骨细胞间隙连接与物理-生物信号传导研究进展

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骨细胞间隙连接与物理 生物信号传导研究进展

崔

燎,陈槐卿

(四川大学华西医学中心生物医学工程研究室,四川成都610041D

摘要:物理信号特别是力负载在骨转换中起重要作用,而骨组织中的细胞成分是对其周围环境的刺激作出反应的基本结构单位,它们在接受刺激后通过结构和功能的调整从而作出反应O 然而力负载通过什么途径对细胞群体产生作用,骨细胞对力负载引起的顺式反应机理至今还令人困惑O 本文综合近年来一些最新实验研究,阐述骨细胞间隙连接(gap junc-tion D 在组成骨细胞网络,并通过间隙连接的细胞内通讯(GJIC D 机制在力学传递中的重要作用,其中对间隙连接的结构~功能,力负载(如应力~底物变形~流体流动~电磁场等D 引起的生物物理信号在GJIC 的传递,GJIC 对成骨细胞分化的调节等方面作了综述,并提出GJIC 的进一步研究与组织工程关系的启示O 关键词:连接蛋白;骨细胞;成骨细胞分化;流体流动;力学传导中图分类号:R 318.04

文献标识码:A

文章编号:1001-1110(2003D 03-0108-05

Gap j unctions of bone cell and biophysical signals transductions

CUI Liao ,C-EN -uai -ging

(Institute of Biomedical Engineering ,West China Center of Medical Science ,Sichuan University ,Chengdu 610041,China D

Abstract :Biomedical signals ,especially mechanical loading plays an important role in the regulation of bone turnover .-owever ,what is the mechanism and the downstream responses of bone cells to load -induced signals is unclear .This re-view suggests that the gap junctional intercellular communication (GJIC D contributes to mechanotransduction in bone and to the regulation of bone cell differentiation by biophysical signals .Moreover ,an implication of an integrated cell network essential for propagation of signals was indicated while biomaterial -osteoblasts co -culture is studied .Key words :connexins ;osteocyte ;osteoblastic differentiation ;fluid flow ;mechanotransduction

收稿日期:2002-06-18

骨组织是独一无二的器官,除参与机体的代谢外,其首要功能是满足机体的生物力学需要O 然而坚硬的骨组织并不只是简单载重,而是负重后或/和负重撤除后可产生复杂的功能变化[1],如电磁场~底物变形或切应力引起微管流体流动,在骨组织内可导致一个复杂的非一致性的生物物理环境,引起骨生长或是骨丢失[2]O 此时骨组织中的细胞成分肩负接

受和传递信息的任务O 已知细胞间联系方式除通过化学信号传递(化学信息分子D ~突触传递(细胞膜结合信息分子D 外,还有细胞间的间(裂D 隙连接传递O 实验显示,当骨细胞-成骨细胞组成网络时对信号反应的敏感性大大超过作为独立细胞的反应的总和[3],提示骨组织中的间隙连接细胞内通讯(gap junction intracellular communication ,GJIC D 在信号的整合和放大中起重要作用O

801 国外医学生物医学工程分册

2003年第26卷第3期

1骨细胞-成骨细胞网络与间隙连接

成骨细胞分化成熟过程中分泌骨基质后便埋于当中随后骨基质进行矿化成骨细胞则成为骨细胞G骨细胞仍然表达特殊膜蛋白通过膜延伸形成很多突起其突起在分化成熟中形成丰富的微丝它们与另一个骨细胞的突起接触形成了间隙连接(gap

junction GJ)G骨表面的成骨细胞和骨衬细胞也可通过间隙连接与骨细胞相连形成一个细胞网络散布

于整个骨基质中G最近kamioka[4]用共聚焦激光扫

描(CLS)显微镜和差动干扰相差显微镜(differential

interference contrast microscopy DIC)观察了鸡颅骨厚片骨细胞突起的三维结构用OB7.3单克隆抗体免疫荧光组化方法发现骨组织具有丰富的广泛向成骨细胞层伸展的突起并首次发现这些突起可延伸至成骨细胞层的血管表面G由于他采取了骨厚片法因此可深入20pm深的骨组织进行观察用形态计量方法算出突起相连的频率一个包埋在类骨质的骨细胞伸出26根突起并与约6个成骨细胞相连提示骨细胞间可通过这些连接进行着复杂的网络性交流G

显然骨细胞网络的形成间隙连接是必不可少

的G间隙连接是由两个细胞之间或两个细胞的突触相连组成的跨膜通道(membrane-spanning chan-

nel)可允许Ca2+~肌醇磷脂~环核苷酸等小于1kDa 的小分子通过G Makowski等[5]早年提出间隙连接通道的模型是每个间隙连接分别由来自两个细胞的连接小体(connexon)组成每个connexon又由6个连接蛋白(connexin Cx)组成后者排列成环状而形成通道可对各种细胞内信号的反应产生开和关的功能G根据分子量不同在哺乳类动物中至少已发现14种连接蛋白其中Cx43是骨细胞间隙连接的主要连接蛋白[6]也可检测到少量的Cx45和Cx46[7]并已证明间隙连接上的Cx43是成骨细胞与骨细胞~骨细胞合胞体的关键耦合器[2 8]G Shapiro 等[9]用透射电子显微镜(TEM)观察到间隙连接的形态是多样化的有线形~柱形~曲线形~卵圆形和环形等其中线形间隙连接连至成骨细胞曲线~柱状和卵圆形的间隙连接连至类骨质中的成骨细胞线形和环形的间隙连接主要连于骨细胞之间G这些形态各异的间隙连接反映了连接蛋白在执行功能时可能发生分子重组和转移从而调节复杂的功能G 成骨细胞上有甲状旁腺素受体(PTH-R)成骨细胞对PTH的反应性是功能表现之一那么间隙连接对PTH的反应性也反映间隙连接的功能G研究发现缺乏恒定表达Cx43间隙连接的成骨细胞比正常成骨细胞对PTH的应答要弱得多[10]G在成骨细胞组装的特定时刻只有少部分细胞对PTH发生反应例如由于细胞周期或分化的不同时期每个细胞PTH受体的多少有很大差异G Civitell[3]证实在组建的成骨细胞个体约有30%对PTH产生反应对PTH的反应可通过间隙连接交流使得到的综合效应大大超过每个细胞单独反应的总和而当间隙连接损害时只有单个细胞对PTH产生反应其反应总和要少于具有完整间隙连接结构所连接的成骨细胞作出反应的总和G研究发现PTH通过在增强子和3'-UTR非转录区的mRNA序列上调Cx43mR-NA表达PTH反应序列存在于Cx43增强子和3'-UTR端是一种转录和转录后途径调节[11]G说明PTH通过调节Cx43的表达从而调节间隙连接在细胞信号传递和整合中的作用G

2生物物理信号在间隙连接的传递

骨细胞和骨基质之间存在着狭缝(lacunea)这些腔隙内充满了液体当由切应力(stress)~底物变形(substrate deformation)等力学信号传入时可引起微管流体流动(canalicular fluid flow)作用于骨细胞从而介导力学信号传导(mechanotrans-duction)[2 8]G流体流动假说已得到多数实验的支持如体外实验观察到流体流动可引起细胞内第二信号分子cAMP[12]~Ca2+[13]~PGE[14]

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和NO[15]等的释放从而引起细胞效应G Hang等[13]证明流动电势(其相应的电流)并不影响Ca2+流动反应但恒定微管流体流动引起细胞浆内Ca2+浓度增加G生理水平的底物变形不引起Ca2+浓度增加而生理水平的微管流体流动可引起Ca2+浓度增加和骨桥蛋白(osteopon-tin)mRNA表达增加G这些实验表示骨细胞和成骨细胞对微管流体流动都产生反应G由于骨细胞的这种对稳态的或脉冲的微管流体流动形成在体内不易进行Jacobs[16]用一种振荡(oscillating)的微管流体流动理论模型来预测很可能发生于体内成骨细胞引起的Ca2+浓度增加进一步证实生理条件下微管流体流动的作用G

微管流体流动在体外确实对骨细胞和成骨细胞产生作用然而什么机制使这些信号在骨细胞和成骨细胞间的整合和放大起作用还不很清楚因而必

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国外医学生物医学工程分册2003年第26卷第3期