神奇的骨细胞

神奇的骨细胞

摘要：在过去的十多年里，关于骨细胞的分子生物学和功能的研究数据产生了井喷式的爆发。远不是所谓的在骨中尸位素餐，骨细胞已经被发现具有多种功能，如其在破骨细胞和成骨细胞活性的调节中起作用，而且骨细胞还是一种内分泌细胞。骨细胞不仅是靶点在骨表面的可溶性因子的来源；而且有的可溶性因子的靶点在别的器官，如肾脏、肌肉和其他组织。这种细胞发挥两个磷代谢和钙有效性的作用，还参与到骨基质重塑。骨细胞90％到95％由成熟的骨细胞构成，并且这些细胞是存活时间最长的骨细胞，可以在矿化环境下最在十年以上的时间。随着年龄的增长，这些细胞就会死亡，留下空骨陷窝经常微孔（micropetrose）。老年骨等骨骨坏死就与空骨陷窝与骨重塑能力降低有关。炎症因子如肿瘤坏死因子和用于治疗炎性疾病诱发骨细胞的细胞死亡的糖皮质激素，但具有潜在不同的结果不同的机制。因此，健康的，有活力的骨细胞是骨骼等器官行使正常功能的必要条件。

骨细胞研究的先驱

在被引入到PubMed中或者发表成论文之前，很多关于骨细胞的最早的研究发现就像细胞本身一样，被湮没并且难以觅其踪迹。和其他人一样，我和我的同事都会认为自己的一些假设是很新颖的，知道相关出版物可以很容易得到，才意识到并不如愿。例如，一百多年前，改造骨细胞的排列还只是假设。40多年前，都认为骨细胞对于甲状腺素敏感，并影响骨结构，而且甲状腺素可以促进酒石酸盐酸性磷酸酶的表达；20多年前，骨细胞被定义为机械传感细胞。Marotti和Palumbo为他们关于骨细胞的功能和信号传导作用绘制了一张漂亮的图表。组织学被这些先驱者广泛应用于阐述他们的观点。Peter Nijweide是第一个单独研究（鸟）骨细胞的人。Kumegawa和他的同事最早发表了包括骨细胞在内很多骨组织细胞的视频。随着诸如分子生物学、转基因、成像技术、细胞系、系统生物学、先进的仪器等先进科技的发展，近十年内骨生物学相关信息的发现迎来了高潮，开始验证旧观点，提出新概念。这都将在本综述中着重提及。

骨细胞由成骨细胞形成

骨细胞，在骨组织中含量最高的细胞，由间充质干细胞形成的成骨细胞分化而成。Manolagas认为成骨细胞不仅可以变成骨细胞、内皮细胞，也可以控制细胞凋亡。他的观点是基于一个更早的先驱-Michael Parfitt，他认为成骨细胞的死亡原因一定是细胞凋亡。骨细胞的形成一直被认为是一个被动过程，在过程中成骨细胞被动吸收一些类似骨成分的矿物质。但是，有很多反例导致骨形成是一被动过程充满争议。

第一个变化在嵌入细胞的树突形成过程中发现。这种细胞在从一个多边形细胞转化成有伸长的树突过程中发生了不可思议的变化，树突不仅仅伸长到血管中同时也伸长到骨表面。这种细胞一旦嵌入骨，特别是皮质骨，就会特别与矿化方向相关产生一种极性。这种骨样骨细胞一定同时有两种作用：调节矿化和形成枝状信号连接通路。这种骨样骨细胞可以控制并调节矿化过程，Holmbeck和他的同事们展示了先骨细胞的嵌入需要分解胶原蛋白或其他基质分子。金属蛋白酶MT1-MMP缺陷小鼠体内骨细胞的可以导致树突形成的长度和数量的减少。破膜蛋白酶MT1-MMP可以裂解I,II,III型胶原蛋白,纤维蛋白、纤连蛋白和其他基质分子。在老鼠模型中，与赵和其同事发现的用蛋白酶抑制剂抑制一型胶原蛋白可促进细胞凋亡相比，树突的几乎完全缺失并没有对骨细胞的密度和生理活性构成明显影响。但是不能确定缺乏树突的形成是否对骨细胞的作用或骨架的作用构成影响，因为MT1-MMP缺陷小鼠由于其他骨架组织缺乏MT1-MMP都个头比较小。

骨细胞形态是由E11/gp38/平足蛋白等嵌入型基质骨细胞的标记分子控制。E11也叫平足蛋白、OTS-8，gp38或者PA2.25，它最早是在大鼠骨骼骨细胞和大鼠成牙质细胞表面发现的。他也在大鼠的肺或者脑、肾、淋巴系统或皮肤等组织表达。在用小干扰RNA抑制了E11

的类骨细胞MLO-Y4中流动剪切力可以促进其细胞树突的熟料和长度的增加。在体内试验时特异性删除E11可以导致细胞微管的减少和骨小梁的增加。不仅仅E11,微管蛋白、波形蛋白、肌动蛋白等在骨细胞包体和树突上的表达都对维护其树突形态至关重要。和CapG与消去蛋白等细胞骨架重排所必须的分子一样，所有肌动蛋白相关的蛋白：丝束蛋白、绒毛蛋白、细丝蛋白和血影蛋白之间的差异都是通过成骨细胞形成骨细胞过程中的细胞分化来体现的。有趣的是，两组研究人员发现树突增加的过程与骨骼年龄相关，这表明已经潜入基质的骨细胞形成新的细胞机制或者说刚形成的骨细胞具有更多的树突结构。

随着成骨细胞分化形成骨细胞的过程，碱性磷酸酶含量降低，络蛋白激酶II和骨钙素一样含量升高。其他标记包括x染色体上的皮质化调节基因同源性肽链内切酶（PHEX）、基质细胞外的磷糖蛋白(MEPE)、牙本质基质蛋白1（DMP-1）、成纤维细胞成长因子23(FGF-23)、硬化蛋白、ORP150（有可能可以防止细胞缺氧）也得到表达。这些分子的功能将在后文中讨论。奇怪的是，在一定条件下如通过哺乳改变他们的陷窝周围的基质骨细胞也可以表达一些破骨细胞的标记分子，如酸性磷酸酶和组织蛋白酶等。正如本文所说，这些标志表明了骨细胞的多功能性。

骨细胞可以诱导破骨细胞的激活

最早通过单独对鸟骨细胞促进破骨细胞形成和活化缺乏促进骨生长的因素的实验数据骨细胞可以发布被用来骨吸收的信号。这些观点后来在类骨细胞MLO-Y4中得到验证。RANK 配体(RANKL)的表达是负责树突的形成过程。MLO-Y4的细胞条件培养基也支持细胞分化，令人惊讶的是，包括间充质干细胞的分化。，这表明，骨细胞可能是骨改建的协调器。

死亡和将康德骨细胞都可以重塑破骨细胞的框架结构。在微损伤的部位就可以发生骨细胞凋亡。促凋亡分子在骨产生微小裂纹的时候可以迅速在骨细胞中表达升高，然而当裂纹在1-2mm的时候抗凋亡分子就会表达，这表明骨细胞有一定的抗细胞凋亡的机制。凋亡的骨细胞通过释放凋亡小体表达RANKL来修复（重塑）破骨细胞。细胞死亡有坏死、凋亡等多种不同的方式，骨细胞在不同的死亡过程中释放不同的信号分子。通过使用10kb Dmp1启动子来促进骨细胞中白喉毒素受体的表达可以特异性使骨细胞发生坏死。单次量注射白喉毒素可以使老鼠体内的骨密质骨细胞和破骨细胞的活性降低大约70%。另一种缺陷性型骨细胞模型是去除骨细胞中的β-连环蛋白。β-连环蛋白是正常骨细胞功能所必须的是已经被证实了的，去除的结果是增加了破骨细胞的活性和一代多控股表型。下文将论述骨细胞的细胞死亡和细胞生存。

骨细胞死亡的重要性

骨质疏松和骨关节炎等病理情况可以导致骨细胞的死亡的发生，这导致了骨骼脆性的增加。这种脆性被认为是由微损伤感知能力和（或）修复信号的缺失导致的。缺氧，如果在骨细胞固定时期重复发生将会和糖皮质激素处理、雌激素水平降低导致的后果一样------促进骨骼凋亡。研究表明肿瘤坏死因子α(TNF-a)和白介素1(il-1)可以加速雌激素的缺乏并可以诱导骨细胞凋亡。

可以抑制骨细胞细胞死亡的抑制剂包括雌激素和选择性雌激素受体调节剂,磷酸盐,降血钙素,CD40配体,钙结合蛋白-D28k,单核细胞趋化蛋白1和3。最近的研究发现，对骨细胞施加模拟骨流体的流体剪切力的机械符合可以组织糖皮质激素导致的细胞凋亡。原因是这可以通过介导释放前列腺素，前列腺素则可以激活Wnt / b-catenin信号通路。此外还有假设认为，机械加载和糖皮质激素可以形成相反的细胞反应的原因是他们对粘着斑激酶(fak)和proline-rich酪氨酸激酶2(Pyk2)家族的蛋白酶有着相反的作用。这些调查人员使用拉伸基质作为一种机械负荷来防止细胞凋亡，并展示FAKs活性和ERKs的信号表达。也提出了了糖皮质激素反对FAK是通过pyk2和jnk以及细胞外基质整合素/fak信号与 Wnt/b-catenin信号通路的相互作用导致。因此，无论是通过流体剪切力还是拉伸来实验机械负