力学因素对骨髓间充质干细胞成骨分化的影响(1)
摘要：近年来，组织工程学领域发展突飞猛进，已被列为一种修复或再生许多组织和器官的方法。骨髓间充质干细胞具有良好的成骨向分化潜能，在骨组织工程领域中具有广阔的应用前景。骨髓间充质干细胞增殖和成骨向分化受多种力学因素的影响，且不同性质的力学刺激对其定向分化的调节作用不尽相同。目前，许多学者致力于深入探讨力学因素影响骨髓间充质干细胞成骨向分化的具体途径，但其调控机制尚未完全明确。本文综述及讨论力学因素对骨髓间充质干细胞所产生的增殖、定向成骨分化等生物学效应的影响及可能涉及的力化学信号转导通路作用机制，以期丰富研究思路和理论依据。
关键词：骨髓间充质干细胞;力学因素;骨向分化
中图分类号：R329 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2019.02.012
, http://www.100md.com
文章编号：1006-1959(2019)02-0033-04
骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)是一种来源于中胚层的原始祖细胞，是骨髓中具有自我更新和多向分化潜能的干细胞。BMSCs取材便易、易于分离培养，具有较强的分化潜能，在一定的体内外条件下可使其定向分化为成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞、神经细胞等不同的组织细胞。由于其具有诸多优点，因而受到研究者们的青睐，被当作理想的组织工程学种子细胞和细胞治疗、基因治疗的靶细胞，在临床治疗创伤后骨不连、成骨不全、退行性骨关节疾病、骨质疏松、中枢神经系统病变等许多疾病方面具有良好的应用前景。影响BMSCs成骨向分化的因素主要包括化学因素和物理因素，一般认为激素、生长因子、细胞因子、趋化因子等组成的化学信号转导通路形成的复杂网络调控BMSCs的增殖分化，但是近年来，许多研究表明[1-3]，适当的物理因素，如：力学因素、电磁场、体外震波、热处理、激光、超声等在BMSCs成骨向分化过程中也发挥着不可忽视的作用。力学因素存在于一切细胞微环境中，是调节BMSCs生物学行为的一种重要途径。BMSCs是现代医学和生物学的研究热点，通过比较不同力学因素对BMSCs生物学效应的影响，达到最优的定向分化效果，具有重要的医学研究意义。本文就目前常用的不同性质、大小、频率、施加方式、作用时间的力学因素对BMSCs成骨向分化影响的相关研究进行综述，以期丰富研究思路和理论依据。目前常用的研究影响BMSCs成骨向分化的力学因素主要有压应力、牵张应力、剪切应力和重力等。
, 百拇医药
1压应力对BMSCs成骨向分化的影响
压应力模型将细胞培养于密闭容器中，通常利用气体或流体作为传导基质，通过抽吸成真空的方式产生负压，使培养环境内的细胞受压;也可以通过向密闭的培养腔内注入二氧化碳、空气、氮气等方式产生正性压力使细胞受压;还可以通过液柱产生正性静压力使细胞受压。其优点是装置设备简单，细胞受力均匀，载荷易于传递且不依赖培养物与基质的结合状态，容易实现。Huang C等[1]将BMSCs植入羟基磷灰石支架，予以循环静水压的自动生物处理器中孵育3周，结果发现骨钙素、骨桥蛋白、骨连接蛋白和1型胶原水平增高。静水压显著增强细胞活力，促进成骨分化和成熟。Stavenschi E等[2]对BMSCs施加幅度为10 kPa、100 kPa、300 kPa，频率为0.5 Hz、1 Hz、2 Hz的循环静水压，结果发现且循环静水压诱导BMSCs早期成骨反应呈幅度和频率依赖性，最强烈的促成骨反应出现在最高值(300 kPa)和频率(2 Hz)。姜喜亮等[3]通过对BMSCs施加适当的压力后提取RNA及蛋白，检测重要信号分子FAK、整合素β1(integrinβ1)和整合素连接激酶(integrin-linked kinase，ILK)的表达，发现整合素信号通路参与细胞力学信号向生物化学信号的转化，在静水压力诱导细胞骨架结构改变中的发挥一定作用。同时， 骨保护素(osteoprotegerin，OPG)及其配体(receptor activator of NFκB ligand，RANKL)在骨改建中具有重要作用。Liu J等[4]对体外分离培养的大鼠BMSCs施加静态或动态压应力刺激，采用实时定量RT-PCR检测分析BRANKL和OPG mRNA水平，结果表明，在BMSCs成骨向分化的早期階段无论暴露于静态或动态压应力均促进破骨效应，RANKL/OPG表达上调。在成骨向分化的不同时期BMSCs对压应力显示不同反应。在无压应力刺激成骨诱导BMSCs的早期阶段RANKL/OPG明显升高，提示了骨重塑对机械刺激早期生物学反应的新机制。因此，适当的压应力可以促进BMSCs增殖和多向分化，一定的压应力刺激可能是通过复杂的信号转导通路调控BMSCs分化，但是具体的调节机制目前尚不完全明确，还需要不断的探索研究。
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2牵张应力对BMSCs成骨向分化的影响
组织细胞常受到动态牵拉应力作用，体内牵拉应力通过细胞外基质传递到细胞。牵张应力是研究较早，目前研究较为成熟的一种力学因素。牵张应力模型利用液体或气体对弹性基底膜施加可控位移或压力作用，使细胞基底膜产生弹性变化从而影响粘附于膜上的细胞受到相应的牵张应力作用。目前常用的加载系统有四点弯曲、轴向牵拉(单轴、双轴)、真空作用模型，其中最为人所熟知的是Flexercell加载系统[5]。力学刺激的不同方式对BMSCs分化产生的效果并不相同。在成骨分化过程中，间歇施加周期性牵拉应力和连续施加周期性牵拉应力对BMSCs成骨向分化的影响是不同的。Grier WG等[6]使用自设计的循环拉伸应变生物反应器施加周期性和持续性牵拉应力刺激人BMSCs，试验显示，间歇施加周期性牵拉应力(1 Hz，每6 h 10 min)对BMSCs的成骨向分化起到促进作用。代庆刚等[7]对大鼠BMSCs进行体外实验，结果显示，5%、10%、15%的持续牵张应力均可更有效地促进BMSCs的成骨向分化，但10%的持续牵张应力的促进效应更显著。持续牵张应力作用下BMSCs细胞形态呈现一定规律性排列，其增殖活性受到抑制，但早期成骨向分化能力却显著提高[8]。由此可见，牵张应力对BMSCs增殖和细胞骨架的排列等生物学效应产生重要作用。同时，牵张应力可增强骨形态发生蛋白9(bone morphogenetic protein 9，BMP9)诱导的成骨作用。Song Y等[9]的研究显示，牵张应力诱导细胞骨架重组并通过阻滞细胞进入细胞周期的S期来抑制细胞增值，促进成骨分化。, 百拇医药(张丽 李晓阳 刘傥)
关键词：骨髓间充质干细胞;力学因素;骨向分化
中图分类号：R329 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2019.02.012
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文章编号：1006-1959(2019)02-0033-04
骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)是一种来源于中胚层的原始祖细胞，是骨髓中具有自我更新和多向分化潜能的干细胞。BMSCs取材便易、易于分离培养，具有较强的分化潜能，在一定的体内外条件下可使其定向分化为成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞、神经细胞等不同的组织细胞。由于其具有诸多优点，因而受到研究者们的青睐，被当作理想的组织工程学种子细胞和细胞治疗、基因治疗的靶细胞，在临床治疗创伤后骨不连、成骨不全、退行性骨关节疾病、骨质疏松、中枢神经系统病变等许多疾病方面具有良好的应用前景。影响BMSCs成骨向分化的因素主要包括化学因素和物理因素，一般认为激素、生长因子、细胞因子、趋化因子等组成的化学信号转导通路形成的复杂网络调控BMSCs的增殖分化，但是近年来，许多研究表明[1-3]，适当的物理因素，如：力学因素、电磁场、体外震波、热处理、激光、超声等在BMSCs成骨向分化过程中也发挥着不可忽视的作用。力学因素存在于一切细胞微环境中，是调节BMSCs生物学行为的一种重要途径。BMSCs是现代医学和生物学的研究热点，通过比较不同力学因素对BMSCs生物学效应的影响，达到最优的定向分化效果，具有重要的医学研究意义。本文就目前常用的不同性质、大小、频率、施加方式、作用时间的力学因素对BMSCs成骨向分化影响的相关研究进行综述，以期丰富研究思路和理论依据。目前常用的研究影响BMSCs成骨向分化的力学因素主要有压应力、牵张应力、剪切应力和重力等。
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1压应力对BMSCs成骨向分化的影响
压应力模型将细胞培养于密闭容器中，通常利用气体或流体作为传导基质，通过抽吸成真空的方式产生负压，使培养环境内的细胞受压;也可以通过向密闭的培养腔内注入二氧化碳、空气、氮气等方式产生正性压力使细胞受压;还可以通过液柱产生正性静压力使细胞受压。其优点是装置设备简单，细胞受力均匀，载荷易于传递且不依赖培养物与基质的结合状态，容易实现。Huang C等[1]将BMSCs植入羟基磷灰石支架，予以循环静水压的自动生物处理器中孵育3周，结果发现骨钙素、骨桥蛋白、骨连接蛋白和1型胶原水平增高。静水压显著增强细胞活力，促进成骨分化和成熟。Stavenschi E等[2]对BMSCs施加幅度为10 kPa、100 kPa、300 kPa，频率为0.5 Hz、1 Hz、2 Hz的循环静水压，结果发现且循环静水压诱导BMSCs早期成骨反应呈幅度和频率依赖性，最强烈的促成骨反应出现在最高值(300 kPa)和频率(2 Hz)。姜喜亮等[3]通过对BMSCs施加适当的压力后提取RNA及蛋白，检测重要信号分子FAK、整合素β1(integrinβ1)和整合素连接激酶(integrin-linked kinase，ILK)的表达，发现整合素信号通路参与细胞力学信号向生物化学信号的转化，在静水压力诱导细胞骨架结构改变中的发挥一定作用。同时， 骨保护素(osteoprotegerin，OPG)及其配体(receptor activator of NFκB ligand，RANKL)在骨改建中具有重要作用。Liu J等[4]对体外分离培养的大鼠BMSCs施加静态或动态压应力刺激，采用实时定量RT-PCR检测分析BRANKL和OPG mRNA水平，结果表明，在BMSCs成骨向分化的早期階段无论暴露于静态或动态压应力均促进破骨效应，RANKL/OPG表达上调。在成骨向分化的不同时期BMSCs对压应力显示不同反应。在无压应力刺激成骨诱导BMSCs的早期阶段RANKL/OPG明显升高，提示了骨重塑对机械刺激早期生物学反应的新机制。因此，适当的压应力可以促进BMSCs增殖和多向分化，一定的压应力刺激可能是通过复杂的信号转导通路调控BMSCs分化，但是具体的调节机制目前尚不完全明确，还需要不断的探索研究。
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2牵张应力对BMSCs成骨向分化的影响
组织细胞常受到动态牵拉应力作用，体内牵拉应力通过细胞外基质传递到细胞。牵张应力是研究较早，目前研究较为成熟的一种力学因素。牵张应力模型利用液体或气体对弹性基底膜施加可控位移或压力作用，使细胞基底膜产生弹性变化从而影响粘附于膜上的细胞受到相应的牵张应力作用。目前常用的加载系统有四点弯曲、轴向牵拉(单轴、双轴)、真空作用模型，其中最为人所熟知的是Flexercell加载系统[5]。力学刺激的不同方式对BMSCs分化产生的效果并不相同。在成骨分化过程中，间歇施加周期性牵拉应力和连续施加周期性牵拉应力对BMSCs成骨向分化的影响是不同的。Grier WG等[6]使用自设计的循环拉伸应变生物反应器施加周期性和持续性牵拉应力刺激人BMSCs，试验显示，间歇施加周期性牵拉应力(1 Hz，每6 h 10 min)对BMSCs的成骨向分化起到促进作用。代庆刚等[7]对大鼠BMSCs进行体外实验，结果显示，5%、10%、15%的持续牵张应力均可更有效地促进BMSCs的成骨向分化，但10%的持续牵张应力的促进效应更显著。持续牵张应力作用下BMSCs细胞形态呈现一定规律性排列，其增殖活性受到抑制，但早期成骨向分化能力却显著提高[8]。由此可见，牵张应力对BMSCs增殖和细胞骨架的排列等生物学效应产生重要作用。同时，牵张应力可增强骨形态发生蛋白9(bone morphogenetic protein 9，BMP9)诱导的成骨作用。Song Y等[9]的研究显示，牵张应力诱导细胞骨架重组并通过阻滞细胞进入细胞周期的S期来抑制细胞增值，促进成骨分化。, 百拇医药(张丽 李晓阳 刘傥)