综 述成骨细胞的应力调控机制M echanical biology of osteoblast胡孔足综述,张先龙审校HU K ong zu,Z HANG X i a n long关键词:成骨细胞;应力 K ey words:osteoblas ts;stres s中图分类号:R329 24 文献标识码:A 文章编号:1008-0287(2009)01-0094-03近年来,骨组织细胞的力学生物学研究逐步兴起,主要研究细胞受应力作用后的生物学反应机制,包括应力的作用效应、应力信号通路、调节机制等。
由于成骨细胞易于获取,培养方便,与骨髓干细胞和骨细胞是同源细胞,在应力作用机制上具有高度的相似性,因此,研究的内容集中在成骨细胞的应力调控机制。
笔者就成骨细胞的应力作用效应、调节机制、信号通路等方面的研究进展作一综述。
1 应力对成骨细胞功能的影响1.1 张应力对成骨细胞功能的影响成骨细胞对张应力的作用很敏感。
G ab bay et a l[1]发现牵拉成骨细胞促进成骨细胞增值,而交替牵拉和压缩成骨细胞则促进成骨细胞分化。
W eyts e t a l[2]认为,成骨细胞的牵拉效应与成骨细胞的分化程度有关:培养7d的成骨细胞行0 4%~2 5%牵拉后诱导细胞凋亡,同样的应力对于培养14d的成骨细胞则促进增殖。
Jansen et a l[3]同样发现成骨细胞的牵拉效应与分化程度有关。
唐丽灵等[4]的研究显示,成骨细胞在500微应变时促进成骨细胞的增殖、分化、矿化,而1000微应变则抑制成骨细胞的活性。
Q i e t a l[5]发现短时间高应变(40 m i n,2000微应变)诱导间充质干细胞向成骨细胞分化并增强其成骨能力。
T ang作者单位:上海交通大学附属第六人民医院骨科,上海 200233作者简介:胡孔足,男,博士生,主治医师,主要从事人工关节、创伤研究;张先龙,男,博士,主任医师,教授,博士生导师,通讯作者,主要从事人工关节研究。
et a l[6]证明牵拉成骨效应与张力的大小有关。
1.2 剪切应力对成骨细胞功能的影响骨组织存在大量的微管结构,外界应力可引起微管内液体流动,形成流体剪切应力。
体外研究证实动态流体剪切应力促进成骨细胞分化增殖,抑制成骨细胞凋亡[7-8]。
T anaka et a l[9]体外研究证实剪切应力可诱导成骨细胞表达成骨活动相关基因。
Sch w artz et a l[10]体外研究证实剪切应力成骨细胞的效应与应力作用时间、细胞培养底物的不同而不同。
1.3 压应力对成骨细胞功能的影响与张应力和剪切应力相比较,压应力的研究比较少。
N aga to m i e t a l[11]发现生理水平周期性压应力促进成骨细胞的增殖与分化,效应与加载频率、时间有关。
M its u i et a l[12-14]证实一定持续性压应力(0 5~3 0g/c m2)促进骨形成,而K oyam a et a l[15]的研究显示3 0g/cm2的压应力促进成骨细胞炎性细胞因子释放,诱导破骨细胞的骨吸收。
2 应力诱导成骨细胞调节成骨破骨活动的作用基因应力刺激诱导成骨细胞的功能基因表达,其产物作用于相应细胞的位点,调节成骨及破骨活动。
2.1 成骨细胞对成骨活动的调控 多种基因参与成骨细胞对于自生的生成及功能调控,其中最重要的是核心结合因子(core bind i ng factor a1,Cb f a1)。
Cbfa1又称为Runx2,是成骨过程最早表达并最具有特异性的转录子。
Cb fa1/Runx2是runt转录子家族成员,对成骨细胞的募集、分化起重要启动作用。
Levanon et a l(1994年)首先分离出Cbfa1/Runx2并证实其对调控干细胞向成骨细胞分化的启动作用。
G orde ladze et al[16]利用RNA沉默技术研究发现Cbfa1/Runx2下调后,体内体外成骨细胞功能均受到明显抑制。
Cbfa1/Runx2是应力作用于成骨细胞的靶点[17]。
K anno et a l[18]证实张应力可促进骨膜细胞Cbfa1/Runx2的表达,并诱导骨膜细胞向成骨细胞分化。
多种信号通路参与Cbfa1/R unx2调节[19]。
张应力介导Cbfa1/R unx2磷酸化而活化[20]。
M ehrotra e t a l[21]发现流体剪切应力依赖于Cbfa1/R unx2的介导诱导环氧化酶 2(cy clooxygenase 2,COX 2)的表达。
Cbfa1过度表达则抑制成骨细胞的成熟而引起骨质减少[22]。
此外,成骨细胞调节自身功能的基因还包括:生长因子(grow th factors,GF s),骨形态发生蛋白(bone m orphogenetic prote i ns,B M P s),转化生长因子(transf o r m i ng g row t h factor ,TG F )等[23]。
2.2 成骨细胞对破骨活动的调控作用成骨细胞对破骨细胞的分化和激活有直接调控作用,体外试验表明单核细胞必须与成骨细胞共同培养才能诱导分化成破骨细胞。
成骨细胞对于破骨细胞的调控主要是通过肿瘤坏死因子家族OPG/RANKL/RANK系统完成的。
细胞核因子 B受体活化因子(recepto r ac tivator o f nuc lear fac t o r B,RANK)位于破骨细胞表面,RANK ligand(RANK L)是其配基。
Y asuda et al(1998年)克隆出破骨细胞分化抑制因子(osteoc l astogenesis i nhibitory f ac t o r,OC I F),又名骨保护素(osteoproteger i n,O PG),并证实OPG与RANK L竞争性地与破骨细胞表面RANK结合,抑制破骨细胞的94临床骨科杂志 J ournal of C linical O r t hopaedics 2009F eb;12(1)分化及功能表达。
RANK和RANKL是破骨细胞分化及功能调控的关键蛋白[24-25]。
成骨细胞可以表达RANKL,与破骨细胞表面的RANK结合,通过细胞内信号转导,激活破骨细胞。
这一过程可以被OPG竞争性结合而阻断[26]。
成骨细胞受外应力作用后,OPG, RANKL的表达可发生变化,OPG/ RANKL/RANK系统作用发生相应改变。
Stadel m ann et a l[27]从组织水平证实,模拟人工关节界面压应力及微动作用于骨组织块可诱导RANKL表达,并抑制O PG表达。
M ande li n et a l[28]证实假体周围O PG/RANKL/RANK系统失平衡是假体松动松动的分子生物学基础。
T ang et a l[6]证实张力可以促进成骨细胞O PG 表达,抑制RANKL表达。
Saunde rs et al[29]的研究表明应力(混合应力)作用于成骨细胞后,促进OPG表达,对RANKL的表达无显著影响。
K reja et al[30]的研究则提示间断张应力促进RANKL表达,对OPG表达无明显影响,而持续张应力加载对成骨细胞RANKL 和OPG均无明显影响。
应力还可以调节成骨细胞分泌巨噬细胞集落刺激因子(m acrophage co l ony sti m u l ating factor,M CSF),参与破骨细胞的分化与成熟[26,29-30]。
近年来发现,成骨细胞和破骨细胞存在细胞之间直接信息传递[31]。
3 成骨细胞的应力信号转导通路多种信号通路介导成骨细胞应力效应[32],包括:细胞外基质-整合素-细胞骨架-核基质系统、力学特异敏感性离子通道、细胞间隙连接以及各种受体与配体介导细胞内第二信使,C a2+、三磷酸腺苷及蛋白激酶系统。
并且与全身信号如:激素、神经递质等交互作用。
T ang e t al[6]应用吲哚美辛干预可阻断成骨细胞OPG表达,应用细胞外激酶-分裂原活化蛋白激酶(ex tracell u l ar si gnal regu lated kinase m itog en acti va ted prote i n k i nase,ERK M A PK)抑制剂PD098059处理可以阻断RANK L的抑制效应,提示环氧化酶(COX)、ERK MA PK 通路参与张应力的介导。
L ee et a l[7]证实流体剪切应力加载成骨细胞后,激活整合素介导的M APK通路,激活纤连蛋白(fi bronecti n,FN), 型胶原蛋白(t ype co ll agen,COL1),和层粘连蛋白(la m i n i n,LM)等成骨相关基因。
L i uet a l[33]认为,流体剪切应力依赖ATP和Ca2+激活成骨细胞M APK s通路。
P avalko et a l[8]证实剪切应力激活成骨细胞磷酸肌醇3激酶(P hospho i nositi de3 kinase,P I3激酶),抑制基因csapase 3的活性,阻断成骨细胞凋亡。
Charoonpatrapong P anyayong et al[34]证实锌指蛋Nm p4/C IZ参与应力介导基质金属蛋白酶 13(ma tr i x m eta lloprote i nase 13,MM P13)上调。
M i tsui N et a l[13]证实压应力诱导成骨细胞前列腺素E2(prostag landin E2,PG E2)表达,介导骨唾液酸蛋白,骨桥蛋白的生成。
Bakker et a l[35]证实剪切应力激活骨COX 2,而不是COX 1。
PGE2激活细胞膜G蛋白偶联受体(G pro tei ncoupled recepto rs,GPCR),活化细胞内腺苷环化酶,诱导合成IP3and甘油二酯(diacy lg l ycero,l DAG),进一步激活蛋白激酶C(pro te i n kinase C,PK C)和MA PK s通路[36]。
应力可激活成骨细胞酪氨酸、苏氨酸受体,诱导细胞生长因子如:胰岛素样生长因子 、 (ins u lin li ke grow th factor , ,I GF , ),血管内皮生长因子(VEGF),TG F1,B M P 2,4等表达[36-37]。
T r i p l e tt et al[38]认为,流体剪切力可以增强成骨细胞胰岛素样生长因子 受体的敏感性。
P ava l ko et a l[39]建立细胞应力转导模型,认为骨细胞(bonecell)内存在多蛋白复合体(m ulti prote i ncomp l exes),并称之为 应力小体(mechanoso m es),以聚合与解聚的形式调节功能。
