1、肌源性干細(xì)胞與OP

        肌源性干細(xì)胞(MDSCs)是研究發(fā)現(xiàn)存在于肌肉中的一類多能干細(xì)胞群。長(zhǎng)期以來(lái)，多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)MDSCs具有體外增殖快、自我更新能力強(qiáng)、免疫特惠、骨骼再生以及多項(xiàng)分化潛能，在特定誘導(dǎo)條件下可以向特定形態(tài)特征和功能的不同胚層的細(xì)胞進(jìn)行分化，如成骨細(xì)胞(OB)、造血細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞等，能夠參與多種組織的損傷修復(fù)過(guò)程，在基因、組織工程領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。近年來(lái)，大量基礎(chǔ)研究證實(shí)，MDSCs在成骨方面發(fā)揮了一定的作用，可用于骨缺損、骨折不愈合、OP等骨科疾病。骨成型蛋白(BMPs)是一種廣泛存在于骨基質(zhì)中的酸性糖蛋白，屬于轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(TGF-β)超家族成員，其中BMP-2是促進(jìn)骨形成最強(qiáng)的生長(zhǎng)因子，能夠誘導(dǎo)OB分化。已有研究發(fā)現(xiàn)，人MDSCs經(jīng)BMP-2誘導(dǎo)后，部分細(xì)胞胞體肥大并呈圓形改變，且胞體內(nèi)高表達(dá)堿性磷酸酶(ALP)、骨鈣素(OCN)，說(shuō)明MDSCs有向OB分化的可能，并且隨著BMP-2劑量的增加，ALP、OCN也相應(yīng)增加。Claros等在MDSCs向成骨及軟骨分化的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，從鼠的骨骼肌獲取的MDSCs具有成纖維細(xì)胞樣形態(tài)，同時(shí)還可促進(jìn)OCN、骨涎蛋白、骨橋蛋白等骨形成標(biāo)志物的表達(dá)，且經(jīng)成骨誘導(dǎo)培養(yǎng)基誘導(dǎo)后，ALP及鈣化結(jié)節(jié)活性增強(qiáng)，且MDSCs與脫礦骨基質(zhì)結(jié)合并移植到裸鼠皮下后能明顯促進(jìn)骨形成。Ⅰ型膠原(ColⅠ)作為骨形成標(biāo)志性生物大分子，大量基礎(chǔ)研究表明，MDSCs在向OB分化過(guò)程中會(huì)促進(jìn)ColⅠ大量分泌，組織工程學(xué)相關(guān)研究也證實(shí)MDSCs除了在體外特定的條件下可誘導(dǎo)分化為OB，而且通過(guò)相應(yīng)的載體在體內(nèi)也可以分化為成骨樣細(xì)胞。Tamaki等發(fā)現(xiàn)在肌肉組織缺損的小鼠體內(nèi)移植體外擴(kuò)增的MDSCs后，與對(duì)照組相比，肌容量及收縮功能明顯提高，而且將MDSCs移植到腎脂肪囊下層，移植部位發(fā)現(xiàn)新生的肌組織，證明MDSCs不但可以促進(jìn)肌肉組織體積和功能的恢復(fù)，而且具有向肌組織分化的能力，相關(guān)研究也進(jìn)一步證實(shí)了這一觀點(diǎn)。另有研究發(fā)現(xiàn)，MDSCs在促進(jìn)小鼠骨骼肌肉再生的同時(shí)還可以促進(jìn)周圍血管及神經(jīng)的新生，而肌肉、神經(jīng)的營(yíng)養(yǎng)又主要來(lái)自于血供。因此，MDSCs在治療骨骼肌方面疾病的同時(shí)可以潛在地促進(jìn)骨再生。但目前對(duì)MDSCs的起源、分離純化、特異性標(biāo)志物及其鑒定、誘導(dǎo)分化成骨的具體調(diào)控機(jī)制等仍未完全闡明，需進(jìn)一步對(duì)MDSCs進(jìn)行更深入的研究。

2、微循環(huán)與OP

        機(jī)體衰老的過(guò)程中，脂質(zhì)過(guò)氧化損害加重，微循環(huán)發(fā)生障礙，血流變異常，細(xì)胞新陳代謝紊亂，功能減退，并呈進(jìn)行性發(fā)展，最終導(dǎo)致相應(yīng)的組織器官功能失常和疾病的發(fā)生。肌肉的正常收縮活動(dòng)需要通過(guò)豐富的血供進(jìn)行能量的充分補(bǔ)給和代謝產(chǎn)物的不斷清除。當(dāng)肌肉局部的微循環(huán)與組織需要不相適應(yīng)時(shí)，缺血缺氧、代謝障礙加重，肌肉失養(yǎng)，進(jìn)而引起組織變性壞死，肌肉萎縮，肌力、肌量及收縮功能下降，骨應(yīng)力刺激減少，加速骨質(zhì)流失。對(duì)于骨組織而言，微循環(huán)障礙致?tīng)I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不能正常通過(guò)哈弗氏系統(tǒng)進(jìn)入骨骼，致骨骼失養(yǎng)，直接導(dǎo)致骨質(zhì)疏松。研究表明，老年性O(shè)P患者內(nèi)分泌代謝紊亂的同時(shí)血流變也發(fā)生了改變，具體表現(xiàn)為紅細(xì)胞的聚集性和剛性增加，致血液黏度增加，最終導(dǎo)致局部微循環(huán)障。Roche等通過(guò)動(dòng)脈灌注硫酸鋇的方法發(fā)現(xiàn)雙側(cè)卵巢切除術(shù)后15天，小鼠脛骨近端干骺端微血管數(shù)量明顯減少15%。另有實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，老年小鼠較青壯年小鼠脛骨干骺端H型血管內(nèi)皮細(xì)胞減少，而H型血管內(nèi)皮細(xì)胞又能夠介導(dǎo)骨內(nèi)血管的新生。因此，良好的血供不僅維持了肌肉的正常收縮活動(dòng)，也為骨生長(zhǎng)發(fā)育提供了必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，治療OP應(yīng)該重視血液流變性和微循環(huán)的改善。

3、骨骼肌信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路與OP

       骨骼肌是一個(gè)動(dòng)態(tài)組織，受外界刺激與自身疾病等多種因素的影響，且與OP的發(fā)生緊密相連。研究發(fā)現(xiàn)，存在調(diào)控骨骼肌與骨代謝的共同信號(hào)通路：PI3K-Akt、MAPK及NF-κB信號(hào)通路。

      PI3K-Akt信號(hào)通路：PI3K-Akt-mTOR-P70S6K是促進(jìn)蛋白質(zhì)合成的重要信號(hào)通路，由上游的IGF-Ⅰ與其受體結(jié)合后被激活，引起骨骼肌肥大，抑制蛋白質(zhì)降解。肌肉收縮產(chǎn)生的機(jī)械刺激促進(jìn)IGF-Ⅰ分泌，與IGF-Ⅰ受體結(jié)合致酪氨酸激酶變構(gòu)并磷酸化胰島素受體底物Ⅰ，激活磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)，PI3K磷酸化二磷脂酰肌醇為三磷脂酰肌醇，再激活下游蛋白，并建立起絲氨酸/蘇氨酸激酶(Akt)細(xì)胞膜脂質(zhì)結(jié)合位點(diǎn)。Akt被轉(zhuǎn)位到細(xì)胞膜后被相應(yīng)的蛋白激酶激活，進(jìn)一步磷酸化一系列底物，包括調(diào)節(jié)蛋白合成和基因轉(zhuǎn)錄細(xì)胞增殖蛋白等。激活的雷帕霉素靶蛋白(mTOR)進(jìn)而激活下游的靶基因40S核糖體S6蛋白激酶(P70S6K)，最終促進(jìn)骨骼肌干細(xì)胞增殖、肌細(xì)胞分化并融合成肌管，促使肌肉生長(zhǎng)。mTOR是調(diào)節(jié)肌肉大小及運(yùn)動(dòng)所致骨骼肌重塑的關(guān)鍵基因，對(duì)于蛋白質(zhì)翻譯起始復(fù)合物的形成、核糖體的生成以及多肽鏈的延伸等過(guò)程的正常進(jìn)行起著重要的作用。P70S6K是mTOR效應(yīng)子中研究最廣泛的蛋白翻譯的正調(diào)節(jié)因子，P70S6K的Thr389磷酸化被認(rèn)為是機(jī)械負(fù)荷誘導(dǎo)蛋白增加的標(biāo)志，并且P70S6K對(duì)于肌細(xì)胞通過(guò)蛋白質(zhì)合成生長(zhǎng)到最佳大小是必需的。用mTOR抑制劑處理C2C12細(xì)胞，能夠阻斷mTOR通路下游靶基因P70S6K的活化，致小鼠骨骼肌生長(zhǎng)遲緩，肌核數(shù)減少。研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)表達(dá)Akt基因，能夠增加蛋白合成，最終導(dǎo)致小鼠骨骼肌肥大。另外，Akt被激活后還能抑制糖原合酶激酶3β(GSK3β)活性，通過(guò)Akt-GSK3β信號(hào)通路增加蛋白質(zhì)合成，調(diào)控肌肉的生長(zhǎng)。相關(guān)研究也證實(shí)，加入GSK3β抑制劑，能夠顯著增加肌細(xì)胞的肥大，與Akt-mTOR-P70S6K信號(hào)通路具有協(xié)同作用。

       PI3K-Akt信號(hào)通路在骨代謝中主要負(fù)責(zé)調(diào)控OB的增殖和分化，是正常骨代謝信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的網(wǎng)絡(luò)中心，維持正常骨骼發(fā)育的動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)IGF-1激活PI3K/Akt通路后，下游效應(yīng)蛋白mTORC1/S6K1能夠促進(jìn)OB分化，正向調(diào)節(jié)BMP-2，誘導(dǎo)成人ALP，并抑制OB的凋亡，減緩OP的發(fā)生。因此，PI3K-Akt信號(hào)通路在調(diào)控骨骼肌生長(zhǎng)的同時(shí)還能促進(jìn)OB的增殖、分化。Akt基因作為PI3K/Akt信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的核心，治療骨骼與肌肉疾病的共同靶基因，將成為防治OP的新靶點(diǎn)，但具體作用機(jī)制需深入研究。

       Ras-Raf-MAPK/ERK信號(hào)通路：MAPK(細(xì)胞分裂素活化蛋白激酶)是存在于細(xì)胞內(nèi)的一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。MAPK信號(hào)通路在骨骼肌內(nèi)主要有3條：ERK1/2、JNK和P38通路。研究表明，骨骼肌氧化應(yīng)激反應(yīng)激活此3條信號(hào)通路后，能夠?qū)е录∪獾鞍追纸猓『说蛲觯罱K致骨骼肌萎縮。但是，抗氧化系統(tǒng)也會(huì)適應(yīng)性地隨之上調(diào)，然而骨骼肌氧化應(yīng)激通路較為復(fù)雜，各通路之間交叉作用，機(jī)制尚不明朗，還需進(jìn)一步研究。另有研究表明，ERK1/2、P38和JNK-1/2信號(hào)通路之間的相互作用在調(diào)控骨骼肌分化、增殖方面也發(fā)揮重要作用，激活不同的MAPK通路能夠減緩肌肉的破壞，調(diào)控能量轉(zhuǎn)換及肌肉收縮蛋白的表達(dá)。

        在成骨分化與增殖方面，MAPK信號(hào)通路占有重要地位，其中Ras-Raf-MAPK/ERK信號(hào)途徑最為經(jīng)典。通過(guò)酪氨酸蛋白激酶受體和G蛋白偶聯(lián)受體，由小G蛋白和Ras亞型的結(jié)合體磷酸化Raf-1，活化的Raf-1進(jìn)一步磷酸化下游的MEK1，隨后將信號(hào)傳遞給ERK酶促級(jí)聯(lián)反應(yīng)。ERK1/2激活后轉(zhuǎn)位入細(xì)胞核，激活下游調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖和分化的相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子(Elk-1、c-Myc、c-Fos、MPKAP-2、MSKs等)。丁道芳等在研究MAPK信號(hào)通路與成骨相關(guān)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，提高M(jìn)APK-ERK1/2信號(hào)通路的激活程度，成骨相關(guān)基因蛋白(ColⅠ、Runx2、ALP)的表達(dá)水平也相應(yīng)提高，抑制此通路后，相應(yīng)蛋白的表達(dá)隨之下調(diào)，且反應(yīng)細(xì)胞增殖的PCNA蛋白的表達(dá)與MAPK-ERK1/2信號(hào)通路的激活程度呈正相關(guān)。以MAPK信號(hào)通路為切入點(diǎn)，尋找共同靶基因，在促進(jìn)骨生成的同時(shí)，又能減緩肌萎縮，是維持骨代謝與骨骼肌平衡的關(guān)鍵所在。

      NF-κB信號(hào)通路：NF-κB與廢用性肌萎縮及慢性疾病導(dǎo)致的骨骼肌萎縮高度相關(guān)。通常所指的NF-κB是指具有分布廣生物活性高的異源二聚體p50/p65。IKB主要存在于細(xì)胞漿中，其成分IKBα是p50/p65主要抑制蛋白，IKB與p50/p65結(jié)合成三聚體后掩蓋NF-κB的核定位信號(hào)區(qū)域，抑制其表達(dá)。IKK是一種蛋白激酶復(fù)合體，當(dāng)細(xì)胞受到外界刺激時(shí)，通過(guò)經(jīng)典途徑激活I(lǐng)KK復(fù)合體，誘導(dǎo)IKB磷酸化，進(jìn)而使p50/p65從復(fù)合物中解離，暴露核定位信號(hào)，并轉(zhuǎn)位核中與靶向基因的啟動(dòng)子Foxo結(jié)合，進(jìn)一步誘導(dǎo)MuRF的表達(dá)，從而啟動(dòng)泛素蛋白酶體途徑加速肌蛋白的降解，導(dǎo)致骨骼肌萎縮。研究發(fā)現(xiàn)，MIKK小鼠的MuRF-1升高，而MISR轉(zhuǎn)基因鼠MuRF-1降低，說(shuō)明NF-κB引起肌肉萎縮的作用機(jī)制可能是由MuRF-1上調(diào)引起的，抑制IKK/NF-κB/MuRF通路可以抑制小鼠的肌肉萎縮。另外，骨骼肌萎縮還與一些選擇性蛋白如肌球重鏈(MyHC)等的降解表達(dá)有關(guān)，在肌萎縮組織中發(fā)現(xiàn)MuRF-1升高能夠引起MyHC和肌小節(jié)粗肌絲等組分的降解增加。目前，大多學(xué)者對(duì)NF-κB引起骨骼肌萎縮的可能機(jī)理認(rèn)為是NF-κB可能通過(guò)增加泛素連接酶系統(tǒng)中某些蛋白的表達(dá)導(dǎo)致骨骼肌發(fā)生萎縮。還有部分學(xué)者認(rèn)為可能是NF-κB通過(guò)引起某些與炎癥相關(guān)的小分子的表達(dá)從而直接或間接引起肌萎縮，或是NF-κB可能干擾肌生成，使骨骼肌無(wú)法再生和修復(fù)從而導(dǎo)致的肌萎縮。但是，隨著研究的深入，NF-κB信號(hào)通路引起骨骼肌萎縮已得到廣泛的認(rèn)同，干預(yù)此通路可能成為減緩或治療肌肉萎縮的重要手段，但其具體機(jī)制還需進(jìn)一步探討。

       大量研究表明NF-κB信號(hào)通路在骨重塑中具有重要作用，且通過(guò)與其他信號(hào)通路間的交叉，影響骨質(zhì)疏松的發(fā)生。核因子-κB受體活化因子配體(RANKL)是一種分泌型破骨細(xì)胞(OC)形成抑制因子，由OB、T細(xì)胞及基質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生并表達(dá)于這些細(xì)胞，與NF-κB受體活化因子(RANK)結(jié)合后激活TNF受體相關(guān)因子，最終激活NF-κB信號(hào)通路，致NF-κB與IKB分離轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核內(nèi)，使破骨基因轉(zhuǎn)錄增多，最終誘導(dǎo)OC生成、分化和成熟，并間接抑制成骨相關(guān)基因的表達(dá)。

        臨床上不同類型的骨骼肌萎縮都將導(dǎo)致OP的發(fā)生，通過(guò)干預(yù)NF-κB信號(hào)通路，抑制肌肉萎縮，抑制OC的形成，不僅能夠?yàn)檠邪l(fā)治療肌肉萎縮新藥物奠定一定的基礎(chǔ)，同時(shí)也可為防治OP提供多靶點(diǎn)治療。

4、肌肉收縮產(chǎn)生的機(jī)械負(fù)荷與OP

       肌肉和骨骼作為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的兩大重要組成部分，相互調(diào)節(jié)，共同維持骨穩(wěn)態(tài)。骨組織中存在著骨結(jié)構(gòu)力圖適應(yīng)力學(xué)環(huán)境的調(diào)控系統(tǒng)，隨著年齡的增長(zhǎng)，OP的發(fā)生與力學(xué)-生物學(xué)調(diào)控系統(tǒng)機(jī)制失衡密切相關(guān)。骨結(jié)構(gòu)與骨量主要由肌肉收縮所產(chǎn)生的機(jī)械負(fù)荷調(diào)節(jié)，而這種負(fù)荷則是作用于骨的最大生物應(yīng)力，并受力學(xué)調(diào)控系統(tǒng)的控制。骨的結(jié)構(gòu)發(fā)育與其所受外力相適應(yīng)的過(guò)程遵循wolff定律，附著于骨表面的肌肉收縮產(chǎn)生的機(jī)械負(fù)荷作用于骨組織內(nèi)的力學(xué)敏感細(xì)胞，促進(jìn)骨形成，抑制骨吸收。當(dāng)這種機(jī)械負(fù)荷減弱時(shí)，則會(huì)引起骨代謝紊亂，骨微結(jié)構(gòu)退化，骨量丟失進(jìn)行性加重。

      機(jī)械負(fù)荷對(duì)OB的影響：OB在維持骨骼生長(zhǎng)發(fā)育的同時(shí)能夠應(yīng)答機(jī)械應(yīng)力刺激從而產(chǎn)生多種生物學(xué)效應(yīng)。研究顯示，適當(dāng)?shù)臋C(jī)械負(fù)荷不僅可以刺激小鼠胚胎成骨細(xì)胞前體細(xì)胞(MC3T3-E1)的增殖、分化，促進(jìn)成骨基質(zhì)礦化，相比之下，與淫羊藿苷聯(lián)合作用成骨相關(guān)信號(hào)通路則更能顯著增加OPN、OCN、ColⅠ、BMP-2等蛋白的表達(dá)，抑制NF-κB的活化。Zhong等通過(guò)隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)對(duì)MC3T3-E1進(jìn)行應(yīng)力刺激干預(yù)，與靜置培養(yǎng)組相比，應(yīng)力刺激能夠顯著增加wnt10b及Lrp5的基因表達(dá)水平，并且機(jī)械加壓的效果更為顯著。運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)研究也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人體處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，肌肉收縮對(duì)骨骼產(chǎn)生的應(yīng)力能上調(diào)Runx2、ALP、及ColⅠ等成骨基因的表達(dá)，促進(jìn)OB的增殖、分化。

      機(jī)械負(fù)荷對(duì)OC的影響：OC與OB協(xié)同作用，在骨骼發(fā)育和形成過(guò)程中共同維持骨穩(wěn)態(tài)。骨吸收構(gòu)成了骨重建的重要功能，體現(xiàn)了骨組織對(duì)力學(xué)環(huán)境的適應(yīng)能力，隨著年齡的增長(zhǎng)，肌肉收縮功能的減退，骨骼應(yīng)力刺激減弱，骨吸收大于骨形成。 OPG/RANK/RANKL信號(hào)通路主要負(fù)責(zé)誘導(dǎo)OC的成熟，調(diào)控骨吸收。研究表明，機(jī)械應(yīng)力能夠通過(guò)OPG/RANKL/RANK信號(hào)通路直接或間接影響骨代謝，適宜的機(jī)械刺激可以上調(diào)OB分泌的OPG，通過(guò)高親和力與RANKL結(jié)合，防止RANK活化，抑制OC的分化、成熟，相反過(guò)度的應(yīng)力刺激則使OPG/RANKL比例下調(diào)，促使OC活躍性增強(qiáng)，并誘導(dǎo)IL-6、IFN等炎性細(xì)胞因子傾向骨吸收，進(jìn)一步加速骨質(zhì)流失?？咕剖崴嵝粤姿崦?TRACP)和組織蛋白酶-K為OC高分化的標(biāo)志性酶。Suzuki等對(duì)小鼠前破骨細(xì)胞進(jìn)行機(jī)械應(yīng)力干預(yù)，運(yùn)用RT-PCR技術(shù)檢測(cè)到TRAP、組織蛋白酶-K、基質(zhì)金屬蛋白酶9、降鈣素受體等mRNA表達(dá)下降，而抑制OC分化的誘導(dǎo)型一氧化氮合酶的mRNA表達(dá)被上調(diào)。上述研究結(jié)果進(jìn)一步證明，機(jī)械應(yīng)力能夠通過(guò)一定的途徑下調(diào)骨吸收蛋白基因的表達(dá)，進(jìn)而削弱OC的增殖及分化，抑制骨吸收。

        肌肉組織是引起最大動(dòng)態(tài)性骨組織載荷與應(yīng)變的因素。研究顯示，骨應(yīng)力的大小直接決定骨代謝的方向，肌力對(duì)BMD的影響比肌肉含量對(duì)BMD的影響更為顯著。機(jī)械負(fù)荷作為提高BMD，維持骨礦物質(zhì)含量最為有效的刺激，不僅能夠改善骨質(zhì)疏松狀況，還可通過(guò)增加身體平衡性和穩(wěn)定性，降低骨質(zhì)疏松性骨折的發(fā)生率。因此，治療OP不再只是通過(guò)單純的藥物來(lái)增加BMD，能否通過(guò)特定、有效的運(yùn)動(dòng)方式對(duì)骨骼肌進(jìn)行最大效應(yīng)收縮功能鍛煉來(lái)預(yù)防OP，也將是運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)，而且力學(xué)-生物學(xué)調(diào)控系統(tǒng)具體是通過(guò)何種途徑將力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為生物學(xué)信號(hào)對(duì)OB和OC進(jìn)行調(diào)控的機(jī)制，還需后續(xù)工作者進(jìn)一步證實(shí)。