中医“动静结合”理论与应力刺激成骨细胞增殖分化调控机制的相关性探讨

CJI (Traditional Chinese Medicine) - - 中国中医药信息杂志 -

赵文韬 1,2,张晓刚 1,3,赵希云 1,仝尊 1,王志鹏 1

1.甘肃中医药大学,甘肃 兰州 730000;2.云南中医学院,云南 昆明 650500;

3.甘肃中医药大学附属医院,甘肃 兰州 730000摘要:“动静结合”理论与成骨细胞应力下产生效应的现象相吻合,而近年来关于动静结合治疗的分子生物学研究文献不多。“动静结合”理论治疗骨折等骨科疾患的方法是利用骨折局部产生的应力,该应力通过影响成骨细胞的增殖分化而控制骨形成的结果,且已得到相关实验的佐证。本文就此探寻了中医“动静结合”理论与应力刺激成骨细胞增殖分化相关性的分子生物学依据。

关键词:中医;动静结合;成骨细胞

DOI:10.3969/j.issn.1005-5304.2017.09.003

中图分类号:R274.9 文献标识码:A 文章编号:1005-5304(2017)09-0008-03

Correlation Discussion on TCM Theory of “Static and Dynamic Combination” and Mechanism of Osteoblast Proliferation and Differentiation by Stress Stimulation

ZHAO Wen-tao1,2, ZHANG Xiao-gang1,3, ZHAO Xi-yun1, TONG Zun1, WANG Zhi-peng1 (1. Gansu University of Chinese Medicine, Lanzhou 730000, China; 2. Yunnan University of Traditional Chinese Medicine, Kunming 650500, China; 3. Affiliated Hospital of Gansu University of Chinese Medicine, Lanzhou 730000, China)

Abstract: The theory of “static and dynamic combination” coincides with the effect of osteoblast stress, although there are few articles on molecular biology about the theory in recent years. The treatment of “static and dynamic combination” theory for fractures and other orthopedic disorders is to use the localized stress fracture, and the stress controls bone formation results through afffecting proliferation of osteoblast differentiation, which has proved by relevant experimental evidence. This article discussed the molecular biology basis about the correlation between theory of “static and dynamic combination” and osteoblast proliferation and differentiation by stress stimulation.

Key words: TCM; static and dynamic combination; osteoblasts

中医“动静结合”理论是中医骨伤科的核心理论之一,普遍运用于骨伤科疾病治疗。成骨细胞作为骨组织中应力感受及效应细胞,在骨生长、修复和改建中发挥重要作用,成骨细胞的增殖分化是骨折愈合、抗骨质疏松治疗的重要生理病理变化过程,成骨细胞通过增殖,细胞外基质成熟、矿化等完成骨形成过程,在合适的外力作用下可以促进其基因表达及蛋白分泌,进而调控骨骼的生长修复[1]。成骨细胞在应力下产生效应的现象与“动静结合”理论相吻合,也为中西医结合治疗骨伤疾病提供新的依据。为此,笔者就“动静结合”理论与应力刺激成骨细胞增殖分化的分子生物学依据作一探讨。

基金项目:国家自然科学基金(81560780)

通讯作者:张晓刚,E-mail:zxg0525@163.com

1 “动静结合”理论梗概

“动静结合”理论是中医骨伤科“动静结合、筋骨并重、内外兼治、医患合作”四大治疗原则之一。该学术思想源于《内经》和《难经》,最早系统见于唐

代蔺道人《仙授理伤续断秘方》[2]。清代胡廷光《伤科汇纂》通过骨折手法复位、固定与练功等多方面阐述了“动静结合”的理论原则。后经我国骨科前辈方先之、尚天裕等名家总结,结合现代研究成果进一步升华提出了“动静结合”的现代理论,并在长期临床运用中不断充实和丰富,改变了骨折治疗的传统观

念。1966年,方先之、尚天裕等编写的《中西医结合治疗骨折》确立了中国接骨学(Chinese Osteosynthesis,

CO)的地位[3]。CO不同于传统中医或现代医学治疗方法,有其独特的中西医结合治疗骨折原则。

国际上以 Müller 教授为首的学者自 20 世纪 60

年代创立了“国际内固定研究学会”(德语: Arbeitsgemeinschaft für Osteosynthesefragen,AO;英语:Association for the Study of Internal Fixation, ASIF)提出“解剖对位、坚强固定、早期锻炼”的学术观点,重视坚强内固定下的早期功能锻炼[4]。由于AO 技术强调的是骨折固定的力学稳定性而未充分重视骨折治疗的生物学特性,伴随其推广运用,发现了一系列缺点和问题,如部分骨折进行坚强固定后无法早期功能锻炼、加压钢板固定骨折愈合去除钢板后再骨折等。为此,AO 学派不断融入新的理念和方法, CO 学派建立的“动静结合”理论为 AO 学派解决其学术难点提供了思路,从而促进AO学派向生物学固定(Biological osteosynthesis,BO)学派的转变。

2 “动静结合”理论科学验证

骨骼生长所遵循的 Wolff 定律是针对骨骼生长适

应性提出的理论[5]。骨折愈合的生物力学基于该定律,即在生理范围内,骨骼重建应力较高的区域内骨结构增强,应力低的区域内骨结构减弱。机械应力在骨骼生长重建过程中可通过多种信号途径调节成骨细胞

和破骨细胞的分化[6]。当机体运动时,所产生的机械应力及运动诱导可影响骨代谢,适当的活动有助于骨形成和骨代谢。基于“动静结合”理论的骨折治疗研究显示,循环应力对骨折治疗能够刺激骨痂大量生成,

促进骨痂成熟,提高骨骼结构特性,加速骨折愈合[7]。在生理范围内,较高的应力不断反复作用对骨修复诱

导作用较强;有压应力者的骨折修复更快更好[8]。

3 “动静结合”理论促进成骨细胞增殖分化

动静结合治疗骨折的原则是只固定骨折局部,而不固定骨折部位的上下关节,维持复位同时又限制骨折端的异常活动,同时需要让上下关节可以早期进行必要的功能锻炼,通过肌肉收缩所产生的内在应力传

到骨折断端产生轴向压应力从而促进骨折愈合[9]。王

以进[10]研究发现,骨折间隙在生理范围内的应力作用下可以加快骨小梁、骨痂的生长速度,提高骨折的愈合能力。而骨骼是支持身体、保持钙及磷酸盐体内平衡、保护重要器官并容纳骨髓的一个重要的多孔组织,组织内血液等内环境所产生的静水压力和流体应力在骨骼内的细胞和血管之间相互作用,使骨骼必然承受基本水平的流体流动应力,流体流动应力在调节成骨细胞增殖、分化、分布和在成骨细胞的细胞凋亡

中起重要作用[11]。类似的机械应力起着成骨细胞增殖、分化和成熟的关键作用,作为机械应力受体的细胞,成骨细胞感受和响应那些压缩、应变和剪切应力

相关联的应力[12]。

“动静结合”理论指导治疗骨折的方法会产生对骨折局部的应力,该应力通过力学信号调控影响成骨细胞的增殖分化来控制骨形成的结果。在人成骨细胞培养过程中加载循环应变机械刺激后发现,应变力每日施加 30 min,在生理承受程度下的循环应变可导致

成骨细胞增殖分化增加[13]。“动静结合”理论下的活动并非无原则甚至有害的活动,而是安全的活动,只有合适的牵张力才能促进成骨细胞增殖分化,促进骨

的生长修复和改建[14]。由此可以判断,“动静结合”理论与成骨细胞的增殖分化是有内在联系的。

4 应力刺激促进成骨细胞增殖分化

各种不同应力均可调控成骨细胞的增殖与分化。应力包括有压应力、牵张力、流体剪切力、超声波应力等多种形式,其中牵张力和流体剪切应力的研究相对较成熟。机械力学刺激作为骨代谢的重要调节因素,可在骨生长和骨折修复等许多临床治疗中刺激骨

组织的再生与重建,达到形成新骨的目的[15]。生物力学刺激可增强成骨细胞增殖、分化,在已有研究的成骨细胞类型的基因表达模式中生物力学负荷均有影

响[16]。成骨细胞可通过多种途径感受体内外力学刺激,并将其转化为生物化学信号,大小适宜的机械牵张应力可促进成骨细胞的增殖及分化,对成骨细胞的

增殖和分化发挥重要的调控作用[17]。牵张应力的研究可以通过对培养基膜施加不同大小、节律的牵张应力牵拉黏附在培养基膜上的成骨

细胞以模拟体内成骨细胞受力的情况[18]。程婉等[19]研究牵张应力环境能促进体外培养的成骨细胞增殖和分化的影响,发现在牵张应力环境下以0.5 Hz 频率牵拉成骨细胞 24 h,6%与 12%的形变量均能刺激成骨细胞增殖与分化,其中 12%的形变量作用优于 6%的形变量。Zhong Z 等[20]对比研究了牵张和压缩对于成骨细胞的生物反应差异,发现相比对照组牵张力,其上调基因表达压缩的效果更为明显。

流体剪应力也能调控成骨细胞的增殖与分化过程中信号表达进而对骨代谢进行调节,而静态培养的成骨细胞,随着体外培养时间增加其促进破骨细胞形

成的能力逐步提高[21]。为了研究流体剪切力对成骨细胞增殖分化的影响,国内研究者设计了一套平行平板流动加载装置,可以产生体外流体剪切力加载模型刺激成骨细胞并通过调整应力大小、作用时间,观察成

骨细胞的反应[22]。毛勇等[23]通过对体外培养的成骨细胞施加剪切力及静压力研究,发现一定的外力可使成骨细胞骨架重排及细胞形态变化,相对而言,静止压力则对成骨细胞的形态及细胞骨架影响较轻。另外,

流体剪切应力还可通过胰岛素样生长因子(IGF)-I的促有丝分裂信号传导途径整合素依赖性激活与 IGF-I

的协同作用,调节成骨细胞增殖分化[24]。Alvarenga E C 等[25]发现,低强度脉冲超声波也是常用的促进骨折愈合和治疗骨折不愈合的方法,低强度脉冲超声波通过 P2Y 受体的活化诱导成骨细胞增殖分化并增加细胞内钙离子。而应力的缺失则可能影

响到成骨细胞的增殖与分化。朱俊峰等[26]根据细胞应力扩增理论,在体外细胞水平模拟股骨假体近端不同强度的应力遮挡环境,观察其对成骨细胞增殖和凋亡的影响,发现股骨假体近端的应力遮挡能抑制成骨细胞增殖并/或刺激其凋亡。

5 展望

在“动静结合”理论中,静止是固定的基本要求,活动是骨折治疗的目的,动静结合有利于断端获得生理应力,从而使骨折愈合。近年来关于动静结合治疗的分子生物学研究报道较少,具体原因尚未明确。而针对单一应力方式对成骨细胞增殖分化的研究相对较多,尽管可以推论“动静结合”理论与应力对成骨细胞增殖分化的科学解释之间有必然联系,但如何通过直接证据揭示二者之间的机理,仍有待进一步研究。

参考文献:

[1] 王大维,王浩,董福生.不同应力刺激对成骨细胞影响的研究进展[J].

中国骨质疏松杂志,2016,22(5):652-656.

[2] 黄俊卿.论《仙授理伤续断秘方》的骨伤科成就[J].中医文献杂志,

2005,23(2):21-23.

[3] 尚天裕,顾云五,董福慧,等.尚天裕医学文集[M].北京:中国科技出版

社,1991:80-82.

[4] MÜLLER M E, MLLGOWER M, SCHNEIDER R, et al. Manual of internal fixation[M]. Berlin:Springerverlag,1979:249-255.

[5] TURNER C H. Three rules for bone adaptation to mechanical stimuli[J]. Bone,1998,23(5):399.

[6] 李欣,刘珩,孙惠强.机械应力作用下的成骨细胞及其早期反应调

节[J].国际口腔医学杂志,2013,40(4):550-552.

[7] 赵光复,葛京化,谢可永,等.动静结合治疗骨折的实验研究——循环应

力对骨折愈合早期的影响[J].中国中医骨伤科杂志,1992,8(2):6-9.

[8] 李可心,尚天裕,董福慧.“动静结合”骨折治疗原则生物力学基础研

究[J].中国中医骨伤科杂志,1998,6(1):9-12.

[9] 毕大卫,费骏,王志彬.尚天裕学术思想的形成与中国 CO 学派的确立

[J].中国骨伤,1999,12(2):3-5.

[10] 王以进.长管状骨的弹性性质实验研究[J].中国生物医学工程学报,

1986,5(3):157.

[11] HUANG L W, REN L, YANG P F, et al. Response of osteoblasts to the stimulus of fluid flow critical reviews & trade[J]. Crit Rev

Eukaryot Gene Expr,2015,25(2):153-162.

[12] MENG S, ROUABHIA M, ZHANG Z. Electrical stimulation modulates osteoblast proliferation and bone protein production through heparin-bioactivated conductive scaffolds[J]. Bioelectromagnetics,

2013,34(3):189-199.

[13] KASPAR D, SEIDL W, NEIDLINGER-WILKE C, et al. Dynamic cell stretching increases human osteoblast proliferation and CICP synthesis but decreases osteocalcin synthesis and alkaline phosphatase activity[J]. J Biomech,2000,33(1):45-51.

[14] SHEN T, QIU L, CHANG H, et al. Cyclic tension promotes osteogenic differentiation in human periodontal ligament stemc ells[J]. Int J Clin Exp Pathol,2014,7(11):7872-7880.

[15] RUBIN J, RUBIN C, JACOBS C R. Molecular pathways mediating mechanical signaling in bone[J]. Gene,2006,15(367):1-16.

[16] RATH B, SPRINGORUM H R, DESCHNER J, et al. Regulation of gene expression in articular cells is influenced by biomechanical loading[J]. Cent Eur J Med,2012,7(4):545-552.

[17] 李菲菲,丁寅,陈富林,等.机械牵张应力对成骨细胞增殖和分化影响

的初步研究[J].口腔医学研究,2012,28(6):507-512.

[18] BROWN T D. Techniques for mechanical stimulation of cells in vitro:A review[J]. J Biomech,2000,33(1):3-14.

[19] 程婉,汤小康,应航,等.牵张应力环境下六味地黄汤含药血清对成骨

细胞增殖分化影响的实验研究[J].中国骨伤,2013,26(2):142-146.

[20] ZHONG Z, ZENG X L,NI J H, et al. Comparison of the biological response of osteoblasts after tension and compression[J]. Eur J

Orthod,2013,35(1):59-65.

[21] 张兵兵,潘君,王远亮,等.流体剪应力对成骨细胞 OPG 和 ODF 表达的

影响[J].生物化学与生物物理进展,2007,34(3):326-332.

[22] 朱赴东,赵士芳.成骨细胞中激活剂蛋白-1 家族成员对流体剪切力的

响应[J].华西口腔医学杂志,2005,23(5):380-384.

[23] 毛勇,段小红,王忠义,等.不同应力对成骨细胞和细胞骨架影响的实

验研究[J].牙体牙髓牙周病学杂志,2001,11(2):98-100.

[24] KAPUR S, MOHAN S, BAYLINK D J, et al. Fluid shear stress synergizes with insulin-like growth factor-I (IGF-I) on osteoblast proliferation through integrin-dependent activation of IGF-I mitogenic signaling pathway[J]. J Biol Chem,2005,280(20):

20163-20170.

[25] ALVARENGA E C, RODRIGUES R, CARICATINETO A, et al. Lowintensity pulsed ultrasound-dependent osteoblast proliferation occurs by via activation of the P2Y receptor:role of the P2Y1 receptor[J]. Bone,2009,46(2):355-362.

[26] 朱俊峰,张先龙,王成焘,等.股骨假体近端应力遮挡对成骨细胞增殖

和凋亡的影响[J].临床骨科杂志,2009,12(3):332-335.

(收稿日期:2016-07-06;编辑:梅智胜)

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