨细胞骨吸收和刺激成骨细胞释放炎性细胞因子。动态压力使成骨细胞聚集并加速分化，适当的压应力可刺激BMSCs向成骨细胞分化，并刺激成骨细胞增殖及成骨细胞胞外基质合成，增强骨折部位MSCs中碱性磷酸酶（ALP）活性及Ⅰ型胶原含量[10～11]。SANCHEZ等[12]研究表明动态压力通过提升细胞内IL-6水平而促进骨生成。通过ALP的检测可以判断在周期性压外力下成骨细胞的分化情况和早期活性。田林强等[13]研究认为动态压应力在20～50 mmHg范围内能上调成骨相关基因水平，而动态压应力过大则可抑制成骨细胞分化。不施加周期性压应力的成骨细胞的增殖及成骨活性随着时间的延续而逐渐增强，较小应力范围的周期性压应力在短时间内可显著刺激成骨细胞的增殖[14]，其机理是细胞外基质形成的细胞骨架在短时间受压后因形变作用，可发生轻微而缓慢的结构重排和应力分布改变，蛋白位点上相关氨基酸被磷酸化而增强了酶的活性，从而刺激细胞增殖分化[15]，随着时间延长内源性细胞骨架形变时间过长而受损，从而使增殖被抑制。以压应力1.0 g/cm2作用于成骨细胞能使环氧合酶2（COX-2）、骨涎蛋白（BSP）等基因表达显著上调继而促进成骨的作用。研究发现，高重力可促进细胞凋亡而抑制成骨细胞增殖甚至导致成骨细胞变性坏死，当压应力>3.0 g/cm2时即对成骨样细胞的生长产生较大影响，当压应力>4.0 g/cm2时可导致成骨细胞凋亡，其原因是压应力过大超过成骨细胞及其分泌的基質所形成的细胞外骨架对压缩应力承受能力，细胞膜通透性增加，Caspase系统被凋亡蛋白酶和凋亡诱导因子激活而使细胞凋亡，细胞骨架遭变形过度受损致使膜内酶及相关蛋白失活，最终成骨细胞凋亡[16]。

1.1.2 压应力对破骨细胞的影响 压应力通过增强成骨细胞活性和减弱破骨细胞活性来影响骨骼发育[17]。正因为如此，从事举重的运动员其骨密度大于其他项目的运动员。RAW264.7细胞是破骨细胞前体，成熟的破骨细胞可通过RANKL诱导获得RAW264.7细胞。HAYAKAWA等[18]研究RAW264.7细胞在压应力下的形成实验发现，最适合的压应力使破骨细胞形成速率最快。因此，RAW264.7细胞成熟度受破骨细胞压应力的强度和持续时间的影响，只有在时间长短、强度大小适合时破骨细胞才能分化成熟。骨保护素（OPG）又叫破骨生成抑制因子（OCIF），OPG可以刺激破骨细胞凋亡和影响破骨细胞分化。RANKL/OPG比率是破骨细胞的功能体现，比值上升时破骨细胞骨吸收能力加强，而下降时则减弱。研究发现，RANKL在加外力4 h后减少达到最低点，而OPG则在1 h减少至最低点，4 h升至最高。OPG/RANKL/RANK系统的激活可左右破骨细胞的功能，引起RANKL与OPG正性调节的压应力及时间以及压应变频率的强弱等最佳数值。压应力为12 Mpa、频率为1 Hz、时间为 4 h时为RANKL/OPG正性调节最合理量化值[19]。阮国宪等[20]发现软骨细胞在周期性压应力刺激下促进如软骨细胞NF-κB、SDF-1等促破骨因子的表达。另外在微重力条件下能促进破骨细胞的融合而激活破骨细胞，但并不是破骨细胞分化能力增强。在微重力作用下通过激活破骨细胞相关信号分子加强了破骨前体细胞敏感性和分化能力[21]。张恒等人[22]发现SD大鼠血清生化指标骨碱性磷酸酶（BALP）与抗酒石酸盐酸性磷酸酶（TRAP）在悬吊4周后升高，其原因可能是在微重力状态下骨转换率上升和骨代谢下降，骨矿化能力被抑制和骨吸收强于骨形成。

1.2 牵张应力的作用

1.2.1 牵张应力对成骨细胞功能的影响 牵张刺激通过旁分泌因子和激缝隙连接可刺激成骨细胞的分化和增殖潜能。成骨细胞感应牵拉应力通过微管结构的放大效应传递至周边细胞。500 με的拉伸刺激时刺激成骨细胞分化和增殖，同时其ALP增强，胶原蛋白合成和γ-羧基谷氨酸蛋白分泌增加，而拉应力刺激在1000 με和1500 με时则抑制成骨细胞的成骨功能。通过诱导细胞骨架重组的牵张应力可阻滞细胞进入细胞周期的S期，并通过抑制细胞增殖而促进成骨分化。张苗[23]研究发现，促进BMSCs向成骨分化的机械牵拉机制可能是骨髓间充质干细胞（MSC）通过“lcnRNA H19-microRNA-靶基因”来调控向成骨分化的。MSC移植后在牵张应力预刺激下组织修复能力增强，在组织工程修复中发挥重要作用。Wnt信号通路激活能促进MSC成骨分化[24]，而lnc-RNA对MSC成骨分化发挥了调节作用[25]。LIANG等[26]研究发现在hMSCs的成骨分化过程中lncRNA H19表达上调。lncRNA H19抑制miR-141和miR-22表达进而促进骨生成和Wnt/β-catenin通路的表达。ZHAO等[27]研究发现通过抑制H19表达、降低miR-675表达以及抑制NOMO1蛋白表达可抑制BMSCs的成骨分化。肾连蛋白（NPNT）在调节骨代谢过程中有着重要的作用，是成骨细胞分泌的重要的血管生成因子。机械牵张应力促进成骨细胞分化的同时也使NPNT的表达上调和促进SVEC细胞增殖与迁移，而NPNT作为一种促血管生成因子可促进SVEC细胞的增殖及迁移[28]。

1.2.2 牵张应力对破骨细胞的影响 机械牵张应力通过作用于骨髓的单核巨噬细胞或基质细胞的表达信号因子而抑制破骨细胞分化和融合，从而抑制破骨细胞，牵张应力刺激早期即可抑制与分化融合的相关基因;短期机械应力可下调树突细胞特异跨膜蛋白（DC-STAMP）及其相关因子对破骨细胞分化与融合造成严重影响。载荷中等强度时刺激破骨细胞及其破骨前体细胞的增殖，高强度时对细胞增殖的作用是抑制的，而低强度刺激不影响细胞的增殖。牵张应力作用时间、强度等变化影响破骨细胞分化成熟能力和活性，破骨细胞前体和破骨细胞分化早期与破骨分化的不同阶段应力响应是有差异的，机械牵张应力强度不同破骨前体细胞在分化初期和已处于分化期的分化能力均是不同的。牵张应力的增强可使TRAP阳性细胞数量呈增加趋势。郭大伟等[29]研究证明RAW264.7细胞在间歇性牵张应力作用下可促进破骨细胞分化。在骨应力改建过程中，成骨细胞与破骨细胞前体间的相互作用是破骨细胞发挥破骨功能的重要条件，由于压力或张力致使破骨细胞承受牵张应力从而产生细胞形变而触发生物学效应。周期性拉伸应力刺激可影响破骨细胞的形成，在周期性牵张应力和12%形变率作用下早期即对骨髓破骨细胞分化起抑制作用，10%形变率、0.5 Hz拉伸应力可抑制破骨前体细胞分化为破骨细胞。

1.3 流体剪应力的作用

1.3.1 FSS对成骨细胞功能的影响 FSS是骨代谢发挥主要作用的应力刺激，是应力刺激作用于骨骼而引起骨组织微管内液体流动而产生的压力，骨组织中的腔隙-小管组成的连接网络起到力学传感和力学信号转导的作用。FSS是应力刺激传递到骨的主要方式，其可促进BMSCs成骨分化[30～32]，而动态的流体剪应力可以促进成骨细胞分化和增殖，同时抑制成骨细胞凋亡。来自于骨髓内震荡的压力所产生的流体静压力和流体剪切力可促进成骨分化和成骨。LI等人[33]发现流体剪应力可刺激成骨细胞力学敏感分子环氧合酶-2（COX-2）和PGE-2表达增加。YOUNG等[34]研究证明在骨代谢过程中流体剪切力可诱导COX-2的表达来调节前列腺素（PG）的生成。而JIANG等[35]研究发现成骨细胞中细胞外信号调节激酶 5（ERK5）信号通路是诱导COX-2表达的方式之一。成骨细胞中流体剪应力通过刺激ERK5的活化，使之在成骨细胞的增殖、分化、凋亡中发挥调节作用[36]。骨基质中的基质金属蛋白酶（MMPs）可以降解骨基质，FSS通过作用于成骨细胞使MMPs表达上调，而基质金属蛋白酶抑制剂（TIMPs）能抑制MMPs的降解功能，MMPs和TIMPs的平衡有利于骨重建，MMPs降解细胞外基质而引起信号分子释放并启动信号转导，进而促进Runx-2、c-fos/c-jun、Nmp4/CIZ等基因的表达。AISHA等[37]研究证明流体剪应力可刺激成骨细胞内线粒体的增殖和功能，骨钙素蛋白和ALP的活性增加能防止細胞凋亡。中等强度的流体剪切力作用0.5～1小时后可促进成骨细胞增殖，而流体剪切力过强反而会抑制成骨细胞的分化和增殖[38]。

1.3.2 FSS对破骨细胞的影响 FSS在一定强度范围内能增强破骨细胞的破骨作用及骨吸收功能，在最佳的力学强度与作用时间下破骨细胞的功能增强最明显[39]。流体剪应力在液体流丰富区域（破骨细胞的活动区）可刺激破骨细胞分化及发挥破骨功能。骨内膜血流系统、淋巴组织系统的淋巴液和骨组织细胞间液的压力梯度均能在骨细胞表面产生流体剪应力。研究发现在20 dyne/cm2以内的力而产生的流体剪应力可使破骨细胞沿着力的方向移动[40]。研究流体剪应力对TRAP的影响时，破骨细胞在16.08 dyne/cm2时骨吸收的陷窝面积最大，破骨细胞TRAP活性最强。抗酒石酸酸性磷酸酶（TRACP）是破骨细胞活性良好的标志物，血清中TRACP值的大小反映了骨新陈代谢状况。钙震荡（CO）是细胞内信息传递的重要方式，在流体剪应力作用下细胞内的钙含量升高到峰值后逐渐降低到基础水平为一个反应峰，部分细胞出现多个反应峰就形成了钙震荡，RANKL和RANK的结合就能激发破骨细胞出现钙震荡。流体剪应力刺激可上调破骨细胞内c-Fos基因表达，从而促进破骨细胞的形成与分化。破骨细胞前体细胞及破骨细胞内c-Fos基因和蛋白在RANKL-RANK受配体结合后的刺激下表达增加，同时诱导细胞发生钙振荡，单核细胞融合形成破骨细胞。钙震荡可刺激破骨细胞分化为多细胞核破骨细胞。流体剪应力刺激能够抑制RANKL和促进OPG生成，从而抑制破骨细胞的分化。破骨细胞成熟程度与其细胞融合程度及细胞核数量有关，融合的细胞、细胞核越多则破骨细胞越成熟。

2 小结

骨科的任何病理和生理与生物力学息息相关，Wolff定律在骨科骨折内固定手术、各种畸形矫正手术中无时不体现，通过对成骨细胞和破骨细胞对不同应力刺激所发生的功能变化而使骨结构发生改变的研究，进一步解释和印证了Wolff定律，从微观上剖析了Wolff定律的机制和不同应力作用的骨重建的变化;对骨折固定手术、畸形矫正手术等骨科治疗术后骨结构变化具有重要的指导意义。期待我们通过对生物力学在骨科的研究，将更加深入探索人体运动系统的奥秘。

参 考 文 献

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（收稿日期：2020-06-09 修回日期：2020-06-23）

（编辑：潘明志）