力学因素对骨髓间充质干细胞成骨分化的影响

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

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。

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。

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。

BMSCs成骨向分化过程中，不同形式的牵张应力对BMSCs增殖、成骨向分化的影响不同，间歇施加周期性牵拉应力促进BMSCs的成骨向分化，且牵张应力对BMSCs的影响存在于适当的范围，适宜的牵张应力通过复杂的作用机制促进BMSCs增殖、細胞形态、骨架排列、成骨向分化等一系列生物学行为。

3剪切应力对BMSCs成骨向分化的影响

正常人体内各类骨组织细胞持续暴露于荷载状态下由于组织间隙内液体流动造成的剪切应力中。根据流变学原理建立流动小室，模拟体内流体环境，利用流动培养液对附着于培养基质上的细胞产生剪切应力，保证细胞在受到不同水平恒流或生理剪切应力的作用下仍保持与基质粘附。目前国内外广泛使用的研究流体剪切应力对细胞影响的仪器主要为锥板流动室、平行平板流动室、板板流室、圆柱管流室和径向流装置等。其中平行平板流动室其流室体积小，便于实时观察、显示和标记，操作简单快捷，能实现自动化控制的优点而成为最常用的操作模式。试验显示流体剪切应力能够提高人BMSCs细胞增殖能力，增强细胞活性， 且与流体剪切应力的模式相关。Liu L等[10]对人BMSCs实加间歇性和连续性流体剪切力刺激，发现前者较后者能更好的诱导成骨分化。Vetsch JR等[11]对人BMSCs实加不同流速的剪切力，发现高流速（0.061 m/s）、高剪切力（0.55～24 mPa）可显著增强成骨分化。Hu K等[12]发现流体剪切应力作用下的成骨细胞，通过激活TRPV 4通道使Ca2+内流促进核心结合因子Cbfα1的表达，从而诱导人BMSCs增殖。Becquart P等[13]研究显示剪切应力可通过激活ERK1/2信号通路促进BMSCs成骨向分化，其作用较压应力更有效。可以看出，利用剪切应力加载系统模型模拟体内流体环境，可以促进BMSCs增殖和成骨向分化，其发挥效应依赖于施加应力大小和作用时间。剪切应力影响BMSCs生物活性的机制复杂，可能是通过一定的信号转导通路实现。

4微重力和离心力对BMSCs成骨向分化的影响

微重力影响BMSCs增殖和细胞骨架。李煜等[14]应用旋转细胞培养系统对小鼠BMSCs模拟微重力条件下行成骨诱导，培养10 d，检测碱性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）及与成骨相关的基因蛋白COLI、Runx-2，结果发现微重力条件能明显抑制成骨相关蛋白的表达。微重力条件可促进BMSCs增殖，抑制BMSCs向成骨细胞的分化。细胞微丝骨架对微重力敏感，Mao XL等[15]利用恒温器模拟微重力施加于BMSCs，发现微重力通过重塑F-肌动蛋白和增加细胞硬度来抑制BMSCs的迁移。Li L等[16]在正常地面重力和模拟微重力下，将hBMSCs在成骨诱导0、2、7和14 d，然后通过RNA测序分析发现微重力抑制BMSCs 增殖并抑制成骨分化，但促进脂肪形成。此外，微重力还延长高致瘤性细胞存活。杨先炯等[17]采用平行平板旋转培养装置模拟微重力效应，结果发现Wnt3a/β-catenin信号通路可能介导了微重力效应诱导的BMSCs增殖抑制。

在BMSCs向成骨细胞分化过程中，离心力是一种促进因素。蒋斌等[18]对BMSCs实施不同大小的离心力，结果发现较低转速（200 r/min与500 r/min）的离心力可促进BMSCs增殖，其中500 r/mmin干预5 d（相对离心力大小约为30.9 g）的促进作用最强。而过高转速（800 r/min，相对离心力大小约为79.2 g）的离心力表现为抑制作用。段峰等[19]给予成骨细胞不同转速离心力（90 r/min，180 r/min，250 r/min）和相同转速不同持续时间（6 h、12 h、24 h）的刺激，显示离心力刺激可促进成骨细胞骨形态发生蛋白信号通路中Runx-2mRNA 的表达，且都随时间延长差异明显，其中180 r/min组（旋转半径19 cm，相对离心力大小约为6.8 g）作用最强。

当机体处于特殊的微重力环境，其自身重力消失，骨细胞缺乏必要的机械应力刺激作用，BMSCs增殖明显减慢，成骨细胞特异性基因的表达受到抑制，而脂肪细胞特异性基因的表达上升，模拟微重力通过Wnt3a/β-catenin细胞信号通路来抑制成骨细胞分化和促进脂肪细胞分化。离心力能够促进BMSCs成骨向分化。

骨髓间充质干细胞具有多向分化潜能， 在组织工程研究和多种疾病的临床治疗中被寄予厚望，具有重要的科研和临床应用价值，探讨BMSCs定向增殖和分化的最佳诱导条件一直是国内外研究的热点。力学刺激是一种影响BMSCs细胞结构和功能的重要外界因素。不同性质的应力以及应力的大小、频率、施加方式、作用时间等力因素影响BMSCs增殖、周期、骨架和分化等生物学行为。应用各种力学装置系统研究力学因素调节BMSCs生物学效应的一系列实验表明，利用适当的机械力学因素结合各种促分化化学诱导因子能促进BMSCs成骨向分化，这对组织工程具有深远的意义，同时也为临床应用力学刺激进行治疗提供必要的理论依据。BMSCs成骨向分化过程相关的细胞信号转导通路和功能调控机制的研究已取得许多重要进展，但力学刺激诱导BMSCs成骨向分化的力学信号转导途径和机制还尚未完全明确。与此同时，如何更加科学有效地对BMSCs进行力学加载，寻找最佳力学刺激条件等一些有关力学因素影响BMSCs成骨向分化的问题也亟待解决，这些是今后诱导BMSCs成骨向分化研究领域的重要内容，尚需进一步的探索。

参考文献：

[1]Huang C，Ogawa R.Effect of hydrostatic pressure on bone regeneration using human mesenchymal stem cells[J].Tissue Eng Part A，2012，18（19-20）：2106-2113.

[2]Stavenschi E，Corrigan MA，Johnson GP，et al.Physiological cyclic hydrostatic pressure induces osteogenic lineage commitment of human bone marrow stem cells： a systematic study.Stavenschi et al[J].Stem Cell Res Ther，2018，9（1）：276.

[3]姜喜亮，朱晓文，胡静，等.整合素信号通路在大鼠骨髓间充质干细胞牵张中的作用和转导机制[J].中国口腔颌面外科杂志，2015，13（3）：193-199.

[4]Liu J，Zhao Z，Zou L，et al.Pressure-Loaded MSCs During Early Osteodifferentiation Promote Osteoclastogenesis by Iincrease of RANKL/OPG Ratio[J].Annals of Biomedical Engineering，2009，37（4）：794-802.

[5]Yu SH，Kim JJ，Kim HW，et al.Impact of mechanical stretch on the cell behaviors of bone and surrounding tissues[J].J Tissue Eng，2016（7）：1-24.

[6]Grier WG，Moy AS，Harley BA.Harley.Cyclic tensile strain enhances human  mesenchymal stem cell smad 2/3 activation and tenogenic differentiation in  anisotropic collagen-glycosaminoglycan scaffolds[J].Eur Cell Mater，2018（33）：227-239.

[7]代庆刚，张鹏，吴玉琼.不同幅度持续张应力干预下骨髓基质干细胞的成骨分化[J].中国组织工程研究，2012，16（45）：8367-8373.

[8]张鹏，江凌勇，吴玉琼.持续张应力对骨髓基质干细胞增殖及骨向分化的影响[J].医用生物力学，2012，27（2）：239-244.

[9]Song Y，Tang Y，Song J，et al.Cyclic mechanical stretch enhances BMP9-induced osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells[J].Int Orthop，2018，42（4）：947-955.

[10]Liu L，Yu B，Chen J，et al.Different effects of intermittent and continuous fluid shear stresses on osteogenic differentiationof human mesenchymal stem cells[J].Biomech Model Mechanobiol， 2012，11（3-4）：391-401.

[11]Vetsch JR，Betts DC，Mu¨ller R，et al.Flow velocity-driven differentiation of human mesenchymal stromal cells in silk fibroin scaffolds：A combined experimental and computational approach [J].PLoS One，2017，12（7）：e0180781.

[12]Hu K，Sun H，Gui B，et al.TRPV4 functions in flow shear stress induced early osteogenic differentiation of human bone marrow mesenchymal stem cells[J].Biomed Pharmacother.2017（91）：841-848.

[13]Becquart P，Cruel M，Hoc T，et al.Human mesenchymal stem cell responses to hydrostatic pressure and shear stress[J].European Cells and Materials，2016（31）：160-173.

[14].李煜，孫明林，张新昌，等.微重力对骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化影响的研究[J].国际生物医学工程杂志，2015，38（5）：257-261.

[15]Mao XL，Chen Z，Luo Q，et al.Simulated microgravity inhibits the migration of mesenchymal stem cells by remodeling actin cytoskeleton and increasing cell stiffness [J].Cytotechnology，2016，68（6）：2235-2243.

[16]Li L，Zhang C，Chen JL，et al.Effects of simulated microgravity on the expression profiles of RNA during osteogenic differentiation of human bone marrow mesenchymal stem cells [J].Cell Prolif，2018（5）：e12539.

[17]杨先炯，毛新建，罗庆，等.Wnt3a/β-catenin信号通路调节模拟微重力诱导的骨髓间充质干细胞增殖抑制[J].空间科学学报，2016，36（1）：63-70.

[18]蒋斌，郑明辉，张斌，等.三维载体培养下离心力对骨髓间充质干细胞增殖的影响[J].解剖学杂志，2018，41（1）：1-4.

[19]段峰，关键，杨红岩，等.机械离心力对成骨细胞骨形态发生蛋白信号通路中Runx-2 mRNA的影响[J].中国组织工程研究，2014，18（33）：5305-5309.

收稿日期：2018-11-1;修回日期：2018-11-12

编辑/杨倩

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