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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

骨組織中的骨細(xì)胞是體內(nèi)負(fù)責(zé)感應(yīng)力學(xué)負(fù)荷的主要細(xì)胞，對(duì)機(jī)械應(yīng)力的變化要比骨組織中其它細(xì)胞(如成骨細(xì)胞)更為敏感。正常重力環(huán)境下，當(dāng)機(jī)械力作用于骨時(shí)會(huì)產(chǎn)生骨應(yīng)變，引起骨基質(zhì)變形并擠壓骨陷窩，骨細(xì)胞可直接感受骨應(yīng)變產(chǎn)生的液體流動(dòng)并間接受骨基質(zhì)的擠壓作用，進(jìn)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(hào)傳遞給成骨細(xì)胞和破骨細(xì)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(xì)胞力生物學(xué)方面研究的文獻(xiàn)報(bào)道始于20世紀(jì)90年代。早期研究一般使用的是原代培養(yǎng)的骨細(xì)胞，由于原代培養(yǎng)骨細(xì)胞的技術(shù)比較難，所以對(duì)骨細(xì)胞的研究十分有限。直到1999年Linda等從小鼠長骨分離出骨細(xì)胞，建立起骨樣細(xì)胞系MLO-Y4，此后骨細(xì)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(xì)胞對(duì)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(xì)胞對(duì)力學(xué)刺激下的生物學(xué)響應(yīng)，以及骨細(xì)胞加載力學(xué)刺激后對(duì)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的調(diào)控作用，同時(shí)對(duì)微重力和超重環(huán)境下骨細(xì)胞力生物學(xué)方面的研究進(jìn)展也作了回顧和總結(jié)。

1正常重力對(duì)骨細(xì)胞的作用

1．1骨細(xì)胞對(duì)力學(xué)刺激的響應(yīng)

體外培養(yǎng)骨細(xì)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(xì)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(hào)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(xì)胞因子改變，基因cox-2、c-fos表達(dá)升高，I型膠原、骨鈣素(BGP)、骨橋蛋白(OPN)等蛋白表達(dá)升高，Wnt/β-catenin信號(hào)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(dá)上調(diào)，表征凋亡的caspase3/7基因表達(dá)下調(diào)，糖皮質(zhì)激素和腫瘤壞死因子(TNF)-α對(duì)骨細(xì)胞的凋亡作用被抑制，進(jìn)而抑制骨細(xì)胞凋亡。

骨細(xì)胞對(duì)同一力學(xué)刺激下的響應(yīng)隨加載時(shí)間和載荷大小而變化，響應(yīng)敏感程度隨細(xì)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(shí)間增加，某些基因的表達(dá)在作用時(shí)間變化的同時(shí)發(fā)生改變，導(dǎo)致骨細(xì)胞上調(diào)基因數(shù)減少，而下調(diào)基因數(shù)增多，致使骨細(xì)胞募集破骨細(xì)胞并發(fā)出活化信號(hào)的能力增強(qiáng)。Nesbitt等研究表明，骨細(xì)胞系受拉伸作用后細(xì)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(fù)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(xì)胞受力后短時(shí)NO釋放量增加幅度遠(yuǎn)高于完全貼壁伸展的骨細(xì)胞，且半懸浮或完全懸浮骨細(xì)胞受微壓力后彈性常數(shù)和硬度小于貼壁骨細(xì)胞;Vatsa等［20］發(fā)現(xiàn)顱骨處骨細(xì)胞呈相對(duì)球形，腓骨處骨細(xì)胞呈細(xì)長形，分別對(duì)其進(jìn)行測量后證實(shí)，顱骨處球形骨細(xì)胞各向異性小于腓骨處細(xì)長形骨細(xì)胞，兩項(xiàng)研究均提示呈球形的骨細(xì)胞對(duì)力學(xué)刺激更為敏感。另外，骨細(xì)胞細(xì)胞核區(qū)域的彈性模量遠(yuǎn)小于細(xì)胞外周，提示核區(qū)域?qū)αW(xué)刺激更為敏感;而骨細(xì)胞突觸引起附近鈣的瞬變所需的形變遠(yuǎn)小于細(xì)胞體引起鈣瞬變所需的形變，提示骨細(xì)胞突觸比骨細(xì)胞體對(duì)力學(xué)刺激更為敏感。骨細(xì)胞對(duì)不同方式的力學(xué)刺激的響應(yīng)也不同。Ponik等對(duì)MLO-Y4分別施加脈動(dòng)和單向剪切力，發(fā)現(xiàn)骨細(xì)胞受單向剪切力24h后F-actin呈現(xiàn)線性排布，而脈動(dòng)剪切力作用24h后F-actin則伸展出多個(gè)突觸，其形態(tài)與骨細(xì)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(xì)胞的胞內(nèi)鈣明顯增加，胞外鈣大量涌入胞內(nèi)，IGF-1mRNA表達(dá)明顯升高。但Teruko和Kamioka等［23-24］的研究表明，骨細(xì)胞受剪切應(yīng)力作用后并未產(chǎn)生胞內(nèi)鈣的瞬時(shí)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(dá)上調(diào)使得由Cx43組成的間隙連接被激活，進(jìn)而誘導(dǎo)胞內(nèi)PGE2的釋放。而Genetos等發(fā)現(xiàn)，MLO-Y4受脈動(dòng)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(duì)骨細(xì)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(duì)骨細(xì)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(xì)胞、類骨細(xì)胞及骨細(xì)胞3種細(xì)胞的彈性模量，發(fā)現(xiàn)從成骨細(xì)胞向骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化的3個(gè)階段細(xì)胞的彈性模量成比例下降，且骨細(xì)胞黏著斑附近彈性模量遠(yuǎn)低于成骨細(xì)胞相同區(qū)域的彈性模量，提示骨細(xì)胞受到力學(xué)刺激后更易變形，間接反映骨細(xì)胞對(duì)力學(xué)刺激更為敏感的特性。

1．2力學(xué)刺激下骨細(xì)胞對(duì)成骨和破骨細(xì)胞的調(diào)控作用

骨細(xì)胞在響應(yīng)力學(xué)信號(hào)時(shí)釋放的PGE2，NO，ATP，可溶性破骨細(xì)胞分化因子(sRANKL)，護(hù)骨素(OPG)等均是調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞活動(dòng)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(xì)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(huì)誘導(dǎo)骨細(xì)胞釋放PGE2等保護(hù)破骨細(xì)胞的信號(hào)分子，使OPG-L/ODF的mRNA水平升高，募集破骨細(xì)胞到應(yīng)力作用低的部位，促進(jìn)破骨細(xì)胞分化及活性，并增強(qiáng)骨吸收。而體內(nèi)正常受力范圍內(nèi)的力學(xué)刺激下，骨細(xì)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(xì)胞或抑制破骨細(xì)胞形成，阻止骨吸收的發(fā)生，同時(shí)增強(qiáng)成骨細(xì)胞活性，促進(jìn)成骨作用。力學(xué)刺激后的骨細(xì)胞通過與成骨細(xì)胞的間隙連接或釋放信號(hào)分子至培養(yǎng)基內(nèi)，增強(qiáng)成骨細(xì)胞的活性。Taylor等研究表明，共培養(yǎng)骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞時(shí)，對(duì)骨細(xì)胞施加4．4dyn/cm2的恒定低剪切應(yīng)力1h，骨細(xì)胞會(huì)通過細(xì)胞間隙連接向成骨細(xì)胞釋放Ca2+，使成骨細(xì)胞的堿性磷酸酶(ALP)活性增強(qiáng)，而用受剪切骨細(xì)胞的培養(yǎng)基培養(yǎng)成骨細(xì)胞2h，成骨細(xì)胞的ALP活性未見顯著增強(qiáng)。然而，Peter等發(fā)現(xiàn)，用7dyn/cm2，5Hz的脈動(dòng)剪切應(yīng)力作用骨細(xì)胞1h后的培養(yǎng)基培養(yǎng)成骨細(xì)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(xì)胞的時(shí)間長短有關(guān)。骨細(xì)胞受力學(xué)刺激后還可抑制破骨細(xì)胞形成及活性。You等發(fā)現(xiàn)，將受10dyn/cm2、1Hz的脈動(dòng)剪切應(yīng)力作用2h后的骨細(xì)胞與破骨前體細(xì)胞共培養(yǎng)7d，可抑制前體細(xì)胞向破骨細(xì)胞分化，此外骨細(xì)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(dòng)剪切力1h的骨細(xì)胞培養(yǎng)基，用于培養(yǎng)破骨細(xì)胞6d，顯著抑制了破骨細(xì)胞的形成，進(jìn)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(dòng)作用于骨細(xì)胞1h后的培養(yǎng)基培養(yǎng)破骨前體細(xì)胞5d，同樣抑制破骨前體細(xì)胞向破骨細(xì)胞的分化，同時(shí)骨細(xì)胞內(nèi)的RANKL/OPG基因下調(diào)。受力后的骨細(xì)胞功能蛋白的表達(dá)也會(huì)發(fā)生變化，從而影響成骨和破骨。sclerostin是骨細(xì)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(hào)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(dá)均下降，提示W(wǎng)nt/Lrp5信號(hào)通路可能被激活。另外，HB-GAM也是一種骨細(xì)胞特異性蛋白，在骨細(xì)胞受剪切應(yīng)力作用時(shí)上調(diào)，其表達(dá)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(duì)骨細(xì)胞的影響

空間飛行為骨細(xì)胞力生物學(xué)研究提供了真實(shí)的微重力環(huán)境。Bacabac等在空間飛行實(shí)驗(yàn)中搭載原代培養(yǎng)的骨細(xì)胞，并在飛行過程中對(duì)其施加脈動(dòng)剪切應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)相關(guān)地面實(shí)驗(yàn)組骨細(xì)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(shí)驗(yàn)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(xì)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(xì)胞具有成纖維細(xì)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(xì)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(xì)胞溶骨活性增強(qiáng)，骨陷窩內(nèi)已礦化的骨基質(zhì)吸收增強(qiáng)。空間飛行的研究費(fèi)用昂貴，因而地面實(shí)驗(yàn)中常用嚙齒動(dòng)物尾吊去負(fù)荷模型和細(xì)胞回轉(zhuǎn)裝置模擬微重力來進(jìn)行相關(guān)研究。Basso等發(fā)現(xiàn)大鼠尾吊2周后，骨細(xì)胞凋亡率明顯上升，破骨細(xì)胞數(shù)量增加，脛骨骨量降低;重負(fù)載后大鼠體內(nèi)骨細(xì)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(dá)的骨細(xì)胞較原有水平上升50%，提示重負(fù)載可促進(jìn)骨細(xì)胞NO釋放量的增加，進(jìn)而抑制骨細(xì)胞凋亡和破骨細(xì)胞形成。此外，Aguirre等證實(shí)，小鼠尾吊后皮質(zhì)骨內(nèi)骨細(xì)胞首先發(fā)生大量凋亡，進(jìn)而募集破骨細(xì)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(xì)胞的Sost基因表達(dá)明顯增加，抑制了Wnt/β-catenin信號(hào)通路，影響骨細(xì)胞活性及成骨細(xì)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(hào)通路并未被抑制，可有效對(duì)抗后肢廢用性骨量丟失。孟芮等利用細(xì)胞回轉(zhuǎn)器初探骨細(xì)胞模擬微重力后其培養(yǎng)基對(duì)成骨細(xì)胞功能的影響，發(fā)現(xiàn)用條件培養(yǎng)基培養(yǎng)的成骨細(xì)胞在24h和48h時(shí)明顯增殖，但OPN，Runx2，BGP，ALP等成骨相關(guān)基因表達(dá)明顯下降。Tatsumi等培育了一種轉(zhuǎn)基因小鼠(Tg小鼠)，其骨細(xì)胞可特異表達(dá)白喉毒素(DT)受體，注射DT可消除體內(nèi)70%～80%骨細(xì)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(duì)負(fù)荷消失的感知需通過骨細(xì)胞。然而，如果給Tg小鼠注射DT去除骨細(xì)胞的時(shí)間后移至恢復(fù)負(fù)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(xì)胞對(duì)負(fù)載力學(xué)刺激的響應(yīng)可能無需通過骨細(xì)胞。

3超重對(duì)骨細(xì)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(xì)胞形態(tài)學(xué)和骨架的變化。他們發(fā)現(xiàn)骨細(xì)胞在0G和2G環(huán)境中，細(xì)胞形態(tài)、胞核尺寸、細(xì)胞骨架排布及黏著斑蛋白的分布和表達(dá)相較1G對(duì)照組均發(fā)生變化，且猜測細(xì)胞粘附相關(guān)的蛋白可能參與了骨細(xì)胞感知力學(xué)環(huán)境的改變。Di等還對(duì)進(jìn)行過拋物線飛行實(shí)驗(yàn)的骨細(xì)胞其形態(tài)、細(xì)胞骨架等進(jìn)行分析。飛行實(shí)驗(yàn)在上升過程時(shí)產(chǎn)生超重環(huán)境加速度達(dá)1．8G，持續(xù)20s，并在自由下落時(shí)產(chǎn)生微重力環(huán)境。拋物線飛行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)骨細(xì)胞的面積和高度沒有顯著性變化、無細(xì)胞凋亡現(xiàn)象，但肌動(dòng)蛋白在細(xì)胞邊緣聚合增強(qiáng)，微管被分解且中心消失，Cx43蛋白表達(dá)下降，提示微重力與超重力環(huán)境的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致骨細(xì)胞細(xì)胞骨架發(fā)生改變，并抑制細(xì)胞的間隙連接。地面實(shí)驗(yàn)?zāi)M空間發(fā)射超重環(huán)境時(shí)，3G的超重環(huán)境即可使成骨瘤細(xì)胞分裂旺盛、增值迅速并堆疊生長。此外，成骨細(xì)胞粘附性發(fā)生改變，肌動(dòng)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(qiáng)度下降，成骨細(xì)胞膠原合成增加，I型膠原CollA2的mRNA表達(dá)增加。成骨細(xì)胞增殖明顯，細(xì)胞分化被抑制，PGE2釋放量增加。初期成骨細(xì)胞對(duì)超重的響應(yīng)相較已分化的成骨細(xì)胞敏感，其在10G時(shí)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(shí)間的增加而增加。2G的超重環(huán)境可促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖，細(xì)胞內(nèi)微管及微絲聚合作用加強(qiáng)，胞內(nèi)ALP，Cbfa1和CollA1基因表達(dá)升高，促進(jìn)其向成骨細(xì)胞分化，成骨功能增強(qiáng)。還有研究表明30G的超重環(huán)境會(huì)導(dǎo)致破骨細(xì)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(duì)成骨細(xì)胞施加微壓力，發(fā)現(xiàn)成骨細(xì)胞細(xì)胞高度下降，細(xì)胞形態(tài)和細(xì)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(xì)胞不僅是骨組織內(nèi)對(duì)力學(xué)負(fù)荷變化最為敏感的細(xì)胞，其本身不同區(qū)域?qū)αW(xué)刺激的敏感性也不同;同時(shí)當(dāng)力學(xué)負(fù)荷的形式或加載時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，骨細(xì)胞對(duì)其的響應(yīng)也隨之有所改變。目前有關(guān)骨細(xì)胞正常重力下對(duì)力學(xué)刺激的響應(yīng)及其對(duì)骨組織內(nèi)其他細(xì)胞調(diào)控的研究已有較多的報(bào)道。然而，關(guān)于微重力下骨細(xì)胞力生物學(xué)研究還十分有限，微重力環(huán)境下骨細(xì)胞對(duì)力學(xué)刺激的生物學(xué)響應(yīng)以及對(duì)其它細(xì)胞的調(diào)控，尤其超重下骨細(xì)胞對(duì)力學(xué)刺激的生物學(xué)響應(yīng)，都有待深入的研究。