航空微重力生物學(xué)探析范文

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作者：楊肖孫聯(lián)文樊瑜波單位：北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院生物力學(xué)與力生物學(xué)教育部重點實驗室

骨組織中的骨細胞是體內(nèi)負責(zé)感應(yīng)力學(xué)負荷的主要細胞，對機械應(yīng)力的變化要比骨組織中其它細胞(如成骨細胞)更為敏感。正常重力環(huán)境下，當(dāng)機械力作用于骨時會產(chǎn)生骨應(yīng)變，引起骨基質(zhì)變形并擠壓骨陷窩，骨細胞可直接感受骨應(yīng)變產(chǎn)生的液體流動并間接受骨基質(zhì)的擠壓作用，進而激活力學(xué)傳導(dǎo)通路，將力學(xué)刺激轉(zhuǎn)換為生化信號傳遞給成骨細胞和破骨細胞，使其做出相應(yīng)反應(yīng)，通過調(diào)控骨形成和骨吸收以調(diào)節(jié)骨的力學(xué)適應(yīng)性。關(guān)于骨細胞力生物學(xué)方面研究的文獻報道始于20世紀90年代。早期研究一般使用的是原代培養(yǎng)的骨細胞，由于原代培養(yǎng)骨細胞的技術(shù)比較難，所以對骨細胞的研究十分有限。直到1999年Linda等從小鼠長骨分離出骨細胞，建立起骨樣細胞系MLO-Y4，此后骨細胞力生物學(xué)方面的研究才逐漸增多。然而，微重力和超重力環(huán)境下有關(guān)骨細胞對力學(xué)刺激的生物學(xué)響應(yīng)方面的研究仍十分有限。本文主要綜述了正常重力下骨細胞對力學(xué)刺激下的生物學(xué)響應(yīng)，以及骨細胞加載力學(xué)刺激后對成骨細胞和破骨細胞的調(diào)控作用，同時對微重力和超重環(huán)境下骨細胞力生物學(xué)方面的研究進展也作了回顧和總結(jié)。

1正常重力對骨細胞的作用

1．1骨細胞對力學(xué)刺激的響應(yīng)

體外培養(yǎng)骨細胞并施加力學(xué)刺激，可產(chǎn)生一系列基因和分子代謝水平變化。骨細胞在力學(xué)刺激下，一氧化氮(NO)、前列腺素E2(PGE2)、三磷酸腺苷(ATP)等信號分子釋放量顯著增多，Ca2+通道打開、胞外Ca2+涌入胞內(nèi)，胰島素樣生長因子(IGF)-1、前列環(huán)素(PGI)-2等細胞因子改變，基因cox-2、c-fos表達升高，I型膠原、骨鈣素(BGP)、骨橋蛋白(OPN)等蛋白表達升高，Wnt/β-catenin信號通路和cAMP/PKA通路在力學(xué)刺激下分別被激活，Wnt家族Wnt3a，Con-nexin43，CD44等基因上調(diào)，Bcl-2/Bax的基因表達上調(diào)，表征凋亡的caspase3/7基因表達下調(diào)，糖皮質(zhì)激素和腫瘤壞死因子(TNF)-α對骨細胞的凋亡作用被抑制，進而抑制骨細胞凋亡。

骨細胞對同一力學(xué)刺激下的響應(yīng)隨加載時間和載荷大小而變化，響應(yīng)敏感程度隨細胞不同形態(tài)或胞體不同區(qū)域而變化。Chen等研究表明，循環(huán)壓應(yīng)力作用時間增加，某些基因的表達在作用時間變化的同時發(fā)生改變，導(dǎo)致骨細胞上調(diào)基因數(shù)減少，而下調(diào)基因數(shù)增多，致使骨細胞募集破骨細胞并發(fā)出活化信號的能力增強。Nesbitt等研究表明，骨細胞系受拉伸作用后細胞骨架F-actin排列發(fā)生解聚，這種解聚的發(fā)生隨加載循環(huán)的次數(shù)、頻率以及循環(huán)間歇刺激次數(shù)的增加而加倍，去負荷后重又回到原始水平。Ratha等發(fā)現(xiàn)，MLO-Y4受流體剪切力作用后其胞內(nèi)鈣及NO濃度發(fā)生改變，且胞內(nèi)鈣濃度隨剪切應(yīng)力的增加而呈線性增加。Bacabac等發(fā)現(xiàn)，半懸浮或懸浮呈球形的骨細胞受力后短時NO釋放量增加幅度遠高于完全貼壁伸展的骨細胞，且半懸浮或完全懸浮骨細胞受微壓力后彈性常數(shù)和硬度小于貼壁骨細胞;Vatsa等［20］發(fā)現(xiàn)顱骨處骨細胞呈相對球形，腓骨處骨細胞呈細長形，分別對其進行測量后證實，顱骨處球形骨細胞各向異性小于腓骨處細長形骨細胞，兩項研究均提示呈球形的骨細胞對力學(xué)刺激更為敏感。另外，骨細胞細胞核區(qū)域的彈性模量遠小于細胞外周，提示核區(qū)域?qū)αW(xué)刺激更為敏感;而骨細胞突觸引起附近鈣的瞬變所需的形變遠小于細胞體引起鈣瞬變所需的形變，提示骨細胞突觸比骨細胞體對力學(xué)刺激更為敏感。骨細胞對不同方式的力學(xué)刺激的響應(yīng)也不同。Ponik等對MLO-Y4分別施加脈動和單向剪切力，發(fā)現(xiàn)骨細胞受單向剪切力24h后F-actin呈現(xiàn)線性排布，而脈動剪切力作用24h后F-actin則伸展出多個突觸，其形態(tài)與骨細胞突觸的形態(tài)類似。Miyauchi等發(fā)現(xiàn)，循環(huán)拉應(yīng)力下骨細胞的胞內(nèi)鈣明顯增加，胞外鈣大量涌入胞內(nèi)，IGF-1mRNA表達明顯升高。但Teruko和Kamioka等［23-24］的研究表明，骨細胞受剪切應(yīng)力作用后并未產(chǎn)生胞內(nèi)鈣的瞬時變化響應(yīng)。Jiang等發(fā)現(xiàn)，MLO-Y4受恒定剪切應(yīng)力刺激后，Cx43表達上調(diào)使得由Cx43組成的間隙連接被激活，進而誘導(dǎo)胞內(nèi)PGE2的釋放。而Genetos等發(fā)現(xiàn)，MLO-Y4受脈動剪切應(yīng)力作用后，雖然Cx43蛋白組成的間隙連接被激活，但并不直接誘導(dǎo)PGE2的釋放，而是誘導(dǎo)ATP的釋放增加。

常用的對骨細胞施力形式主要包括牽拉力、壓應(yīng)力和剪切力，而近年有學(xué)者利用原子力顯微鏡、光鑷、顯微操作針等新興力加載方式對骨細胞施力，測量其形態(tài)及彈性模量、硬度、各向異性等力學(xué)參數(shù)的變化。例如Sugawara等用原子力顯微鏡測量出成骨細胞、類骨細胞及骨細胞3種細胞的彈性模量，發(fā)現(xiàn)從成骨細胞向骨細胞轉(zhuǎn)化的3個階段細胞的彈性模量成比例下降，且骨細胞黏著斑附近彈性模量遠低于成骨細胞相同區(qū)域的彈性模量，提示骨細胞受到力學(xué)刺激后更易變形，間接反映骨細胞對力學(xué)刺激更為敏感的特性。

1．2力學(xué)刺激下骨細胞對成骨和破骨細胞的調(diào)控作用

骨細胞在響應(yīng)力學(xué)信號時釋放的PGE2，NO，ATP，可溶性破骨細胞分化因子(sRANKL)，護骨素(OPG)等均是調(diào)節(jié)成骨細胞和破骨細胞活動的潛在因素。骨可承受的生理應(yīng)變范圍在1200～1900με，相應(yīng)的骨細胞可承受的剪切應(yīng)力作用范圍在0．6～3Pa(1Pa=10dyn/cm2)，低于體內(nèi)正常應(yīng)力范圍的力學(xué)刺激會誘導(dǎo)骨細胞釋放PGE2等保護破骨細胞的信號分子，使OPG-L/ODF的mRNA水平升高，募集破骨細胞到應(yīng)力作用低的部位，促進破骨細胞分化及活性，并增強骨吸收。而體內(nèi)正常受力范圍內(nèi)的力學(xué)刺激下，骨細胞釋放的PGE2下降而NO釋放量增加，抑制sRANKL/OPG釋放，驅(qū)散破骨細胞或抑制破骨細胞形成，阻止骨吸收的發(fā)生，同時增強成骨細胞活性，促進成骨作用。力學(xué)刺激后的骨細胞通過與成骨細胞的間隙連接或釋放信號分子至培養(yǎng)基內(nèi)，增強成骨細胞的活性。Taylor等研究表明，共培養(yǎng)骨細胞和成骨細胞時，對骨細胞施加4．4dyn/cm2的恒定低剪切應(yīng)力1h，骨細胞會通過細胞間隙連接向成骨細胞釋放Ca2+，使成骨細胞的堿性磷酸酶(ALP)活性增強，而用受剪切骨細胞的培養(yǎng)基培養(yǎng)成骨細胞2h，成骨細胞的ALP活性未見顯著增強。然而，Peter等發(fā)現(xiàn)，用7dyn/cm2，5Hz的脈動剪切應(yīng)力作用骨細胞1h后的培養(yǎng)基培養(yǎng)成骨細胞48h，ALP活性明顯升高。這可能與不同力學(xué)刺激方式及培養(yǎng)成骨細胞的時間長短有關(guān)。骨細胞受力學(xué)刺激后還可抑制破骨細胞形成及活性。You等發(fā)現(xiàn)，將受10dyn/cm2、1Hz的脈動剪切應(yīng)力作用2h后的骨細胞與破骨前體細胞共培養(yǎng)7d，可抑制前體細胞向破骨細胞分化，此外骨細胞釋放于培養(yǎng)基內(nèi)的sRANKL/OPG下調(diào)。Tan等收集了受7dyn/cm2，5Hz的脈動剪切力1h的骨細胞培養(yǎng)基，用于培養(yǎng)破骨細胞6d，顯著抑制了破骨細胞的形成，進而阻礙骨吸收的發(fā)生。Lau等則利用低幅(0．3×g)高頻(30～90Hz)振動作用于骨細胞1h后的培養(yǎng)基培養(yǎng)破骨前體細胞5d，同樣抑制破骨前體細胞向破骨細胞的分化，同時骨細胞內(nèi)的RANKL/OPG基因下調(diào)。受力后的骨細胞功能蛋白的表達也會發(fā)生變化，從而影響成骨和破骨。sclerostin是骨細胞特異性蛋白，為Sost基因的產(chǎn)物，與DDK1同是影響骨形成的蛋白，sclerostin和DDK1均可通過抑制Wnt信號通路阻礙骨形成的發(fā)生;壓縮小鼠尺骨后發(fā)現(xiàn)Sost基因轉(zhuǎn)錄、sclerostin及DDK1蛋白表達均下降，提示W(wǎng)nt/Lrp5信號通路可能被激活。另外，HB-GAM也是一種骨細胞特異性蛋白，在骨細胞受剪切應(yīng)力作用時上調(diào)，其表達參與力學(xué)刺激引起的成骨作用，但可能與骨吸收作用無關(guān)。

2微重力對骨細胞的影響

空間飛行為骨細胞力生物學(xué)研究提供了真實的微重力環(huán)境。Bacabac等在空間飛行實驗中搭載原代培養(yǎng)的骨細胞，并在飛行過程中對其施加脈動剪切應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)相關(guān)地面實驗組骨細胞受兩次剪切應(yīng)力刺激后NO釋放量顯著增加，但由于硬件原因并沒有獲得有效的空間實驗組數(shù)據(jù)。Rodionova等發(fā)現(xiàn)，空間飛行搭載的獼猴髂骨早期骨細胞內(nèi)，合成膠原蛋白的粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)數(shù)量明顯增多，成骨細胞具有成纖維細胞顯型，其周圍被膠原纖維包圍且未出現(xiàn)骨礦化，骨陷窩形成被抑制;成熟骨細胞內(nèi)合成溶酶體的高爾基復(fù)合體數(shù)量及溶酶體數(shù)量明顯增加，骨細胞溶骨活性增強，骨陷窩內(nèi)已礦化的骨基質(zhì)吸收增強。空間飛行的研究費用昂貴，因而地面實驗中常用嚙齒動物尾吊去負荷模型和細胞回轉(zhuǎn)裝置模擬微重力來進行相關(guān)研究。Basso等發(fā)現(xiàn)大鼠尾吊2周后，骨細胞凋亡率明顯上升，破骨細胞數(shù)量增加，脛骨骨量降低;重負載后大鼠體內(nèi)骨細胞數(shù)和骨量恢復(fù)到正常水平，誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)陽性表達的骨細胞較原有水平上升50%，提示重負載可促進骨細胞NO釋放量的增加，進而抑制骨細胞凋亡和破骨細胞形成。此外，Aguirre等證實，小鼠尾吊后皮質(zhì)骨內(nèi)骨細胞首先發(fā)生大量凋亡，進而募集破骨細胞，導(dǎo)致凋亡區(qū)域優(yōu)先發(fā)生骨吸收。另一研究表明，小鼠尾吊后，脛骨骨細胞的Sost基因表達明顯增加，抑制了Wnt/β-catenin信號通路，影響骨細胞活性及成骨細胞功能，阻礙骨形成;而敲除Sost基因的小鼠尾吊后Wnt/β-catenin信號通路并未被抑制，可有效對抗后肢廢用性骨量丟失。孟芮等利用細胞回轉(zhuǎn)器初探骨細胞模擬微重力后其培養(yǎng)基對成骨細胞功能的影響，發(fā)現(xiàn)用條件培養(yǎng)基培養(yǎng)的成骨細胞在24h和48h時明顯增殖，但OPN，Runx2，BGP，ALP等成骨相關(guān)基因表達明顯下降。Tatsumi等培育了一種轉(zhuǎn)基因小鼠(Tg小鼠)，其骨細胞可特異表達白喉毒素(DT)受體，注射DT可消除體內(nèi)70%～80%骨細胞，Tg小鼠與野生型小鼠(WT小鼠)相比，表現(xiàn)出骨老化、骨脆性增加、成骨功能紊亂、骨小梁微結(jié)構(gòu)退化等現(xiàn)象。但尾吊注射DT的Tg小鼠7d卻未出現(xiàn)模擬微重力引起WT小鼠的骨丟失現(xiàn)象，提示小鼠對負荷消失的感知需通過骨細胞。然而，如果給Tg小鼠注射DT去除骨細胞的時間后移至恢復(fù)負載期，則尾吊引起的骨量丟失2周內(nèi)即可回升至正常水平，提示破骨和成骨細胞對負載力學(xué)刺激的響應(yīng)可能無需通過骨細胞。

3超重對骨細胞的影響

近年來，Qian等開始利用大梯度高磁場(LG-HMF)構(gòu)建出的0G重力或2G超重力環(huán)境，研究骨細胞形態(tài)學(xué)和骨架的變化。他們發(fā)現(xiàn)骨細胞在0G和2G環(huán)境中，細胞形態(tài)、胞核尺寸、細胞骨架排布及黏著斑蛋白的分布和表達相較1G對照組均發(fā)生變化，且猜測細胞粘附相關(guān)的蛋白可能參與了骨細胞感知力學(xué)環(huán)境的改變。Di等還對進行過拋物線飛行實驗的骨細胞其形態(tài)、細胞骨架等進行分析。飛行實驗在上升過程時產(chǎn)生超重環(huán)境加速度達1．8G，持續(xù)20s，并在自由下落時產(chǎn)生微重力環(huán)境。拋物線飛行實驗發(fā)現(xiàn)骨細胞的面積和高度沒有顯著性變化、無細胞凋亡現(xiàn)象，但肌動蛋白在細胞邊緣聚合增強，微管被分解且中心消失，Cx43蛋白表達下降，提示微重力與超重力環(huán)境的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致骨細胞細胞骨架發(fā)生改變，并抑制細胞的間隙連接。地面實驗?zāi)M空間發(fā)射超重環(huán)境時，3G的超重環(huán)境即可使成骨瘤細胞分裂旺盛、增值迅速并堆疊生長。此外，成骨細胞粘附性發(fā)生改變，肌動蛋白纖維數(shù)量和厚度增加、粘著斑蛋白數(shù)量增加，纖維蛋白熒光強度下降，成骨細胞膠原合成增加，I型膠原CollA2的mRNA表達增加。成骨細胞增殖明顯，細胞分化被抑制，PGE2釋放量增加。初期成骨細胞對超重的響應(yīng)相較已分化的成骨細胞敏感，其在10G時釋放的PGE2是在正常重力環(huán)境下釋放量的2．5倍，且釋放量隨超重加速度以及持續(xù)時間的增加而增加。2G的超重環(huán)境可促進骨髓間充質(zhì)干細胞的增殖，細胞內(nèi)微管及微絲聚合作用加強，胞內(nèi)ALP，Cbfa1和CollA1基因表達升高，促進其向成骨細胞分化，成骨功能增強。還有研究表明30G的超重環(huán)境會導(dǎo)致破骨細胞的活性升高。此外，VanLoon等［53］利用原子力顯微鏡在超重環(huán)境下對成骨細胞施加微壓力，發(fā)現(xiàn)成骨細胞細胞高度下降，細胞形態(tài)和細胞骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，粘彈性發(fā)生改變，以適應(yīng)力學(xué)刺激的變化。

4結(jié)語

骨細胞不僅是骨組織內(nèi)對力學(xué)負荷變化最為敏感的細胞，其本身不同區(qū)域?qū)αW(xué)刺激的敏感性也不同;同時當(dāng)力學(xué)負荷的形式或加載時間發(fā)生變化時，骨細胞對其的響應(yīng)也隨之有所改變。目前有關(guān)骨細胞正常重力下對力學(xué)刺激的響應(yīng)及其對骨組織內(nèi)其他細胞調(diào)控的研究已有較多的報道。然而，關(guān)于微重力下骨細胞力生物學(xué)研究還十分有限，微重力環(huán)境下骨細胞對力學(xué)刺激的生物學(xué)響應(yīng)以及對其它細胞的調(diào)控，尤其超重下骨細胞對力學(xué)刺激的生物學(xué)響應(yīng)，都有待深入的研究。