国外医学口腔医学分册2000年1月第27卷第1期

第四军医大学口腔医院蓸玲（综述） 丁寅（审校）

摘要 骨代谢受各种机械力影响，其内部结构因机械负重而改变，成骨细胞在这一过程中起着非常重要的作用。但机械信号如何被成骨细胞感受，并由胞外刺激变为胞内信号，进而影响细胞生物活性，这一系列问题仍是近年研究热点，对口腔正畸学和骨科学都有重要意义。本文就以上问题进行综述。

关键词：成骨细胞 体外培养 机械力 信号转导

骨的生长发育受生物力影响。作为结构支架，骨组织为获得适应现存机械环境的理想结构，在人的一生中不断重塑形。这是正畸牙移动的生物学基础，也是成人正畸的依据。涉及这一过程最重要的细胞是成骨细胞和破骨细胞。本文将对成骨细胞的力学感受机理及力学信号转导的研究进展进行综述。

1 机械力对成骨细胞生长分化的影响

10年前，Frost^[1]提出最小有效应变的概念，系指骨能承受的应变或称为阈值。任何比该值大的应变都可改变骨反应的活性。作者认为，除了病理状态，在力学环境满足正常生物系统功能状态时，骨量总是与应变成比例增长，将其称为机械力自动调节器理论。

1.1 对细胞活性及结构的影响

许多实验表明成骨样细胞在周期性机械应变力作用下，细胞生长率增快，胸苷掺入量增大，细胞沿应变力方向排列。同时，由于应变力的作用，细胞基质可在通常不能矿化的条件下矿化^[2，3]。

在太空环境下，成骨细胞外形改变，由多突起梭形、三角形或多角形变为矮柱形或类圆形，这提示细胞骨架重排可能与之有关。但该结果是微重力对细胞直接影响，还是重力极小状态下热对流缺陷，仍需进一步研究^[4]。

1.2 对细胞功能状态的影响

Buchley等通过计算机控制装置给体外培养的成骨细胞施加可调的间断的单方向的应变，结果表明胶原和非胶原蛋白的合成及胶原的分泌量变化不同步，这可能是机械信号影响前胶原的后期修饰过程，延迟了胶原分泌，而导致胶原合成增加可能发生在转录水平。利用两维凝胶电泳检测蛋白增殖，发现奢侈蛋白合成量降低，而细胞骨架蛋白和灶性接触蛋白合成量升高^[3]。其它学者也有类似结果，认为间断机械刺激促进DNA合成及碱性磷酶（alkaline phosphatase,ALP）活性^[5]。

机械刺激早期可促进成骨细胞合成骨钙蛋白（osteocalcin），随时间推移蛋白分泌量下降^[6]。Sodek认为机械应变可提高骨桥蛋白mRNA的表达^[7]。但Meazzini的实验则表明骨桥蛋白在机械作用下合成降低^[8]。Roelofsen等^[5]比较间断性流体静力压(intermittent hydrostatic compression,IHC)对未分化骨细胞和类成骨细胞的作用效果，结果显示IHC使两者的ALP活性、胶原合成和肌动蛋白表达均升高。说明IHC可提高两者的成骨细胞表型，在没有机械刺激的对照组中，骨特异性基因表达消失，表明机械环境对保持原始骨细胞表型分化是非常重要的。

但持续性压力(compressive pressure,CCP)对成骨细胞有抑制作用^[9，10]，ALP活性在CCP作用下显著被抑制，去除CCP作用后，ALP的活性可恢复。CCP明显增加前列腺素(prostaglandin,PG)E₂的分泌，从而激活破骨细胞，增加骨吸收。CCP还抑制细胞基质和DNA的合成。

2 机械力对骨代谢激素及细胞因子的调节

成骨细胞可合成多种影响骨代谢的激素及细胞因子，它的这种功能受机械力的影响。Inoue等^[11]将成骨细胞MC3T3-E1置于离心环境中培养，发现³H胸腺嘧啶蝗掺入量增加，表明DNA合成量增加。收集离心力组培养液培养处于静止环境中的成骨细胞MC3T3-E1，发现这种条件性培养液同样可使³H胸腺嘧啶的掺入量比对照组增加两倍。表明该条件培养液中含有某些生长刺激因子，促进DNA合成。该实验证明离心力刺激成骨细胞产生某些可扩散的生长刺激因子，进入培养液中，以自分泌方式促进成骨细胞的DNA合成。

2.1 一氧化氮（nitric oxide,NO）

Helfrich等^[12]的研究表明，NO是机械力引起骨反应的重要媒介。它的三种同构异型(iNOS,ecNOS和nNOS)的mRNA在骨中均有表达。作者认为，左旋精氨酸-NO旁路是骨细胞行使功能的重要介质。有证据表明，NO合成酶抑制剂可消除机械刺激引起的成骨反应。这表明机械信号的传导与NO的合成有关^[13，14]。Smalt等发现0.1 pa(1 dyn/cm²)的剪切应变力可使NO合成升高。在同样条件下再加入NO合成酶抑制剂N-硝基左旋甲基精氨酸酯(N-nitro-L-arginine methyl ester,L-NAME)，则完全阻滞NO的这种反应^[15]。

2.2 前列腺素（prostaglandin,PC）

PC是目前研究较多的一种重要的骨代谢局部调节因子，由成骨细胞产生，通过旁分泌方式刺激骨吸收。它也是机械刺激引起反应的最早表现之一。Smalt等比较了牵张力和剪切力对多种成骨细胞系的作用效果，认为是后者诱导PCE的产生^[15]。

2.3 白介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)

Ngan等^[16]发现机械应变力和IL-1β对成骨细胞合成PGE和cAMP有协同作用，且cAMP是PGE升高的继发效果。作者认为化学信号和机械信号是通过调节其表面受体作用于细胞。局部产生的自分泌和旁分泌因子可以通过cAMP旁路，调节机械应变对成骨细胞的作用。

3 机械刺激作用于成骨细胞的方式和生物信号转导途径

研究牙齿移动的生物学基础，加力后信号转导路径的组成将有助于对力的控制，得到更好的正畸效果。有关机械力的细胞信号转导方式及相关研究如下。

3.1 “扳机”触发型反应方式

Stanford等^[17]认为，骨和骨样细胞对机械信号的反应为“扳机”触发型，而非剂量依赖型。即机械信号只有达到一定程度，细胞才能对其有所反应；而且一旦发生反应，刺激强度的增加所起作用就很少。

3.2 离子通道

Vadiakas等^[18]发现在培养7 d的成骨细胞中，机械力可刺激钙离子的渗入，但培养3 d的成骨细胞中无此现象。钙离子通道阻滞剂只有早期加入（培养4 d以前）才可降低由机械力导致的钙渗入增加。

Davidson等^[19]用Patch-clamp技术记录机械刺激地成骨细胞离子通道的激活作用。他们发现三类机械敏感型离子通道，并通过传导率、离子的选择性和对膜张力的敏感性进行比较。当增加细胞膜张力，传导率最大的是K⁺通道(160 pS)，表现为开放间期缩短，爆发开放期延长。另外两个压力依赖离子通道的传导率小，为60 pS和20 pS，前者为阳离子非选择性通道。

3.3 细胞骨架

Meazzini等^[8]认为在成骨细胞中，微丝结构的完整性对于机械刺激的信号转导至关重要。成骨细胞内细胞骨架数量和质量的变化可能是机械刺激的信号转导途径的重要组成部分。作者发现，机械应变可使细胞灶性附着复合体的主要蛋白纽带蛋白和纤维结合素(fibronectin)合成有蓄积增加，张力纤维和灶性粘着复合体数量增加，体积增大。这些证据表明，机械应变可导致细胞骨架和细胞外基质蛋白的协调变化，以促进成骨细胞与细胞间质更紧密连接。Araden等^[20]指出，机械应变呼可能是由于细胞间质变形，或液体流动而形成沿细胞壁的剪切应变力被细胞感知。说明细胞和细胞间质间存在特异性紧密接触。实验表明，成骨细胞和骨细胞在与胸外基质蛋白粘连上相似，通过纽带蛋白染色，证实存在粘连吸盘。粘连作用受整合素B-1(integrin b-1)调节。细胞通过纽带蛋白处的小接触点与胞外基质连接。作者认为，骨基质与细胞骨架之间连接提供了细胞外机械信号向胞内传导的途径。

3.4 蛋白激酶

蛋白激酶是第二信使的主要靶蛋白，通过传递受体的信号，对多种细胞功能产生影响。H-7是蛋白激酶C、cAMP依赖的蛋白激酶和cGMP依赖的蛋白激酶的抑制剂。Inoue等^[11]发现离心力可导致³H胸腺嘧啶掺入量升高，DNA合成增加，表明机械力对体外培养细胞的干预发生在细胞周期的G1期，即DNA合成旺盛期。给处于离心力环境中培养的成骨细胞中加入H-7，它可消除离心力导致的³H胸腺嘧啶掺入量升高，提示机械力有效的影响作用是由蛋白激酶参考、发生在生长-信号通路的早期。

3.5 机械信号感觉途径

许多学者认为机械信号是由于机械力直接引起细胞变形而被感受，也有学者提出是由于机械力引起细胞液流动，而被细胞感受。Weinbaun等^[21]提出一个假说，指出骨细胞对很大的流体压力无反应，但能被作用于骨细胞突起上较少的流体剪切应力所激活，释放细胞内的钙离子。这种钙离子能调节相信骨细胞间细胞突起接头处蛋白亲水孔的开闭，从而控制通过骨细胞网络的细胞内离子流的多少，控制骨的改建过程。

Smalt等^[15]认为液体流动有两种不同的方式影响细胞<