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李广周,等. 低氧环境对骨代谢影响的研究与进展
低氧环境对骨代谢影响的研究与进展
李广周1,吴 伟2(1重庆三峡学院体育与健康学院,重庆市 404100;2上海体育学院,上海市 200438)
引用本文:李广周,吴伟. 低氧环境对骨代谢影响的研究与进展[J].中国组织工程研究,2016,20(33):4963-4969.
DOI: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.33.014 ORCID: 0000-0001-9038-0542(吴伟)
文章快速阅读:
低氧环境对骨代谢的影响
以往的高原训练主要以研究有氧耐力、心肺功能为主。少有涉及骨代谢方面的研究,文章主要阐述低氧环境对骨代谢的影响机制,为高原训练提供一定的理论参考。
文章着重阐述了低氧环境下,通过低氧诱导因子及成骨细胞和破骨细胞相关通路对骨代谢的影响。并且根据这些影响的规律,分析和评价在低氧环境下,运动训练对骨代谢的作用。
低氧环境会对机体的有氧运动能力、心血管系统、血液成分、免疫系统、神经内分泌系统、自由基抗氧化系统、酸碱平衡系统产生影响,对机体维持身体健康具有一定的促进作用。
李广周,男,1973年生,河南省淮阳县人,汉族,硕士,副教授,主要从事运动康复的研究。
通讯作者:吴伟,硕士,上海体育学院,上海市 200438
中图分类号:R318
文献标识码:A
文章编号:2095-4344
(2016)33-04963-07
稿件接受:2016-06-04
文题释义:
低氧:是指高原环境随海拔增高, 形成大气压下降和其中的氧分压降低, 即空气中的氧含量低下, 导致吸入气氧分压下降而引起人体的低氧血症。
骨代谢:骨的功能是为肌肉收缩提供附着处及保护内脏等重要的生命器官。一般认为骨在细胞水平上是不活跃的,事实上骨的细胞在不停地进行着细胞代谢,不仅骨的细胞之间会相互作用,还存在骨髓中的红细胞生成细胞、基质细胞相互作用,以进行骨的改建和重建。有两种细胞在骨代谢中起着重要的作用,一种是吸收骨基质的破骨细胞,另一种是合成骨基质的成骨细胞。该两者分布在骨膜、骨小梁及骨皮质处。在两种细胞相互作用的部位被称作为基本多细胞单位。在每一个基本多细胞单位,骨可因破骨细胞的吸收而消失,也能被重新合成骨的成骨细胞所取代。有些成骨细胞被掺合在骨基质中变成骨细胞。
摘要
背景:以往的研究中,在低氧刺激下机体的有氧运动能力、心血管系统、血液成分、免疫系统、神经内分泌系统、自由基抗氧化系统、酸碱平衡系统等都会产生影响,但目前低氧环境对于骨代谢的影响以及其相关机制的研究尚不明确。
目的:从低氧诱导因子及成骨细胞和破骨细胞相关通路入手,详细阐述低氧环境对骨代谢的影响,同时也分析和评价低氧环境下运动训练对骨骼的影响,为高原训练对骨吸收和骨形成提供一定理论依据。
方法:应用计算机检索中国学术期刊全文数据(CNKI)和PubMed数据库中2000年1月至2015年9月关于低氧环境对骨代谢影响的文章,检索词为“低氧环境;低氧诱导因子;骨代谢;运动;高原训练”;英文检索词为“hypoxia environment, hypoxia inducible factors, bone metabolism, exercise, altitude training”。初检文献233篇,根据纳入标准保留46篇进行分析、综述。
结果与结论:①低氧环境中对骨代谢的影响较复杂,主要通过低氧诱导因子及成骨细胞和破骨细胞相关通路的作用,随着作用时间及氧浓度不同作用不同;②目前发现低氧诱导因子对骨骼影响主要以低氧诱导因子1为主。一方面低氧诱导因子1α可以通过血管内皮生长因子而促进骨骼生长,另一方面也可以直接作用于成骨细胞和破骨细胞;③低氧环境下低氧诱导因子1主要是通过酸化作用刺激破骨细胞,而增加骨吸收能力;④不同的骨代谢相关信号通路在低氧环境下被激活的程度不一,成骨细胞介导的骨形成和破骨细胞介导的骨吸收平衡随之发生改变。高原训练可能会对骨代谢产生不利影响,要控制好高原的海拔,训练的周期及强度。
关键词:
组织构建;骨组织工程;低氧环境;低氧诱导因子;骨代谢;运动;高原训练
主题词:
低氧;缺氧诱导因子1;代谢;运动医学;成骨细胞;组织工程
3
P.O.Box 1200,Shenyang 110004 kf23385083@
Research progress in bone metabolism in the hypoxic environment
Li Guang-zhou1, Wu Wei2 (1School of Sports and Health, Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404100, China; 2Shanghai University of Sport, Shanghai 200438, China)
Abstract
BACKGROUND: It has been reported that human aerobic endurance, cardiovascular system, blood constituent, immune system, neuroendocrine system, free radical antioxidant system, and acid-base balance system can be influenced under hypoxic conditions. However, very little is known regarding bone metabolism under hypoxic conditions and the underlying mechanisms.
OBJECTIVE: To summarize the effects of hypoxic conditions on bone metabolism from the views of hypoxia inducible factors, osteblasts and osteoclasts, and the effects of exercise training under hypoxic conditions on the skeleton, contributing to understanding the theoretical advantages and disadvantages of altitude training.
METHODS: A computer-based online search was conducted in CNKI and PubMed databases from January 2000 to September 2015 using the keywords “hypoxia environment, hypoxia inducible factors, bone metabolism, exercise, altitude training” to screen the relevant English and Chinese literatures. A total of 233 literatures were screened and finally 46 eligible literatures were included.
RESLUTS AND CONCLUSION: The effects of hypoxic conditions on bone metabolism are complex, which are mainly linked to hypoxia inducible factors, osteblasts and osteoclasts. Hypoxia-inducible factor 1 is considered to influence the skeleton by promoting the bone growth induced by vascular endothelial growth factor and directly affecting the osteblasts and osteoclasts. Additionally, hypoxia-inducible factor 1 has been shown to enhance osteoclast-mediated bone resorption. The balance between osteoblast-mediated bone formation and osteoclast-mediated bone resorption is disturbed under hypoxic conditions. We need to pay attention to the training period and intensity at altitude because altitude training may not benefit the bone metabolism.
Subject headings: Anoxia; Hypoxia-Inducible Factor 1; Metabolism; Sports Medicine; Osteoblasts; Tissue Engineering
Cite this article: Li GZ, Wu W. Research progress in bone metabolism in the hypoxic environment. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2016;20(33):4963-4969.
1
ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH
0 引言 Introduction
Li Guang-zhou, Master, Associate professor, School of Sports and Health, Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404100, China
Corresponding author:
Wu Wei, Master, Investigator, Shanghai University of Sport, Shanghai 200438, China
低氧环境是指相对于海平面高度常氧环境[大气压为1个标准大气压即101.08 kPa,氧含量为20.9%,氧分压为21.28 kPa)而言氧分压较低的一种环境,包括自然高海拔低氧环境和人工低氧环境。在低氧刺激下,机体的有氧运动能力、心血管系统、血液成分、免疫系统、神经内分泌系统、自由基抗氧化系统、酸碱平衡系统等都会产生影响。适当的海拔高度可以调节人体的潜在机能,有助于人类身体健康。
目前低氧环境对于骨吸收和骨形成的影响以及其相关机制的研究尚不明确,骨骼系统对于机体维持健康也是非常重要的一部分,因此文章主要针对低氧环境下骨吸收和骨形成的表型及相关因子直接和间接对骨代谢影响的机制进行具体阐述。同时,在低氧环境下,对运动训练进行分析和评价。为高原训练提供一定的理论参考。
1 资料和方法 Data and methods
1.1 资料来源 应用计算机检索CNKL数据库(http:// environment, hypoxia inducible factors,bone metabolism, exercise,altitude training”。共检索到233篇。
1.2 检索方法
纳入标准:①具有原创性,论点论据可靠的文章。②针对性强,相关度高的文章。③发表在国内外专业内权威杂志。
排除标准:论文陈旧、缺乏创新的重复性研究。
质量评估:文献筛选和质量评价由作者独立进行并核对,通过阅读题名和摘要,排除与研究目的、内容不相关及研究重复的文章123篇,对其余111篇查找全文,其中英文文献50篇,中文文献61篇,最后保留与纳入标准完全符合的46篇文章进行整理分析。文献检索流程图见图1。
2 结果 Results
2.1 低氧环境下低氧诱导因子对骨骼的影响 低氧诱导因子是迄今为止发现的组织细胞在低氧状态下诱
符合筛选标准累计111篇
否
是
符合标准46篇
阅读全文
排除文献0篇
纳入分析文献共46篇
检索数据库:Pubmed;
检索词:hypoxia environment,hypoxia inducible factors,bone metabolism,exercise,altitude training
检索数据库:万方数据库;
检索词:低氧环境;低氧诱导因子;骨代谢;运动
通过题目及摘要确认是否与低氧环境对骨代谢的影响有关
图1 文献检索流程图
生的最直接或唯一的调控因子,包括3种亚型低氧诱导因子1、低氧诱导因子2和低氧诱导因子3[1]。低氧诱导因子1主要在骨髓和肝脏内表达,低氧诱导因子2主要在肺、心及肾脏内表达,低氧诱导因子3的调控作用主要集中在肺发育、脂肪细胞分化、耐力及脑膜瘤等中[2-5]。研究表明,低氧诱导因子2在成骨细胞分化中发挥负调控作用,抑制低氧诱导因子2将有利于低氧诱导因子1的表达水平[6-7]。目前发现低氧诱导因子对骨骼影响主要以低氧诱导因子1为主。
2.1.1 低氧诱导因子1通过血管内皮生长因子作用于骨骼 低氧诱导因子1是有低氧诱导因子1α和低氧诱导因子1β组成的异源二聚体[8],低氧环境可以促进低氧诱导因子1的生成。
在骨发育过程中,低氧诱导因子1α具有明显的促进血管生成及骨骼发育的作用。组织局部的缺氧是激活低氧诱导因子1α的一个重要诱因,低氧诱导因子1α可以调控血管内皮生长因子,血管内皮生长因子起到募集血管并使之侵入软骨的作用。Gerber等[9]研究发现,一旦激活低氧诱导因子1α通路,可以造成血管内皮生长因子和其他血管生成因子的过量合成、分泌,从而刺激长骨的血管生成。其主要过程为缺氧时低氧诱导因子1α先聚集,促进血管内皮生长因子的转录和表达,从而刺激大量相关血管生成因子的合成与分泌,而且血管内皮生长因子作用于血管内皮细胞表面的血管内皮生长因子受体,从而激活一系列的缺血转录通路,诱导新生血管生成。在软骨内成骨的过程中,肥大软骨细胞表达血管内皮生长因子的增加以及软骨膜周围血管内皮生长因子受体表达的增加导致血管侵入到软骨中,从而完成软骨化骨过程。当低氧诱导因子1α基因被移除后,小鼠在软骨内成骨过程中血管内皮生长因子表达减少,新骨形成速度减慢,钙元素含量和骨小梁面积减少[10]。
朱勋兵等[11]研究发现,在低氧环境下小鼠椎体发育伴有低氧诱导因子1αmRNA及蛋白量的增加及其下游基因血管内皮生长因子表达的增加。这一结果提示,低氧环境能够促进骨组织内血管生成,促进骨骼生长(见图2,3)。
图2 C57BL6小鼠胚胎孕龄10.5 d(E10.5)解剖镜下见脊椎轮廓(×60)[11]
图3 C57BL6小鼠胚胎孕龄10.5 d (E10.5)椎体组织切片呈甲苯胺蓝深染色,提示含丰富的甲苯胺蓝异染性蛋白多糖基质成分(×200)[11]
血管内皮生长因子的细胞合成不仅受到低氧因素的诱导还受到其他信号通路的影响,如前列腺素 E1/E2、转化生长因子β、骨形态发生蛋白、成纤维细胞生长因子2、类胰岛素生长因子1、内皮素1和维生素D3,而这些蛋白因子也均受到低氧诱导因子1α通路的调控或影响。
2.1.2 低氧诱导因子1直接作用于骨骼 一方面低氧诱导因子1α可以通过血管内皮生长因子而促进骨骼生长,另一方面也可以直接作用于成骨细胞和破骨细胞。但是对于低氧诱导因子1α对于成骨细胞和破骨细胞的作用,研究结果却不一而论。
低氧坏境对成骨细胞的作用:低氧抑制成骨细胞的生成与分化。持续12 h低氧使低氧诱导因子1α中的下游基因Twist表达上调,抑制了Runx2下游靶基因的表达。Runx2是成骨细胞生成的一个主控基因,阻碍了骨髓间充质干细胞向成骨的分化,不利于成骨细胞的生成,此外,当氧浓度过低时(<1% O2)也不利于成骨细胞的生成[12]。成骨细胞是由具有多向分化潜能的间充质干细胞在特定转录因子诱导下分化而来的,低氧直接抑制了间充质干细胞的生成[13]。成骨细胞在低氧条件下(1% O2)培养36 h后,成骨细胞增殖细胞核抗原(PCNA,osteoblast pcna)的表达明显下降。低氧使低氧诱导因子1α稳定表达,明显抑制成骨细胞线粒体活性细胞增殖和骨钙素及成骨细胞表达骨保护素(osteoprotegerin,OPG)的表达。低氧的影响主要发生在成骨细胞分化的早期阶段,此阶段低氧可使成骨细胞处于过早分化状态,无法为基质的成熟和矿化提供正确信号[14]。
低氧能够促进成骨细胞的生成与分化。血管生成和骨形成在骨骼发育和骨折愈合中相互关联,血管内皮生长因子的表达能够促进成骨细胞的生成。成骨细胞在低氧处理3 h后,转化生长因子β1表达成倍增加,低氧9 h后血管内皮生长因子表达到达最高峰,随低氧时间延长,转化生长因子β1和血管内皮生长因子表达下降。短期低氧可能促进成骨细胞早期增殖及分化,长期低氧则可能抑制成骨细胞的增殖及分化[15]。此外,随着氧分压的降低,可以增强Runx2、骨形态发生蛋白2 mRNA和蛋白的表达,促进成骨细胞的生成[16]。也学者认为,低氧时低氧诱导因子1激活经典的Wnt/β-catenin通路,从而促进成骨细胞生长和分化[17]。Tseng等[18]研究发现,短期低氧能够通过低氧诱导因子1α,整合素连接激酶(ILK)、蛋白激酶B(Akt)和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)途径诱导成骨细胞骨形态发生蛋白2的表达,促进成骨细胞分化。
低氧环境对破骨细胞的作用:目前有关低氧诱导因子1对破骨细胞的直接作用的研究还比较少,且未见明显作用。Wang等[19]研究发现,低氧诱导因子1α与低氧诱导因子2α的高表达并没有影响破骨细胞的数量与活性。在低氧条件下,诱导RANKL/骨保护素通路的比例发生变化时,骨保护素的表达量升高,骨吸收的活性在下降[20],破骨细胞的数量与活性也明显被抑制。此外,Yao等[21]研究发现,血管内皮生长因子也不能单独促进破骨细胞的形成与分化。
低氧环境下低氧诱导因子1主要是通过酸化作用刺激破骨细胞,而增加骨吸收能力。研究发现,低氧增加破骨细胞的生成与破骨细胞的分化阶段无关,而只是取决于低氧的持续时间。低氧时无氧代谢增加,酸性代谢产物积聚,可引起局部微环境轻度酸化,而破骨细胞的激活正是依赖于细胞外酸化[22]。常氧下(20%O2)培养破骨细胞形成,逐渐降低时,破骨细胞的数量、体积和骨吸收能力增加,最大的效应发生在2%O2时[23]。
有关低氧诱导因子对骨骼影响机制十分复杂,研究结果也不尽相同。不同的氧浓度下,低氧诱导因子对成骨细胞、破骨细胞的作用不一;在低氧环境下,成骨细胞及破骨细胞受到其他多种因素,如酸碱度、渗透压等;低氧诱导因子通过不同的通路及因子对骨骼的影响也不同。
2.2 低氧环境对骨代谢相关通路及其靶点的影响 在低氧环境下,骨代谢相关通路也有所改变。MAPK信号转导途径在成骨细胞分化过程中发挥着重要的作用,研究发现,在MAPK家族中,ERK、p38和JNK都参与了成骨细胞的分化。ERK1/2信号通路诱导Cbfa-1和ALP的表达,也可使基质矿化增强、向成骨方向分化速率加快[24]。此外,Minet等[25]研究发现,MAPK信号转导途径可以提高低氧诱导因子1α的转录活性,其原因是低氧诱导因子1α/低氧诱导因子2α在低氧状态下的调控都需要MAPK p42/44或PI3K的存在。
Wnt信号通路又称Wnt/β-catenin,是骨发育过程中一条经典的通路,其对成骨细胞的作用广泛且复杂,既可以促进又可以抑制,主要取决于个体发育所处的时期[26]。当稳定表达Wnt1和Wnt3α时,可以诱导ALP的活性,促进成骨细胞的早期阶段分化,同时Wnt1和Wnt10可以抑制脂肪细胞分化,促进其向成骨细胞分化[27]。而Wnt5α介导的Wnt/Ca2+信号通路可以调节破骨细胞的分化与功能活性[28]。离体细胞实验中,发现低氧诱导增强Wnt信号通路,而缺氧条件下,则抑制Wnt信号通路。因此,推测不同的低氧浓度对于Wnt信号通路影响较大。
转化生长因子β/骨形态发生蛋白信号通路在细胞增殖、分化和细胞基质形成方面也发挥着比较广泛而重要的功能,并且MAPK和Wnt信号可以对其进行调控[29]。Kale等[30]发现,转化生长因子β1能引起细胞积聚,刺激成骨生成,并提高ALP、I型胶原及骨钙素的活性,而转化生长因子β3则会显著降低ALP的表达。造成这种结果,可能是与转化生长因子β/骨形态发生蛋白信号通路被激活的程度及时间有关。
RANKL/RANK/OPG信号通路在成骨细胞及破骨细胞的通讯中起着关键的作用,成骨细胞通过改变骨保护素和RANKL的合成,从而间接调节破骨细胞的分化和成熟。RANK结合RANKL能够促进破骨细胞的分化及成熟,但在这个过程中,骨保护素作为一种诱饵受体,可以阻断RANK和RANKL的结合,骨吸收和骨形成达到平衡的关键就在于RANKL/OPG的比值[31]。Yang等[20]研究发现,在低氧条件下,RANKL/RANK/OPG信号通路能够促进成骨细胞的生成,对破骨细胞则没有影响。原因可能是低氧环境诱导了骨保护素的水平增加,从而阻断了RANK和RANKL的结合,抑制了破骨细胞的分化和成熟。
Notch信号对骨的发育及骨细胞的活性很重要,调节成骨细胞和破骨细胞的分化和功能,它的作用与细胞环境相关,不同的氧浓度对Notch信号通路的影响不同[32-34]。当Notch信号通路被激活时,初始阶段主要由Notch1促进成骨细胞的分化及成熟,到了后期主要由Notch2提高了破骨细胞的活性。Hilton等[35]的研究表明,在骨髓间充质干细胞中当Notch信号通路被激活时,8周时会出现骨量增加,但在26周时变异组的骨量减少到对照组的10%。
不同的骨代谢相关信号通路在低氧环境下被激活的程度不一,成骨细胞介导的骨形成和破骨细胞介导的骨吸收平衡随之发生改变,随着时间的持续,对骨生长及重建的效果也不一。
2.3 低氧环境下运动训练对骨骼的影响 首先,运动训练对骨代谢的影响是显而易见的。研究显示,钙、激素和维生素D等在骨代谢方面只是具有3%-10%的作用。而更多的则是力学的应力,达到了40%以上[36]。适宜的运动强度对一些骨生化指标,如钙、镁、磷及碱性磷酸酶、甲状旁腺激素等有一定的影响,能够促进骨密度的增大、骨量的累积,促进骨的形成[37-41]。此外,不同的运动项目对骨代谢的影响也不尽相同。由于不同运动项目对于人体骨骼系统的应力作用不同,导致运动项目与骨密度和骨量累积的选择性有一定差异。一般认为,篮球、足球、网球等冲击力较大的运动项目要比行走等冲击力小的运动项目更有效地增加骨密度和累计骨量;陆地上的运动项目要比水中的运动项目更有利于骨密度的增加和骨量的累积[42-44]。
较低的运动强度对骨代谢的影响是基本上没有促进的作用,过大的强度或过度的运动则会对骨代谢造成不利的影响,可以导致骨量的流失,甚至疲劳性骨折等问题。尤其对于女性运动员,研究发现,过度的运动导致年轻女性运动员雌激素缺乏,致使骨量流失,在闭经期的女性运动员,如果过度运动,其骨折的发生率会明显增加[45]。
在低氧环境下,对骨生长及骨重建的影响本身就比较复杂,骨生长及重建在低氧环境中持续的时间和不同的氧浓度条件下,表型不一。此外,低氧环境下,是否会与运动训练对骨代谢影响的一些骨生化指标和机制产生矛盾。比如,在缺氧的情况下,机体的血钙水平会下降,且随着缺氧程度的增加而下降的更加明显。因此,在低氧环境下进行运动训练,可能会导致骨量流失,不利于骨生长发育。张红品等[46]在研究中,就提出高原训练模式对少儿骨骼发育不利的说法。
在低氧环境下,目前的研究主要都是通过低氧诱导因子、与成骨细胞和破骨细胞相关信号通路对骨骼产生影响。短期内,低氧诱导因子1α能够促进成骨细胞的分化,随着时间慢慢增长,这种作用将逐渐减少,长期低氧诱导因子1α则会抑制成骨细胞的分化。长期低氧环境中,低氧诱导因子1α对破骨细胞作用不明显,主要通过酸化作用能刺激破骨细胞,促进骨吸收。相关信号通路在低氧环境下被激活后也主要是与其作用时间及氧浓度有关,其作用也不一。因此,根据低氧环境中低氧诱导因子及相关信号通路对成骨细胞及破骨细胞影响中推测:低氧环境下训练在刚开始阶段能够促进骨的生长及骨量的累积,在持续低氧环境中,训练时间增长会不利于骨的生长及骨量的累积,到后期抑制骨的生长及骨量的累积,导致骨发育迟缓或者骨质疏松等骨疾病。当氧浓度慢慢下降,降至某个临界值的时候,对骨的生长及骨量累积也都将产生不利影响。此过程的运动训练对骨代谢的影响存在诸多不可知的因素,运动训练本身要求要有适宜的强度,并且不能过度训练。假设在低氧环境下,一旦出现强度过大或者过度训练,是否会对运动员的骨代谢造成双重的不利影响。对于女性运动员,在闭经期是否可以进行低氧环境下的运动训练。低氧环境下对骨代谢的影响和运动训练对骨代谢的影响,它们之间组合对骨代谢又将会产生何种影响。此外,低氧环境是否会对机体酸碱度、渗透压等水平产生影响,从而影响到骨生长及骨量的累积。
3 小结 Conclusion
低氧环境中对骨代谢的影响较复杂,主要通过低氧诱导因子及成骨细胞和破骨细胞相关通路的作用,随着作用时间及氧浓度不同作用不同。因此在高原训练中,高原的海拔、训练的周期和训练的强度将会影响到运动员的骨生长及骨量累积。高原训练对骨骼是否有影响,造成骨骼发育迟缓及骨质疏松等问题,有必要做系统评价和Meta分析进行定性定量的比较。
作者贡献:文章资料收集、成文均由文章作者完成,通讯作者审校。
利益冲突:所有作者共同认可文章无相关利益冲突。
伦理问题:没有与相关伦理道德冲突的内容。
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作者声明:第一作者对研究和撰写的论文中出现的不端行为承担责任。论文中涉及的原始图片、数据(包括计算机数据库)记录及样本已按照有关规定保存、分享和销毁,可接受核查。
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