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
荷 Wnt/b-catenin都会参与其中。

除了经历程序性细胞死亡,骨细胞可以进行称为自噬的自我保护的过程,特别是在应对糖皮质激素时候。

自噬是细胞的溶酶体降解细胞并回收所必需的物质的过程。

在自噬过程中，部分的浆细胞和细胞器通过自噬小泡来被溶酶体降解。

自噬是把双刃剑，一方面可以保护细胞不收细胞凋亡，但是另一方面也可能破坏细胞的结构。

自噬可以维持细胞存活，也可以是细胞死亡的一个自我毁灭的过程。

因此，为了应对外部刺激除了坏死和凋亡，骨细胞还可以通过自噬来在有利条件下重新回到本来的状态。

显然，骨细胞的生存能力在维护体内骨骼的平衡和完整性方面发挥了重要作用。

但是，阻止细胞凋亡也可能导致骨骼老化或糖皮质激素引起的骨质疏松等疾病，因此细胞凋亡是骨骼的损伤修复维持正常形态必不可少的一部分。

在骨修复过程中任何阻止这一过程的条件都可能带来更坏的影响。

Wnt/b-Catenin信号通路在骨细胞生存和功能中的作用
Wnt / b-catenin信号通路中的负调节蛋白如Dkk1和sclerostin（硬化素、硬化蛋白）在骨细胞中表达量很高。

Dkk1在全身表达，而sclerostin只在骨细胞中表达。

成熟的骨细胞通过SOST编码的基因表达sclerostin来抑制骨细胞的活动。

下调dkk1和SOST的表达可能会为wnt蛋白存在并激活wnt通路创造一个合适的条件。

SOST在人体中发生突变会导致硅量的升高，翘楚小鼠的该基因也会导致同样的效果。

Sclerostin开始被认识是骨形成蛋白的拮抗剂，但是后来发现它作为脂蛋白受体5(LRP5)参与wnt通路，是对骨量有好处的监管因子。

研究表明机械负荷和甲状旁腺激素一样可以导致sclerostin表达的下降，这可能由于甲状旁腺素对骨形成的形象导致的。

在缺少sclerostin的病人体内也发现了甲状旁腺素。

骨通过sclerostin的升高来作为无载荷的响应。

Sclerostin由于其对骨的合成代谢的特异性影响而被视为治疗骨质疏松的新药。

其在长期不用而导致的骨质疏松、骨修复、加速骨折愈合、骨的植入和固定中都有潜在价值。

在骨细胞中这个分子比其他任何分子都得到了更多的关注。

MLO-Y4机械加载流体流动剪切应力可以防止地塞米松引起的细胞凋亡，这种保护机制的原理好像是通过介导前列腺素e2与β-连环蛋白的信号传递。

前列腺素e2和流体剪切力都可以引起gsk-3b的增加和β-catenin（β-连环蛋白）的核移位磷酸化。

通过pge2的剪切应力激活PI3K /一种蛋白激酶和cAMP-PKA信号,灭活GSK-3趋同,导致核b-catenin积累的增加。

因此，Wnt / b-catenin信号通路不仅是在骨对外力加载的反应过程中还在骨细胞凋亡过程中发挥作用。

实验表明，β连环蛋白和cx43促进因子一起刺激cx43的表达和骨细胞缝隙连接的功能。

因此，β连环蛋白除了在骨细胞响应外界压力刺激过程中，而且在骨细胞的相互联系中发挥重要作用。

可以被机械负荷激活的其他信号通路有可能与Wnt/β-catenin信号通路有相互的联系。

雌激素同型受体可能在β-catenin在响应机械载荷进入细胞核的过程中有作用。

这可以解释在一定程度上说明雌激素通过与Wnt / β-catenin时代之间的串扰信号调节骨质。

因此,多个信号通路如雌激素和前列腺素信号通路可能通过β-catenin相互联系。

正如上文所说，在骨细胞中特异性删除β-catenin会使骨产生一种多空洞的表型，这明显证明了这个途径在维护骨正常生理活性中的重要性。

这些已经发表的研究显示，骨细胞中β-catenin的表达需要骨保护素（OPG）的表达。

令人惊奇的是，同时发现了骨细胞中RANKL 和β-catenin的表达量和成骨细胞中的表达量相当甚至更高。

这些数据证实了之间的调查结果，骨细胞在维持骨组织平衡中调控者成骨细胞和破骨细胞的关键因素。

骨细胞是矿物质新陈代谢的源动力和调控者
特殊的骨细胞或高度选择性的蛋白质已被证明具有矿物质代谢功能。

正如前面所述，其中之一就是sclerostin（硬化素）。

骨细胞似乎也通过分子调节磷酸和生物矿化如
PHEX,DMP-1,MEPE,FGF-23。

这些都在骨细胞中高度表达。

常染色体隐性遗传的的佝偻病就是由于患者dmp1发生突变。

敲除dmp1基因的小鼠也表现出了相似症状。

青浦氨酸突变也类似。

骨骼软化和佝偻病是由骨细胞中FGF-23表达升高导致。

Dmp1和Phex都可以抑制FGF-23的表达，他们促进肾脏对磷酸盐的重吸收，从而保持足够的磷酸循环来维持正常的骨矿物质含量。

在缺乏Dmp1或Phex的情况下，FGF-23在骨细胞和循环中的含量升高,导致磷酸由肾脏排泄,从而降低磷酸循环进而导致软骨病、佝偻病。

基于这些观察,我和我的同事提出骨细胞的代谢网络可以看做一种可以作用于遥远靶点，如肾脏，的内分泌系统。

FGF-23可能不仅仅只是一个肾磷酸盐排出的调控者。

除了导致低磷酸盐佝偻病，它在骨细胞中的表达升高还可能引起慢性肾脏病。

慢性肾病加重与FGF-23高表达相关。

而且，FGF-23的钙化也可能增加心血管病的死亡率。

确定骨细胞的衍生物是否直接影响肾脏之外的组织是十分重要的。

这些交叉研究不仅仅可以阐明低磷酸盐导致的慢性肾病和心血管疾病么热切可以更好地了解更多疾病的发病机理。

骨陷窝周围的基质的重构（重塑）？
自骨细胞的表面积lacuno微管系统内骨是几个数量级大于骨表面的面积,一处劲歌骨细胞循环中的矿物质将对系统性离子水平产生重大影响的。

Belanger创造了骨质溶解这个概念，并建议甲状旁腺素或低钙饮食可以诱导骨细胞的功能。

扩大在骨缺损被发现肾骨营养不良的病人,同样在老鼠送入太空,和牙槽骨的冬眠地松鼠也发现了类似状况。

前溶骨的病变患者的x染色体低磷酸盐佝偻病已经描述,就像一个球体hypomineralized基质的poredniso缺失处理的老鼠。

变化的属性骨基质和腔隙大小会影响骨折风险,和任何机制变化导致材料属性变化都可以被骨细胞作为机械感知响应。

相反,在1971年,Baylink用四环素标记绑定到骨细胞陷窝周围的基质上,证明了骨细胞有骨形成的能力。

之后，之后,Zambonin——Zallone和同事使用生蛋的母鸡和其他几种方法,包括自动射线照相术和四环素标记,证明至少20%的骨细胞活跃在骨形成过程中两种早期的观察结果都支持这种观点，骨细胞可以重新形成骨陷窝周围的基质。

在哺乳期间, 与未生产和刚断奶动物相比，骨细胞缺损显著扩大在骨小梁和皮质骨,表明健康的骨细胞可以移除和替换陷窝周围基质和可能在矿物内稳态发挥作用，钙苛求条件下如哺乳。

此外,微管的宽度显著增加。

从哺乳动物基因阵列分析骨细胞显示海拔基因产品被破骨细胞用于去除骨,包括抗酒石酸盐酸性磷酸酶,组织蛋白酶K,和其他,这些与断奶时期相比回到水平类似于原始基因表达水平。

这些观测结果表明,健康的骨细胞既可以添加和删除矿物和微管。

因此,骨细胞是一个独特的细胞基因表达间充质和生血系统。

这种改造是通过甲状旁腺素1型受体介导因为哺乳动物缺乏这个基因在骨细胞未能改变陷窝周围基质。

有针对性的本构活跃甲状旁腺素1型受体的表达在骨细胞骨重塑和提升骨量升高。

因此,甲状旁腺素1型受体最有可能是骨细胞生存能力和功能中起着重要的作用。

与年轻健康的骨细胞陷窝周围基质相比,老化的骨细胞可能受到基质矿物质含量过多，一些老化的微缝隙，这些空隙都被矿物质填充着。

这矿物质含量随着年龄增长可能会导致细胞死亡,,反过来,导致与矿物裂陷的填充。

这将改变通过骨细胞对骨流体的动力学响应,可能影响骨细胞功能和生存能力。

骨细胞是一种动力传感细胞
骨细胞另外也被假设作为一种机械感知细胞，因为它处在骨的位置，并且有复杂的树突状结构。

粘膜细胞也一直假设主要机械感知细胞在成年人的骨骼,但人们对这种类型的骨细胞知之甚少。

在体内,理想的频率、强度和载荷时间,会增加骨骼复合效率是已知的。

作为参数的体内装载很有特点,一个主要挑战是重复体内实验来确定结果正确性。

事实上,机械载荷的有无可以影响体内骨细胞基因的表达，这表明机械载荷可以影响骨细胞的功能。

人们对骨液流经骨细胞微管系统,除了分子量/质量截止70 kda,大小的牛血清白蛋白
(BSA)的存在之外了解很少。

尾静脉注射染料染色鼠标结果在几分钟内通过骨细胞周围的微管系统完整的扩散。

已经提出,骨流体是由血管外的压力以及应用循环机械载荷峰值的骨细胞和生理负荷的范围8 - 30dyn/cm 2。

而骨质流失由于后肢卸载会随着恢复血流而恢复,这表明血压并不在调节骨质中发挥作用。

最近研究表明,实时测量载荷下的溶质运输中骨细胞过程的峰值剪应力5 pa。

然而,仍有许多悬而未决的问题关于骨细胞可能受到如跳动的或振荡大小,频率和类型。

早期的体外实验中使用静水压力和基质延伸,而现在因为使用流体流动剪切应力主要是由于骨细胞和成骨细胞相比对剪切应力比基体拉伸更敏感。

MLO-Y4 osteocyte-like细胞几个数量级更敏感流体流动剪切应力对释放前列腺素2 t3骨样细胞。

剪应力对MLO-Y4细胞有有许多影响,包括一氧化氮,三磷酸腺苷(ATP)和前列腺素的释放;半通道和缝隙连接的开放;促进树突伸长,纤毛弯曲;预防细胞凋亡;启动信号通路如Wnt / b-catenin,蛋白激酶(PKA),和其他信号通路,诱导b-catenin核易位;激活基因转录和翻译;并继续生长。

用细胞系证实观察的结果，原骨细胞可以对collage-nase和edta的交叉施加进行消化，但是收益率持续走低，特别是随着老化。

老鼠的8 kb Dmp1促进因子,推动绿色荧光蛋白(GFP)在骨细胞中的表达,激活被用来获得高纯度GFP。

新的基因转移正在由骨细胞sost促进因子携带GFP标记,这将适用于跟踪独立成熟的骨细胞。

骨细胞可能有多种方法感知负载,如通过胞体、树突过程,或纤毛弯曲。

现已被证实骨细胞的感官负载只通过其流程或胞体和流程。

最近,它已被证明,glycocalyces与另一个活跃在胞体机械传感机制不同树突表面的完成过程,而不是在胞体,在力传导过程中发挥至关重要的作用。

同时也提出了通过纤毛,每一个细胞的骨细胞的感官负载单一类鞭毛结构上发现的。

与肾脏细胞不同，纤毛在骨细胞中不通过调节钙通量对流体产生相应但是会诱导前列腺素的释放。

损伤多囊蛋白1的小鼠会由于成骨细胞调节骨功能的缺失而导致骨流失。

通过上调DMP-1-CRE条件性删除小鼠的pkd1，这些小鼠一个月后比对照组体型小，但是在16周的时候只有细微差别，通过观察骨质的复苏。

然而，其对载荷的响应大幅度降低。

这表明多囊蛋白1（PC1）在骨在载荷状态下骨细胞的合成代谢至关重要。

骨细胞释放一氧化氮(NO)、ATP和前列腺素等信号快速响应剪切力。

只是删除唯一的三个快速释放小分子抑制骨合成代谢来响应加载。

没有机械中介, 骨细胞似乎在同一时间发布从前列腺素2,和内皮NO合酶存在于骨细胞。

在骨中NO抑制吸收,促进骨形成。

成骨细胞和骨细胞都释放NO回应机械压力或流体流动剪切应力。

骨细胞也能释放ATP和细胞内钙来对细胞外钙或机械刺激的反应。

核苷酸P2X7受体, ATP离子通道在许多细胞类型表达,可能在机械感受过程中有作用，因为删除它们导致减少小鼠70%的骨合成代谢反应。

P2X7受体阻滞剂抑制前列腺素的释放,而受体激动剂增强骨细胞释放,这表明P2X7受体在促进释放前列腺素响应机械负荷过程中是很有必要的。

在体内前列腺素有诱导新规形成的作用，并可以消除复合载荷导致的炎症。

在响应剪切力的过程中，前列腺素在半通道表达而不影响间隙连接通道。

为了响应剪切力半通道随着摄动整合素的表达而打开，树突状骨细胞的相互联系过程需要整合素和半通道的结合。

半通道也作为MLO-Y4细胞磷酸盐凋亡作用的传感器。

因此，半通道在骨细胞中有多重作用，包括释放信号因子和保护细胞的生存。

接下来做什么
接下来10-20年我们要研究骨细胞什么样的生物学特性和功能。

是否可以发现骨细胞其他可以用于药物的靶向和潜在治疗的作用。

是否可以发现可以对遥远的其他器官有靶向性作用的因子。

骨细胞常被作为一个细胞因子的仓库，这些因子一般都在骨基质中发现。

但是如果骨细胞网络结构不像骨基质一样，可以随着细胞退化可以作为细胞因子的调节者呢。

那么维持这个网络结构的健康和功能将是十分紧急并必要的。