流体剪切力对成骨细胞影响的研究进展

骨是一个富含多孔的组织,被组织间液持续灌流,由于受血压和活体外机械装载的驱使,组织间液经过骨组织中的腔隙、小管网和骨内膜表面的骨内层产生明显的流体剪切力（fluid shear stress,FSS）。大量研究表明,成骨细胞是其中重要的感受与效应细胞,可通过力敏感离子通道、G蛋白与酪氨酸激酶、整合素受体与细胞骨架等多种途径感受体内外力学刺激,并将力学刺激信号转化为细胞生物化学信号,介导力相关敏感基因表达,合成各种酶类等活性物质,激活信号网络级联反应,     

不同应力刺激对成骨细胞影响的研究进展

成骨细胞作为骨组织中的应力感受及效应细胞,在骨的生长、修复和改建中发挥重要作用,因此,研究不同应力刺激对成骨细胞的影响及其机制具有重要意义。成骨细胞在机体内可受到牵张力、流体剪切力及压应力等多种应力作用,目前对各种应力环境下成骨效应的研究也逐渐增多。本文就近年来不同应力刺激对成骨细胞功能的影响、成骨细胞对外力刺激的应答及信号传导通路等方面作一综述。     

机械牵张应力对成骨细胞的影响研究进展

正常骨骼处于一个吸收与生长重建的连续过程，成骨细胞与破骨细胞的生理活性保持着动态平衡，机械力学刺激是必不可少的条件之一。大量研究表明：机械力学刺激过低时，如宇航失重和长期卧床、肢体制动的人员均可导致骨密度、骨钙含量、骨基质蛋白、骨形成速度的降低；而绝经后妇女进行适当的活动锻炼、增加骨骼载荷，可减少其骨质疏松的发生。体内力学环境复杂，而离体实验可以通过设计特定的加载方式，来控制各种变量（力学的不同类型、大小、频率、时间和细胞的不同种系等），观察细胞对力学刺激的响应。体内实验及临床应用，发现适当的牵张应力在骨折修复、正畸牙移动以及牵拉成骨（颌骨发育不足的矫治、骨缺损的整复、肢体延长）等中，能刺激骨组织自身生长与重建。成骨细胞是其中重要的感受与效应细胞．可通过力敏感离子通道、G蛋白与酪氨酸激酶、整合素受体与细胞骨架等多种途径，感受体内外力学刺激，并将力学刺激信号转化为细胞生物化学信号，介导力相关敏感基因表达，合成各种酶类等活性物质，激活信号网络级联反应，参与一系列复杂的生理病理活动。国内外有关机械牵张应力对体外培养成骨细胞影响的研究，为牵张应力在骨科的应用提供了大量的理论和实验依据。     

力学信号对成骨细胞凋亡的影响

目的综述力学信号对成骨细胞凋亡的影响。方法检索查阅近年来各种力学负荷对成骨细胞影响的基础研究与综述等相关文献,并对其进行综合分析与总结。结果成骨细胞的凋亡与众多骨疾病的发生发展相关,其中具有代表性的疾病包括骨质疏松与各种原因导致的骨质流失等,对成骨细胞凋亡的研究可能为这些疾病的治疗与康复提供新的思路。目前相关研究已经证实,力学信号对成骨细胞的凋亡过程有着重要的调控作用,这可能为临床治疗成骨细胞相关骨疾病提供新的思路。综合现有文献,当前研究使用的力学负荷以流体剪切应力、牵张应力与静水压力3种应力为主,主要研究方向包括各种应力对成骨细胞凋亡的抑制作用或促进作用,应力加载的时间及强度对成骨细胞凋亡的影响及力学信号对成骨细胞凋亡影响的亚细胞水平机制等。结论通过对相关文献的综合分析,可以认为3种力学信号对成骨细胞的影响存在相似性,且根据对研究数据的分析,3种力学信号对于成骨细胞凋亡的作用均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。现有研究中,使用流体剪切应力和牵张应力提供力学信号的研究较为完善,使用静水压力进行的研究数量较少且尚不够完善,有待于未来研究的补充。     

流体剪切应力对成骨细胞信号转导机制的影响

机械应力在骨的生长、重建过程中起着十分重要的作用.应力作用于骨组织对骨细胞、成骨细胞等应力感受细胞产生牵张应力和流体剪切应力(FSS),进而影响细胞内相关基因的表达,其中FSS占主导作用.FSS引起骨细胞分子活动的具体机制尚不明确,细胞膜上的应力敏感离子通道、整合素-细胞骨架复合体、G蛋白、蛋白激酶介导通路、RhoA/Rho激酶(ROCK)通路,以及间隙连接/间隙连接蛋白Cx43半通道结构,可能在力学信号转导过程中起重要作用.     

流体剪切力抑制TNF-α诱导的成骨细胞凋亡机制

流体剪切力(FSS)在骨生理和骨组织重建中起着十分重要的作用。现阶段FSS抑制肿瘤坏死因子-α(TNF-α)诱导的成骨细胞凋亡机制研究主要集中在FSS诱导成骨细胞PI3K激活、诱导成骨细胞caspase-3抑制和刺激成骨细胞产生一氧化氮方面,三条抑制凋亡途径既相互独立又相互联系,构成了复杂的网络机制。回顾分析FSS抑制TNF-α诱导的成骨细胞凋亡机制,有利于了解FSS对成骨细胞生物活性的影响,揭示骨愈合的相关分子机制。     

不同机械力学刺激对骨成骨作用的研究进展

机械力学刺激是影响骨组织生长改建的调控因素,在骨创伤后修复过程中有着重要意义。机械刺激通过作用于细胞外基质-整合素-细胞骨架系统、力敏感性离子通道、G蛋白偶联受体激酶系统等多种信号途径来转导力学信号,从而调控细胞代谢活动和基因表达等应答反应。压缩应力,拉伸应力和流体剪切力是3种最基本也是最重要的机械力类型。近年来,越来越多的文献报告了3种机械应力在刺激骨成骨作用中有积极影响,包括促进成骨细胞增殖和分泌基质,调控破骨细胞凋亡过程,刺激间充质干细胞向成骨分化等来影响骨重建过程。然而,对于机械刺激在细胞内的信号转导机制,以及应力对骨成骨的作用机制,作用方式,作用参数及作用效应等,目前还未有定论。现将这些不同机械力学刺激对骨成骨作用的最新研究结果综述如下,为今后进一步揭示骨组织在机械应力下的代谢和重建机制奠定基础。     

辛伐他汀在模拟微重力环境对成骨细胞增殖和凋亡的影响

目的观察辛伐他汀在模拟微重力环境下对成骨细胞增殖和凋亡的影响。方法利用沿水平轴连续回转(30 r/min)细胞培养系统模拟微重力环境,使用MTT比色法观察小鼠成骨样细胞MC3T3-E1的增殖情况;细胞凋亡是根据4,6-二氨基-2-苯基吲哚所染细胞核形态的改变来辨认。结果模拟微重力环境可以降低MC3T3-E1增殖功能,辛伐他汀在模拟微重力环境可以增强MC3T3-E1增殖功能,但对细胞的凋亡并无显著影响。结论在模拟微重力环境下辛伐他汀对成骨细胞增殖功能具有保护作用,为辛伐他汀治疗微重力环境骨丢失提供了理论和实验证据。     

雷奈酸锶在模拟微重力环境对成骨细胞凋亡的影响

观察雷奈酸锶这种新型的抗骨质疏松药,在模拟微重力环境对成骨细胞凋亡的影响.方法 细胞凋亡是利用4,6-二氨基-2-苯基吲哚所染细胞核形态的改变来辨认,利用旋转细胞培养系统模拟微重力环境.结果 模拟微重力环境可以促进成骨细胞的凋亡,雷奈酸锶可以纠正模拟微重力环境对成骨细胞凋亡的影响.结论 在模拟微重力环境雷奈酸锶对成骨细胞生存具有保护作用,这为雷奈酸锶治疗微重力环境骨丢失提供了理论和实验证据.     

震荡流体剪切力通过ERK5信号通路促进成骨细胞增殖

目的探讨震荡流体剪切力(oscillatory shear stress,OSS)通过ERK5信号通路在诱导成骨细胞增殖中发挥的作用。方法对成骨MC3T3-E1细胞进行不同的处理,分为正常组、OSS组、XMD8-92组和OSS+XMD8-92组。采用MTT实验分别测定4组细胞的增殖活性并绘制生长曲线;蛋白免疫印迹法分别检测P-ERK5、ERK5和Cyclin D1等蛋白水平变化。结果 OSS可显著增加成骨MC3T3-E1细胞增殖活性,但此效应可被ERK5高选择性抑制剂XMD8-92阻断。OSS可显著上调Cyclin D1的表达,而XMD8-92可显著下调OSS诱导的Cyclin D1的表达。结论 OSS通过激活ERK5信号通路促进成骨细胞增殖,Cyclin D1是ERK5信号通路下游的重要靶点基因。     

不同强度张应力影响成骨细胞分化的体外实验研究

目的 探讨不同强度的张应力对人成骨细胞分化的影响.方法 根据骨假体界面应力有限元分析数据和细胞水平应力扩增理论,分别以0.8%、1.6%、2.4%和3.2%的强度在体外对人成骨细胞连续48 h施加1 Hz的牵张应力,观察碱性磷酸酶活性的变化和其他成骨相关基因的表达.结果 成骨细胞碱性磷酸酶活性的提高出现在0.8%和1.6%的应变水平;2.4%和3.2%的应变促进骨钙素的表达;3.2%的应变增强Cbfal/Runx2的表达;与静力对照相比,所有应变组Ⅰ型胶原基因的表达增强;与1.6%应变组相比,Ⅰ型胶原基因的表达在0.8%时减弱,在3.2%时增强(P<0.05).结论 较高强度的应变促进与基质成熟相关的基因的表达,而低强度的应变刺激碱性磷酸酶活性的提高.Ⅰ型胶原基因表达对张应力的应答呈强度依赖性.     

流体切应力下SIVA-1凋亡诱导因子促成骨细胞增殖分化的双向调节作用

目的探讨流体切应力（fluid shear stress,FSS）对KM小鼠成骨细胞增殖分化及相关细胞凋亡诱导因子（SIVA-1）的调节作用。方法将传至3代成骨细胞分为应力刺激组（试验组）和非应力刺激组（对照组）。5个试验组分别给予1.2PaFSS作用0.25,0.5,1,2,4h;对照组为0h。MTT法测定细胞增殖,检测碱性磷酸酶（ALP）活性,半定量RT-PCR测定凋亡诱导因子SIVA-1的表达水平。结果FSS促增殖作用在短期（0.25,0.5h）明显,且细胞生长曲线前移;但在1,2,4h却有明显抑制增殖作用。FSS同样增加了ALP活性,尤其在应力作用0.5h时显著（ALP含量为2.4320±0.205金氏单位/100ml,相对对照达158%）（P〈0.05）;而应力作用1,2,4h后减低了ALP的表达。应力初期SIVA-1mRNA表达量明显下降,尤其在FSS作用0.5h后SIVA-1/GAPDH相对表达量为0.099±0.002,相对对照明显下调了71.3%（P〈0.01）,此效应在作用1h后减退,SIVA-1mRNA表达开始升高,4h后升高明显。结论1.2PaFSS在短时间刺激下可刺激成骨细胞增殖分化,尤其在0.5h后效应明显。早期促细胞增殖和ALP水平升高主要与SIVA-1mRNA表达下调有关,而后期抑制作用可能与SIVA-1mRNA表达升高有关。     

番茄红素对氧化应激后成骨细胞的影响

目的研究具有强抗氧化作用的番茄红素对氧化应激后成骨细胞的影响。方法制造氧化应激状态成骨细胞模型。将细胞随机分为4组:高、中、低浓度番茄红素组及对照组。然后用流式细胞术检测各组成骨细胞生长指数,用酶标仪检测各组成骨细胞内碱性磷酸酶的活性。在各组细胞中另加入矿化结节诱导液,观察各组成骨细胞矿化能力。结果各实验组成骨细胞较对照组生长指数高,碱性磷酸酶表达增加,形成的矿化结节多。结论番茄红素可以增加氧化应激状态成骨细胞的增殖、碱性磷酸酶的表达及矿化功能。     

间断压力对离体培养成骨细胞作用的研究

实验模拟骨在功能活动过程中细胞外环境压力的变化这一生理过程，给实验组离体培养成骨细胞提供间断气体压力变化（０．０９８ＭＰａ，１５分钟加压，１５分钟无压力，２周期／小时，每天加压８小时），发现成骨细胞数逐步增加，且碱性磷酸酶活性也明显增高，均与对照组有明显差异。结果提示，间断加压可促进离体培养成骨细胞的增殖与分化。     

淫羊藿苷对高重力环境下成骨细胞黏附和细胞骨架的影响

目的通过高加速度离心加载装置建立高重力加载模型,探讨不同高重力加载环境对成骨细胞黏附及细胞骨架的影响,并且分析淫羊藿苷对高重力加载后细胞黏附和细胞骨架的影响。方法将MC3T3-E1细胞按2×105个/cm2的密度接种于细胞培养皿中。实验共分为6组:对照组、单纯给药组、10 G加载组、10 G给药组、40 G加载组、40 G给药组。加载组应用高加速度离心加载机对细胞施行加载,连续加载3 d,每天30 min。对照组和单纯给药组暴露于正常重力情况下,其余条件与实验组无差别。给药组淫羊藿苷均采用10-7 mol/L浓度,且按预防给药的方法实验。通过茜素红染色、碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)活性测定、CCK-8细胞增殖实验、细胞骨架鬼笔环肽染色、qPCR和Western Blot等相关分子生物学技术检测淫羊藿苷对高重力环境下成骨细胞integrinα5、integrinβ1和F-actin的影响。结果所有模型均成功制备。茜素红染色:淫羊藿苷可促进成骨细胞钙化结节形成,10 G加载可促进成骨细胞矿化,而40 G加载则抑制成骨细胞的矿化。ALP活性检测:单纯给药组、10 G加载组、40 G加载组的检测OD值分别为0.246、0.331、0.163,与对照组的0.207相比,差异均有统计学意义(P<0.05);10 G给药组和40 G给药组分别为0.373和0.180,与各自加载组的差异有统计学意义(P<0.05)。CCK-8增殖实验:单纯给药组OD值为0.650,与对照组0.551的差异有统计学意义(P=0.031);10 G加载组和40 G加载组OD值分别为1.193和0.245,与对照组的差异均有统计学意义(P<0.05);且10 G给药组和40 G给药组1.300和0.310,与各自加载组的差异有统计学意义(P<0.05)。鬼笔环肽染色:10 G加载细胞促进的数量增加,但细胞形态及骨架未见明显变化,40 G加载则抑制,淫羊藿苷对细胞形态无影响,但对加载损伤后的细胞有一定修复作用。QPCR和Western Blot实验结果一致证实,淫羊藿苷作用后,integrinα5、integrinβ1和F-actin的mRNA和蛋白表达上调,10 G加载可促进integrinα5、integrinβ1和F-actin mRNA和蛋白的表达,40 G加载则明显抑制其mRNA和蛋白的表达。结论10 G条件和淫羊藿苷干预均可促进成骨细胞的生长发育、细胞黏附及细胞骨架的稳定,而40 G则具有明显抑制作用。     

胶原酶阶梯消化法体外培养成骨细胞的研究

目的 采用胶原酶阶梯消化法进行鼠颅盖骨体外培养。方法 将新生的健康Wistar大鼠处死,无菌条件下取出颅骨,剔净,粉碎漂洗。依次用1．0％、0．5％及0．1％的Ⅰ型胶原酶分3次对颅骨进行消化。制成细胞悬液,接种培养,然后进行细胞内碱性磷酸酶（ALP）染色,最后将成骨细胞纯化、鉴定。结果 纯化处理的培养皿中,ALP染色阳性区域不少于95％,而对照皿中,不超过62％。结论 胶原酶阶梯消化法培养 的成骨细胞具有典型的成骨细胞特征,且成份单一。     

骨康含药血清对成骨细胞PDGF-AA表达影响的实验研究

目的 观察中药骨康含药血清对新生大鼠成骨细胞血小板衍生生长因子-AA（PDGF—AA）基因表达的调控作用。方法 将实验动物随机分成中药组、罗盖全组和蒸馏水组3组，通过体外分离和培养成骨细胞体系，运用逆转录法测定含药血清对成骨细胞PDGF-AA mRNA表达的影响。结果 用10％的血清培养成骨细胞第7d时，与空白血清组相比，骨康含药血清组和罗盖全含药血清组对成骨细胞PDGF—AA mRNA表达的平均影响率分别为149．4％和177．7％。结论 中药骨康含药血清能明显增强成骨细胞PDGF—AA mRNA的表达。     

骨质疏松症成骨细胞生物学特征的体外研究

目的 建立成人和骨质疏松症成骨细胞培养方法；体外探讨骨质疏松成骨细胞特征性表型的变化。方法 取年轻人和骨质疏松患者，采用骨碎片培养和酶消化技术，分离、培养成骨细胞，体外观察细胞生长和转化状况，并用生物化学、放射免疫和RT—PCR技术检测成骨细胞表型。结果 骨碎片培养和多阶段酶消化相结合，可获得数量多、纯度高的成骨细胞；体外培养条件下，生长中、晚期的骨质疏松症成骨细胞可向成纤维细胞样细胞形态转化，骨钙素、碱性磷酸酶和I型胶原的分泌功能部分丧失，并表达非特异性Ⅲ型胶原，而呈现成纤维细胞样变。结论 骨质疏松成骨细胞可发生退变，并有可能是骨质疏松症发生骨基质成分不足、骨基质钙化不完全、骨组织结构改建不良的重要因素之一。     

镁锌合金对成骨细胞整合素表达的影响

目的 观察镁锌合金(Mg-Zn)对小鼠前成骨细胞(MC3T3-E1)整合素表达的影响.方法 将MC3T3-E1细胞以1.0×105个/ml密度接种于Mg-Zn和左旋聚乳酸(PLLA)上,共培养1、3、6、9、12和15 d后,收集细胞,利用实时荧光定量聚合酶链反应(PCR)方法检测整合素亚基α2、α5和β1(Itgα2、Itgα5和Itgβ1)mRNA的表达水平.结果 Itgβ1 mRNA表达水平最高,且随着时间的延长而增高(P<0.01),但两组材料差异无统计学意义(P>0.05);Mg-Zn表面Itgα5 mRNA表达水平随着时间延长而增高(P<0.01),除第1天外,PLLA表面Itgα5 mRNA表达水平均低于Mg-Zn表面(P<0.01);Itgα2 mRNA表达水平随着时间延长而增高,在第9天时到达高峰,随后逐渐降低.在第1、3、6天Mg-Zn表面Itgα2 mRNA表达水平高于PLLA(P<0.01),而第9、12、15天时两组差异无统计学意义(P>0.05);Mg-Zn表面Itgα2 mRNA表达水平除了第15天外均高于Itgα5 mRNA(P<0.01).结论 与PLLA比较,Mg-Zn能够提高成骨细胞Itgα5 mRNA和Itgα2 mRNA表达水平,有利于促进成骨细胞与材料表面的黏附.     

运动力学刺激对骨质量影响的研究进展

在力学的刺激下骨骼会发生适应性变化,对骨的重塑和构建产生影响。回顾近年来有关力学刺激促使骨髓间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSC)向成骨细胞(osteoblasts,OB)的分化和细胞形态结构影响的研究,充分揭示力学刺激可以使骨产生适应性改变的作用。大量的研究证实力学刺激能使MSC向OB分化和OB信号通路产生适应性变化。本文主要综述力学刺激可能影响骨量和骨细胞形态适应性变化的细胞分子机制,提出运动产生的力学刺激可能使MSC向OB分化和OB产生适应性变化,为运动健骨防治骨质疏松提供理论依据。