机械牵张刺激对成肌细胞成肌调控的研究进展

李菲菲，曲竹丽，王庆，郭杰

(1山东大学口腔医院正畸科，山东 济南 ；2山东省口腔生物医学重点实验室）

机械牵张刺激对成肌细胞成肌调控的研究进展

李菲菲1,2，曲竹丽1，王庆1，郭杰1,2

(1山东大学口腔医院正畸科，山东 济南 ；2山东省口腔生物医学重点实验室）

机械牵张；成肌细胞；调控

功能矫形治疗是口腔正畸学中一种重要的矫治方法，通过功能矫治器引导下颌姿势位前移。改善口颌系统肌群的功能状态，利用肌收缩力刺激颌骨发生适应性生长改建，从而矫治错颌畸形。研究表明，下颌前伸时，肌肉变化早于骨组织；牙颌畸形矫治后，面颌肌肉的改建尚未完成，只有肌肉的适应性改建完成后，并与硬组织协调平衡后，才能保持疗效防止复发。因此，面颌肌肉在牙颌畸形的矫治和疗效维持中均起着重要作用。

面颌部肌肉属于骨骼肌，骨骼肌可塑性强，其结构和功能可随外界刺激的改变发生适应性改建，参与这一过程的重要细胞学基础是骨骼肌中的成肌细胞。力学刺激是维持细胞生存和生长的重要细胞外刺激，在骨骼肌的形成、发育和适应性改建中起着重要作用。成肌细胞是其重要的感受和效应细胞，通过力敏感的多种信号通路，将力学刺激信号转化为细胞生物化学信号，介导力相关敏感基因表达，合成各种酶类等活性物质，激活信号网络级联反应，参与一系列复杂的生理病理活动[1-2]。体内力学环境复杂，多用离体实验观察细胞对力学刺激的反应。国内外有关机械牵张刺激对体外培养成肌细胞影响的研究，为生物力学研究提供了大量理论和实验依据。

1 牵张应力特点与加载装置的原理

牵张加力的加载装置主要是通过各种方法对培养基膜产生牵拉，使得生长黏附于基膜上的成肌细胞被动伸展。常见装置有四点弯曲、Flexercell、均匀双轴等模型。应用此类装置，能较好的模拟体内肌肉受牵拉的状态，通过调节力学刺激的力值大小、时间、频率来检测细胞相应变化。

基底形变加载技术是目前应用较多的技术原理之一，它是通过机械外力的作用牵拉弹性基底膜，引起弹性细胞培养膜的形变，使附着于该培养膜的细胞受到牵张力。近期有新型离心牵拉装置，利用离心力控制牵张力的大小。

2 成肌细胞的生物学特征

2.1 成肌细胞的来源与分布 成肌细胞是指胞浆中含有肌丝的肌组织前体细胞，包括心肌、平滑肌及骨骼肌在内的三种肌组织。其胚胎发育均经历了由间充质分化为成肌细胞，再进一步分化为成熟肌细胞的过程。成熟个体的心肌及平滑肌中均不含肌肉卫星细胞，而骨骼肌中存在肌肉卫星细胞。骨骼肌的肌纤维分为快肌纤维和慢肌纤维，分布不均一，随着年龄增长，卫星细胞密度减少，到一定程度后，终身维持[3]。

通常情况下，肌卫星细胞处于静止和转录不活跃状态，当机体发生生长、重塑及肌肉损伤时，卫星细胞被激活，增殖并表达成肌细胞标志物即成成肌细胞，这些细胞再融合入已存在的骨骼肌纤维中，形成新的纤维。

2.2 成肌调节因子 成肌调节因子是在骨骼肌胚胎发育过程中发现的一组转录调控因子，其家族共有四个成员：MyoD、Myf25、Myogenin和MRF4。这些成肌调节因子共有一个与E2蛋白转录因子家族结合形成二聚体所需的DNA结合域Bhlh，MRF2E蛋白异二聚体和MRF单体结合到共有的E2盒序列CANNTG,而CANNTG存在于骨骼肌成肌特异基因的增强子元件中，调节着这些成肌分化特异基因的转录活性，这些二聚体的DNA结合和转录活性也受到蛋白间相互作用和其他外在环境因素的影响[4-5]。

MyoD和Myf25之间较另外两大因子具有更大的同源性，在成肌细胞分化前表达，是成肌分化的决定因子。两者的作用都是诱导前成肌细胞分化成成肌细胞。两者可以相互替代，两者的联合缺少均会阻碍其分化。MyoD基因是骨骼肌分化的决定基因。在肌分化过程中，首先是成肌细胞的定向分化，以表达肌细胞生成素为标志，肌细胞生成素是成肌细胞特异标志之一。MyoD是肌分化的发动者，但并非直接激活下游基因，而是首先激活肌细胞生成素，接着再是肌球蛋白和结蛋白等的表达，它们都是骨骼肌最早的成肌标志之一。Myogenin和MRF4之间具有更大的同源性，并且均在分化中表达；作用都是诱导成肌细胞分化融合成肌管。Myogenin是成肌分化必不可少的因子。研究表明，增殖的成肌细胞在分化激活之前表达MyoD和Myf5，一旦分化被激活MyoD和Myf5则诱导细胞推出细胞周期，同时表达Myogenin，Myogenin和MRF4调节成肌细胞进一步终末分化为肌管肌纤维[6-7]。

2.3 肌细胞增强因子与肌肉的发生 肌细胞增强因子2（MEF2）属于MADS框转录家族，其家族成员包括MEF2A,MEF2B,MEF2C,MEF2D四种。转录基因MEF2的DNA结合位点广泛存在于肌肉组织特异性表达基因的调控区，因此MEF2在肌肉发生中发挥重要调控作用。MEF2可以激活多种肌肉发生特异基因的表达，这些基因的表达产物对于肌肉组织的分化、维持和再生等有重要作用。MEF2在肌肉发生的基因表达调控中位于很多信号传导通路的下游，同时它又直接调控着它的下游靶基因的表达，从而实现调控肌肉生长发育的生物学功能，如：波形蛋白与Cofilin在细胞分化过程中的细胞骨架重组中至关重要[8]。因此是肌肉发生、肌肉改建的重要标志。

3 机械牵张与成肌细胞的成肌调控

3.1 应力与细胞生物学应答 天然机体处在一个复杂的力学环境中，其应力影响着组织的结构、功能及形态。越来越多的证据表明，细胞都依赖于一定的力学环境的调节，即使同一类型的细胞，由于应力的大小、作用方式、作用时间及应力变化频率的不同，其影响均不同。这种差异证明细胞的生物学变化与应力应变方式的不同有着密切联系。无论何种应力都会使细胞发生形变，形变是应力作用于细胞并触发其生物学效应的基础，不同应力方式对细胞形变产生很大差别。在静张应力下，细胞逐渐发生变形，但这种变形在一段时间后就会趋于稳定，在细胞趋于稳定的过程中，也会慢慢失去对静张应力的敏感；在动张应力的作用下，细胞无持续的稳定状态出现。

3.2 机械牵张对成肌调控的影响 近年来，随着骨骼肌再生、损伤后修复与适应性改建的研究受到广泛关注,有关骨骼肌细胞的增殖、凋亡和分化在骨骼肌再生中的作用研究也逐渐兴起。细胞外基质的一些信号参与调控成肌过程,其中力学应激是维持细胞生存和生长的重要细胞外刺激,它能够调节细胞的新陈代谢和基因表达过程,在骨骼肌的形成和发育中起重要的作用[9]。

通过对力学刺激作用于肌卫星细胞增殖分化的研究,证实了不同的力学刺激所激活的信号通路并不完全相同。正是通过这些特异性信号转导通路的激活、封闭或者不同通路之间的cross－talk途径,从而对成肌转录因子及骨骼肌标志性蛋白的表达进行调控,对肌卫星细胞的增殖分化能力产生影响。

目前较多文献报道看机械应力对体外培养的细胞增殖的影响，但因采用的力学加载装置不同而结果不一，Kumar等利用Flexercell加载设备对C2C12细胞进行拉伸试验，发现拉伸能够促进C2C12细胞的增殖，而抑制其分化。在不同拉伸频率下，成肌细胞的增殖情况，发现拉伸频率对细胞增殖的影响非常大，高频率的拉伸不利于细胞的增势，反而抑制成肌细胞的增殖，当拉伸频率降低到0.125时，拉伸的力学刺激是明显促进成肌细胞的增殖[8-9]。有研究研究不同交变应力的作用下，大鼠细胞增殖活性的变化，同样是发现，低频率比高频率具有更高的促进成肌细胞增殖的作用。随着交变应力作用时间的延长，成肌增殖活性在较低的应变范围内随应变的增大而增加。Zhang等[10]研究证实：周期性张应力通过激活其下游信号分子——黏附斑激酶(FAK)和RhoA，在调控成肌细胞增殖和分化中发挥重要作用。Comunale等[11]的研究表明M-cadherin介导的信号途径参与了成肌细胞相互融合形成肌管的过程。Kumar等[12]却发现周期性拉伸可通过FAK、Rac-1、GTPase以及NF-B等信号分子抑制C2C12成肌细胞分化成肌小管。另外，Formigli等[13]的研究证实：应力活化型离子通道在成肌过程中起重要作用。我们在成功构建SD大鼠乳鼠成肌细胞体外培养－力学刺激模型的基础上，研究了肌细胞膜上重要的Na+通道蛋白―Na+-K+-ATPase在力学信号转导中的重要作用及其调控机制。研究发现：周期性张应力通过内涵体转运促进成肌细胞膜上Na+-K+-ATPase α亚基蛋白的表达，并改变Na+-K+-ATPase的功能活性。我们的研究证实：Na+-K+-ATPase是成肌细胞感受力学信号并进行跨膜转导的重要信号分子[14―16]。

丝裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated potein kinase,MAPK)级联是细胞内重要的信号转导系统之一。细胞运用这一系统将胞外刺激信号传递给胞核,参与细胞生长、发育、分化和凋亡等一系列生理病理过程。到目前为止,在真核生物细胞中已明确了5条丝裂原活化蛋白激酶通路:细胞外信号调节蛋白激酶(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亚家族，每个亚家族又包含多个亚型。然而，关于何种信号途径在应力介导的成肌细胞分化中起主要作用，迄今为止还没有被完全认识。

以上研究说明，力学刺激是维持细胞生存和生长的重要细胞外刺激，它能够调节细胞的新陈代谢和基因表达过程。然而，机械力是一个物理信号，力学信号如何被感知进而发生相应应答，从而调控成肌细胞改建，成为力学信号转导机制研究的关键，也是近年来研究的热点。

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10.3969/j.issn.1008-4118.2012.01.34

2012-03-02

郭杰：山东大学口腔医院，副主任医师。kqji@sdu.edu.cn