中国骨质疏松杂志

1999年第5卷第4期vol.5No.4 1999

谢力勤崔伟刘成林

关键词：力负荷感受细胞 骨组织

对力学刺激的识别和反应是生物体的重要功能。触觉、听觉、压力感受器、本体感受器及重力感受功能都与力学信号的感受、传递机制有关。体内组织的形成、发展方式与其所受的应力有关，例如骨组织的结构与其内部应力分布有关，应力大的部位骨组织密度大，应力小的部位骨密度小^［1］。骨组织能用最少的骨量来满足运动功能所需的骨强度。当因衰老或力负荷减少使骨量下降时，应力小的部位骨量丢失常常较快，应力大的部位骨量保存常常较好。可见骨组织能根据外界负荷和内部应力来调节整体骨量的增减和内部骨量的分布及构造。但骨组织对力负荷的感受、传递和反应机制还不十分清楚，这也正是骨代谢研究中的重点课题。本文根据目前的研究进展和有关学说，试图对骨组织的力负荷感受机制进行阐述和探讨。

1骨细胞是骨组织的力负荷感受细胞

骨表面有骨衬细胞(bone-lining cell)、成骨细胞和破骨细胞，其中骨衬细胞占94%，成骨细胞占5%。埋于基质中的低活性成骨细胞称为骨细胞(osteocyte)。骨衬细胞与骨细胞极相似，也是由成骨细胞活性下降转化而成，但位于骨的表面。骨衬细胞为扁平细胞，细胞器较少，蛋白合成和能量代谢较慢。骨细胞和骨衬细胞有许多突起，深入矿化基质的骨小管(canaliculi)内。细胞突起的浆膜和骨小管壁之间充满了骨组织间液和大分子蛋白聚糖。骨细胞突起长约15mm，能穿过骨小管与相邻细胞的突起相接触。每个骨细胞与多个细胞相连，最多可达12个。两个相接触的突起构成缝隙连接，连接蛋白为connexin43^［2］。离子和小分子物质可以通过缝隙连接在细胞间传递，缝隙连接也是细胞间的电信号传递的通道。所有的骨细胞与骨内、外膜上的骨衬细胞、成骨细胞通过缝隙连接构成多极的网状结构，局部的反应信号能迅速传递到整个骨组织。

在骨骼系统中哪种细胞最有条件成为骨力学感受器呢?破骨细胞首先可排除，因其只有在骨吸收时才出现。骨衬细胞可认为是在骨表面的骨细胞。成骨细胞位于骨的表面，必须通过骨基质才能感受应力，但骨的应变很小，这需要很高的灵敏度，而且成骨细胞与矿化基质之间还存在类骨层(osteoid layer)，它也不太适合于充当力学感受器。只有骨细胞最适合成为骨组织的力学感受器，首先骨细胞广泛分布，其位置适合于感受骨组织的应变，能直接感受骨应变产生的液体流动；其次骨细胞对液体流动的剪切力极为敏感。当然这并不否认成骨细胞的力负荷感受能力，因为成骨细胞是骨细胞的前身。

用脉冲液体流动和间歇液体静压力分别处理培养的骨细胞、成骨细胞、骨膜成纤维细胞，发现3种细胞的前列腺素E₂(PG E₂)的产量都升高，但骨细胞的PG E₂升高最快^［3］。骨细胞受到脉冲液流作用1小时后，其PG E₂产量升高可维持1小时以上，而间歇静压力需要6小时才能出现此变化。实验结果表明，骨细胞的力学感受敏感性＞成骨细胞＞成纤维细胞，骨细胞对流体剪切力的敏感性大于液体静压力。

采用Biot^［4］的小孔调节理论来计算，可知：生理范围内的骨力学负荷所产生液体流动的剪切力峰值为0.8～3.0Pa。经实验可知，体外培养骨细胞能感受的流体剪切力范围是0.2～6.0Pa^［4］，实验结果基本与理论计算相符合，表明体内骨细胞能感受骨力学负荷产生的液体剪切力。

骨细胞受到液体剪切力后引起PG和NO的产量升高，这与血管内皮细胞相类似。内皮细胞可以感受和调节血液流变力学的变化，当血流剪切力达到0.5Pa时，内皮细胞增加PG和NO的产量，使血管舒张，以保持恒定的血管内剪切压力。骨细胞可能与内皮细胞相类似，调节骨适应性再建，使骨保持稳定的应变和稳定的骨小管内液流剪切力。

2整合素(integrin)将细胞膜外的应力传递入细胞膜内的细胞骨架

整合素是介导细胞与细胞外基质粘附分子，是细胞膜表面糖蛋白受体，主要通过识别配体的“精氨酸-甘氨酸-天门冬氨酸”三肽序列(Arg-Gly-Asp,RGD)介导粘附。骨细胞与基质的粘合并非均匀，细胞膜上的整合素将细胞“点焊”到胞外基质。整合素跨越细胞膜，向外与基质的纤维连接素(FN)、骨桥蛋白(OPN)、骨唾液蛋白(BSP)相连；向内与粘着斑相连。粘着斑由肌动蛋白(actin)、踝蛋白(talin)、桩蛋白(paxillin)、粘着斑蛋白(vinculin)和张力蛋白(tensin)组成，将细胞骨架固定在细胞膜上^［5］。

Wang等^［6］用RGD肽段包被的微小磁性铁珠黏附在内皮细胞的细胞膜上，然后用磁场扭转磁性珠使整合素受力而不改变细胞的形态，发现细胞骨架的内在硬度(stiff=应力/应变)随着整合素所受应力的增大而增大，并且抑制磁珠的旋转；用含RGD的可溶性多肽可抑制细胞骨架内在硬度升高的反应，而不含RGD的可溶性多肽不能抑制此反应。磁珠包被整合素的抗体也能使细胞骨架产生相同的内在硬度升高的反应，而包被非特异蛋白如牛血清蛋白则不能抑制磁珠的旋转。细胞骨架的内在硬度的升高，需要细胞骨架3个组分——微丝、微管、中间纤维的结构保持完整。破坏微丝的完整性可导致细胞骨架的内在硬度下降85%，破坏微管和中间纤维的完整可使内在硬度下降25%。从以上实验结果可以得出以下结论：整合素是细胞膜上的应力信号受体，将应力传递给细胞骨架后引起细胞骨架的重排和内在硬度增大。

骨组织抵抗力负荷而产生应变，骨小管和骨陷窝中的骨组织间液因压力的变化而流动。当液流经过骨细胞时，流体的剪切力使骨细胞膜上整合素与基质蛋白的联结产生应变，使整合素的形态发生改变，从而激活酪氨酸激酶如粘着斑激酶(focal adhesion kinase)^［7］。粘着斑激酶通过自身磷酸化而激活，启动桩蛋白、张力蛋白的磷酸化，加速粘着斑的形成。随着粘着斑的形成，流体剪切力通过细胞外基质蛋白经整合素透过细胞膜传递给细胞骨架。

3细胞骨架的张拉完整性与骨组织的力学敏感性

整合素将应力传递给细胞骨架后，是如何将力学信号转化为生化信号的?要回答这个问题，必须引入一个概念：细胞骨架的张拉完整性。张拉完整性的概念是由Donald E.Ingber引入生物结构研究的^［8］。

大分子自装配成细胞器，细胞器自装配成细胞，细胞自装配成组织，组织自装配成器官，指导生物自装配的基本原则为张拉完整性(tensegrity)，能使组件的能量和质量减至最小。张拉完整性为建筑学术语，表示一种机械上自我稳定的方式，它能使张力和压力在结构内得以分散和平衡。张拉完整性结构分为两类，一类为短程线圆顶(网架穹顶)，由刚性支杆构成，每一根支杆都承受张力和压力；另一类为预应力结构，所有的构件都已受到张力或压力，承受压力的刚性支杆将承载拉力的柔性构件(如：绳索)拉直或拉紧，同时承受拉力的柔性构件将刚性支杆压紧。张拉完整性结构有一显著特性，张力能连续传递到所有柔性构件上，一个柔性构件上的张力增加就会造成整个结构内所有柔性构件的张力增加，刚性支杆抵抗张力的局部压力同时增加。张拉完整性结构的构件都定位于承受应力的最佳位置上，张力按两点间最短距离进行传递，能使整体结构达到最大强度。

细胞骨架符合张拉完整性结构，微管作为刚性支杆，抵抗压力；微丝作为绳索，将张力传遍整个细胞，对细胞骨架的内在硬度起主要作用。微丝将细胞膜和所有内部组分拉向核心的细胞核。与微丝向内拉力相抵抗的压力构件是细胞外基质和细胞内的微管及交联微丝。中间纤维作为整合者，将微管和微丝相互连接起来并将它们连接到细胞膜和细胞核上。微丝、微管、中间纤维共同传递应力信号，但以微丝为主。最近的研究表明：微丝网本身就是一种张拉完整性结构^［8］。

Maniotis等^［8］将微量吸管与细胞表面的粘附分子相连并往外拉，细胞骨架和细胞核的结构立即按照拉力的方向重新调整。细胞膜上某一局部的整合素受到应力刺激，将应力传递给细胞膜下粘着斑内的肌动蛋白(微丝的组分)，再传递到整个细胞骨架，引起整个细胞骨架的重排，但构件的拓扑关系不变。细胞骨架按照应力的方向延伸，这可以解释肌肉、骨骼随着应力而生长，以及植物根部顺着重力而生长。应力使细胞骨架重排时使整个细胞骨架的内在硬度增加。细胞骨架的内在硬度与整合素所受的应力成正比，正是因为细胞骨架的张拉完整性造成的。内在硬度与应力成正比的现象在人造材料上很少见，在生物组织中多见。

细胞受到力学刺激前细胞骨架的应力大小和内在硬度对随后的细胞内反应非常重要。许多酶和其他控制蛋白合成、能量代谢和细胞生长的因子都是以物理方式固定在细胞骨架上，因此细胞骨架的几何形状和内在硬度的改变会影响细胞内的生化反应，如基因的激活和蛋白质的合成。细胞骨架的张拉完整性结构使细胞膜局部的粘附分子受到应力后导致整个细胞作出生化反应。这样力学信号通过细胞骨架的变形而转化为生化信号，从而启动一系列生化反应，如压力敏感离子通道、腺苷酸环化酶及PKC的活性发生变化，使PG、NO和骨桥蛋白的含量升高，最终引起骨量的增加。

细胞通过整合素固定在基质上，当细胞脱离基质时，因细胞内细胞骨架的张拉完整性将细胞变成较圆的球形。当细胞通过整合素固定于基质时，通过张拉完整性将细胞变得<