骨骼适应机制的细胞学基础

骨骼具有优美实用的建筑结构，仿佛依据工程蓝图设计而成。这个骨骼的工程蓝图一部分蕴藏在骨骼细胞的遗传信息中，一部分随骨骼所承受的机械力量而不断调整变化。骨骼的形成和发育受控于遗传信息，但能够不断地进行细微结构的调整以满足骨骼负荷变化的需要，这个过程的机制称为骨骼的适应机制［1］。

早在100年前，Roux和Wolff曾设想并提出：骨骼的结构应符合数学原理，即骨小梁的数量和大小应与机械应力的数量分布相适应，并且必须轴向承担应力。这个被广为接受的设想称为Wolff定律。通过大量的实验，目前可以进一步明确以下规律［1，2］。

1．骨骼的适应机制由动力性负荷，而非静力性负荷驱动。

2．短时的机械负荷就可以启动骨骼的适应性反应，而延长负荷时间的效果将逐步减弱。

3．骨骼细胞生活在习惯性的力学负荷环境中，这使得他们对常规的负荷信号并不敏感。

4．在相同负荷下，粗壮的骨骼内部应力较小，而细弱的骨骼应力较大［2］。

以上这些只是描述了骨骼适应机制的某些特性和结果，并没有真正触及细胞水平的机制。Mullender［3］等曾通过数学模型论证骨细胞（osteocytes）最适合为力学感受细胞，并调节骨骼的适应机制。Frost提出了著名的骨改建（bone remodeling）与骨塑型（modeling）的应力域值理论［2，4］：大意是基本多细胞单位（BMU）介导的骨改建只能维持或降低骨量及骨骼强度，当骨骼应力低于最低有效应力域值时，将激活骨改建机制而发生骨吸收并降低骨量。而当骨骼应力大于塑型域值时，将激活骨塑型成骨机制，增加骨量及骨骼强度，并用数学模型模拟了骨塑型机制。当骨骼应力介于最低有效应力域值与骨塑型域值之间时，骨改建受不完全抑制并转为“保守”模式，只能维持骨量，但并不降低或增加骨强度。

Frost学说可以很好地解释很多问题［2］，BMU介导的骨改建理论已被广泛接受［5，6］，因为它有明确的病理形态学证据的支持（图4－20）。但迄今为止，并没有令人信服的病理学证据支持骨塑型理论。Frost的文章也只是以假设为前提进行数学的模拟［4］。Buckwalter等也只是给了含糊的定义：骨塑型是指骨骼形态发生变化，而骨改建是指不伴有形态改变的骨骼更新。并指出二者可同时发生，其区别并不显著［7］。

图4－20 骨单位的改建

骨塑型理论不但没有明确的病理形态学支持，相反却存在诸多矛盾。正如Frost本人指出，哺乳动物从出生到成年，他们绝大多数骨骼在活跃运动时所受应力可以增加20倍以上［2］，这一时期是骨塑型活跃时期，因而骨改建应当受到抑制。但事实恰恰相反，动物骨塑型活跃的时期也正是骨改建活跃的时期。从结果上看，骨塑型并没有产生新的病理形态，其最终产物仍然是骨单位，即哈弗系统，和骨改建的最终结果完全一致。我们也没有理由认为骨骼内部结构的改建一定不会引起外部形态的变化。从病理学的角度上讲，没有内部结构的改建，就不会有骨骼外观形态的变化。所谓骨塑型与骨改建的区别可能完全是人为的，骨塑型可能是骨改建的外在形态表现，它们的细胞机制是一样的。

该理论的另一个基本假设是：人体在低于最低有效应力域值时就将启动骨改建机制进行骨吸收［4］，这实际上是把骨改建等同于骨吸收机制。那么在什么情况下人体骨骼应力低于最低有效域值呢？是在睡眠中吗？如果是在睡眠的情况下骨改建启动，那将是可怕的事情。因为骨改建一旦启动，将持续数周，而人体每天都要睡眠，其累计效应不可想象。如果人体骨骼在睡眠状态都不会低于最低有效域值，那么恐怕只有进入坟墓才会启动骨改建了。

事实上，人体在任何应力条件下都有骨改建的活动。在高应力条件下，骨改建不是被抑制了，而是更活跃了，如骨骼在疲劳应力作用下可诱发广泛的骨改建［8，9］。该理论的另一个缺陷是没有解释骨改建的不均衡性，既然域值是一个关键性的决定因素，所有的骨单位均应发生骨改建性骨吸收，但事实远非如此。动物实验证实长期制动后，骨改建活动增强，但其范围非常局限［10］，根本不足以解释巨大的骨量丢失。理论上，只要低于最低有效域值，骨吸收就将继续，宇航员在太空长期生活后骨骼将被吸收殆尽，但事实也非如此。实验证明，当骨量丢失到一定程度之后就不再加剧，出现平台现象［11］。

骨病理生理领域的许多传统理论的缺欠还在于它们没有反应基本的骨骼病理形态学事实。骨单位的截面形态像美丽的星图（图4－21），正像星象蕴涵着宇宙的奥秘，而骨骼的病理形态学也蕴涵着骨骼的基本病理生理规律。

图4－21 磨片：骨单位横断面

简单回顾一下骨骼的细胞结构和相关概念。狭义地说，骨骼主要由一种细胞构成，即骨细胞（osteocytes），正象皮肤主要由上皮细胞，心肌主要由心肌细胞构成一样，骨细胞是骨骼的主质细胞，并且是骨骼功能的主要执行者。广义地讲，也是所有组织的共性，血管内皮细胞及其血管周围细胞也是骨组织不可分割的组成部分。而成骨细胞及破骨细胞并不能算是骨组织的固有细胞，目前已经证明破骨细胞来源于血液中的单核细胞［12］，而大量事实也说明，成骨细胞也来源于血液或血管旁的间充质细胞。无论在骨折愈合还是在骨改建过程中，局部的成骨细胞数量远远满足不了需要［13］，必须有一个间充质细胞的增殖与诱导分化的过程，这个过程已经被骨形成蛋白（BMP）在骨骼外组织的诱导成骨实验所证实［14］。比较地分析，实验已证明，骨骼肌及心肌的肌旁细胞，即与成骨细胞相对应的成肌细胞，同样可以来源于血液干细胞［15～17］。

骨骼的适应机制是骨骼细胞的功能，通常发生于骨表面（bone surface）［3］。骨骼与髓腔及周围组织的界面，即内骨膜、外骨膜部位称为骨骼的外表面（external surface），而骨基质与其内部的血管通道及骨细胞的界面称为骨骼的内表面（lnternal surface）。骨单位的形态特点可以概括为水边和陆地，水边主要是指血管周围间隙（perivascular bone surface），这个间隙具有重要的意义，一方面这里是最重要的物质交换的营养通道，另一方面这里是不同细胞间通讯交流的重要场所，也是成骨细胞及破骨细胞的活动场所。这个间隙的形态现象是检验骨骼适应机制细胞理论的重要依据。陆地主要指钙化骨基质，占据骨组织绝对优势的组织体积，是骨细胞的居住地。如对骨质疏松症进行病理学解释，就应该明确它究竟是发生在水边的事件，还是发生在陆地的事件，或者某一方为主。

Kolliker于1873年命名了破骨细胞，尽管130年来对破骨细胞的认识有了飞跃性的发展，但目前对破骨细胞的功能定位仍然没有摆脱破骨细胞的字面含义。但很多形态事实已经不能支持破骨细胞介导骨吸收的观念。形态事实证明，哪里有骨修复成骨现象，哪里就有破骨细胞。在生理性骨改建过程中，破骨细胞骨吸收后紧邻成骨过程，称为破骨－成骨偶联，破骨细胞的活动是成骨过程必需的前提。而孤立的破骨细胞活动几乎不存在［6］。破骨细胞的功能实际上是一种成骨辅助细胞。破骨细胞骨吸收后要在血管周围的骨表面形成Howship陷窝，但在骨质疏松的病理切片上，这一现象并不是特征性的。

与破骨细胞相比，骨细胞在骨吸收方面更具有优越性。Belenger曾观察并提出了骨细胞性骨溶解的概念［18］。骨细胞占骨骼细胞总量的90%以上，骨细胞表面具有大量的细长的细胞突起（图4－22），深入到钙化的骨基质中，且与邻近细胞彼此连接。骨细胞的这种形态特点加上绝对优势的细胞数量形成了骨骼巨大的内表面积，这样的形态结构最有利于执行骨盐代谢功能。其发生骨吸收时均匀地分摊到骨小管周围，因此很难在显微镜下观察到特征性改变。从定位上来说，骨质疏松应该是发生在陆地的事件。骨质疏松更像是其他组织的萎缩现象，主质细胞在其中起主导作用。

图4－22 磨片：骨细胞形态

把骨改建或破骨细胞功能作为骨吸收机制均存在很大的理论矛盾。如果把骨细胞作为骨吸收机制的效应细胞，许多理论矛盾则迎刃而解。最低有效应力域值问题很容易得到解释。当人体骨骼应力低于域值时，骨骼发生骨细胞性骨吸收，由于应力是最重要的决定因素，这种吸收是相对均匀发生的。在骨细胞周围，骨盐的钙化和吸收是一种动态的平衡，因而不因睡眠而形成明显的累积效应。但是如果持续卧床或制动，骨细胞性骨吸收就将表现出累积效应而发生全身的或局部的骨质疏松。但由于骨细胞的庞大数量和其形态特征所决定的巨大的表面积，在显微镜下很难观察到特征性的细胞变化。因此，很难通过病理学检查来诊断骨质疏松症。骨质疏松症到目前为止在很大程度上仍然是一个临床诊断［19］。老年性骨质疏松可以理解为由体液环境及力学环境而造成的骨细胞周围缓慢而持续的骨盐负平衡。

目前Frost的基本多细胞单位（BMU）介导的骨改建理论已经得到公认，但分歧集中在骨改建的生理意义。既然骨改建不能担负骨吸收机制，骨塑型理论也没有细胞形态学的支持，骨改建理所当然地担负起骨生成的机制，而且具有放大的新骨形成作用。首先，在形态学上，BMU介导的骨改建就是明白无误的新骨形成过程。并没有证据证明改建后的新骨形成只能少于或等于改建前，而不能多于改建前。虽然骨皮质内由于空间结构的限制，改建后的骨单位体积并无明显增加，但改建后的强度却可以是增加的。就像电池充了电，体积虽然没变，但功能却强大了。其次，根据目前的病理学事实，BMU几乎参与了成年骨骼所有的骨修复过程，包括骨折愈合，骨延长愈合等［20］，而且几乎不存在游离于BMU之外的破骨细胞或成骨细胞［6］，人体的新骨形成机制可能是唯一的［7］。因此，若要与骨吸收过程相抗衡，骨改建过程必然具有放大的成骨作用。

用骨改建具有放大的成骨作用的理论同样可以解释许多问题。理论上，骨改建最易发生在两种区域，一种是高应力区域，这已经被应力骨折的有关实验研究证实［8，9］。同一骨骼的骨皮质厚度并不均匀，如胫骨前嵴特别肥厚坚强，是由于骨骼受力不均匀造成的。另一种是相对薄弱的区域，骨单位应该有一定的寿命，过于衰老虚弱的骨单位在一定条件下就会被改建替换掉。如长期制动会造成代偿性骨改建增强，这可能与骨吸收后造成局部的血流动力学改变有关，以下还将进一步论述。骨骼生理学的另一个基本现象是骨骼在塑型过程中不断长粗，髓腔扩大。这是由管状骨的基本形态决定的（图4－17），骨骼在运动过程中经常受到多方向的剪力作用，而外骨膜区域是天然的高应力区，内骨膜区域是天然的低应力区，由高应力激发的骨改建具有放大的新骨生成作用，从而导致外骨膜区域新骨生成增厚，而外骨膜区域的增厚反过来又进一步保护和降低了内骨膜区域的应力，从而导致该部位的吸收，髓腔扩大。BMU同样是骨折愈合的细胞学基础，其放大的成骨作用是骨折愈合基本机制［20］。

综上所述，BMU介导的骨改建具有放大的新骨形成作用与骨细胞介导骨吸收就构成了骨骼适应机制的细胞学基础。破骨细胞有限的骨吸收功能很可能起到一种特异性的损伤识别作用，因为与之起源相同的巨噬细胞是常见的抗原递呈细胞（antigenpresenting cell），其吞噬过程是抗原识别并递呈的前提。也许正是这类细胞的作用决定了组织修复的特异性，即骨骼修复后还是骨组织，而不会是肝组织。其作用是发现何地何种组织需要修复。因此，破骨细胞必然是BMU细胞链的先导细胞之一，但其本身并不能预先决定什么地方需要改建或者修复［6，12］，而只能是在接收到局部事件发生的信号之后，才从血管内游出并启动BMU过程，这种局部事件可以是骨单位的微损伤，或者血流动力学异常［21，22］。

大量的证据表明，血管内皮细胞在骨改建过程中可能起到关键的启动作用。首先，血管是血液细胞与组织的重要界面，一方面血液是干细胞，破骨细胞等的主要来源；另一方面，血管内细胞向血管外组织的游出并不是随机均匀的过程，而是一个受到邀请的局部事件，这种邀请信号必须通过血管内皮细胞来完成。实验表明，包括破骨细胞在内的多种骨细胞具有血管内皮素受体［23］，从而可能接受血管内皮细胞的调控。其次大量证据表明，应力并非骨改建唯一的启动机制，任何明显的血流动力学改变都可以诱发广泛的局部改建和新骨形成，如动静脉瘘［21］，缺血后再灌注［22］，骨折创伤等。这表明血管内皮组织可以作为单独因素启动骨改建。

骨质疏松过程代偿性骨改建增加可能是由于骨细胞性骨吸收造成薄弱部位血流动力学改变所致，因此，骨改建非但不是骨质疏松的原因，而是起到副反馈的保护作用，具有重要的生理意义。这就解释了实验性长期制动后骨骼的骨量丢失并非进行性加重，而是达到一定程度不再加重，出现平台现象。这说明除了力学因素之外，骨骼的血流量是维持骨量的最重要因素。这个结论对未来的太空医学很有意义，也就是说失重对宇航员骨骼的影响是有限的，事实也是如此。截瘫患者的骨骼可以长期维持一定的强度已经说明了问题。对于应力性骨损伤，由于骨改建需要6周左右来完成，在新骨形成之前的骨吸收阶段，骨骼强度可能降低从而引发应力骨折［24］。但一旦度过风险期，骨骼的强度通常会增加［8，25］。

有关骨改建的另一个理论问题是究竟多长一段骨单位需要被改建，传统的描述是骨改建起源于一个点，数个破骨细胞像钻头（cutting cone）一样沿血管向前推进，后面跟随成骨细胞修复骨吸收腔，很难想象这些钻头细胞能走多远，需不需要替换，为什么前进？又为什么会停止？如果用四环素进行荧光标记，先成骨的区域应该窄，后成骨的区域应该宽，成喇叭状。但事实并非如此，作者用四环素荧光标记结合印度墨汁微血管灌注观察到，骨改建的荧光标记是基本均匀的（图4－23），这说明骨改建的长度范围可能是由血管反应的范围决定的，而并非是由破骨细胞决定的。骨改建的钻头可能并不存在，而只是病理切片的一个断面现象。骨改建可能是在一段血管周围的桶状面上同时进行，而且需要招集大量的破骨细胞。在改建过程中血管增生纡曲，不但为改建提供细胞来源，也可为改建提供空间支持。这样也很容易解释骨改建的范围和终起的原因。

图4－23 四环素荧光标记骨改建的成骨期，印度墨汁灌注显示哈弗管内的血管

小结：骨骼的所有细胞都在骨骼适应机制中发挥着不可替代的作用，BMU介导的骨改建具有放大的新骨形成作用与骨细胞介导的骨吸收构成了骨骼适应机制的双重调节，亦即Wolff定律的细胞学基础。血管内皮组织可以感受应力损伤，不但是骨改建启动的感受器，还决定骨改建的范围。除了对高应力发生反应之外，对低应力环境下的骨吸收还具有重要的保护性负反馈成骨作用。骨细胞表面的钙盐代谢是一种动态平衡，对应力及体液因素非常敏感，起微调的作用。而骨单位中的血管对一般应力并不敏感，因此仅在高应力，局部微损伤，血流动力学异常的情况下启动，剪力对骨骼适应机制的作用可能大于轴向应力。

参考文献

［1］Turner CH．Three rules for bone adaptation to mechanical stimuli．Bone，1998，23（5）：399

［2］Frost HM．Why do Marathon runners have less bone than weight lifters？A vital－biomechanical view and explanation．Bone，1997，20（3）：183．

［3］Mullender MG，Huiskes R．Osteocytes and bone lining cells：which are the best candidates for mechano－sensors in cancellous bone？Bone，1997，20（6）：527．

［4］Frost HM．Skeletal structural adaptation to mechanical usage：1．Redefining wolff’s law：the bone modeling problem．The Anatomical Record，1990，226：403．

［5］Mosekilde L．Osteoporosis and exercise．Bone，1995，17（3）：193．

［6］Parfitt AM．The mechanism of coupling：A role for the vasculature．Bone，2000，26（4）：319．

［7］Buckwalter JA，Glimcher MJ，Cooper RR，et al．Bone，Biology，1995，77－A（8）：1276．

［8］Hsieh YF，Silva MJ．In vivo fatigue loading of the rat ulna induces both bone formation and resorption and leads to time－related changes in bone mechanical properties and density．J Orthop Res，2002，20（4）：764．

［9］Li GP，Zhang SD，Chen G，et al．Radiographic and histologic analyses of stress fracture in rabbit tibias．Am J Sports Med，1985，13（5）：285．

［10］BF Chai，XL Zhu XL，LF Yang．Effect of cast immobilization on bone turnover．A tetracycline double labelling investigation．Chinese Medical Journal，1980，93（5）：316．

［11］Uhthoff HK and Jaworsky ZF．Bone loss in response to long－term immobilisation．J Bone Joint Surg Br，1978，60－B（3）：420．

［12］Parfitt AM．Osteoclast precursors as leukocytes：importance of the area code．Bone，1998，23（6）：491．

［13］Frost HM．The biology of fracture healing－An overview for clinicians，partⅠ，Ⅱ．Clin Orthop，1989，248：283．

［14］Urist MR．Bone：formation by autoinduction．1965．Clin Orthop，2002，395：4．

［15］Ferrari G，Cusella－De Angelis G，Coletta M，et al．Muscle regeneration by bone marrow－derived myogenic progenitors．Science，1998，281（5379）：923．

［16］Seale P and Rudnicki MA．A new look at the origin，function，and“stem－cell”status of muscle satellite cells．Dev Biol，2000，218（2）：115．

［17］Bittner RE，Schofer C，Weipoltshammer K，et al．Recruitment of bonemarrow－derived cells by skeletal and cardiac muscle in adult dystrophic mdx mice．Anat Embryol（Berl），1999，199（5）：391．

［18］Belanger LF．Osteocytic osteolysis．Calcif Tissue Res，1969，4：1．

［19］Marcus R．The nature of osteoporosis．J Clin Endocrinol Metab，1996，81（1）：1．

［20］刘振东，范清宇．骨折愈合的基本概念．中国矫形外科杂志，1998，5（5）：459．

［21］Vanderhoeft PJ，Kelly PJ，Janes JM，et al．Growth and structure of bone distal to an arteriovenous fistula：Quantitative analysis of tetracycline－induced transverse growth patterns．J Bone Joint Surg，1963，45B：582．

［22］Svindland AD，Nordsletten L，Reikeras O，et al．Periosteal response to transient ischemia．Acta Orthop Scand，1995，66（5）：468．

［23］Sasaki T，Hong M－H．Endothelin－1localization in bone cells and vascular endothelial cells in rat bone marrow．Anat Rec，1993，237：332．

［24］Otter MW，Qin YX，Rubin CT，et al．Does bone perfusion／reperfusion initiate bone remodeling and the stress fracture syndrome？Med Hypotheses，1999，53（5）：363．

［25］Leichter I，Simkin A，Margulies JY，et al．Gain in mass density of bone following strenuous physical activity．J Orthop Res，1989，7（1）：86．