任原,王茜,李琪佳,王志強(qiáng)
1.河北聯(lián)合大學(xué)附屬醫(yī)院骨科,河北唐山 063000;2.河北聯(lián)合大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院人體解剖系,河北唐山 063000;3河北聯(lián)合大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心,河北唐山 063000
缺氧和酸中毒對(duì)成骨細(xì)胞功能影響研究進(jìn)展
任原1,王茜2,李琪佳3,王志強(qiáng)1
1.河北聯(lián)合大學(xué)附屬醫(yī)院骨科,河北唐山 063000;2.河北聯(lián)合大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院人體解剖系,河北唐山 063000;3河北聯(lián)合大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心,河北唐山 063000
局部pH值和氧分壓(pO2)的變化可影響成骨細(xì)胞功能。成骨細(xì)胞對(duì)pH值直接影響極其敏感:酸中毒抑制成骨細(xì)胞的礦物沉積。成骨細(xì)胞對(duì)小范圍pH變化反應(yīng)機(jī)制較復(fù)雜,涉及對(duì)細(xì)胞膜離子通道、受體以及細(xì)胞內(nèi)的直接影響。研究表明缺氧嚴(yán)重抑制成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化,促進(jìn)成骨細(xì)胞凋亡。在體內(nèi),由于血管灌注的減少和糖酵解代謝的增加,組織缺氧通常伴有酸中毒。血液供應(yīng)的中斷,使成骨細(xì)胞pO2減少和pH值降低,而對(duì)成骨細(xì)胞活動(dòng)產(chǎn)生負(fù)面影響。該文就缺氧和酸中毒對(duì)成骨細(xì)胞的功能影響及近年研究進(jìn)展作一綜述。
缺氧;酸中毒;成骨細(xì)胞
體內(nèi)氧含量和酸堿平衡是機(jī)體或細(xì)胞維持正常功能所必需。骨損傷發(fā)生時(shí)損傷部位血流減少或中斷,氧分壓降低。嚴(yán)重缺氧時(shí)損傷部位糖代謝不完全,無氧酵解增強(qiáng),酸性產(chǎn)物增多導(dǎo)致酸堿平衡紊亂甚至引起酸中毒。缺氧和酸中毒會(huì)引起骨代謝的改變,導(dǎo)致骨質(zhì)丟失,影響骨損傷愈合。該綜述就近年來關(guān)于缺氧和酸中毒對(duì)成骨細(xì)胞功能影響做一介紹。
1.1 缺氧的因素
發(fā)生缺氧時(shí)組織血液供應(yīng)減少或阻斷。動(dòng)脈血氧張力(pO2)為95mmHg(12%);靜脈血和毛細(xì)血管血液的氧張力(pO2)為40mmHg(5%),約為大氣氧張力的1/4。在正常組織中,組織縫隙中pO2范圍為3%~9%。從正常的志愿捐贈(zèng)者的吸出的骨髓測(cè)量取得的pO2平均值為6.6%[1]。由于血流中斷而導(dǎo)致組織灌注減少的潛在原因有很多并且許多合并骨質(zhì)疏松,包括老化、炎癥、感染、骨折,去載、腫瘤、糖尿病、吸煙/尼古丁和糖皮質(zhì)激素。阻塞性肺疾病和貧血可導(dǎo)致慢性低氧血癥(動(dòng)脈氧缺乏),同樣與骨質(zhì)疏松密切相關(guān)。細(xì)胞氧濃度一般保持在較小的生理范圍。缺氧會(huì)導(dǎo)致不能產(chǎn)生足夠ATP維持細(xì)胞基本功能[2],而富氧可能會(huì)導(dǎo)致破壞活性氧中間體產(chǎn)生。細(xì)胞通過缺氧誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子(HIF)氧依賴性降解對(duì)O2反應(yīng),HIF是一種含α和β亞基的異源二聚體。有氧條件下HIF-1α和與之密切相關(guān)的因子HIF-2α是脯氨酰羥化酶族的靶向,利用氧分子和2-同戊二酸(需要抗壞血酸作為輔助因子)選擇性地羥化兩個(gè)脯氨酸殘基[3]。這些羥脯氨酸殘基被Von Hippel Lindau腫瘤抑制蛋白(pVHL)識(shí)別,pVHL啟動(dòng)HIF-α多聚泛素化,利用蛋白體酶靶向性降解。在供氧不足時(shí)脯氨基羥化酶無活性,HIF-α的脯氨酸殘基沒有變化;HIF-α保持穩(wěn)定且能與其轉(zhuǎn)錄伴侶HIF-β異源二聚體化。HIF異二聚體結(jié)合缺氧反應(yīng)元件(HRES),在靶基因啟動(dòng)子序列和啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的缺氧調(diào)節(jié)基因中參與多種細(xì)胞活動(dòng),包括血管生成(其中VEGF為重要因子)、能量代謝、細(xì)胞增殖/生存和pH調(diào)控[4]。
1.2 缺氧對(duì)成骨細(xì)胞功能的影響
體外培養(yǎng)成骨細(xì)胞對(duì)缺氧反應(yīng)較復(fù)雜,其中血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)[5]、成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子Runx2/Cbfa1[6]、胰島素樣生長(zhǎng)因子Ⅱ和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1[7]表達(dá)減少;ATP釋放表達(dá)增加(抑制礦化并且刺激破骨細(xì)胞)。缺氧對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的影響包括刺激成纖維細(xì)胞增殖,增加骨生成的潛能,刺激脂肪細(xì)胞[8]。即使缺氧會(huì)抑制這些活動(dòng),體外培養(yǎng)成熟成骨細(xì)胞短暫暴露于1%O2并不影響骨結(jié)節(jié)形成和Runx2表達(dá)。研究表明,短期缺氧可促進(jìn)成骨細(xì)胞生長(zhǎng),但長(zhǎng)期缺氧可抑制成骨細(xì)胞生長(zhǎng)、分化和骨形成能力,因此隨著缺氧時(shí)間延長(zhǎng),成骨細(xì)胞增值能力下降,由它表達(dá)的RANKL、骨保護(hù)素(osteoprotegerin OPG)也隨著缺氧時(shí)間延長(zhǎng)表達(dá)相對(duì)減弱[9-10]。慢性缺氧對(duì)取自新生大鼠顱蓋骨成骨細(xì)胞功能有影響。缺氧抑制骨細(xì)胞生成由于成骨細(xì)胞生長(zhǎng)和分化減少/延遲對(duì)細(xì)胞增殖、堿性磷酸酶表達(dá)的膠原蛋白產(chǎn)生都有明顯的抑制作用[11]。氧氣濃度降低至20%逐漸抑制骨形成,直至氧分壓接近2%時(shí)骨形成完全抑制。缺氧下抑制某些膠原蛋白產(chǎn)生可能由于氧依賴酶、脯氨酰羥化酶和賴氨酰氧化酶活性降低,膠原蛋白分子翻譯后修飾需要這些酶參與,而這些關(guān)鍵酶的表達(dá)在缺氧下也減少。氧依賴脯氨酰羥化酶族作用于HIF-A,膠原脯氨酸羥化酶是其中一種。缺氧不會(huì)造成成骨細(xì)胞死亡增加,而是引起一種可逆靜止?fàn)顟B(tài)[12]。體內(nèi)骨形成通常發(fā)生在動(dòng)脈血和靜脈血氧分壓分別為12%和5%的環(huán)境中。因此大氣中氧濃度 (實(shí)驗(yàn)控制至20%)實(shí)際上是為高氧狀態(tài)。在氧濃度生理范圍時(shí)(5%~12%O2)成骨細(xì)胞骨形成約為氧氣濃度為20%時(shí)成骨細(xì)胞骨形成的50%。成骨細(xì)胞對(duì)氧氣敏感性可能有助于解釋已知的依賴性骨形成和依賴性血管再生。因此缺氧可抑制成骨細(xì)胞生長(zhǎng)和骨形成并促進(jìn)凋亡。
相關(guān)骨骼穩(wěn)態(tài)中血管和氧分壓的研究可能會(huì)改進(jìn)對(duì)于影響骨骼的治療作用機(jī)制。Chang等[13]發(fā)現(xiàn)缺氧能夠使成骨細(xì)胞產(chǎn)生與骨關(guān)節(jié)炎表型相同的病理改變,表明缺氧是骨關(guān)節(jié)炎病理的關(guān)鍵因素。研究表明通過操控氧氣傳感分子機(jī)制來提高骨再生是可行的。小鼠成骨細(xì)胞缺乏HIF-1α表現(xiàn)為骨發(fā)育受損;相反,HIF-1α通路的激活可增加骨形成,促進(jìn)成骨塑形中依賴VEGF的股血管分布和再生。
2.1 酸中毒的成因
細(xì)胞普遍對(duì)H+濃度的變化非常敏感,血液和細(xì)胞外液pH值時(shí)刻保持精密的調(diào)節(jié)。血液pH值主要通過CO2/HCO3-緩沖系統(tǒng)和血紅蛋白中組氨酸殘基的調(diào)節(jié)。如果肺部不能足夠地將體內(nèi)產(chǎn)生的CO2排出,血液中的H+濃度增加(即pH值降低)時(shí),體內(nèi)的HCO3-濃度相對(duì)不變,稱為呼吸性酸中毒。相反,H+(例如作為代謝產(chǎn)物的含硫、氮、磷的相關(guān)分子)會(huì)降低血液pH值和減少HCO3-水平,而CO2濃度沒有顯著改變。以此方式產(chǎn)生的質(zhì)子,與相關(guān)代謝產(chǎn)生的陰離子必須經(jīng)由腎臟排除體外;如果沒有足夠的H+排出就會(huì)出現(xiàn)代謝性酸中毒[14]。除腎功能和呼吸系統(tǒng)疾病外,還有很多導(dǎo)致酸中毒潛在因素且多與骨質(zhì)疏松相關(guān),包括無氧運(yùn)動(dòng)、胃腸炎、蛋白質(zhì)或氯化物過度消耗、糖尿病、老化、更年期或雄性激素缺乏。酸中毒可導(dǎo)致局部由于缺血[15]、缺氧[16]、炎癥[17]、腫瘤[18]等。激素、生長(zhǎng)因子或細(xì)胞因子刺激細(xì)胞代謝也可導(dǎo)致細(xì)胞外酸化,例如甲狀旁腺激素和胰島素樣生長(zhǎng)因子(IGF-1)可使成骨細(xì)胞迅速分泌酸性物質(zhì)[19]。雖然動(dòng)脈血pH值通常接近7.40,靜脈血pH值接近7.36,但組織中細(xì)胞間液的pH值通常更低并且有著復(fù)雜的濃度梯度,這取決于細(xì)胞的代謝活動(dòng)與最近毛細(xì)血管之間的距離和微血管系統(tǒng)質(zhì)量。
2.2 酸中毒對(duì)成骨細(xì)胞增殖分化的影響
Frick等[20]首次研究pH值對(duì)成骨細(xì)胞的影響,指出輕度代謝性酸中毒可選擇性減少細(xì)胞外基質(zhì)基因表達(dá),包括體外培養(yǎng)小鼠成骨細(xì)胞膠原蛋白。pH值7.4時(shí)成骨細(xì)胞形成豐富的類似骨小梁礦化結(jié)構(gòu),酸化后礦化逐漸減少并在pH值6.9時(shí)完全消除,膠原小梁結(jié)構(gòu)在低pH值下仍然明顯存在。很顯然,pH值7.4~6.9時(shí)成骨細(xì)胞增殖、膠原蛋白合成不受影響,酸化對(duì)膠原蛋白超微結(jié)構(gòu)和組織結(jié)構(gòu)沒有影響。然而pH值在7.4左右時(shí)成骨細(xì)胞堿性磷酸酶活性最高,pH值降低至6.9時(shí)活性降低8倍,同時(shí)導(dǎo)致堿性磷酸酶mRNA表達(dá)下調(diào),而基質(zhì)Gla蛋白 (一種礦化抑制劑)mRNA上調(diào)。在相同pH值降低時(shí),羥基磷灰石中CA2+和PO43-溶解度分別增加2倍和4倍。另一種可能是穩(wěn)定低水平骨細(xì)胞代謝產(chǎn)酸抑制了原位被動(dòng)礦化(礦化凋亡)。結(jié)果表明酸中毒可選擇性抑制基質(zhì)礦化[10]。Kato等[21]研究表明許多疾病導(dǎo)致的體內(nèi)酸中毒抑制成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化,其中TRP信號(hào)通路可能是導(dǎo)致酸敏感的機(jī)制。因此酸中毒未糾正時(shí)成骨細(xì)胞的堿性礦物質(zhì)沉積減少。成骨細(xì)胞還表達(dá)多種酸敏感離子通道,例如成骨細(xì)胞表達(dá)的ASICs1-3和ATP受體P2X2;成骨細(xì)胞樣細(xì)胞系表達(dá)的TRPV4和TRPM8。Subrahmanyam等[22]的研究結(jié)果表明代謝酸中毒影響骨代謝平衡并導(dǎo)致相關(guān)骨疾病。
2.3 總結(jié)與展望
顧九君[23]等研究證實(shí)缺氧具有抑制成骨細(xì)胞增殖、分化及下調(diào)大鼠成骨細(xì)胞中Ⅰ型膠原α1、骨鈣素基因表達(dá)的作用,引起股息形成與骨吸收失衡,最終造成骨密度的降低,導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的發(fā)生。吳雁等[24]發(fā)現(xiàn)促紅細(xì)胞生成素具有抗凋亡、抗炎、抗氧化和促血管生成作用,對(duì)骨組織損傷和骨科手術(shù)有可觀的價(jià)值和醫(yī)療前景。腫瘤轉(zhuǎn)移和骨細(xì)胞的互相作用作為一個(gè)明顯過程,酸中毒和缺氧可能是重要因素。組織缺氧造成血管灌注減少和糖酵解代謝增加,通常伴有酸中毒。缺氧和酸中毒直接作用于骨細(xì)胞,因此血液供應(yīng)的中斷對(duì)骨骼產(chǎn)生很多負(fù)面影響。缺氧和酸中毒時(shí)成骨細(xì)胞呈現(xiàn)功能缺失,而破骨細(xì)胞呈現(xiàn)顯著的功能獲得。骨細(xì)胞在缺氧和酸中毒的反應(yīng)也與正常老化時(shí)骨形態(tài)發(fā)生的變化相一致。這些相關(guān)功能性改變對(duì)一系列骨疾病和正常骨生理學(xué)提供了新的見解。
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Recent Advances in Effects of Hypoxia and Acidosis on the Proliferation and Differentiation of Osteoblast
REN Yuan1,WANG Qian2,LiQi-jia3,Wang Zhi-qiang1
1.Departmentof Orthopaedics,Affiliated Hospital of Hebei United University,Tangshan,Hebei Province,063000 China;2.Department of Anatomy,Basic Medical College of Hebei United University,Tangshan,Hebei Province,063000 China;3.Experimental Center,Hebei United University,Tangshan,Hebei Province,063000 China
The function of osteoblast is affected by local pH and oxygen tension.Osteoblasts are extremely sensitive to the direct effects of pH:acidosis inhibitsmineral deposition by osteoblasts.Themechanisms by which osteoblasts sense small pH changes are complex,involving in channels,receptors in the cellmembrane and the direct intracellular effects.Reseach shows that severe hypoxia inhibits osteoblast growth and differention,and promotes the apoptosis of osteoblasts.In vivo,tissue hypoxia usually accompanied by acidosis due to reduced perfusion and increased glycolyticmetabolism.Disruption of the blood supply can engender negative effects on osteoblasts via the direct actions of reduced pO2and pH on osteoblasts.This article aims to review recent research progresswhich the effects of hypoxia and acidosis on proliferation and differentiation of osteoblast function.
Hypoxia;Acidosis;Osteoblast
R68
A
1674-0742(2015)07(b)-0195-04
2015-04-05)
國(guó)家科技部科技支撐課題(2012BAE06B03)。
任原 (1988-),男,河北唐山人,碩士生,主要從事骨組織工程研究。
王志強(qiáng)(1962.10-),男,河北唐山人,本科,教授,主要研究創(chuàng)傷外科、人工關(guān)節(jié)翻修及骨移植替代材料方向。