成骨细胞、破骨细胞与骨折愈合的相关性研究进展

张葆鑫　王兴国　郝廷

[摘要] 骨折是骨科临床最常见的疾病，指骨的力学完整性丧失，同时也包括局部软组织与血管的损伤。骨折愈合是指对骨组织创伤局部的修复，是一个连续不断的过程，一面清除破坏，一面再生修复，其本质就是骨折断端发生的骨重建塑型过程。由成骨细胞主导的骨形成与由破骨细胞主导、成骨细胞和破骨细胞共同调控的骨吸收在骨重建过程中起重要作用，但有关两者与骨折愈合的关联性未见系统报道。本文以细胞生物学功能为出发点，从成骨细胞与破骨细胞对骨形成、骨吸收的影响入手对成骨/破骨细胞与骨折愈合的关联性做系统性综述。

[关键词] 成骨细胞；破骨细胞；骨折愈合；骨形成；骨吸收

[中图分类号] R683 [文献标识码] A [文章编号] 1673-9701（2017）17-0161-04

[Abstract] Fracture is the most common disease in the orthopedics，the mechanical integrity of phalanx is lost，and the damage of local soft tissue and blood vessels is also included in fracture. Fracture healing refers to the local repair of bone tissue trauma，and is a continuous process，with removing the damage on the one hand and regeneration and repair on the other hand. Its essence is the bone reconstruction and plastic process occurred at fracture ends. Bone formation dominated by osteoblasts and bone resorption which is dominated by osteoclasts，co-regulated by osteoblasts，play an important role in bone remodeling. But the association between the two and bone healing is not reported. In this paper，the relationship between osteoblasts/osteoclasts and bone healing was systematically reviewed based on the influence of osteoblasts and osteoclasts on bone formation and bone resorption，with cell biology function as a starting point.

[Key words] Osteoblasts；Osteoclasts；Fracture healing；Bone formation；Bone resorption

骨折是骨科臨床最常见、发生率最高的疾病，骨组织属于可再生性组织，其修复进程是一个复杂的生理过程，且影响因素众多，不仅受患者自身因素及环境因素的影响，也受微观性因素如细胞因子、体细胞、内分泌因素的影响。据临床流行病学资料统计，美国每年约有10万骨折患者发生预后不良甚至骨不连[1]，全球约有5%～10%的骨折患者由于治疗不当或其他因素造成骨折不愈合、延迟愈合及骨不连[2]。因此，探索骨折愈合的影响因素对于骨折愈合的预后与治疗具有深远意义，而随着细胞生物学与遗传学等学科的深入研究，越来越多与骨折愈合相关的功能型细胞见诸报道。骨折愈合的本质是一个持续不断的骨质破坏清除与再生修复的进程，其基础是骨膜成骨细胞的再生，而成骨细胞并非单独起作用，而是与破骨细胞相互作用、相互影响共同调控骨吸收/骨形成起作用，本文就成骨细胞与破骨细胞与骨折愈合的关联性。

1 骨折愈合概述

骨折是指骨的力学完整性丧失，同时也包括局部软组织与血管的损伤。骨折愈合是指对骨组织创伤局部的修复，是骨折断端间的组织修复反应，这种反应表现为骨折的愈合过程，最终结局是恢复骨骼的正常结构与功能。这一过程与软组织愈合的不同点在于软组织主要通过显微组织完成愈合过程，而骨折愈合还需要使纤维组织继续转变为骨组织以完成骨折愈合过程。骨折愈合是涉及到众多不同种类的骨细胞、细胞因子、基因的相互作用的复杂的生理过程，大致可分为肉芽组织修复期、原始骨痂形成期、成熟骨板期与塑型期四个阶段[3]：（1）肉芽组织修复期：骨折局部血肿机化，骨折断端正常骨性结构及周围软组织均受损，毛细血管侵入血肿后，血肿分化成成纤维细胞进而分化成为胶原纤维而形成肉芽组织，此过程一般在骨折发生后2～3周内完成；（2）原始骨痂形成期：骨痂即骨折断端的受损组织刺激细胞增生后形成的机构与来源上均为复合型的组织，可根据其来源与部位分为内骨痂、外骨痂、桥梁骨痂与连接骨痂，骨痂形成期即骨外膜及骨内膜的膜内骨化过程。在这一阶段中，骨折处骨化部分逐渐接近并整合，骨折端血肿通过肉芽组织形成开始骨化，最终内外骨痂与桥梁骨痂及连接骨痂融合，代表着原始骨痂正式形成，这一过程在骨折后6～12周内完成；（3）成熟骨板期：这一阶段中，骨痂的范围与密度逐渐增加，表现为骨痂处新生的骨小梁数量增多、排列逐渐趋于规则，并且随着血管与成骨细胞、破骨细胞侵入死骨逐渐完成死骨的清除与替代过程，骨痂与骨质交界线变得模糊不清并渐渐消失，骨痂被破骨细胞逐步清除后由板状骨替代。此过程发生于骨折后8～12周，且在这一阶段骨折端髓腔仍处于封闭状态；（4）塑型期：骨的塑型期是成骨细胞与破骨细胞共同作用的结果，使骨折断端处的骨结构按照力学原理重新改造，与此同时封闭的髓腔再通，多余的骨痂被清除，骨折痕迹大致消失不见。此阶段发生在骨折后1～2年内完成。

2 骨折愈合的影响因素

2.1 全身因素

骨折愈合的全身因素包括吸烟史、激素（如甲状腺激素、皮质类激素及性激素等）、全身综合营养状态、骨质疏松症等、是影响骨折愈合的非主要影响因素。

2.2 局部因素

骨折愈合的局部因素众多，大致可分为有利影响因素与不利影响因素：（1）有利性因素：局部血液供应良好，骨折端局部受伤较轻或稳定性好，局部生长因子数，局部生理符合等。（2）不利性因素：局部血液供应不良，骨折端局部受伤较重或稳定性欠佳，局部有感染或骨髓病变，局部肿瘤影响，手术治疗后造成的内置物过大、排斥反应、植骨量不足引起的局部愈合障碍等因素。

2.3 药物因素

西方的学者们认为骨折愈合是自然的过程，没有药物可以促进骨折的愈合，但在骨折愈合初期阶段，由于炎症反应的存在，抗炎药物如吲哚美辛、阿司匹林等确实可以通过影响血管扩张进与局部血氧供应来影响骨折愈合，另外四环素类、皮质酮类、抗凝药及抗肿瘤药物均能影响骨折愈合；中药对骨折的治疗在我国历史上屡见不鲜，国内学者经过大量实验研究发现，中成药如丹参、当归、肉桂、煅狗骨与麦饭石等单方药或益气化瘀剂、接骨散、益气活血汤、理气活血剂、生肌象皮药膏等复方药剂具有促进骨折愈合的功效[4-11]。

2.4 物理性因素

电磁疗法是促进骨折愈合、预防骨不连的一种较为有效的方法。首先，电磁疗法可以通过其电信号刺激细胞增殖、分化，并向成骨方面转化；其次，点此疗法可以通过其脉冲磁场可以改变骨细胞及软骨细胞的生物学功能进而消除骨桥之间的软组织促进骨折愈合；第三，电磁疗法可以促进血液供应以及刺激生长因子的释放增加。氧张力也是影响骨折愈合的因素之一，骨折处的局部相对缺氧有利于软骨形成与骨形成。有些研究发现，新生骨组织中的氧张力处于相对较低的水平。

2.5 与骨折愈合相关的细胞、蛋白及其他生物活性因素

从细胞学与分子生物学角度看来，骨折的愈合与体内的细胞因子及相关骨细胞与蛋白密切相关。上世纪60年代，Urist等通过实验与临床证实发现了骨形成蛋白（bone morphogenic protein，BMP）有持续骨诱导作用，能促进组织修复，进而促进骨愈合；Banks与Peck在1977年通过体外研究中发现骨源性生长因子（bone-derived growth factor，BDGF）能够刺激软骨的合成与软骨细胞的增殖复制，促进软骨的修复进程；1982年，Farley与Baylin发现了在骨形成与骨吸收中重要影响因子骨生长因子（skeletal growth factor，SGF），具有促进骨形成与调控骨形成——骨吸收平衡的功能；众多骨细胞中，成骨细胞与破骨细胞是介导骨吸收与骨形成的关键因素，在骨折愈合中调控新骨形成以及骨重建的平衡，是影响骨折愈合的关键细胞；此外，转化生长因子β（transforming growth factor β，TGF-β）、血小板源性生长因子（platelet-derived growth factor，PDGF）、软骨源生长因子（cartilage-derived factor）也是影响骨折愈合的相关物质。

3 成骨细胞、破骨细胞的结构及主要生物学功能

3.1 成骨细胞的结构及生物学功能

成骨细胞是骨形成的主要功能细胞，其主要功能是主导骨基质的合成、分泌和矿化过程，其分泌的骨基质包括糖蛋白与胶原蛋白，不仅会影响骨组织生理条件下的生长与代谢，同时影响损伤状态下骨组织的修复重建。生理状态下，骨组织不断地进行着代谢并重建，骨组织也通过骨重建进行自身损伤的修复以保持其正常的形态结构与功能的稳定性。骨重建过程包括破骨细胞贴附在旧骨区域，分泌酸性物质溶解矿物质，分泌蛋白酶消化骨基质，形成骨吸收陷窝；其后，成骨细胞移行至被吸收部位，分泌骨基质，骨基质矿化而形成新骨。

成骨细胞与成纤维细胞、脂肪细胞以及肌细胞同源，均来源于间充质细胞前体细胞的分化[12-15]，且成骨细胞本身并不增殖。人体内的成骨细胞按照是否具有生物学功能分为非功能型与功能型成骨细胞：（1）非功能型成骨细胞呈扁平状，由于不具有生物学功能因而内含细胞器较少，沿骨表面排列；（2）功能型成骨细胞呈立方形，彼此相连接成一排，单个细胞直径约20 μm大小，其细胞内部结构在电镜下可见有大量的粗面内质网、高尔基体与线粒体[16]。

3.2 破骨细胞的结构及生物学功能

破骨细胞是一种骨细胞，行使骨吸收的功能，组织蛋白酶K的高度表达是其生物学标志。有关破骨细胞的来源问题众说纷纭，从最初的骨原细胞融合学说，到单核吞噬细胞融合学说，再到80年代被学者通过细胞离体培养证实，得出破骨细胞來源于骨髓干细胞。破骨细胞较成骨细胞大，其细胞直径约30～100 μm，内含几十到上百个细胞核以及大量的溶酶体、线粒体、核糖体。电镜下观察可发现有很多结构完全不同的亚结构位于破骨细胞的褶皱膜上，这些亚结构是破骨细胞行使骨吸收功能的保证[17]，而褶皱膜由于其不规则的表面大大增加了各个亚结构之间的接触面积，进而极大程度上增加了破骨细胞骨吸收的作用面积。破骨细胞行使骨吸收功能。首先，破骨细胞是人体内唯一具有溶解骨组织能力的细胞，一个破骨细胞可以溶解由100个成骨细胞共同形成的骨质，因而是骨代谢过程中的核心功能细胞。其次，破骨细胞是一种可以移动的细胞，它可以在一处进行骨吸收作用后移行至另一处继续进行骨吸收[18]。

4 成骨细胞、破骨细胞在骨折愈合中的作用

骨折愈合是一个连续不断的过程，一面清除破坏，一面再生修复，其本质就是骨折断端发生的骨吸收、骨形成与骨重建塑型的过程。主要由成骨细胞介导的骨形成与主要由破骨细胞介导的骨吸收在这一过程中起到重要作用，通过调节成骨与骨清除作用，在骨折愈合时期增强骨形成促使新骨组织增殖形成，同时促进骨吸收加快以促使骨痂破坏清除，完成骨组织的再生修复[19]。

骨吸收主要是由破骨细胞介导的，在骨吸收与骨重建过程中作为重要的启动因子。骨吸收可分为5个阶段：（1）破骨细胞附着于骨表面；（2）破骨细胞的极化；（3）细胞分泌物质启动破骨作用；（4）启动后的破骨细胞脱离骨表面；（5）脱离后的破骨细胞移行至新的骨表面进行下一次的骨吸收过程。首先，由于破骨细胞含有大量的磷酸酶、溶酶体等物质，游离的破骨细胞附着在骨膜表面后即分泌酸与酶，继而启动骨吸收；其次，破骨细胞的分泌的酸主导的骨溶解，加速骨清除与骨破坏，促使骨组织脱矿；而破骨细胞分泌的酶主导骨的胶原降解，继而将剩余的有机物清除分解，进一步完成骨吸收[18]。

成骨细胞不仅在骨形成的过程中起重要作用，而且与破骨细胞共同作用调控骨吸收[20，21]。一方面，成骨细胞通过合成并分泌胶原蛋白与糖蛋白，在骨吸收处形成非矿化骨基质，这是骨形成的基础，随后钙磷结晶沉淀与骨基质中使骨基质钙化，形成骨组织，即新骨形成[22]；此外，成骨细胞还可以分泌碱性磷酸酶以介导骨组织矿化。另一方面，成骨细胞也参与调控骨吸收[23]。成骨细胞合成并分泌的糖蛋白骨桥素是破骨细胞附着于骨面启动骨吸收过程的重要因子，其分泌的骨涎蛋白直接参与骨吸收过程，而破骨细胞脱离骨面后，成骨细胞则进入骨面开始介导成骨活动[24，25]。

总之，骨折愈合是个反复进行的骨形成与骨吸收的复杂过程。成骨细胞与破骨细胞在此过程中相互影响对方的生物学活性，且这种作用是双向的，即成骨细胞既可以促进又可以抑制破骨细胞的形成与分化。当成骨细胞体现出生长优势时，骨形成机制活跃，促使骨组织形成，加速骨愈合；而成骨细胞体现其生长优势时又会分泌作用于破骨细胞的细胞因子，进而激发破骨细胞的骨吸收作用，加速对骨痂的清除，而破骨细胞也会反作用于成骨细胞，进一步促进其骨形成作用。此过程循环往复，直至骨痂完全清除、骨折端完全被新生骨组织所取代。

有关骨折愈合的影响因素有很多，但大部分均与药物及局部血液供应因素有关，需要探索新思路来为骨折愈合提供新方法。随着相关细胞生物学的深入研究，越来越多的与骨折愈合有关系的关联细胞被人们所研究、熟知，为骨折愈合的靶向治疗提供了新思路。骨折愈合是一个连续不断的过程，一面清除破坏，一面再生修复，其本质就是骨折断端发生的骨吸收、骨形成与骨重建塑型的过程。由成骨细胞主导的骨形成与破骨细胞主导、成骨细胞参与调控的骨吸收过程是影响旧的骨痂清除破坏与新骨组织形成的重要骨细胞，二者相互作用，相互影响，相互协调，共同调控骨重建。随着细胞生物学有关成骨/破骨细胞的不断深入研究，两者之间的相互作用及影响骨折愈合的机制会更为详尽的为人们所熟知，能够为骨折愈合的治疗及愈合不良提供新的方向与策略。

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（收稿日期：2017-03-23）