微重力对成骨细胞的周期及分化过程的影响

李亚龙，李东韬,2 综述 张 舒 审校

1第四军医大学航空航天生物动力学教研室，航空航天医学教育部重点实验室，陕西西安 710032；2海军总医院 心脏中心，北京 100048

随着我国航天事业的蓬勃发展，航天飞行环境对人体的影响日益受到国人重视。长期航天飞行会导致航天员的多个生理系统发生改变，其中最显著的变化之一就是航天微重力环境所导致的失重性骨质丢失，表现为人体承重骨的骨密度降低、骨质丢失和生物力学性能下降[1]。失重性骨质丢失的发生应从骨形成和骨吸收这两方面来考虑，骨组织代谢中成骨细胞促进骨形成，而破骨细胞促进骨吸收。目前的航天飞行及地面实验研究认为骨形成受到抑制是失重性骨质丢失的主要原因，微重力条件下成骨细胞可表现出数量减少、功能抑制和活性降低等变化[2]。鉴于成骨细胞的周期变化及分化功能在骨形成中具有至关重要的作用，因此微重力对成骨细胞这两方面的影响也已成为探讨失重性骨质丢失细胞学机制的热点问题。

1 微重力对细胞周期的影响

1.1 细胞周期的变化 张晓铀等[3]利用回转器对人成骨样细胞的细胞周期变化进行研究，证实模拟失重组的细胞增殖始终低于正常对照组。研究发现，模拟失重6 h后，G1期细胞较对照组显著增多，而S期与G2+M期细胞较对照组显著减少。随着作用时间的增加，对照组G1期细胞呈持续下降趋势，而模拟失重组G1期细胞的变化趋势不是很明显，始终显著高于对照组，而S期与G2+M期细胞一直显著低于对照组。张晓铀等提出，微重力条件下，成骨细胞的周期转化受到抑制，部分细胞停滞在G1期，延迟了向S期的转化，使得S期的细胞数目显著下降，并进一步导致细胞延迟进入G2+M期，具体表现为细胞的增殖受到了抑制，成骨细胞数目减少，这可能是造成失重性骨质丢失的一个重要原因。张晓铀等的实验中还发现一个有趣的现象： 数据分析表明，在模拟失重作用6 h后，再经12 h的正常重力条件恢复生长，细胞周期中G1与S期仍保持模拟失重效应，表现为G1期细胞多于对照组，S期细胞少于对照组，而G2+M期已恢复至对照水平；在模拟失重作用12 h后，再经12 h的正常重力条件恢复生长，细胞周期各时相基本恢复至对照水平；但当模拟失重作用更长时间后，经12 h的正常重力条件恢复生长，细胞周期仍保持模拟失重效应[3]。这说明成骨细胞对微重力的影响可进行有限的代偿，且这种代偿与微重力的作用时间有关，但微重力条件下成骨细胞的周期变化机制尚不明确。

1.2 细胞周期变化的机制 Plett等[4]在模拟微重力条件下进行人造血祖细胞培养，用BRDU标记细胞，然后用流式细胞仪全程监控细胞周期，得到了与张晓铀实验相似的周期变化结果。对细胞周期变化机制的进一步研究发现，在细胞分裂的过程中细胞周期蛋白D和E以及细胞周期分裂早期的重要分子在微重力条件下都没有改变，而只有细胞周期蛋白A和B在S期和G2+M期的细胞中表达显著降低，从而影响到细胞周期的正常变化，Plett等[4]提出这可能是微重力导致细胞周期变化的的主要机制。研究证实也存在其他机制，Dai等[5]的实验发现成骨细胞的周期进程与细胞骨架密切相关，而细胞骨架对重力环境变化敏感。在微重力条件下，与肌动蛋白骨架相关的多种基因表达均下调，有可能影响细胞周期的变化。胰岛素样生长因子、表皮生长因子和碱性成纤维细胞生长因子三种重要的生长因子在微重力条件下的表达也显著下降，可致使细胞周期的进程阻滞[6]。近年研究发现，细胞代谢和细胞周期密切相关，代谢障碍或能量不足将会抑制细胞周期的正常进行[7]。在微重力情况下，成骨细胞的代谢受到抑制，这提示成骨细胞的细胞周期变化可能与代谢调控变化有关[8]。有学者认为，周期蛋白依赖性蛋白激酶和有丝分裂调控子等重要的细胞周期调控因素在哺乳动物细胞的代谢调控中具有重要作用，这些因素在重力变化调控成骨细胞细胞周期中的作用值得进一步探讨[9]。

1.3 细胞周期的阻滞点 目前的研究对于细胞在微重力条件下周期的阻滞点尚未得出一致结论。有研究认为成骨细胞的周期阻滞在G0/G1期，张晓铀等发现人成骨样细胞OS-732在模拟失重环境下细胞周期阻滞在G0/G1期； 其他类型细胞，如人造血祖细胞和胃癌SGC-7901细胞在模拟失重环境下也阻滞在G0/G1期[4,10]。但是也有研究认为成骨细胞的周期阻滞在S期，王攀等[11]的研究发现人成骨样细胞MG-63的周期阻滞在S期，细胞向G2期转化减少，G1期细胞不断向S期转化导致S期细胞增多而G1期细胞减少。孟芮等[12]的研究也提出了类似的见解。他们研究了三维随机回转器模拟失重培养的骨细胞条件培养基对成骨细胞周期的影响，结果表明，骨细胞条件培养基培养MC3T3-E1细胞24 h、48 h和72 h后，均出现了细胞周期阻滞现象，S期细胞比例增多。他们推测骨细胞可能通过某种可溶性因子调节成骨细胞的增殖及周期，而周期的调控点可能就在S期。

2 微重力对成骨细胞分化的影响

2.1 成骨细胞的分化过程 成骨细胞的分化过程非常复杂： 骨髓中的间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)在核基因的调控下定向分化成为骨祖细胞，骨祖细胞在向骨面附着的过程中，逐渐演化成为前成骨细胞； 前成骨细胞可以合成和分泌胶原基质，并能发育为成骨细胞。虽然此时的成骨细胞具有较强的增殖和分化能力，但它还需要经历增殖和细胞外基质的成熟矿化等几个阶段达到成熟状态。研究证实，骨骼构建和重塑的最基本调控因素就是骨骼受到的外界应力作用[13]。在航天飞行中重力消失，肢体不需要对抗重力做功，肌肉和骨骼的作用减少，肌肉出现萎缩，肌力也显著下降。微重力和肌力下降导致骨骼系统中承重骨的受力显著减少，进而影响成骨细胞的分化与骨骼的重建[14]。

2.2 微重力下BMSCs向前成骨细胞分化减弱 大量研究已证实，微重力条件下BMSCs的增殖受到了抑制，BMSCs向前成骨细胞分化的能力减弱，而增加了脂向分化的比例[15-16]。Meyers等[15]将BMSCs在模拟失重环境下培养，结果发现3 h后细胞的F-肌动蛋白应力纤维出现断裂，培养7 d后F-肌动蛋白应力纤维完全消失，而G-肌动蛋白显著增加，并且细胞内的脂含量增加了310%。此外，模拟失重7 d后，小GTP酶家族Rho中成员RhoA的活性和cofilin的磷酸化显著降低。将活性RhoA转染入细胞后，模拟失重条件下的应力纤维变化被逆转，且Ⅰ型胶原、碱性磷酸酶和特异性转录因子Runx2等成骨相关基因的表达显著增加，而瘦素和葡萄糖转运蛋白4等成脂相关基因的表达受到抑制，该研究认为模拟失重时RhoA活性受到抑制可能是BMSCs向成骨细胞分化下降和脂向分化增加的作用机制。Dai等[5]的研究发现BMSCs向成骨细胞分化的重要转录因子Cbfa1在模拟失重条件下表达明显减少，这也可能是BMSCs向成骨细胞分化下降的重要机制。

2.3 前成骨细胞向成骨细胞骨细胞分化减弱 前成骨细胞向成骨细胞分化过程中受到多方面因素的影响，其中较为重要的影响因素就是机械应力刺激。因此在微重力条件下，由于应力刺激作用的减少，前成骨细胞的分化和增殖能力均显著下降，进而导致成骨细胞数量下降，骨形成减少。Collet等[17-18]的研究中测定了航天飞行对Ⅳ型胶原前胶原碳端肽原、碱性磷酸酶和骨钙素分泌的影响，结果发现航天飞行20~30 d后这三种骨形成标记物均出现浓度下降，提示微重力下成骨细胞形成减少或者成骨细胞功能下降可能是导致骨形成下降的主要原因。付崇建等[19]研究了尾吊大鼠中骨质和骨髓内骨形成蛋白-2的变化，发现尾吊组大鼠骨质和骨髓内BMP2的表达明显弱于对照组，尾吊28 d大鼠的BMP2表达显著低于尾吊14 d大鼠，结果表明大鼠后肢去负荷可以导致骨和骨髓BMP2含量的降低。航天飞行中的细胞学研究发现，经过诱导的MG-63人源成骨样细胞在微重力的条件下，Ⅰ型胶原α1链、碱性磷酸酶及骨钙素的基因表达水平均受到了不良影响，提示微重力对前成骨细胞的抑制作用[20]。

3 总结与展望

综上所述，微重力的条件下，成骨细胞的细胞周期和细胞分化过程均受到了不良影响，使得具有成骨功能的细胞数量减少，从而造成了航天飞行时的骨质丢失现象。目前，微重力对成骨细胞功能影响的调控机制尚未得到阐明。研究微重力对成骨细胞功能的调控机制，将有助于维护航天员在航天飞行中的健康，并有可能提供对抗骨质丢失的分子靶点，进而开发有效药物和对抗措施，为解决其他骨科疾病如骨质疏松症等提供更多的治疗策略和方法。

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