[科普中国]-成骨细胞

成骨细胞(osteoblast，OB)主要由内外骨膜和骨髓中基质内的间充质始祖细胞分化而来，能特异性分泌多种生物活性物质，调节并影响骨的形成和重建过程。

成骨细胞及其功能在不同成熟时期，成骨细胞在体内表现为4种不同形态，即前成骨细胞(preosteoblast)、成骨细胞(osteoblast)、骨细胞(osteocyte)和队形细胞(bonesliningcell)。前成骨细胞是成骨细胞的前体，由基质干细胞分化，沿着成骨细胞谱系发育而成，位于覆盖骨形成表面的成骨细胞的外侧。成熟的成骨细胞是位于骨表面的单层细胞，承担着合成骨基质的重要功能。

骨细胞是在成骨细胞系谱中成熟和终极的分化细胞。骨细胞包埋于矿化骨组织中，浅表骨细胞仍然保留部分成骨细胞结构。队形细胞是排列于成体大部分骨表面的一层形态扁平或呈长方形的细胞。活跃的成骨细胞为梭形、锥形或立方形，胞浆嗜碱性。细胞核位于细胞的一端，核仁明显，表面有短的突起与相邻细胞连接。电镜下胞浆内具有典型的蛋白合成结构——丰富的粗面内质网及核糖体，高尔基体较发达。

在生物化学和组织化学上，成骨细胞富含碱性磷酸酶(alkalinephosphatase，ALP)，并有糖元存在。成骨细胞可被不同种类的激素(如甲状旁腺激素和前列腺素E2)及生长因子(如胰岛素样生长因子、转化生长因子-β、骨形态发生蛋白)激活，提高胞浆cAMP的水平，刺激DNA和胶原的合成(Aronow等，1990)。

成骨细胞是骨形成的主要功能细胞，负责骨基质的合成、分泌和矿化。人类及动物体骨组织不断地进行着重建，骨重建过程包括骨的分解吸收与新骨的形成。破骨细胞负责骨分解与吸收，而成骨细胞负责新骨形成。破骨细胞贴附在旧骨区域，分泌酸性物质溶解矿物质，分泌蛋白酶消化骨基质，形成骨吸收陷窝；其后，成骨细胞移行至被吸收部位，分泌骨基质，骨基质矿化而形成新骨。破骨与成骨过程的平衡是维持正常骨量的关键。

成骨细胞在骨形成过程中要经历成骨细胞增殖、细胞外基质成熟、细胞外基质矿化和成骨细胞凋亡4个阶段(童安莉等，1999)。在体外培养系统中成骨细胞表型发育与其体内的发育分化较相似，都要经历细胞增殖、细胞外基质成熟和基质矿化3个时期。Ⅰ型腔原和一些非胶原蛋白是成骨细胞分化的标记物，能反映成骨细胞分化表型特征。

成骨细胞的体外培养成骨细胞的来源主要有骨、骨膜、骨髓及骨外组织。及人的胚胎颅骨或新生动物的颅骨为成骨细胞的常用来源。Robey(1985)采用胶原酶处理松质骨骨块以除去结缔组织和骨髓造血组织，再将处理过的骨块进行培养来获得更纯净的成骨细胞。将人胚胎颅骨中所获得的成纤维样细胞通过加入β-甘油磷酸钠诱导分化后培养3周，可见细胞基质钙化，表明所得细胞为具有很强分化能力的成骨细胞。将以乙二胺四乙酸和胶原酶消化胎儿颅骨获得的细胞进行体外培养，发现其在人工材料上能持续增殖20倍以上，且具有高ALP活性。取人松质骨建立成骨细胞体外培养模型并得到了大量纯化的成骨细胞。选用成年雌性大鼠松质骨在较短时间内得到较多数量的成骨细胞。骨膜中的细胞早已被证实在适当的条件下可形成骨和软骨。Vacanti等(1993)从新生小牛肩胛骨骨膜中分离出成骨细胞并种植到多孔聚羟乙酸支架上，7～10d后成骨细胞发生增殖。

用胶原酶短时预消化法从取自新西兰兔胫骨上端内侧面骨膜上短时间内得到高纯度的成骨细胞。骨髓分造血和基质两大系统，其成骨能力来源于基质。张银刚等(2000)采用胎兔长管骨骨髓细胞进行体外培养，证明其有骨细胞系特性，可作为修复骨缺损的种子细胞。周皮细胞、血管内皮细胞、成纤维细胞、成肌细胞都曾有过向成骨细胞转化的报道。

成骨细胞增殖与分化的调控因子成骨细胞分化过程受遗传因素、激素水平及细胞调控因子的影响与调控。对成骨细胞增殖的调控主要是通过对细胞周期的调控，即对细胞在有丝分裂原作用下复制DNA和细胞分裂进行调节。以下将对激素水平及细胞调控因子对成骨细胞的增殖与分化的影响进行阐述。

核结合因子核结合因子-α1(CBF-α1)由成骨细胞特异性表达，是决定成骨细胞分化的因子，其调控的成骨细胞分化途径是不可替代的(Tou等，2001)。CBF-α1是骨形成的关键基因，决定着成骨细胞的发生与分化，它在维持正常的骨骼生长发育中起着重要作用(David等，2000)。

研究结果已证明CBF-α1除调节成骨细胞分化外，还调节已分化成骨细胞的功能和其它生长因子的基因表达，从而控制出生后骨骼形成和发育的生理过程(Tamara等，2001)。CBF-α1不仅对成骨细胞分化起着特异的调控作用，在软骨生成和软骨内骨化过程中也发挥着不可或缺的作用。CBF-α1转录因子及其对成骨细胞定向分化的调控已广为人们认识和接受，但CBF-α1基因表达调控及其诱导成骨细胞分化的分子机制有待进一步探索。

Ogawa等(1993)最先从小鼠纤维细胞克隆得到CBF-α1/p56的cDNA，并发现其在T淋巴细胞株、NIH3T细胞、胸腺和睾丸组织中表达。Duey等(1998)研究发现，在小鼠交配后12.5d的胚胎发育期，发现较高的CBF-α1mRNA表达在颅骨、中轴骨及四肢骨间充质细胞聚集区，这些细胞是能分化成成骨细胞及成软骨细胞的双能前体细胞。然而，CBF-α1的过高表达也可刺激破骨性骨吸收。Xiao等(1999)分析了小鼠、大鼠和人的CBF-α1基因结构及3种CBF-α1亚型的表达，结果发现Ⅱ型CBFα1表达于所有物种的成骨细胞中，Ⅲ型CBF-α1表达于小鼠和大鼠而并非人的成骨细胞中。因此，Ⅱ型CBF-α1在成骨细胞的分化过程中可能起着更重要的作用。Komori等(1997)用基因敲除小鼠模型，发现CBF-α1基因敲除的杂合子小鼠出生时骨发育明显受阻，表现出和人的锁骨颅骨发育异常综合征相似的临床症状。而CBF-α1基因敲除的纯合子小鼠出生时无成骨细胞和骨组织形成。Lengner等(2002)在转基因小鼠研究中发现，CBF-α1的过高表达，使成年鼠成骨细胞的成熟受到影响，骨形成及骨吸收均增加，骨代谢转化增强，骨矿化降低。Clark等(2004)在骨损伤点中置入含CBF-α1质粒的Ⅰ型胶原海绵，发现质粒置入组的恢复比未置入质粒组快，且有明显的软骨形成、在骨损伤伤口边缘可见活性成骨细胞，而对照组伤口边缘活性成骨细胞较少，无新骨形成，提示局部运用CBF-α1可促进骨损伤的恢复。

维生素D受体近年来，随着维生素D在骨代谢疾病方面的研究和应用不断深入，发现维生素D具有调节骨的微环境，影响骨细胞的功能。维生素D是一种具有多种生理功能的类固醇激素。1.25(OH)2D3是维生素D最具活性的代谢产物，主要作用于成熟的细胞。研究表明，1.25(OH)2D3之所以能调控成骨细胞的功能，主要是通过受体介导的基因途径即VDR起作用的(Norman等，2002)。郭丽娟等(2005)研究表明，1.25(OH)2D3可刺激人成骨细胞MT1-MMP的表达，MT1-MMP能直接或间接分解未矿化骨基质，因此，1.25(OH)2D3可刺激人成骨细胞MT1-MMP表达，降解未矿化的Ⅰ型胶原等骨基质，启动骨吸收。维生素D受体(VDR)是介导1，25(OH)2D3发挥生物效应的核内生物大分子。VDR是一种基因转录调节蛋白，属于类固醇类激素受体超家族成员，位于细胞核内，是研究较广泛的与骨代谢相关的基因之一。VDR本质上是一种依赖配体的核转录因子，它在维持机体钙、磷代谢，调节细胞增殖、分化等方面起重要作用，已成为近年来骨和内分泌学领域研究的热点(顾丰颖等，2008)。VDR不仅存在于成骨细胞，也存在于破骨细胞。位于骨组织的VDR作用是双向的，成骨细胞上的VDR可调节位于破骨细胞上的VDR，可抑制其增殖亦可促进其分化，从而对骨的合成和分解代谢起着双向调节作用(顾丰颖等，2008)。位于成骨细胞上的VDR可促进骨桥蛋白(OPN)、骨钙蛋白(OC)的合成，参与骨的形成和矿化。OPN是成骨细胞分泌的一种基质蛋白，对细胞的黏着和迁移非常重要。1.25(OH)2D3与VDR结合，诱导破骨细胞移向骨基质表面，与OPN结合，清除老化的骨组织，合成新的骨组织。OC主要由成骨细胞合成分泌，是骨组织中最丰富的非胶原蛋白，OC大部分沉积在细胞外骨基质，新合成的小部分释放入血循环，OC在血清中的含量与成骨细胞合成的总量呈正相关，可特异反映成骨细胞的活性，是反映机体骨更新状态和骨形成的特异指标，具有调节矿盐结晶生成，促进骨基质矿化的作用。

降钙素降钙素是由甲状腺C细胞分泌的多肽类激素，它是维持体内钙磷代谢的重要激素，降钙素通过抑制破骨细胞活性和数量，促进成骨细胞的形成而参与骨代谢(张永莉等，2005)：近年来被广泛地用于治疗以急性或慢性骨丢失为特征的疾病，如变形性骨炎、老年性骨质疏松症、高钙血症和恶性骨质溶解症等。降钙素是强有力的破骨细胞抑制剂，可直接、快速而广泛地抑制骨吸收。研究结果显示，降钙素不仅作用于破骨细胞，对成骨细胞也有直接作用(肖永华等，2002)。早在1991年，Farlry等研究发现降钙素可直接作用于人成骨细胞，刺激成骨细胞增殖和分化，推断降钙素可能是促进成骨细胞增殖、分化、矿化能力增强的主要因素之一。Kobayashi等(1994)研究结果显示，降钙素可直接作用于小鼠成

骨细胞(MC3T3E1)，刺激小鼠成骨细胞胰岛素样生长因子Ⅰ(IGF-Ⅰ)、fos肿瘤基因(c-fos)、Ⅰ型胶原和骨钙素mRNA表达，刺激小鼠成骨细胞增殖和分化。Drissi等(1997)研究显示，人成骨肉瘤细胞和人成骨细胞可表达降钙素和外源性降钙素相关肽(calcitoningene-relatedpeptide，CGRP)。降钙素对体外培养大鼠成骨细胞的增殖、分化和矿化功能具有刺激作用，也可阻止成骨细胞的凋亡(朱建民等，2001)。而对CGRP的研究结果显示，外源性降钙素可增加成骨细胞集落的数目和大小。廉凯等(2002)用CGRP培养液培育SD大鼠头盖骨来源的成骨细胞，结果证实外源性CGRP可促进成骨细胞增殖，并呈剂量依赖性。Imai等(2002)用基因重组方法培育出成骨细胞能分泌大量CGRP的转基因大鼠，结果发现成骨细胞活性大为增强，骨合成明显超过骨吸收，使骨容积较野生型对照组明显增加，并且进一步说明成骨细胞可通过自分泌CGRP的方式增强自身及周围细胞的活性，CGRP不只是作为一种神经递质发挥作用。但是CGRP是如何参与到成骨细胞正常的代谢中，其发挥作用的具体机理尚需要进一步的研究。

转化生长因子转化生长因子-β(TGF-β)是成骨细胞中含量较多的生长因子，成骨细胞本身可以合成TGF-β，而且在成骨细胞的细胞膜上有TGF-β的特异性受体。TGF-β可以作用于成骨细胞，调节其增殖和分化(卢卫忠等，2000)。转化生长因子-β(TGF-β)家族包括TGF-βs、骨形态蛋白2-7(BMPs2-7)、肌动蛋白(actin)和抑制素(inhibitin)。TGF-β是骨代谢的一种重要局部因子，可刺激多种骨组织细胞的增殖分化，TGF-β合成初期是一种无活性的大分子复合物，骨基质中有大量的无活性TGF-β，当pH降低或纤溶酶及组织蛋白酶激活时，可使无活性的TGF-β活化，调节骨吸收区新骨的形成。TGF-β刺激非转化的成骨细胞的DNA合成及细胞增殖。TGF-β异构体TGFβ1、TGF-β2、TGF-β3在调控成骨细胞因子分泌、细胞外间质生成及细胞成熟等方面可能发挥不同的功能(Fagenholz等，2001)。TGF-β还是一种强有力的成骨细胞趋化因子，可使成骨细胞由TGF-β低浓度向TGF-β高浓度区域移动、聚集，并可使迁移的细胞数目增加4倍(Lind，1998)。体内试验表明，TGF-β有较强的成骨和成软骨作用。Noda等(1989)首次运用外源性TGF-β直接注射鼠和兔的颅骨发现，TGF-β对骨形成具有明显促进作用，骨生成量明显增加。Marcellic等(1996)研究发现，注射在鼠股骨骨膜下的TGF-β诱导骨膜间充质细胞分化为成骨细胞和软骨细胞，并刺激这些细胞的增殖和具有骨及软骨特征性的细胞外基质蛋白的合成。Richards等(1999)研究发现，在试验兔胫骨上进行的牵张，可使牵张区中的成骨细胞增殖活跃，成骨能力增强。对成骨样细胞的培养发现TGF-β对成骨样细胞具有直接的、强有力的趋化作用，因此，在牵张成骨过程中TGF-β的增加对于间充质细胞和成骨细胞的迁移可能是一个重要的调节因素。

骨形态发生蛋白骨形态发生蛋白(bonemorphogeneticprotein，BMP)是比较受关注的与骨诱导有密切关系的一种骨生长因子，是骨修复中最主要的诱导修复因子。BMP是公认的高效骨诱导因子，广泛存在于人和动物的骨组织中，但主要聚集在骨干的皮质骨中。它是由人和动物的成骨细胞和瘤性成骨细胞产生，随着骨改建进程扩散进入松质骨和骨髓。BMP具有诱导成骨细胞分化和诱导体外成骨能力(Chen等，1997)。骨形态发生蛋白是转化生长因子-β(TGF-β)超家族成员，是一类家族物质，为止至少有15种BMP已被发现。Urist(1965)最早利用脱钙骨基质在肌肉内诱发异位成骨，这一试验结果提示在骨基质中可能含有一种活性蛋白，这种活性蛋白具有使未分化的间充质细胞定向分化为成骨细胞并形成骨组织的能力，它就是后来被命名的BMP。随着分子生物学和基因工程的发展，到1996年已发现到BMP-13，并已获得了相应的cDNA克隆。在BMP213中，有关BMP-2的成骨作用研究的报道最多(Wzney等，1998：Cleste等，1990：Qaynak等，1990：Oaynak等，1992)。在体和离体试验结果都证明BMP-2有促进成骨细胞分化和诱导体外成骨的能力(Chen等，1997)。BMP-2是促进骨形成和诱导成骨细胞分化最重要的细胞外信号分子之一，通过激活Smads信号传导和调节成骨基因转录而发挥其成骨作用。有研究发现(Liu等，2007)，BMP-2可上调66种基因表达，其中包括Smad6、Smad7、Msx2等13种相关转录因子。Gazzerro等(1999)发现BMP-2可降低细胞内胶原酶11mRNA的表达从而降低成骨细胞表达胶原酶，有利于基质的合成。Hay等(1999)在人新生成骨细胞前颅盖骨细胞(HNC)中，加入重组人BMP-2(50μg/L)，连续培养3～7d，可影响不成熟的HNC细胞，增强其ALP活性。在第2周时，基质矿化明显增加，在第3周时骨钙素mRNA和蛋白水平及钙在基质中的含量增加，提示成骨细胞完全分化。刘铭等(2006)发现局部注射BMP-2可显著提高老年大鼠股骨上端局部皮质厚度、骨密度及骨力学强度。此研究也表明了BMP-2在成骨过程中有重要作用。成骨细胞的研究依然是一个热门话题，如在骨组织工程学中的研究，医学上防治骨质疏松症的研究等。但是也存在着很多问题，许多研究还只是初步探索阶段，还需要系统、深入的研究，相信成骨细胞会有非常好的应用前景。

本词条内容贡献者为:

王小洁 - 副教授 - 山西医科大学 基础教研室