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骨组织的力负荷感受反应机制研究进展 关键词：力负荷感受细胞骨组织 　　对力学刺激的识别和反应是生物体的重要功能。触觉、听觉、压力感受器、本体感受器及重力感受功能都与力学信号的感受、传递机制有关。体内组织的形成、发展方式与其所受的应力有关，例如骨组织的结构与其内部应力分布有关，应力大的部位骨组织密度大，应力小的部位骨密度小［1］。骨组织能用最少的骨量来满足运动功能所需的骨强度。当因衰老或力负荷减少使骨量下降时，应力小的部位骨量丢失常常较快，应力大的部位骨量保存常常较好。可见骨组织能根据外界负荷和内部应力来调节整体骨量的增减和内部骨量的分布及构造。但骨组织对力负荷的感受、传递和反应机制还不十分清楚，这也正是骨代谢研究中的重点课题。本文根据目前的研究进展和有关学说，试图对骨组织的力负荷感受机制进行阐述和探讨。 　　1　骨细胞是骨组织的力负荷感受细胞 　　骨表面有骨衬细胞(bone-liningcell)、成骨细胞和破骨细胞，其中骨衬细胞占94%，成骨细胞占5%。埋于基质中的低活性成骨细胞称为骨细胞(osteocyte)。骨衬细胞与骨细胞极相似，也是由成骨细胞活性下降转化而成，但位于骨的表面。骨衬细胞为扁平细胞，细胞器较少，蛋白合成和能量代谢较慢。骨细胞和骨衬细胞有许多突起，深入矿化基质的骨小管(canaliculi)内。细胞突起的浆膜和骨小管壁之间充满了骨组织间液和大分子蛋白聚糖。骨细胞突起长约15mm，能穿过骨小管与相邻细胞的突起相接触。每个骨细胞与多个细胞相连，最多可达12个。两个相接触的突起构成缝隙连接，连接蛋白为connexin43［2］。离子和小分子物质可以通过缝隙连接在细胞间传递，缝隙连接也是细胞间的电信号传递的通道。所有的骨细胞与骨内、外膜上的骨衬细胞、成骨细胞通过缝隙连接构成多极的网状结构，局部的反应信号能迅速传递到整个骨组织。 　　在骨骼系统中哪种细胞最有条件成为骨力学感受器呢?破骨细胞首先可排除，因其只有在骨吸收时才出现。骨衬细胞可认为是在骨表面的骨细胞。成骨细胞位于骨的表面，必须通过骨基质才能感受应力，但骨的应变很小，这需要很高的灵敏度，而且成骨细胞与矿化基质之间还存在类骨层(osteoidlayer)，它也不太适合于充当力学感受器。只有骨细胞最适合成为骨组织的力学感受器，首先骨细胞广泛分布，其位置适合于感受骨组织的应变，能直接感受骨应变产生的液体流动；其次骨细胞对液体流动的剪切力极为敏感。当然这并不否认成骨细胞的力负荷感受能力，因为成骨细胞是骨细胞的前身。 　　用脉冲液体流动和间歇液体静压力分别处理培养的骨细胞、成骨细胞、骨膜成纤维细胞，发现3种细胞的前列腺素E2(PGE2)的产量都升高，但骨细胞的PGE2升高最快［3］。骨细胞受到脉冲液流作用1小时后，其PGE2产量升高可维持1小时以上，而间歇静压力需要6小时才能出现此变化。实验结果表明，骨细胞的力学感受敏感性＞成骨细胞＞成纤维细胞，骨细胞对流体剪切力的敏感性大于液体静压力。 　　采用Biot［4］的小孔调节理论来计算，可知：生理范围内的骨力学负荷所产生液体流动的剪切力峰值为0.8～3.0Pa。经实验可知，体外培养骨细胞能感受的流体剪切力范围是0.2～6.0Pa［4］，实验结果基本与理论计算相符合，表明体内骨细胞能感受骨力学负荷产生的液体剪切力。 　　骨细胞受到液体剪切力后引起PG和NO的产量升高，这与血管内皮细胞相类似。内皮细胞可以感受和调节血液流变力学的变化，当血流剪切力达到0.5Pa时，内皮细胞增加PG和NO的产量，使血管舒张，以保持恒定的血管内剪切压力。骨细胞可能与内皮细胞相类似，调节骨适应性再建，使骨保持稳定的应变和稳定的骨小管内液流剪切力。 　　2　整合素(integrin)将细胞膜外的应力传递入细胞膜内的细胞骨架 　　整合素是介导细胞与细胞外基质粘附分子，是细胞膜表面糖蛋白受体，主要通过识别配体的“精氨酸-甘氨酸-天门冬氨酸”三肽序列(Arg-Gly-Asp,RGD)介导粘附。骨细胞与基质的粘合并非均匀，细胞膜上的整合素将细胞“点焊”到胞外基质。整合素跨越细胞膜，向外与基质的纤维连接素(FN)、骨桥蛋白(OPN)、骨唾液蛋白(BSP)相连；向内与粘着斑相连。粘着斑由肌动蛋白(actin)、踝蛋白(talin)、桩蛋白(paxillin)、粘着斑蛋白(vinculin)和张力蛋白(tensin)组成，将细胞骨架固定在细胞膜上［5］。 　　Wang等［6］用RGD肽段包被的微小磁性铁珠黏附在内皮细胞的细胞膜上，然后用磁场扭转磁性珠使整合素受力而不改变细胞的形态，发现细胞骨架的内在硬度(stiff=应力/应变)随着整合素所受应力的增大而增