力学信号对成骨细胞凋亡的影响

魏鹤翔 张腾 张永 吴定 张成俊*

1.兰州大学第二临床医学院，甘肃 兰州 730000 2.兰州大学第二医院，甘肃 兰州 730000

骨骼是一种自适应性器官，可以通过调整和改变自身结构来适应外部的应力环境[1]。成骨细胞作为骨形成的主要介质，其增殖与凋亡对骨的生长发育和骨创伤的修复有关键的影响[2]。成骨细胞的凋亡与多种疾病密切相关，如骨质疏松症、航空飞行及长期卧床导致的骨质流失等[3-5]。对成骨细胞凋亡的研究可能给上述几种疾病的预防、治疗与康复提供新的思路与方法。

力学信号是影响成骨细胞凋亡的重要因素之一，在骨形成和骨重塑过程中起着重要的调节作用。力学信号可刺激成骨细胞主导的骨形成过程从而增加骨量；而力学信号的缺失则可减少骨形成并通过刺激破骨细胞主导的骨吸收过程使骨量减少[6]。早期关于应力对骨组织影响的理论主要以1892年提出的Wolff定律为代表，该定律提出的应力影响骨骼形成的这一基本观点得到了广泛的认同[7]。在此基础上，Frost提出了“机械稳定器理论”，该理论定义了骨骼生物学中构建和重塑这两个基本过程，并初步探讨了骨骼的功能适应性[7-8]。目前，有关应力对骨组织影响的研究还在不断深入进行。

目前，关于力学信号的研究最具代表性的为流体剪切应力、机械应力与静水压力3种力学负荷[4]。这3种应力不仅是当前研究的焦点，且均对成骨细胞的凋亡过程存在重要影响。现针对这3种应力加载对成骨细胞凋亡的影响作一综述。

1 流体剪切应力与成骨细胞凋亡

流体剪切应力(fluid shear stress，FSS)可以模拟人体在运动时骨组织内组织液对成骨细胞的影响。体内骨组织中有着复杂的孔隙结构，组织液会随着各种原因导致的骨组织形变在这些孔隙结构形成的微管中流动，从而对细胞施加流体剪切应力[2,9]。目前研究证明，流体剪切应力是生理条件下对成骨细胞影响最大的因素之一，缺乏流体剪切应力可直接引起骨细胞和成骨细胞凋亡[10]。目前的流体剪切应力研究采用的加载应力有单向流体剪切应力与振荡流体剪切应力之分，其中振荡流体剪切应力被认为最具有生理学意义[11]。

许多研究认为一定强度的流体剪切应力可抑制细胞凋亡，目前研究公认强度为10～12 dyne/cm2(即1～1.2 Pa)的流体剪切应力抑制细胞凋亡的作用最明显[12]。如Pavalko等[11]的研究中使用12 dyne/cm2的流体剪切应力作用于成骨细胞4 h后，由TNF-α诱导的成骨细胞凋亡可以被显著抑制，他们的研究还发现抑制PI3激酶可以阻断流体剪切应力对TNF-α诱导的成骨细胞凋亡的抑制作用，说明流体剪切应力可通过激活PI3激酶和抑制凋亡相关蛋白caspase-3表达抑制TNF-α诱导的成骨细胞凋亡。而在Wang等[10]的研究中发现，振荡流体剪切应力可以通过抑制TNFR I的表面表达、抑制caspase-8的活化等方式抑制TNF-α介导的成骨细胞凋亡，且这种作用与此前发现的一些凋亡抑制因子如MPK、NO等无关，在他们的研究中，12 dyne/cm2的流体剪切应力作用5 min即可显著抑制TNF-α诱导的成骨细胞凋亡，而流体剪切应力加载2 h可以几乎完全消除成骨细胞的凋亡形态学征象。

同时，部分研究指出强度过大的流体剪切应力的流体剪切应力具有促进成骨细胞凋亡的作用。研究指出，流体剪切应力作用1 h以上时，成骨细胞形态开始改变，细胞脱落增多，随作用时间延长，成骨细胞凋亡趋势更加明显，当流体剪切应力作用4 h以上时，成骨细胞形态全部改变，大部分细胞出现凋亡征象[12]。Liu等[13]的研究发现，当流体剪切应力强度不超过2 Pa时，成骨细胞中凋亡抑制蛋白bcl-2和凋亡相关蛋白caspase-3的表达量均随加载流体剪切应力的强度增大而明显增大，成骨细胞凋亡情况也没有出现明显的变化；而当应力强度超过3 Pa时，bcl-2水平转而随应力强度增大而下降，细胞出现大量凋亡。

上述研究的结果说明，流体剪切应力的作用存在明显的抗凋亡-促凋亡转化现象，即一定强度流体剪切应力可抑制细胞凋亡，但超出阈值强度的流体剪切应力可促进细胞凋亡，与Frost的机械稳定器理论相符合[7]。而同样根据Frost的机械稳定器理论推导，过长时间的流体剪切应力加载对于成骨细胞也应存在促进凋亡的作用，由于目前针对此方面的研究较少，还不能得出确切结论。

2 牵张应力与成骨细胞凋亡

牵张应力可模拟在骨骼受压形变时对成骨细胞的牵张作用。由于成骨细胞在完成骨形成后大部转为骨细胞并被包裹入骨基质，未转化的成骨细胞主要位于骨组织边缘和骨膜附近，因此骨骼受到外力形变时成骨细胞会随之受到牵张力的影响[15]。加载牵张应力的研究常将细胞接种至专用硅胶弹性膜上，并进行周期性牵拉。牵张应力的强度以该强度下细胞的形变量表示,并通常以百分率方式表示[16-17]。

目前，有关牵张应力的研究已经比较完善。如Chen等[15]的研究对不同强度和不同加载时间下成骨细胞的凋亡情况均进行了实验，实验证明，牵张应力导致形变在6 %且作用时间小于4 h时，加载牵张应力可显著抑制成骨细胞凋亡；而形变在12 %时，只有应力加载时间在2 h以内时可起到较弱抑制凋亡作用。所有强度的应力加载均会在一定时间后转而促进成骨细胞凋亡，且该时间随加载强度与最适强度数值的差值增大而增大。而Li等[16]则进一步研究了不同强度牵张应力作用时成骨细胞内凋亡相关蛋白的表达情况。在他们的研究中，拉伸6 %时牵张应力可降低caspase-3和caspase-8的活性并增强bcl-2表达，从而抑制由血清饥饿引起的成骨细胞凋亡；而当应力强度增强至拉伸12 %时，caspase-3表达反而被促进，caspase-8和Bax的表达随之上升，从而促进成骨细胞凋亡。因此，可以认为bcl-2/bax蛋白家族在牵张应力调控成骨细胞凋亡的过程中起着非常重要的作用，由于该家族蛋白的含量与比例在牵张应力作用下随加载时间延长而发生变化，进而导致牵张应力作用下的成骨细胞出现与时间相关的抗凋亡-促凋亡作用转化现象。同时，Liu等[18]在他们的研究中指出，12 %循环拉伸应力可上调成骨细胞中微小RNA(miRNA)的表达，从而有效抑制成骨细胞中Smad5的表达，进而对骨形成过程产生积极影响。

对上述研究内容进行综合分析，可以认为牵张应力信号与流体剪切应力信号对于成骨细胞的影响相似，同样存在多效性，主要的影响因素均包括力学信号的强度，由于以时间为变量的研究较少，牵张应力的加载时间对于成骨细胞凋亡的影响尚难以量化。

3 静水压力与成骨细胞凋亡

静水压力(hydrostatic pressure，HP)可模拟骨组织直接承受压力时成骨细胞受到的力作用。骨内骨液的加压在骨力学中起着至关重要的作用，因为它提供了静水压力，并迫使间质液和骨髓分别流经腔隙-小管系统(LCS)和髓腔内，同时向骨细胞和成骨细胞施加流体剪切应力[19]。有研究指出，静水压力可均匀地施加于所有细胞，因此培养基流动所导致的养分迁移等因素对静水压力研究的影响要小于上述两种负荷相关的研究[20]。而成骨细胞对静水压力的敏感性要大于对流体剪切应力的敏感性[21]。由于任何使用培养基进行的应力加载研究都无法完全去除静水压力的作用，因此，使用静水压力的细胞研究有着重要的意义。

目前，对于静水压力与成骨细胞凋亡间关系的研究相对较少。现有的静水压力研究主要包括直接对培养细胞的培养基加载压力和外加气压以间接加载压力两种[17,22]，为模拟生理条件下静水压力对骨组织的作用情况，当前实验研究多采用循环静水压力[2,22]。Takai等[17]的研究给小梁骨外植体模型施加动态静水压，然后通过骨组织形态计量学方法证明，在加载第8天，动态静水压显著增强了成骨细胞活性，但该研究同时指出，该作用与模型中活骨细胞的数量存在关联性，故难以确定静水压力对于单独存在的成骨细胞具有类似作用。Gardinier等[23]的研究及上述研究都认为，静水压力对细胞的作用与细胞间及细胞内的信号蛋白如NFκB、磷脂酶C等相关，而非对单个细胞的独立作用。因此，静水压力研究往往使用立体模型进行。然而由于缺乏有效的技术手段，对生理静水压力的直接测量及其在体内的效果评估仍然受到限制[24]。

由于缺乏其他类似研究佐证，上述研究的结论仅具有学术上的指导意义。目前，静水压力对成骨细胞凋亡具体影响的量化研究仍较少。现有研究仅能确定较低强度静水压力对成骨细胞有积极作用[25]。然而，根据流体剪切应力对成骨细胞作用影响与牵张应力对成骨细胞作用影响的相似性，可以猜想静水压力与上述两种应力对成骨细胞的作用也存在着一定的相似性，即与时间和强度相关的抗凋亡-促凋亡转化现象，但这种猜想仍有待于未来研究的证实。

4 讨论

综合看来，目前应力相关研究主要围绕着一个基本问题，即力学负荷对成骨细胞造成影响的具体机制。如大多数关于流体剪切应力的研究都指出，流体剪切应力可以抑制TNF-α诱导的成骨细胞凋亡[11]。除此之外，ERK5信号通路[26-27]、PI3K/AKT途径[28]等均与应力加载抑制或促进成骨细胞凋亡有关。因此，可以认为力学负荷对成骨细胞凋亡的影响是多途径并受多种信号因子调控的。

根据上述研究统合分析，可以推测某些力学信号对于成骨细胞的影响存在与时间和强度相关的多效性，即抗凋亡-促凋亡转化现象，主要表现为：①当应力类型与作用时间均不变时，低于最适强度的流体剪切应力可抑制成骨细胞凋亡，而高于最适强度的流体剪切应力则会促进成骨细胞凋亡，实际加载强度与最适存活强度相差越大，其抑/促凋亡作用就越强[14]；②当应力类型与加载强度不变时，随作用时间延长，流体剪切应力抗成骨细胞凋亡的作用逐渐增强，并在特定时间点达到峰值，在该时间点之后，流体剪切应力抗凋亡的作用随作用时间延长而减弱，反而会出现随时间增强的促凋亡作用[11-13]。机械牵张应力与流体剪切应力相似，存在加载强度不同导致的多效性，但由于长时间高强度加载的研究较少，因此仍需要未来研究验证[16-17]。静水压力有很大可能同样存在类似的抗凋亡-促凋亡转化现象，有待未来研究证实。

5 研究现状与展望

受限于研究条件，当前的相关研究大多仅针对一种应力，甚至一种应力的一种特殊类型，而且目前大多数研究针对单一种类细胞的研究，难以模拟较为复杂的生理状况下受力模式及信号传导情况[29]。对于多种应力作用于不同类型细胞间的比较研究较少。因此，对不同力学负荷加载进行比较可能是未来的研究方向。在机体生理条件下，力学信号主要作用于骨组织整体，而目前研究多针对某一单独的细胞，未来研究应着重模拟骨细胞、破骨细胞与成骨细胞作为整体对力学信号的反应[30]。

根据现有的研究，可以发现各种应力对成骨细胞的影响具有相似性[14,16-17]。亚细胞水平的研究也证明，各种应力影响成骨细胞凋亡的信号通路等存在重合，如流体剪切应力与牵张应力均可通过bcl-2/bax蛋白家族调控成骨细胞的凋亡过程[14,17]。因此，未来对于应力加载与成骨细胞凋亡关系的研究应更多地着眼于各种应力加载影响的共同点以及多种力学负荷共同作用对成骨细胞的影响。或许可根据各不同力学负荷间的共同点提出一个包括多种力学信号和细胞内信号通路在内的统一性理论。而与力学信号加载时间和强度相关的抗凋亡-促凋亡转化现象很有可能是这个统一性理论的突破口。同时，由于大多数研究为体外细胞研究，成果难以转化用于临床，未来研究应更多注重力学负荷在以原发性骨质疏松为代表的相关疾病的治疗中可能起到的作用[31]。