力學(xué)因素對骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化的影響

力學(xué)因素對骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化的影響骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bonemarrowmesenchymalstemcellsBMSCs)是一種來源于中胚層的原始祖細(xì)胞，是骨髓中具有自我更新和多向分化潛能的干細(xì)胞oBMSCs取材便易、易于分離培養(yǎng)，具有較強(qiáng)的分化潛能，在一定的體內(nèi)外條件下可使其定向分化為成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞等不同的組織細(xì)胞。由于其具有諸多優(yōu)點，因而受到研究者們的青睞，被當(dāng)作理想的組織工程學(xué)種子細(xì)胞和細(xì)胞治療、基因治療的靶細(xì)胞，在臨床治療創(chuàng)傷后骨不連、成骨不全、退行性骨關(guān)節(jié)疾病、骨質(zhì)疏松、中樞神經(jīng)系統(tǒng)病變等許多疾病方面具有良好的應(yīng)用前景。影響B(tài)MSCs成骨向分化的因素主要包括化學(xué)因素和物理因素，一般認(rèn)為激素、生長因子、細(xì)胞因子、趨化因子等組成的化學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路形成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)調(diào)控BMSCs的增殖分化，但是近年來，許多研究表明[1-3],適當(dāng)?shù)奈锢硪蛩兀纾毫W(xué)因素、電磁場、體外震波、熱處理、激光、超聲等在BMSCs成骨向分化過程中也發(fā)揮著不可忽視的作用。力學(xué)因素存在于一切細(xì)胞微環(huán)境中，是調(diào)節(jié)BMSCs生物學(xué)行為的一種重要途徑。BMSCs是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的研究熱點，通過比較不同力學(xué)因素對BMSCs生物學(xué)效應(yīng)的影響，達(dá)到最優(yōu)的定向分化效果，具有重要的醫(yī)學(xué)研究意義。本文就目前常用的不同性質(zhì)、大小、頻率、施加方式、作用時間的力學(xué)因素對BMSCs成骨向分化影響的相關(guān)研究進(jìn)行綜述，以期豐富研究思路和理論依據(jù)。目前常用的研究影響B(tài)MSCs成骨向分化的力學(xué)因素主要有壓應(yīng)力、牽張應(yīng)力、剪切應(yīng)力和重力等。1壓應(yīng)力對BMSCs成骨向分化的影響壓應(yīng)力模型將細(xì)胞培養(yǎng)于密閉容器中，通常利用氣體或流體作為傳導(dǎo)基質(zhì)，通過抽吸成真空的方式產(chǎn)生負(fù)壓，使培養(yǎng)環(huán)境內(nèi)的細(xì)胞受壓;也可以通過向密閉的培養(yǎng)腔內(nèi)注入二氧化碳、空氣、氮氣等方式產(chǎn)生正性壓力使細(xì)胞受壓;還可以通過液柱產(chǎn)生正性靜壓力使細(xì)胞受壓。其優(yōu)點是裝置設(shè)備簡單，細(xì)胞受力均勻，載荷易于傳遞且不依賴培養(yǎng)物與基質(zhì)的結(jié)合狀態(tài)，容易實現(xiàn)。HuangC等將BMSCs植入羥基磷灰石支架，予以循環(huán)靜水壓的自動生物處理器中孵育3周，結(jié)果發(fā)現(xiàn)骨鈣素、骨橋蛋白、骨連接蛋白和1型膠原水平增高。靜水壓顯著增強(qiáng)細(xì)胞活力，促進(jìn)成骨分化和成熟。StavenschiE等對BMSCs施加幅度為10kPa、100kPa、300kPa，頻率為0.5Hz、1Hz、2Hz的循環(huán)靜水壓，結(jié)果發(fā)現(xiàn)且循環(huán)靜水壓誘導(dǎo)BMSCs早期成骨反應(yīng)呈幅度和頻率依賴性，最強(qiáng)烈的促成骨反應(yīng)出現(xiàn)在最高值（300kPa）和頻率（2Hz)。姜喜亮等通過對BMSCs施加適當(dāng)?shù)膲毫筇崛NA及蛋白，檢測重要信號分子FAK、整合素61(integrinpi)和整合素連接激酶(integrin-linkedkinase，ILK)的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)整合素信號通路參與細(xì)胞力學(xué)信號向生物化學(xué)信號的轉(zhuǎn)化，在靜水壓力誘導(dǎo)細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)改變中的發(fā)揮一定作用。同時，骨保護(hù)素(osteoprotegerin，OPG)及其配體(receptoractivatorofNFkBligand，RANKL)在骨改建中具有重要作用。LiuJ等對體外分離培養(yǎng)的大鼠BMSCs施加靜態(tài)或動態(tài)壓應(yīng)力刺激，采用實時定量RT-PCR檢測分析BRANKL和OPGmRNA水平，結(jié)果表明，在BMSCs成骨向分化的早期陪段無論暴露于靜態(tài)或動態(tài)壓應(yīng)力均促進(jìn)破骨效應(yīng)，RANKL/OPG表達(dá)上調(diào)。在成骨向分化的不同時期BMSCs對壓應(yīng)力顯示不同反應(yīng)。在無壓應(yīng)力刺激成骨誘導(dǎo)BMSCs的早期階段RANKL/OPG明顯升高，提示了骨重塑對機(jī)械刺激早期生物學(xué)反應(yīng)的新機(jī)制。因此，適當(dāng)?shù)膲簯?yīng)力可以促進(jìn)BMSCs增殖和多向分化，一定的壓應(yīng)力刺激可能是通過復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路調(diào)控BMSCs分化，但是具體的調(diào)節(jié)機(jī)制目前尚不完全明確，還需要不斷的探索研究。2牽張應(yīng)力對BMSCs成骨向分化的影響組織細(xì)胞常受到動態(tài)牽拉應(yīng)力作用，體內(nèi)牽拉應(yīng)力通過細(xì)胞外基質(zhì)傳遞到細(xì)胞。牽張應(yīng)力是研究較早，目前研究較為成熟的一種力學(xué)因素。牽張應(yīng)力模型利用液體或氣體對彈性基底膜施加可控位移或壓力作用，使細(xì)胞基底膜產(chǎn)生彈性變化從而影響粘附于膜上的細(xì)胞受到相應(yīng)的牽張應(yīng)力作用。目前常用的加載系統(tǒng)有四點彎曲、軸向牽拉（單軸、雙軸）、真空作用模型，其中最為人所熟知的是Flexercell加載系統(tǒng)。力學(xué)刺激的不同方式對BMSCs分化產(chǎn)生的效果并不相同。在成骨分化過程中，間歇施加周期性牽拉應(yīng)力和連續(xù)施加周期性牽拉應(yīng)力對BMSCs成骨向分化的影響是不同的。GrierWG等使用自設(shè)計的循環(huán)拉伸應(yīng)變生物反應(yīng)器施加周期性和持續(xù)性牽拉應(yīng)力刺激人BMSCs，試驗顯示，間歇施加周期性牽拉應(yīng)力（1Hz，每6h10min）對BMSCs的成骨向分化起到促進(jìn)作用。代慶剛等對大鼠BMSCs進(jìn)行體外實驗，結(jié)果顯示，5%、10%、15%的持續(xù)牽張應(yīng)力均可更有效地促進(jìn)BMSCs的成骨向分化，但10%的持續(xù)牽張應(yīng)力的促進(jìn)效應(yīng)更顯著。持續(xù)牽張應(yīng)力作用下BMSCs細(xì)胞形態(tài)呈現(xiàn)一定規(guī)律性排列，其增殖活性受到抑制，但早期成骨向分化能力卻顯著提高。由此可見，牽張應(yīng)力對BMSCs增殖和細(xì)胞骨架的排列等生物學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生重要作用。同時，牽張應(yīng)力可增強(qiáng)骨形態(tài)發(fā)生蛋白9（bonemorphogeneticprotein9，BMP9）誘導(dǎo)的成骨作用。SongY等的研究顯示，牽張應(yīng)力誘導(dǎo)細(xì)胞骨架重組并通過阻滯細(xì)胞進(jìn)入細(xì)胞周期的S期來抑制細(xì)胞增值，促進(jìn)成骨分化。BMSCs成骨向分化過程中，不同形式的牽張應(yīng)力對BMSCs增殖、成骨向分化的影響不同，間歇施加周期性牽拉應(yīng)力促進(jìn)BMSCs的成骨向分化，且牽張應(yīng)力對BMSCs的影響存在于適當(dāng)?shù)姆秶?，適宜的牽張應(yīng)力通過復(fù)雜的作用機(jī)制促進(jìn)BMSCs增殖、金田胞形態(tài)、骨架排列、成骨向分化等一系列生物學(xué)行為。3剪切應(yīng)力對BMSCs成骨向分化的影響正常人體內(nèi)各類骨組織細(xì)胞持續(xù)暴露于荷載狀態(tài)下由于組織間隙內(nèi)液體流動造成的剪切應(yīng)力中。根據(jù)流變學(xué)原理建立流動小室，模擬體內(nèi)流體環(huán)境，利用流動培養(yǎng)液對附著于培養(yǎng)基質(zhì)上的細(xì)胞產(chǎn)生剪切應(yīng)力，保證細(xì)胞在受到不同水平恒流或生理剪切應(yīng)力的作用下仍保持與基質(zhì)粘附。目前國內(nèi)外廣泛使用的研究流體剪切應(yīng)力對細(xì)胞影響的儀器主要為錐板流動室、平行平板流動室、板板流室、圓柱管流室和徑向流裝置等。其中平行平板流動室其流室體積小，便于實時觀察、顯示和標(biāo)記，操作簡單快捷，能實現(xiàn)自動化控制的優(yōu)點而成為最常用的操作模式。試驗顯示流體剪切應(yīng)力能夠提高人BMSCs細(xì)胞增殖能力，增強(qiáng)細(xì)胞活性，且與流體剪切應(yīng)力的模式相關(guān)。LiuL等對人BMSCs實加間歇性和連續(xù)性流體剪切力刺激，發(fā)現(xiàn)前者較后者能更好的誘導(dǎo)成骨分化。VetschJR等對人BMSCs實加不同流速的剪切力，發(fā)現(xiàn)高流速(0.061m/s)、高剪切力(0.55?24mPa)可顯著增強(qiáng)成骨分化°HuK等發(fā)現(xiàn)流體剪切應(yīng)力作用下的成骨細(xì)胞，通過激活TRPV4通道使Ca2+內(nèi)流促進(jìn)核心結(jié)合因子Cbfal的表達(dá)，從而誘導(dǎo)人BMSCs增殖。BecquartP等研究顯示剪切應(yīng)力可通過激活ERK1/2信號通路促進(jìn)BMSCs成骨向分化，其作用較壓應(yīng)力更有效?？梢钥闯?，利用剪切應(yīng)力加載系統(tǒng)模型模擬體內(nèi)流體環(huán)境，可以促進(jìn)BMSCs增殖和成骨向分化，其發(fā)揮效應(yīng)依賴于施加應(yīng)力大小和作用時間。剪切應(yīng)力影響B(tài)MSCs生物活性的機(jī)制復(fù)雜，可能是通過一定的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路實現(xiàn)。4微重力和離心力對BMSCs成骨向分化的影響微重力影響B(tài)MSCs增殖和細(xì)胞骨架。李煜等應(yīng)用旋轉(zhuǎn)細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)對小鼠BMSCs模擬微重力條件下行成骨誘導(dǎo)，培養(yǎng)10d，檢測堿性磷酸酶(alkalinephosphatase，ALP)及與成骨相關(guān)的基因蛋白COLI、Runx-2,結(jié)果發(fā)現(xiàn)微重力條件能明顯抑制成骨相關(guān)蛋白的表達(dá)。微重力條件可促進(jìn)BMSCs增殖，抑制BMSCs向成骨細(xì)胞的分化。細(xì)胞微絲骨架對微重力敏感，MaoXL等利用恒溫器模擬微重力施加于BMSCs，發(fā)現(xiàn)微重力通過重塑F-肌動蛋白和增加細(xì)胞硬度來抑制BMSCs的遷移。LiL等在正常地面重力和模擬微重力下，將hBMSCs在成骨誘導(dǎo)0、2、7和14d，然后通過RNA測序分析發(fā)現(xiàn)微重力抑制BMSCs增殖并抑制成骨分化，但促進(jìn)脂肪形成。此外，微重力還延長高致瘤性細(xì)胞存活。楊先炯等采用平行平板旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)裝置模擬微重力效應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Wnt3a/p-catenin信號通路可能介導(dǎo)了微重力效應(yīng)誘導(dǎo)的BMSCs增殖抑制。在BMSCs向成骨細(xì)胞分化過程中，離心力是一種促進(jìn)因素。蔣斌等對BMSCs實施不同大小的離心力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)較低轉(zhuǎn)速（200r/min與500r/min）的離心力可促進(jìn)BMSCs增殖，其中500r/mmin干預(yù)5d（相對離心力大小約為30.9g）的促進(jìn)作用最強(qiáng)。而過高轉(zhuǎn)速（800r/min，相對離心力大小約為79.2g）的離心力表現(xiàn)為抑制作用。段峰等給予成骨細(xì)胞不同轉(zhuǎn)速離心力（90r/min，180r/min，250r/min）和相同轉(zhuǎn)速不同持續(xù)時間（6h、12h、24h）的刺激，顯示離心力刺激可促進(jìn)成骨細(xì)胞骨形態(tài)發(fā)生蛋白信號通路中Runx-2mRNA的表達(dá)，且都隨時間延長差異明顯，其中180r/min組（旋轉(zhuǎn)半徑19cm，相對離心力大小約為6.8g）作用最強(qiáng)。當(dāng)機(jī)體處于特殊的微重力環(huán)境，其自身重力消失，骨細(xì)胞缺乏必要的機(jī)械應(yīng)力刺激作用，BMSCs增殖明顯減慢，成骨細(xì)胞特異性基因的表達(dá)受到抑制，而脂肪細(xì)胞特異性基因的表達(dá)上升，模擬微重力通過Wnt3a/p-catenin細(xì)胞信號通路來抑制成骨細(xì)胞分化和促進(jìn)脂肪細(xì)胞分化。離心力能夠促進(jìn)BMSCs成骨向分化。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞具有多向分化潛能，在組織工程研究和多種疾病的臨床治療中被寄予厚望，具有重要的科研和臨床應(yīng)用價值，探討B(tài)MSCs定向增殖和分化的最佳誘導(dǎo)條件一直是國內(nèi)外研究的熱點。力學(xué)刺激是一種影響B(tài)MSCs細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的重要外界因素。不同性質(zhì)的應(yīng)力以及應(yīng)力的大小、頻率、施加方式、作用時間等力因素影響B(tài)MSCs增殖、周期、骨架和分化等生物學(xué)行為。應(yīng)用各種力學(xué)裝置系統(tǒng)研究力學(xué)因素調(diào)節(jié)BMSCs生物學(xué)效應(yīng)的一系列實驗表明，利用適當(dāng)?shù)臋C(jī)械力學(xué)因素結(jié)合各種促分化化學(xué)誘導(dǎo)因子能促進(jìn)BMSCs成骨向分化，這