流体剪切力对骨组织细胞作用的研究进展

1、第29卷第3期2010年6月北京生物医学工程Beijing Biomedical EngineeringVol.29No.3June2010基金项目:国家自然科学基金(30700152资助作者单位:空间生物实验模拟技术国防重点学科实验室,西北工业大学生命院,特殊环境生物物理学研究所(西安710072作者简介:续惠云(1975,女,副教授,主要从事失重骨丢失细胞学机制研究通信作者:商澎。Email :shangpeng流体剪切力对骨组织细胞作用的研究进展续惠云瓮媛媛安龙张健商澎摘要骨组织细胞包括成骨细胞、破骨细胞、骨细胞和骨衬细胞。在体内生理条件下,流体剪切力可能是这些细胞受到的最主要的力学刺激

2、。近年来对流体剪切力影响骨组织细胞的研究取得了较大的进展,相关研究主要集中在流体剪切力引起骨组织细胞的细胞内信号分子、细胞内钙信号、细胞间隙连接和细胞骨架系统改变这几个方面,同时,流体剪切力会引起骨组织细胞间的相互作用的改变。本文就这些方面的重要研究内容做简要综述。关键词流体剪切力;骨组织细胞;信号分子;间隙连接;细胞骨架DOI :10.3969/j.issn.1002-3208.2010.03.22.中图分类号R318.01文献标志码A文章编号1002-3208(201003-0318-05Progress in Effects of Fluid Flow Shear Stress on B

3、one CellsXU Huiyun ,WENG Yuanyuan ,AN long ,ZHANG Jian ,SHANG PengKey Laboratory for Space Bioscience and Biotechnology ,Institute of Special Environmental Biophysics ,Faculty of Life Sciences ,Northwestern Polytechnical University ,Xi an 710072【Abstract 】Bone cells include osteoblasts ,osteoclasts

4、,osteocytes and bone lining cells.In vivophysiological conditions ,the most important mechanical stimulation that bone cells underwent is fluid shear stress.In recent years ,research on effects of fluid shear stress on bone cells has made great progress.Current experiments are focusing on the change

5、s in signal molecules ,intracellular calcium ,gap junction and cell cytoskeleton.Also fluid shear stress could cause some changes in the interaction of bone cells.This paperreviews the progress of the studies in this field.【Key words 】fluid shear stress ;bone cell ;signal molecule ;gap junction ;cel

6、l cytoskeleton0引言骨组织是体内主要起力学支撑作用的器官,需要不断调节自身结构来适应环境变化。但是骨组织对外界力学刺激怎样产生和产生了什么样的反应,目前仍然不是太明确。现有的研究认为,在体内正常的生理状态下,力学刺激会对骨组织内组织液施加压力,造成骨陷窝-骨小管系统间隙液的流动,从而对骨组织细胞的细胞膜产生流体剪切力。理论模型计算得出生理状态下骨陷窝-骨小管系统内的流体剪切力约为0.8耀3Pa 1。这种流体剪切力可能是骨组织细胞生理条件下受到的最主要的机械刺激。在整个骨组织中,成骨细胞、骨细胞、破骨细胞和骨衬细胞都有感受机械刺激并将其转化为生物化学信号的能力。并且,信号可以在骨组

7、织细胞间传递,引起细胞功能的改变,从而维持骨形成和骨吸收之间的平衡。失重后骨丢失及地面人群的废用性骨质疏松等问题都与骨组织细胞对流体剪切力感受性的降低有关,这种感受的下降引起了一系列信号传递的改变,从而造成了骨吸收与骨形成之间稳态的丧失。由于体内研究比较困难,目前很多研究都是建立在体外模型的基础上在细胞水平上进行的,采用的流体剪切力的方式主要有单向流(unidirectionalfluid flow,UFF和振荡流(oscillatory fluid flow, OFF,单向流又包括稳定流(steady fluid flow和脉动流(pulsating fluid flow,PFF两种。本文主

8、要综述近年来流体剪切力对骨组织细胞作用的研究进展,其中又以对成骨细胞和骨细胞的研究比较多见。1流体剪切力与细胞内信号分子流体剪切力处理会引起骨组织细胞内一系列的生物化学信号分子的改变。其中对流体剪切力处理后骨组织细胞一氧化氮(NO和前列腺素(PG分泌的研究比较多,多数研究认为流体刺激会增加骨组织细胞分泌NO和PG,并且由于这两种分子可能在流体刺激后几分钟就能出现,且与流体刺激有一定剂量依赖关系。所以,目前也有研究者将这两种分子作为骨组织细胞对流体剪切力处理后相关反应的一种评价指标2-6。如果先用透明质酸酶预处理骨细胞MLOY4,则流体诱导的前列腺素E(PGE产生会被抑制。因此骨细胞中PGE对流

9、体的反应可能与细胞外基质成分引起的信号传递有关7。环氧化酶2(cox-2作为体内一种诱导型的催化生成PG的合成酶,在流体诱导PG的产生过程中起了重要的作用。KleinNulend等的研究显示流体刺激能快速诱导成骨细胞中cox-2mRNA的表达和PG的产生8。单向流和振荡流都可以诱导成骨细胞cox-2和骨桥蛋白合成的增加,诱导骨细胞骨桥蛋白表达水平的改变。振荡流处理24h能引起骨细胞cox-2表达的上调9。另外,Runx2(即core binding factor alpha1,或Cbfa1是成骨细胞分化的关键调节因子,参与调节多种成骨细胞分化的基因,比如可以结合到cox-2基因的5端,介导骨形

10、成蛋白BMP-2对cox-2的诱导10。突变Runx2基因的位点能够降低成骨细胞中流体对cox-2基因表达的诱导。除了对cox-2表达的调节,Runx2还可能参与了流体刺激引起的骨组织细胞代谢中多个基因的调节11。Arnsdorf等对骨髓间充质干细胞C3H10T1/2进行振荡流体刺激,也发现诱导了Runx2等的上调12。此外,流体剪切力能诱导成骨细胞中核因子B (nuclear factorkappa B,NFB分子的转位,从而引起一系列下游信号的改变,NFB对于流体诱导的cox-2增加是必要的13。2流体剪切力与细胞钙信号有学者认为,成骨细胞对力学刺激的最初反应是细胞内钙的快速增加,包括细胞

11、外钙内流和内钙释放。对细胞内钙信号的研究常与对其他细胞内信号分子的研究联系在一起,研究也比较多,但相关研究结果并不一致,可能与所选用的细胞及流体处理的种类和条件等有关。Jacobs等用钙离子反应作为指征,研究了几种不同流体模式下成骨细胞的反应。结果显示,振荡型流体比起稳定流和脉动流是一种更温和的力学刺激。另外,钙反应随着流体处理频率的增加而降低14。Donahue等的研究认为振荡流体处理成骨细胞,会引起内钙含量和PGE产生的增加,这种对流体的反应与化学物质的运输(包括营养供应和废物去除有关,在流体处理过程中去除营养物质会引起钙离子和PGE产生的抑制,而流动速率的增加会引起钙反应细胞比例和PEG

12、产生的增加15。Batra等研究了在流体处理中间插入停顿时间对成骨细胞反应,结果表明与连续振荡流体处理相比,成骨细胞每10个振荡流体刺激后,加5耀15s不等的停顿时间,可以大幅提高细胞的内钙释放,同时, PGE的分泌和骨桥蛋白(osteopontin,OPN的表达水平也会增加16。目前,对膜上钙相关通道在流体处理中的作用进行了一些研究,结果大多认为某些种类的钙通道与流体处理引起的信号分子反应有关,也就说明外钙内流在其中起了一定的作用。Liu等的研究结果发现,流体剪切力能引起成骨细胞MC3T3-E1中细胞外信号调节激酶1/2(extracellular signalregulated kinas

13、e,ERK的磷酸化,L-型电压敏感的钙通道(Lvoltage sensitivity calcium channel,LVSCC和应力敏感的阳离子通道(mechanosensitive cation channels,MSCC抑制剂能阻断这个过程,同时,添加外源的ATP能模拟流体剪切力引起的ERK1/2的活化效应,因此,他们认为流体剪切力引起的ERK1/2的磷酸化需要钙离子依赖的ATP的释放17。Li等的研究也表明阻断MSCC和LVSCC 两种钙通道能明显降低流体刺激后ERK1/2的磷酸化,抑制LVSCC还能明显减弱大鼠和小鼠体内流体刺激后的骨形成18。Genetos研究也表明流体处理能在1m

14、in内诱导ATP的增加,且这种增加能被·913·第3期流体剪切力对骨组织细胞作用的研究进展LVSCC抑制剂所抑制19。而Hung等的研究则显示LVSCC的阻断剂对流体反应没有影响,但氯化钆,一种MSCC阻断剂,能部分抑制流体反应20。同时,内钙释放在骨组织细胞受到流体刺激后的作用也有相关研究。Hung等的研究认为三磷酸肌醇(inositol1,4,5-triphosphate,IP3诱导的内钙释放参与了流体诱导的钙离子反应20。Reich等的研究显示IP3的增加与流体剪切力诱导成骨细胞中两种重要信号分子PGE和NO的分泌有关,同时,流体诱导PGE的合成受到钙离子通路上另一重

15、要分子蛋白激酶C(PKC的调控,加入PKC的抑制剂能强烈抑制PGE的产生21。但Wadhwa等的研究显示抑制蛋白激酶A(PKA而不是PKC通路会影响流体诱导的成骨细胞中cox-2的表达5。Saunders等研究则认为PGE的释放不依赖于细胞内钙信号22。此外,Chen等的研究显示阻断外钙内流对流体诱导成骨细胞中NFB分子的转位没有影响,加入细胞内钙离子的螯合剂或抑制磷脂酶C(PLC诱导的内钙释放会完全抑制这种转位。因此,内钙释放而非外钙内流在其中起了一定的作用13。3流体剪切力与细胞间隙连接间隙连接在骨组织细胞感受流体刺激并在细胞间传递这种信号过程中起了重要的作用,对此也有一些研究结果。Thi

16、等的结果显示流体刺激能破坏间隙连接蛋白Cx-43、Cx-45、ZO-1等在膜上的分布,不同的剪切力水平会引起间隙连接蛋白表达和细胞间偶联的改变23。Saunders等研究也认为连接蛋白形成的半通道能作为流体诱导的胞内PGE2的出入口,而与胞内钙信号关系不大22。Cheng等的研究则显示流体诱导的间隙连接增强的过程可能部分地与PGE释放到条件培养基中的自分泌过程及cox-2的表达有关24。流体诱导的剪切力还能引起间隙连接蛋白Cx43从核周向胞质和树突中分布的改变,流体刺激后的初始30min Cx-43表达增加,但在24h后表达会降低。而对于成骨细胞2T3则没有观察到这种现象。间隙连接还可能作为骨

17、细胞在流体刺激后信号传递的通道,流体处理后引起细胞间联系的迅速增加,且与流体强度成一定比例25。4流体剪切力与细胞骨架系统细胞骨架系统被认为是能对骨组织细胞应对流体剪切力产生反应的细胞元件之一,且细胞骨架对流体的反应与细胞内信号分子相互影响。Han等建立了骨细胞突触的3D模型,他们认为相对细胞体而言,骨细胞突触更可能是对流体刺激产生反应的部位,且这种反应与细胞外基质及细胞骨架的改变有关26。成骨细胞中NO对流体的反应伴随着微丝应力纤维丝的调节,而PGE的反应则与黏着斑形成相关。骨架破坏对流体处理后成骨细胞的PGE生成是增强,对骨细胞则是抑制,这可能与两种细胞中骨架分布和表达的不同有关,也可能与

18、骨架调节离子通路有关,骨细胞比成骨细胞更依赖于微丝及其介导的离子通路对信号的转导27。Ponik等比较了骨细胞和成骨细胞对单向流和振荡流两种流体模式的不同反应。对成骨细胞来讲,单向流1h就能引起微丝应力纤维形成,而对振荡流的反应要5h以上,骨细胞则在24h的单向流刺激后应力纤维增加9。Myers等的结果则表明流体处理后,I型胶原和MMP1和MMP3的mRNA表达上调,破坏微管骨架可以完全抑制这种上调,而破坏微丝骨架对此没有影响。因此,作者认为流体诱导的与细胞外基质相关的信号传递主要与微管有关28。对骨髓间充质干细胞C3H10T1/2的研究表明,微丝骨架系统对于流体诱导的基因表达是必要的12。吴

19、昌敬等人的研究也显示微丝骨架的完整性对于流体剪切力诱导成骨细胞COX-2mRNA和蛋白的表达是必要的29。流体处理后,与原代培养的单个骨细胞(没有细胞间连接进行比较,原代的单个成骨细胞产生了更多的钙反应。用GRGD短肽预处理能明显降低成骨细胞的钙反应,而对骨细胞的钙反应没有影响。两种细胞对流体反应的不同可能与成骨细胞有更多的黏着斑分布表达有关30。但也有一些研究结果认为骨组织细胞对流体的反应与细胞骨架系统无关。Chen等的研究显示破坏微丝和微管对NFB分子的转位都没有影响13。Malone等的研究也显示振荡流体没有对MC3T3-E1的F-肌动蛋白应力纤维产生影响,细胞松弛素D处理不能抑制流体诱

20、导的细胞内钙的释放,PGE的释放则在细胞松弛素D处理后反而增·023·北京生物医学工程第29卷加了三倍31。Norvell的研究也显示破坏成骨细胞MC3T3-E1中的微丝、微管和中间纤维,对剪切力诱导的PGE和前列腺素I(PGI的释放都没有什么影响。破坏成骨细胞中的中间纤维,而不是破坏微丝和微管能够影响cox-2的表达,但中间纤维在流体剪切力诱导的细胞反应中起了什么作用,相关的研究还十分少见32。另外,作为一种特化的骨架结构,初级纤毛在成骨细胞和骨细胞感受流体刺激中起了一定的作用。减少纤毛数量能够降低流体诱导的骨细胞中PGE2、cox-2的表达和骨保护素/核因子活化因子受体

21、配体(OPG/RANKL的比率,以及成骨细胞中OPN和PGE的表达。但是流体引起的钙离子变化并不依赖于初级纤毛33。5流体剪切力对骨组织细胞间的相互作用在体内,骨组织细胞间能够通过细胞间隙连接和旁分泌因子等相互作用,流体剪切力作用后应该对此产生一定的影响,但相关的研究还不太多见。Vezeridis等的研究显示流体处理以后的骨细胞条件培养基能通过可溶性因子抑制成骨细胞的增殖同时刺激其分化,且这些可溶性因子的释放至少部分地依赖于NO的生成34。另外,流体处理骨髓基质细胞ST2和单核细胞RAW264.7共培养系统2h,降低了破骨细胞的形成,引起RANKL表达的下降和OPG的明显增加, RANKL/O

22、PG迅速降低,表明流体也可能通过抑制破骨细胞的形成来调节骨重建过程35。6总结和展望综上所述,在正常生理条件下,骨组织细胞能够感受流体剪切力并引起一系列下游的信号传递过程。目前的问题在于,首先,由于研究者们选用的流体模型和骨组织细胞各不相同,实验的条件不一致,因此得到的结果也不相同,甚至有相互矛盾的结论。其次,相关研究大多局限于几种常见的信号分子,没有在完整的信号传递通路方面形成系统研究。另外,多数研究集中在成骨细胞和骨细胞,对破骨和骨衬细胞的研究比较少见。在今后的研究中,对于流体剪切力处理后骨组织细胞确切的细胞学反应还需要进行进一步的深入探讨。同时,流体剪切力对骨组织细胞间相互作用的研究有待

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