细胞凋亡与骨重建
董玉峰(综述) 戴克戎(审校)
关键词：细胞凋亡(Apoptosis)；骨重建(Bone Remodeling)
细胞凋亡(Apoptosis)，又称为程序性细胞死亡(Programme Cell Death,PCD)。随着分子生物学技术的发展，其在骨组织的发生、演变、骨修复、骨重建等方面的意义有了较深入的研究。
骨重建(Bone Remodeling)是成熟骨组织的一种替换机制，其基本过程包括骨组织的形成和骨组织的重吸收两方面的变化。成骨细胞不断形成类骨质，类骨质钙化为骨组织，破骨细胞又不断的溶解和吸收骨，通过两者相辅相成不可分割的活动来完成骨的改建，从而保证骨的生长发育和个体的生长发育。在骨重建的过程中，若因某种原因出现二者活动不协调，即可造成骨的各种异常和病变。
细胞凋亡是指有核细胞在一定条件下，启动自身内部机制，主要通过激活内源性DNA内切酶引起细胞的自然死亡。细胞凋亡时细胞核染色质浓缩形成密集颗粒呈帽状或新月形，位于核膜下。凋亡细胞内有的细胞器(如线粒体)仍保持呈正常状态，而内质网、高尔基复合体及核被膜膨大形成泡状结构与细胞膜融合，以出泡方式脱离正在死亡的细胞，将所包含的完整细胞器和核碎片等细胞内容物以细胞质膜包被，形成凋亡小体释放到细胞外[1]。细胞凋亡过程中，没有溶酶体及细胞膜破裂，细胞在仍完整即未溶解前就被附近的细胞吞噬，故不引起炎症反应和周边组织损伤。它以与细胞有丝分裂相反的方式，保持细胞死亡和增殖的平衡。
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1 成骨细胞凋亡与骨重建
成骨细胞胞体比骨原细胞大，呈柱状或椭圆形，也有细小突起。核大而圆，核仁明显，位于胞体的一端。胞质强嗜碱性。胞质内有丰富的粗面内质网和发达的高尔基体，故成骨细胞具有合成和向骨组织表面分泌胶原纤维和无定形有机基质的功能。体外培养成骨细胞的研究表明，成骨细胞还可分泌骨连接蛋白、骨钙蛋白和多种生物活性物质，并参与类骨质的钙化。Klein等[2]发现在老年低骨密度的病人中，骨组织活检发现成骨细胞数目明显减少，并有凋亡小体出现。提示在绝经后妇女和老年人中，由凋亡引起的成骨细胞数量降低，成骨功能减退，也是引起骨重建失衡的重要原因。Ookawa等[3]研究发现，在成骨细胞培养系中，p53的表达可导致细胞生长抑制，大量积聚并停滞在细胞分化周期的G0/G1和G2阶段，还可以观察到细胞内染色质浓缩和DNA片段，表明p53可以诱导成骨细胞凋亡。Kawakami[4]等则发现在培养的成骨细胞上有Fas抗原表达，与膜型和可溶型Fas配体结合后，可引起成骨细胞凋亡而死亡。Hill等[5]认为有多种细胞外信号可以延长成骨细胞寿命和促进其凋亡。在他的实验中发现，缺乏生长因子(GF)、细胞介素和骨营养素时，成骨细胞很快就会进入凋亡状态。其中胰岛素样生长因子(IGF)、胰岛素、碱性成纤维细胞样生长因子(bFGF)可阻止成骨细胞凋亡。Jilka[6]等发现血小板衍生生长因子(PDGF)对成骨细胞活性没有作用，但它可以增强IGF、bFGF和胰岛素阻止成骨细胞凋亡的效应。肿瘤坏死因子α(TNF-α)则可以促进成骨细胞凋亡。可促进成骨细胞凋亡的另一个重要因子是糖皮质激素，Robert等[7]应用TUNEL 法检测过量糖皮质激素诱导骨质疏松大鼠骨组织内成骨细胞凋亡状况，发现糖皮质激素诱导的成骨细胞凋亡是对照组的3倍，而且还伴有骨细胞的凋亡。推测糖皮质激素引起的成骨细胞数目减少是引起激素性骨质疏松的重要原因。因此，明确成骨细胞的凋亡机制，就可以通过调控成骨细胞凋亡来调节骨重建的进程。
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2 骨细胞凋亡与骨重建
骨细胞是分布在钙化骨基质中的静止成骨细胞，胞体较小，呈扁椭圆形。骨细胞的胞体所占的空间称为骨陷窝，突起所在的空间称为骨小管，相邻骨细胞的突起末端以缝隙连接相互连接，骨小管也彼此相同，骨陷窝和骨小管内含有组织液，可营养骨细胞和排出代谢物。骨细胞的确切作用目前还不清楚。有证据显示，骨细胞能对机械载荷的刺激产生反应，推测骨细胞可能是骨基质中的应力刺激受体传感器，感应加在骨组织上的载荷大小和方向变化，并把信号传导到骨形成和吸收有关的细胞，引起骨结构的变化。Noble[8]等研究发现在婴儿颅骨和成人病理性骨组织中有大量骨细胞出现细胞凋亡，而在成人正常皮质骨中，凋亡的细胞很少见到。凋亡的细胞也多分散在正常骨细胞周围，凋亡周期明显缩短。Tanaka[9]等实验发现，骨细胞的出现可抑制破骨细胞的破骨功能，与骨转换有明显关系。因此推测，病理骨组织的高转换率可以引起骨细胞的快速凋亡，而正常骨组织内的细胞凋亡则与年龄和微骨折有关。另外，Elmardi[10]等的研究发现，在高转换率骨组织中，如骨赘中，骨细胞是被破骨细胞清除的，而且骨陷窝内几乎见不到降解的细胞。所以，骨细胞凋亡与骨重建和骨改建有直接的关系。
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3 破骨细胞凋亡与骨重建
破骨细胞是骨组织中一种多核巨细胞，直径约100um，胞质嗜碱性。破骨细胞贴近骨质的一侧有许多长短不一、排列不整齐的微绒毛，称褶皱缘。其周围有一环行亮区，亮区的细胞膜紧贴骨质表面，在酶及酸的作用下使骨质溶解，骨改建的过程即是骨吸收以及随之而来的骨形成的偶联过程。骨质疏松就是由于骨改建偶联过程失衡引起的。在绝经后的骨质疏松患者中，由于雌激素水平降低，破骨细胞活性增强、数量增多，骨吸收大于骨形成而致骨质疏松。虽然雌激素替代治疗可扭转这种不平衡，但其机理并不明确。Mano等[11]学者应用Northern-blot分析发现，在分离的破骨细胞表面有丰富的雌激素受体α(ERα)，雌激素与之结合，诱导成熟的破骨细胞凋亡。在混合培养的破骨细胞样系统中，Hughes等[12]发现破骨细胞凋亡须通过转化生长因子β(TGF-β)介导才能实现。而Kameda等[13]的实验认为，雌激素可以直接作用于破骨细胞，引起破骨细胞凋亡，并且呈时间和剂量依赖性，而不需要TGF-β参与。大量实验证明，有许多因素可以影响破骨细胞的凋亡。Van't等[14]的体外实验表明，干扰素-γ可以抑制白细胞介素1(IL-1)TNF-α介导的骨吸收，其机制是通过强烈刺激一氧化氮(NO)的合成实现的，而NO能诱导破骨细胞的前体发生凋亡。虽然过量的糖皮质激素可以引起成骨细胞的大量凋亡，导致骨质疏松，但Dempster[15]的研究却发现低剂量的糖皮质激素能够抑制骨吸收，其机制就是通过激素诱导大量破骨细胞凋亡，使其数目减少实现的。与之相似，目前应用许多治疗骨质疏松的药物，其治疗机理都与凋亡有关。例如二磷酸盐，它吸收之后可迅速进入骨组织，诱导破骨细胞的凋亡，抑制骨溶解，达到治疗骨质疏松的目的[16]。
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以上研究说明，骨组织内的细胞凋亡速度对保持骨重建的平衡有重要作用，成骨细胞凋亡减少可以增加成骨细胞数量，使骨形成加速。破骨细胞凋亡减少则可增加破骨细胞数量，使骨吸收加速，而骨细胞又可以影响成骨细胞和破骨细胞的活性，因此骨重建失衡疾病的治疗可以通过以下途径实现，一是调节破骨细胞凋亡，二是调节成骨细胞凋亡，三是调节骨细胞凋亡，四是前三者的结合。因此，明确骨细胞、破骨细胞、成骨细胞凋亡的调控机制和影响因素，就有可能通过基因治疗来调控细胞凋亡的速度，预防和根治骨重建失衡疾病的病理进程。例如对绝经后骨质疏松，由于其破骨细胞数目增多，功能活跃，因此可以采用诱导破骨细胞凋亡的方法来治疗。而对老年性骨质疏松治疗则可以通过阻止成骨细胞凋亡的方法实现。药物的选择也是同样的道理。
作者简介：董玉峰(1970-)，男，山东泰安人，骨科学博士，研究方向：创伤骨折与骨质疏松。电话：(021)63138341×5397
董玉峰(上海第二医科大学附属第九人民医院， 上海市制造局路639号 200011)
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戴克戎(上海第二医科大学附属第九人民医院， 上海市制造局路639号 200011)
参考文献：
[1] Wyllie AH,Kerr JER,Currie AR et al.Cell death:the significance of apoptosis[J].Int Rev Cytol, 1980,68(1):251～307.
[2] Klein RF,Fausti KA,Carlos AS, et al.Ethanol inhibits human osteoblastic cell proliferation.[J]. Alcohol Clin Exp Res,1996,20(3):572～578.
[3] Ookawa K,Tisuchida S,Adachi J, et al.Differentiation induced by RB expression and apoptosis induced by p53 expression in an osteosarcoma cell line[J]. Oncogene,1997,14(12):1 389～1 396.
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[4] Kawakami A,Nakane PK,Matsuka N, et al.Fas and Fas ligand interaction is necessary for human osteoblast apoptosis[J].J Bone Miner Res,1997,12(10):1 637～1 646.
[5] Hill PA,Tumber A,Meikle MC, et al.Multiple extracellular signals promote osteoblast survival and apoptosis[J].Endocrinology,1997,138(9):3 849～3 858.
[6] Jilka RL,Weinstein T,Bellido AM, et al.Osteoblast programmed cell death:modulation by growth factors and cytokines[J].J Bone Miner Res,1998,13(3):793～802.
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[7] Ro bert S,Weistein RL,Michael P, et al.Inhibition of osteoblastogenesis and Promotion of apoptosis of osteoblasts and osteocytes by glucocorticoids[J].J Clin Invest,1998,102(2):274～282.
[8] Nable B S， Stevens H,Loveridge N, et al.Identification of apoptotic changes in osteocytes in normal and pathological human bone[J].Bone,1997,20(3):273～282.
[9] Txanaka K,Matsuo T,Ohta M, et al.time-Iapse microcinematography of osteocytes.Miner Electrolyte Metab,1995,21(1):189～192.
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[10] Elmardi A S,Katchburian M V,Katchburian E.Electron microscopy of developing calvaria reveals images that sugguest that osteoclasts engulf and destroy osteocytes during bone resorption[J].Calcif Tissue Int,1990,46(1):239～245.
[11] Mano H,Yuasa T,Kameda K, et al.Mammalian mature osteoclasts as estrogen taarget cells[J].Biochem Res,1996,223(4):637～642.
[12] Hughes DE,Dai A,Tifee JC, et al.Estrogen promotes apoptosis of murine osteoclasts mediated by TGF[J].Nat Med,1996,2(10):1 132～1 136.
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[13] Kameda T,Mano H,Yuasa T, et al.Estrogen inhibits bone resorption by directly inducing opoptosis of the bone resorbing osteoclasts[J].J Exp Med,1997,186(4):489～495.
[14] Van't T,Ralston SH.Cytokine induced nitric oxide inhibits bone resorption by inducing apoptosis of osteoclast progenitors and suppressing osteoclast activity[J].Bone Miner Res,1997,12(12):1 797～1 802.
[15] Dempster DW,Moonga BS,Stein LS, et al.Glucocorticoids inhibits bone resorption by isolated osteoclasts by enhancing apoptosis[J].J Endocrinol,1997,154(3):397～406.
[16] Rodan GA.Mechanisms of action of bisphosphonates[J].Annu Rev Pharmacol Toxicol,1998,38(2):375～388., http://www.100md.com
关键词：细胞凋亡(Apoptosis)；骨重建(Bone Remodeling)
细胞凋亡(Apoptosis)，又称为程序性细胞死亡(Programme Cell Death,PCD)。随着分子生物学技术的发展，其在骨组织的发生、演变、骨修复、骨重建等方面的意义有了较深入的研究。
骨重建(Bone Remodeling)是成熟骨组织的一种替换机制，其基本过程包括骨组织的形成和骨组织的重吸收两方面的变化。成骨细胞不断形成类骨质，类骨质钙化为骨组织，破骨细胞又不断的溶解和吸收骨，通过两者相辅相成不可分割的活动来完成骨的改建，从而保证骨的生长发育和个体的生长发育。在骨重建的过程中，若因某种原因出现二者活动不协调，即可造成骨的各种异常和病变。
细胞凋亡是指有核细胞在一定条件下，启动自身内部机制，主要通过激活内源性DNA内切酶引起细胞的自然死亡。细胞凋亡时细胞核染色质浓缩形成密集颗粒呈帽状或新月形，位于核膜下。凋亡细胞内有的细胞器(如线粒体)仍保持呈正常状态，而内质网、高尔基复合体及核被膜膨大形成泡状结构与细胞膜融合，以出泡方式脱离正在死亡的细胞，将所包含的完整细胞器和核碎片等细胞内容物以细胞质膜包被，形成凋亡小体释放到细胞外[1]。细胞凋亡过程中，没有溶酶体及细胞膜破裂，细胞在仍完整即未溶解前就被附近的细胞吞噬，故不引起炎症反应和周边组织损伤。它以与细胞有丝分裂相反的方式，保持细胞死亡和增殖的平衡。
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1 成骨细胞凋亡与骨重建
成骨细胞胞体比骨原细胞大，呈柱状或椭圆形，也有细小突起。核大而圆，核仁明显，位于胞体的一端。胞质强嗜碱性。胞质内有丰富的粗面内质网和发达的高尔基体，故成骨细胞具有合成和向骨组织表面分泌胶原纤维和无定形有机基质的功能。体外培养成骨细胞的研究表明，成骨细胞还可分泌骨连接蛋白、骨钙蛋白和多种生物活性物质，并参与类骨质的钙化。Klein等[2]发现在老年低骨密度的病人中，骨组织活检发现成骨细胞数目明显减少，并有凋亡小体出现。提示在绝经后妇女和老年人中，由凋亡引起的成骨细胞数量降低，成骨功能减退，也是引起骨重建失衡的重要原因。Ookawa等[3]研究发现，在成骨细胞培养系中，p53的表达可导致细胞生长抑制，大量积聚并停滞在细胞分化周期的G0/G1和G2阶段，还可以观察到细胞内染色质浓缩和DNA片段，表明p53可以诱导成骨细胞凋亡。Kawakami[4]等则发现在培养的成骨细胞上有Fas抗原表达，与膜型和可溶型Fas配体结合后，可引起成骨细胞凋亡而死亡。Hill等[5]认为有多种细胞外信号可以延长成骨细胞寿命和促进其凋亡。在他的实验中发现，缺乏生长因子(GF)、细胞介素和骨营养素时，成骨细胞很快就会进入凋亡状态。其中胰岛素样生长因子(IGF)、胰岛素、碱性成纤维细胞样生长因子(bFGF)可阻止成骨细胞凋亡。Jilka[6]等发现血小板衍生生长因子(PDGF)对成骨细胞活性没有作用，但它可以增强IGF、bFGF和胰岛素阻止成骨细胞凋亡的效应。肿瘤坏死因子α(TNF-α)则可以促进成骨细胞凋亡。可促进成骨细胞凋亡的另一个重要因子是糖皮质激素，Robert等[7]应用TUNEL 法检测过量糖皮质激素诱导骨质疏松大鼠骨组织内成骨细胞凋亡状况，发现糖皮质激素诱导的成骨细胞凋亡是对照组的3倍，而且还伴有骨细胞的凋亡。推测糖皮质激素引起的成骨细胞数目减少是引起激素性骨质疏松的重要原因。因此，明确成骨细胞的凋亡机制，就可以通过调控成骨细胞凋亡来调节骨重建的进程。
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2 骨细胞凋亡与骨重建
骨细胞是分布在钙化骨基质中的静止成骨细胞，胞体较小，呈扁椭圆形。骨细胞的胞体所占的空间称为骨陷窝，突起所在的空间称为骨小管，相邻骨细胞的突起末端以缝隙连接相互连接，骨小管也彼此相同，骨陷窝和骨小管内含有组织液，可营养骨细胞和排出代谢物。骨细胞的确切作用目前还不清楚。有证据显示，骨细胞能对机械载荷的刺激产生反应，推测骨细胞可能是骨基质中的应力刺激受体传感器，感应加在骨组织上的载荷大小和方向变化，并把信号传导到骨形成和吸收有关的细胞，引起骨结构的变化。Noble[8]等研究发现在婴儿颅骨和成人病理性骨组织中有大量骨细胞出现细胞凋亡，而在成人正常皮质骨中，凋亡的细胞很少见到。凋亡的细胞也多分散在正常骨细胞周围，凋亡周期明显缩短。Tanaka[9]等实验发现，骨细胞的出现可抑制破骨细胞的破骨功能，与骨转换有明显关系。因此推测，病理骨组织的高转换率可以引起骨细胞的快速凋亡，而正常骨组织内的细胞凋亡则与年龄和微骨折有关。另外，Elmardi[10]等的研究发现，在高转换率骨组织中，如骨赘中，骨细胞是被破骨细胞清除的，而且骨陷窝内几乎见不到降解的细胞。所以，骨细胞凋亡与骨重建和骨改建有直接的关系。
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3 破骨细胞凋亡与骨重建
破骨细胞是骨组织中一种多核巨细胞，直径约100um，胞质嗜碱性。破骨细胞贴近骨质的一侧有许多长短不一、排列不整齐的微绒毛，称褶皱缘。其周围有一环行亮区，亮区的细胞膜紧贴骨质表面，在酶及酸的作用下使骨质溶解，骨改建的过程即是骨吸收以及随之而来的骨形成的偶联过程。骨质疏松就是由于骨改建偶联过程失衡引起的。在绝经后的骨质疏松患者中，由于雌激素水平降低，破骨细胞活性增强、数量增多，骨吸收大于骨形成而致骨质疏松。虽然雌激素替代治疗可扭转这种不平衡，但其机理并不明确。Mano等[11]学者应用Northern-blot分析发现，在分离的破骨细胞表面有丰富的雌激素受体α(ERα)，雌激素与之结合，诱导成熟的破骨细胞凋亡。在混合培养的破骨细胞样系统中，Hughes等[12]发现破骨细胞凋亡须通过转化生长因子β(TGF-β)介导才能实现。而Kameda等[13]的实验认为，雌激素可以直接作用于破骨细胞，引起破骨细胞凋亡，并且呈时间和剂量依赖性，而不需要TGF-β参与。大量实验证明，有许多因素可以影响破骨细胞的凋亡。Van't等[14]的体外实验表明，干扰素-γ可以抑制白细胞介素1(IL-1)TNF-α介导的骨吸收，其机制是通过强烈刺激一氧化氮(NO)的合成实现的，而NO能诱导破骨细胞的前体发生凋亡。虽然过量的糖皮质激素可以引起成骨细胞的大量凋亡，导致骨质疏松，但Dempster[15]的研究却发现低剂量的糖皮质激素能够抑制骨吸收，其机制就是通过激素诱导大量破骨细胞凋亡，使其数目减少实现的。与之相似，目前应用许多治疗骨质疏松的药物，其治疗机理都与凋亡有关。例如二磷酸盐，它吸收之后可迅速进入骨组织，诱导破骨细胞的凋亡，抑制骨溶解，达到治疗骨质疏松的目的[16]。
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以上研究说明，骨组织内的细胞凋亡速度对保持骨重建的平衡有重要作用，成骨细胞凋亡减少可以增加成骨细胞数量，使骨形成加速。破骨细胞凋亡减少则可增加破骨细胞数量，使骨吸收加速，而骨细胞又可以影响成骨细胞和破骨细胞的活性，因此骨重建失衡疾病的治疗可以通过以下途径实现，一是调节破骨细胞凋亡，二是调节成骨细胞凋亡，三是调节骨细胞凋亡，四是前三者的结合。因此，明确骨细胞、破骨细胞、成骨细胞凋亡的调控机制和影响因素，就有可能通过基因治疗来调控细胞凋亡的速度，预防和根治骨重建失衡疾病的病理进程。例如对绝经后骨质疏松，由于其破骨细胞数目增多，功能活跃，因此可以采用诱导破骨细胞凋亡的方法来治疗。而对老年性骨质疏松治疗则可以通过阻止成骨细胞凋亡的方法实现。药物的选择也是同样的道理。
作者简介：董玉峰(1970-)，男，山东泰安人，骨科学博士，研究方向：创伤骨折与骨质疏松。电话：(021)63138341×5397
董玉峰(上海第二医科大学附属第九人民医院， 上海市制造局路639号 200011)
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戴克戎(上海第二医科大学附属第九人民医院， 上海市制造局路639号 200011)
参考文献：
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