摘要应力应变环境及电、磁场刺激骨形成的机理 尚不十分清楚，最近研究发现力-电环境可通过诱导骨生成细胞产生各种骨局部因子，如前 列腺素E₂(PGE₂)、胰岛素样生长因子Ⅱ(IGF-Ⅱ)、骨形态发生蛋白(BMP)和β转化生长 因子(TGF-β)等参与骨形成及改建。本文介绍了几种重要的骨局部因子以及力-电环境诱 导骨生成细胞产生骨局部因子的研究进展。

The Mechanism of Bone Formation Promoted by Mechano-electrical Environments——Current Studies on Local Bone Factors

Zheng LeiWang QianPei Guoxian

(The Department of Orthopedics and Traumatology, Nanfang Hospital,The First Military Medical University,Guangzhou 510510)

AbstractThe mechanism for promoting bone formation unde r the mechanical and the electromagnetical fields stimulation is not yet quite c lear. In recent years, it has been found the mechanical and electromagnetical en vironments may induce the osteogenic cells to produce some local bone factors, s uch as prostaglandin E₂ (PGE₂), insultine-like growth factors-Ⅱ(IGF-Ⅱ), bone morphogenetic protein (BMP) and transforming growth factor β(TGF-β). Th ese factors play an important role in bone formation and remodeling. This articl e introduces current studies on some of these local bone factors under the stimu lation of the mechanical and electromagnetical environments.

Key wordsMechanical and electromagnetical environments Local bone factorsBone formation

应力应变环境及电、磁场刺激，具有调节骨生长代谢，促进 骨愈合及改建的作用。这个现象已被众多的理论和实验研究证实，临床实践中各式各样的加 压固定装置及电、磁场刺激仪也已广泛应用于临床治疗骨不连、先天性假关节及骨质疏松等 疾 病的治疗，并取得了满意疗效。但力-电环境刺激骨愈合机理的基础研究尚缺乏。1989年Fi tz simmons^［1，2］发现体外培养的鸡胚颅盖骨细胞在电磁场作用下增殖有赖于培养基 中胰岛素样生长因子Ⅱ(IGF-Ⅱ)的丝裂原活性。这一发现引起不少学者注意，有关力-电 环境诱导骨局部因子产生的报道日渐增多，现就该领域的研究进展介绍如下：

1骨局部因子在骨形成中的作用

骨代谢和骨愈合是受多种因素调节的复杂过程。骨局部因子的调节作用是内在因素之一。前 列腺素(PG)是影响骨代谢的局部因子之一，由成骨细胞产生，临近的骨髓、血管、结缔组织 、与损伤和炎症相关的细胞产生的PG对骨组织也有一定的影响。PG对骨形成和骨吸收均具有 促进和抑制的双重作用。另外，已从骨基质和骨细胞及骨器官培养基中分离出多种骨源性生 长因子(Bone-derived growth factor,BDGF)，如胰岛素样生长因子Ⅰ、Ⅱ(TGF-Ⅰ、Ⅱ) ， β转化生长因子(TGF-β)，碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)，血小板衍生生长因子(PDGF) 以及骨形成蛋白(BMP)。骨细胞培养基中也含上述数种因子，同时还存在造血细胞因子(G-C SF，GM-CSF)。这些骨生长因子有着不同的生物活性，主要包括：丝裂原活性、分化作用、 趋化作用以及溶骨活性。骨细胞产生一定量的骨生长因子贮存于细胞外基质，同时还分泌骨 生长因子作用其相邻的成骨细胞(旁分泌作用)及其自身(自分泌作用)。骨吸收时，基质中的 骨生长因子释放，作为迟缓性旁分泌剂，刺激成骨细胞前体增殖。由此可见，骨局部因子在 成骨中起着重要作用。

1.1前列腺素(PG)

前列腺素是花生四烯酸的代谢产物。体外培养的骨细胞主要产生PGE₂、PGF_2α、PG I₂及PGI₂的代谢产物6-酮-PGF_1α。在骨组织中，PGE₂含量很多，PGI₂次 之。PG在骨代谢中的作用非常复杂。人们最早研究的是PG的骨吸收活性，PGE₂的骨吸收活 性最强，PGI₂最弱，外源性PGF_2α需通过内源性PGE₂才能促进骨吸收。体内研究 表 明，PG是恶性肿瘤高钙血症、牙周病和风湿性关节炎骨丢失的主要原因，关节置换术后的松 动亦与PG有关。PG在骨形成中也发挥重要作用。PGE₂促进前成骨细胞增殖，加速体外骨结 节矿化，对成骨细胞DNA和碱性磷酸酶ALP活性，PGE₂表现出双相性。低浓度时，PGE₂可 促进DNA合成，提高ALP活性。

Weinreb^［3］研究表明，大鼠服用PGE₂(6 mg/kg，共服3周)，可显著增加长骨的机 械强度和颅盖骨骨密度，并可诱导骨髓细胞表达早期基因(c-fos、c-jun、egr-1)，促进 骨髓 中骨前体细胞的增殖并向成骨细胞分化。另外PG还可间接通过某些骨生长因子调节骨代谢， 如PGE₂可促进IGF-I的合成^［4］，PGE₁则显著增强重组合人BMP的诱导成骨效应 ^［5］。

1.2胰岛素样生长因子(IGF)

现已鉴别出两种IGF，即IGF-Ⅰ和IGF-Ⅱ，分别为含有70个和67个氨基酸残基的单链多态 。IGF-Ⅰ可由成骨细胞产生并以自分泌方式刺激成骨细胞增殖和基质合成。IGF-Ⅱ也可被 成骨细胞合成，对成骨细胞的作用与IGF-Ⅰ基本相似，但较弱。人骨基质中IGF-Ⅱ含量是 IGF-Ⅰ的10～15倍。另外，IGF-Ⅰ在体外促进破骨细胞的形成，刺激成熟破骨细胞功能活 性，调节骨吸收，参与骨改建。Andrew等^［6］发现人正常骨痂早期肉芽组织形成阶 段，间充质细胞、内皮细胞由IGF-Ⅱ mRNA表达；软骨形成阶段，幼稚软骨细胞成骨细胞均 有IGF-Ⅰ及IGF-Ⅱ mRNA的表达；至骨痂改建阶段，一些破骨细胞也有IGF-Ⅱ mRNA表达 。其中，IGF-Ⅱ mRNA在整个骨折愈合过程中持续表达。最近在犬的截骨延长实验中，发现 骨 痂中IGF-Ⅰ的浓度明显增加，提示IGF-Ⅰ在骨愈合中发挥重要作用^［7］。

1.3骨形态发生蛋白(BMP)

BMP是一种疏水性酸性糖蛋白，天然提取的BMP很可能是几种不同分子量蛋白的混合物。BMP 的 主要生物学作用是诱导未分化的间充质细胞分化为软骨和骨，即诱导成骨作用。BMP作用无 种属特异性，具有跨种属诱导成骨能力，新骨形成量一般与BMP植入量呈正相关。现已发现B MP-1～13，其中BMP-1～9已获得相应的cDNA克隆，而报道较多的是BMP-2、-4和-7。BM P-2有促进成骨细胞分化和诱导体外成骨能力。BMP-4的结构和功能均与BMP-2相似，但单 独应用时其成骨作用较BMP-2弱。BMP-7又称成骨蛋白1(OP1)，单独使用即显示很强的成骨 作用。

目前BMP修复骨缺损的主要应用形式是将BMP与各类载体材料复合植入，以达到BMP缓慢释放 ，增强局部诱导成骨作用。如Asahina等^［8］将粗提的牛BMP与羟基磷灰石胶原(HC) 组成复合材料，修复成年猴下颌骨6 mm×7 mm×10 mm骨缺损，三个月后发现HC-BMP植 入组新生 骨量明显多于单纯HC植入组。Ijiri等^［9］将BMP与A-W玻璃陶瓷复合后植入大鼠皮 下亦有类似发现。

1.4β转化生长因子(TGF-β)

TGF-β是一组多功能的多肽，广泛存在于动物正常组织细胞及转化细胞中，以血 小板和骨组织中含量最为丰富。已证明TGF-β可刺激骨膜间充质细胞增殖、分化，促进成 骨和成软骨细胞增生，诱导Ⅰ型胶原、骨桥蛋白(Osteopontin)和骨连接素(Osteonectin)的 合成。新近研究表明，TGF-β可以上调成骨细胞中一种新克隆出的增殖特异基因PROM-1的 表达^［10］，进一步证实TGF-β对成骨细胞的增殖调控作用。

Nielsen等^［11］在3个月龄的大鼠胫骨骨折线处持续注射4～40 ng/d的TGF-β，40 天后发现骨折线处骨及骨痂横截面积增加，并与剂量呈正相关。Sun等^［12］将TGF -β复合载体植入修复兔桡骨中上端1.5厘米缺损，术后12周发现复合植入组有新生骨连接 断端皮质，为板层骨和网状骨，并含早期骨髓腔结构和骨髓成分。单纯载体植入组缺损区仅 为纤维组织填充。

1.5碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)

bFGF是一类存在于包括骨在内的大多数组织内的多肽。在骨折愈合早期在骨折部位肉芽组织 中就有bFGF基因的表达，以后在骨愈合的各阶段均有恒定的基因表达水平。大鼠每天注 射bFGF刺激皮质骨和松质骨的骨内膜成骨，且骨内膜细胞中的内源性TGF-β含量增加， 说明bFGF刺激骨内膜骨形成的作用部分是TGF-β介导。Yamada^［13］将bFGF与明胶 水凝胶渗合，用于修复兔直径为6 mm的颅骨缺损，12周后达完全愈合，而单纯明胶水凝胶 植入未见诱导成骨。bFGF还有促进血管生成作用，促进毛细血管向骨断端和移植物中生长。 将含有BMP的纤维玻璃膜(FCM)复合bFGF植入大鼠背部皮下，2周后与未复合bFGF植入组相比 ，碱性磷酸酶活性提高1.3倍，细胞内钙含量提高3倍，而Ⅱ型胶原合成量减少，认为这与b FGF快速大量促进血管长入FCM，加速成骨过程有关^［14］。

1.6血小板衍生生长因子(PDGF)

PDGF分子量为28～35KD，主要存在形式为A、B两条多肽链组成的杂二聚体，还存在AA、BB的 均二聚体。PDGF最初由血小板分离出，在骨基质<