李菲菲，曲竹麗，王慶，郭杰

(1山東大學(xué)口腔醫(yī)院正畸科，山東 濟(jì)南 ；2山東省口腔生物醫(yī)學(xué)重點實驗室）

機(jī)械牽張刺激對成肌細(xì)胞成肌調(diào)控的研究進(jìn)展

李菲菲1,2，曲竹麗1，王慶1，郭杰1,2

(1山東大學(xué)口腔醫(yī)院正畸科，山東 濟(jì)南 ；2山東省口腔生物醫(yī)學(xué)重點實驗室）

機(jī)械牽張；成肌細(xì)胞；調(diào)控

功能矯形治療是口腔正畸學(xué)中一種重要的矯治方法，通過功能矯治器引導(dǎo)下頜姿勢位前移。改善口頜系統(tǒng)肌群的功能狀態(tài)，利用肌收縮力刺激頜骨發(fā)生適應(yīng)性生長改建，從而矯治錯頜畸形。研究表明，下頜前伸時，肌肉變化早于骨組織；牙頜畸形矯治后，面頜肌肉的改建尚未完成，只有肌肉的適應(yīng)性改建完成后，并與硬組織協(xié)調(diào)平衡后，才能保持療效防止復(fù)發(fā)。因此，面頜肌肉在牙頜畸形的矯治和療效維持中均起著重要作用。

面頜部肌肉屬于骨骼肌，骨骼肌可塑性強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)和功能可隨外界刺激的改變發(fā)生適應(yīng)性改建，參與這一過程的重要細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)是骨骼肌中的成肌細(xì)胞。力學(xué)刺激是維持細(xì)胞生存和生長的重要細(xì)胞外刺激，在骨骼肌的形成、發(fā)育和適應(yīng)性改建中起著重要作用。成肌細(xì)胞是其重要的感受和效應(yīng)細(xì)胞，通過力敏感的多種信號通路，將力學(xué)刺激信號轉(zhuǎn)化為細(xì)胞生物化學(xué)信號，介導(dǎo)力相關(guān)敏感基因表達(dá)，合成各種酶類等活性物質(zhì)，激活信號網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)反應(yīng)，參與一系列復(fù)雜的生理病理活動[1-2]。體內(nèi)力學(xué)環(huán)境復(fù)雜，多用離體實驗觀察細(xì)胞對力學(xué)刺激的反應(yīng)。國內(nèi)外有關(guān)機(jī)械牽張刺激對體外培養(yǎng)成肌細(xì)胞影響的研究，為生物力學(xué)研究提供了大量理論和實驗依據(jù)。

1 牽張應(yīng)力特點與加載裝置的原理

牽張加力的加載裝置主要是通過各種方法對培養(yǎng)基膜產(chǎn)生牽拉，使得生長黏附于基膜上的成肌細(xì)胞被動伸展。常見裝置有四點彎曲、Flexercell、均勻雙軸等模型。應(yīng)用此類裝置，能較好的模擬體內(nèi)肌肉受牽拉的狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)力學(xué)刺激的力值大小、時間、頻率來檢測細(xì)胞相應(yīng)變化。

基底形變加載技術(shù)是目前應(yīng)用較多的技術(shù)原理之一，它是通過機(jī)械外力的作用牽拉彈性基底膜，引起彈性細(xì)胞培養(yǎng)膜的形變，使附著于該培養(yǎng)膜的細(xì)胞受到牽張力。近期有新型離心牽拉裝置，利用離心力控制牽張力的大小。

2 成肌細(xì)胞的生物學(xué)特征

2.1 成肌細(xì)胞的來源與分布 成肌細(xì)胞是指胞漿中含有肌絲的肌組織前體細(xì)胞，包括心肌、平滑肌及骨骼肌在內(nèi)的三種肌組織。其胚胎發(fā)育均經(jīng)歷了由間充質(zhì)分化為成肌細(xì)胞，再進(jìn)一步分化為成熟肌細(xì)胞的過程。成熟個體的心肌及平滑肌中均不含肌肉衛(wèi)星細(xì)胞，而骨骼肌中存在肌肉衛(wèi)星細(xì)胞。骨骼肌的肌纖維分為快肌纖維和慢肌纖維，分布不均一，隨著年齡增長，衛(wèi)星細(xì)胞密度減少，到一定程度后，終身維持[3]。

通常情況下，肌衛(wèi)星細(xì)胞處于靜止和轉(zhuǎn)錄不活躍狀態(tài)，當(dāng)機(jī)體發(fā)生生長、重塑及肌肉損傷時，衛(wèi)星細(xì)胞被激活，增殖并表達(dá)成肌細(xì)胞標(biāo)志物即成成肌細(xì)胞，這些細(xì)胞再融合入已存在的骨骼肌纖維中，形成新的纖維。

2.2 成肌調(diào)節(jié)因子 成肌調(diào)節(jié)因子是在骨骼肌胚胎發(fā)育過程中發(fā)現(xiàn)的一組轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，其家族共有四個成員：MyoD、Myf25、Myogenin和MRF4。這些成肌調(diào)節(jié)因子共有一個與E2蛋白轉(zhuǎn)錄因子家族結(jié)合形成二聚體所需的DNA結(jié)合域Bhlh，MRF2E蛋白異二聚體和MRF單體結(jié)合到共有的E2盒序列CANNTG,而CANNTG存在于骨骼肌成肌特異基因的增強(qiáng)子元件中，調(diào)節(jié)著這些成肌分化特異基因的轉(zhuǎn)錄活性，這些二聚體的DNA結(jié)合和轉(zhuǎn)錄活性也受到蛋白間相互作用和其他外在環(huán)境因素的影響[4-5]。

MyoD和Myf25之間較另外兩大因子具有更大的同源性，在成肌細(xì)胞分化前表達(dá)，是成肌分化的決定因子。兩者的作用都是誘導(dǎo)前成肌細(xì)胞分化成成肌細(xì)胞。兩者可以相互替代，兩者的聯(lián)合缺少均會阻礙其分化。MyoD基因是骨骼肌分化的決定基因。在肌分化過程中，首先是成肌細(xì)胞的定向分化，以表達(dá)肌細(xì)胞生成素為標(biāo)志，肌細(xì)胞生成素是成肌細(xì)胞特異標(biāo)志之一。MyoD是肌分化的發(fā)動者，但并非直接激活下游基因，而是首先激活肌細(xì)胞生成素，接著再是肌球蛋白和結(jié)蛋白等的表達(dá)，它們都是骨骼肌最早的成肌標(biāo)志之一。Myogenin和MRF4之間具有更大的同源性，并且均在分化中表達(dá)；作用都是誘導(dǎo)成肌細(xì)胞分化融合成肌管。Myogenin是成肌分化必不可少的因子。研究表明，增殖的成肌細(xì)胞在分化激活之前表達(dá)MyoD和Myf5，一旦分化被激活MyoD和Myf5則誘導(dǎo)細(xì)胞推出細(xì)胞周期，同時表達(dá)Myogenin，Myogenin和MRF4調(diào)節(jié)成肌細(xì)胞進(jìn)一步終末分化為肌管肌纖維[6-7]。

2.3 肌細(xì)胞增強(qiáng)因子與肌肉的發(fā)生 肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2（MEF2）屬于MADS框轉(zhuǎn)錄家族，其家族成員包括MEF2A,MEF2B,MEF2C,MEF2D四種。轉(zhuǎn)錄基因MEF2的DNA結(jié)合位點廣泛存在于肌肉組織特異性表達(dá)基因的調(diào)控區(qū)，因此MEF2在肌肉發(fā)生中發(fā)揮重要調(diào)控作用。MEF2可以激活多種肌肉發(fā)生特異基因的表達(dá)，這些基因的表達(dá)產(chǎn)物對于肌肉組織的分化、維持和再生等有重要作用。MEF2在肌肉發(fā)生的基因表達(dá)調(diào)控中位于很多信號傳導(dǎo)通路的下游，同時它又直接調(diào)控著它的下游靶基因的表達(dá)，從而實現(xiàn)調(diào)控肌肉生長發(fā)育的生物學(xué)功能，如：波形蛋白與Cofilin在細(xì)胞分化過程中的細(xì)胞骨架重組中至關(guān)重要[8]。因此是肌肉發(fā)生、肌肉改建的重要標(biāo)志。

3 機(jī)械牽張與成肌細(xì)胞的成肌調(diào)控

3.1 應(yīng)力與細(xì)胞生物學(xué)應(yīng)答 天然機(jī)體處在一個復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境中，其應(yīng)力影響著組織的結(jié)構(gòu)、功能及形態(tài)。越來越多的證據(jù)表明，細(xì)胞都依賴于一定的力學(xué)環(huán)境的調(diào)節(jié)，即使同一類型的細(xì)胞，由于應(yīng)力的大小、作用方式、作用時間及應(yīng)力變化頻率的不同，其影響均不同。這種差異證明細(xì)胞的生物學(xué)變化與應(yīng)力應(yīng)變方式的不同有著密切聯(lián)系。無論何種應(yīng)力都會使細(xì)胞發(fā)生形變，形變是應(yīng)力作用于細(xì)胞并觸發(fā)其生物學(xué)效應(yīng)的基礎(chǔ)，不同應(yīng)力方式對細(xì)胞形變產(chǎn)生很大差別。在靜張應(yīng)力下，細(xì)胞逐漸發(fā)生變形，但這種變形在一段時間后就會趨于穩(wěn)定，在細(xì)胞趨于穩(wěn)定的過程中，也會慢慢失去對靜張應(yīng)力的敏感；在動張應(yīng)力的作用下，細(xì)胞無持續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)出現(xiàn)。

3.2 機(jī)械牽張對成肌調(diào)控的影響 近年來，隨著骨骼肌再生、損傷后修復(fù)與適應(yīng)性改建的研究受到廣泛關(guān)注,有關(guān)骨骼肌細(xì)胞的增殖、凋亡和分化在骨骼肌再生中的作用研究也逐漸興起。細(xì)胞外基質(zhì)的一些信號參與調(diào)控成肌過程,其中力學(xué)應(yīng)激是維持細(xì)胞生存和生長的重要細(xì)胞外刺激,它能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞的新陳代謝和基因表達(dá)過程,在骨骼肌的形成和發(fā)育中起重要的作用[9]。

通過對力學(xué)刺激作用于肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖分化的研究,證實了不同的力學(xué)刺激所激活的信號通路并不完全相同。正是通過這些特異性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的激活、封閉或者不同通路之間的cross－talk途徑,從而對成肌轉(zhuǎn)錄因子及骨骼肌標(biāo)志性蛋白的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控,對肌衛(wèi)星細(xì)胞的增殖分化能力產(chǎn)生影響。

目前較多文獻(xiàn)報道看機(jī)械應(yīng)力對體外培養(yǎng)的細(xì)胞增殖的影響，但因采用的力學(xué)加載裝置不同而結(jié)果不一，Kumar等利用Flexercell加載設(shè)備對C2C12細(xì)胞進(jìn)行拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)拉伸能夠促進(jìn)C2C12細(xì)胞的增殖，而抑制其分化。在不同拉伸頻率下，成肌細(xì)胞的增殖情況，發(fā)現(xiàn)拉伸頻率對細(xì)胞增殖的影響非常大，高頻率的拉伸不利于細(xì)胞的增勢，反而抑制成肌細(xì)胞的增殖，當(dāng)拉伸頻率降低到0.125時，拉伸的力學(xué)刺激是明顯促進(jìn)成肌細(xì)胞的增殖[8-9]。有研究研究不同交變應(yīng)力的作用下，大鼠細(xì)胞增殖活性的變化，同樣是發(fā)現(xiàn)，低頻率比高頻率具有更高的促進(jìn)成肌細(xì)胞增殖的作用。隨著交變應(yīng)力作用時間的延長，成肌增殖活性在較低的應(yīng)變范圍內(nèi)隨應(yīng)變的增大而增加。Zhang等[10]研究證實：周期性張應(yīng)力通過激活其下游信號分子——黏附斑激酶(FAK)和RhoA，在調(diào)控成肌細(xì)胞增殖和分化中發(fā)揮重要作用。Comunale等[11]的研究表明M-cadherin介導(dǎo)的信號途徑參與了成肌細(xì)胞相互融合形成肌管的過程。Kumar等[12]卻發(fā)現(xiàn)周期性拉伸可通過FAK、Rac-1、GTPase以及NF-B等信號分子抑制C2C12成肌細(xì)胞分化成肌小管。另外，F(xiàn)ormigli等[13]的研究證實：應(yīng)力活化型離子通道在成肌過程中起重要作用。我們在成功構(gòu)建SD大鼠乳鼠成肌細(xì)胞體外培養(yǎng)－力學(xué)刺激模型的基礎(chǔ)上，研究了肌細(xì)胞膜上重要的Na+通道蛋白―Na+-K+-ATPase在力學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的重要作用及其調(diào)控機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)：周期性張應(yīng)力通過內(nèi)涵體轉(zhuǎn)運促進(jìn)成肌細(xì)胞膜上Na+-K+-ATPase α亞基蛋白的表達(dá)，并改變Na+-K+-ATPase的功能活性。我們的研究證實：Na+-K+-ATPase是成肌細(xì)胞感受力學(xué)信號并進(jìn)行跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要信號分子[14―16]。

絲裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated potein kinase,MAPK)級聯(lián)是細(xì)胞內(nèi)重要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)之一。細(xì)胞運用這一系統(tǒng)將胞外刺激信號傳遞給胞核,參與細(xì)胞生長、發(fā)育、分化和凋亡等一系列生理病理過程。到目前為止,在真核生物細(xì)胞中已明確了5條絲裂原活化蛋白激酶通路:細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)蛋白激酶(Extracellularsignal-regulated protein kinase,ERK)通路、c-jun氨基末端激酶(c-junN-terminal kinase, JNK)通路、p38MAPK通路、ERK3/4和ERK5亞家族，每個亞家族又包含多個亞型。然而，關(guān)于何種信號途徑在應(yīng)力介導(dǎo)的成肌細(xì)胞分化中起主要作用，迄今為止還沒有被完全認(rèn)識。

以上研究說明，力學(xué)刺激是維持細(xì)胞生存和生長的重要細(xì)胞外刺激，它能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞的新陳代謝和基因表達(dá)過程。然而，機(jī)械力是一個物理信號，力學(xué)信號如何被感知進(jìn)而發(fā)生相應(yīng)應(yīng)答，從而調(diào)控成肌細(xì)胞改建，成為力學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制研究的關(guān)鍵，也是近年來研究的熱點。

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1008-4118（2012）01-0060-30

10.3969/j.issn.1008-4118.2012.01.34

2012-03-02

郭杰：山東大學(xué)口腔醫(yī)院，副主任醫(yī)師。kqji@sdu.edu.cn