成骨细胞与破骨细胞的研究探讨

林文彬39成骨細胞與破骨細胞的研究探討林文彬林園中醫診所台北市立聯合醫院中興院區摘要成骨細胞是骨形成過程中的重要功能細胞。70年代中期還認爲破骨細胞與成骨細胞爲共同的祖代來源，但自80年代初開始，認識到破骨細胞來源於單核吞噬細胞系統之外的骨髓生血細胞系統，爲獨立於骨髓幹細胞系統的一個細胞系。成骨細胞的功能是合成、分泌膠原與糖蛋白，形成骨基質；參與破骨細胞性骨吸收的調控作用；維持骨的代謝平衡。而破骨細胞是一個高度分化的多核大細胞，其主要功能爲吸收骨，成骨細胞受下列因數調節：轉化生長因數β(TGF-β)、1，25(OH)2D3、胰島素樣生長因數(IGF)、白細胞介素1(IL-I)、雌激素、腫瘤壞死因數α(TNFα)、骨形成蛋白(BMP)，骨吸收的主要調節因數有：降鈣素(CT)、甲狀旁腺激素(PTH)、前列腺素(PGs)、活性維生素D3(1，25(OH)2D3)、細胞因數、腫瘤壞死因數(TNFα、β)、干擾素(IF)、白細胞介素-18(IL-18)、白細胞介素-17(IL-17)。關鍵詞：成骨細胞破骨細胞前言骨質疏鬆症是骨吸收與骨形成之間的平衡被打破，骨吸收佔優勢而使骨量減少，成骨細胞和破骨細胞是骨組織特有的兩種細胞，在激素及細胞因數等作用下作用於骨，是骨代謝過程中的重要核心細胞。故對成骨及破骨細胞的研究，對於理解骨質疏鬆的發病及藥物的療效都具有重要意義。成骨細胞及破骨細胞的來源（一）成骨細胞的來源成骨細胞(OsteoblastOB)是骨形成過程中的重要功能細胞。成骨細胞的主要功能是分泌骨基質(包括膠原與糖蛋白)及進行合成。其分泌的膠原95％爲I型膠原蛋白(1)。此外還有少量的Ⅲ型、IV型及V型膠原，可見於小鼠、雞和人胚的成骨細胞。成骨細胞還參與破骨細胞性骨吸收的調節，兩者是骨代謝過程中的重要核心細胞。成骨細胞的起源，經大量研究現己公認：成骨細胞來源於末分化的多潛能幹細胞，這種幹細胞具有分化爲多種細胞類型的特徵，在各種調控因數的作用下，通過複雜的分子機制，間充質多潛能幹細胞可以分化爲成骨細胞、成纖維細胞、脂肪細胞以及肌細胞等。當成骨細胞的祖代細胞接近骨表面時，則演化爲具有分泌、合成膠原基質的成成骨細胞與破骨細胞的研究探討40骨細胞。當類骨質經過礦化過程以後，成骨細胞己進入分化的終末階段，其本身包埋於礦化的骨基質中成爲骨細胞。成骨細胞本身並不增殖，在體內無增殖能力。但是將成骨細胞進行體外培養，則具有分裂能力。被埋入礦化骨基質後的成骨細胞己成熟爲骨細胞，並成爲終末分化細胞。骨細胞以其身的許多胞漿突起，相互連接，傳遞資訊及進行物質交換。新形成的骨細胞具有一定的活性；逐漸老化的骨細胞則體積縮小，細胞核發生萎縮，失去活性，最終被骨吸收過程中的吞噬細胞消化、吸收。此外，來源於未分化的間充質中多潛能成骨細胞系中，還有一種類型細胞爲骨內襯細胞被覆於骨的表面，呈扁平狀、橢圓型胞核，無成骨及破骨功能。經研究認爲，這種帖附於骨表面的骨內襯細胞，參與了破骨細胞性骨吸收過程，並對骨代謝過程中的鈣、磷在細胞外液中的流動起了調控作用。由此可見成骨細胞處於功能活躍狀態時，分泌全盛骨基質，最終包埋於骨基質中；而無成骨功能的細胞，最終以骨內襯細胞形式被覆於骨的表面呈休止態。（二）破骨細胞的來源破骨細胞是高度分化的多核巨細胞，直接參與骨吸收，是骨組織吸收的主要功能細胞。破骨細胞的來源：由於長期以來對於破骨細胞(Osteoclast，OC)的來源問題一直不清楚，給研究工作帶來許多困難，因而對臨床各種骨疾患的診斷及其防治，也不可能進一步深入和提高。對於破骨細胞來源的認識，在二十世紀40-70年代，普遍應用的經典理論爲多潛能的骨源細胞學說，認爲破骨細胞是由骨源細胞融合而成。直至70年代中期還認爲OC與成骨細胞(OB)爲共同的祖代來源。這種觀點多年來一直是個疑問，不能被證實，現已被否定。自80年代初開始，提出了OC來源於骨外生血系統，自此又出現了三種不同觀點：1.OC源於單核吞噬細胞系統，即由單核細胞融合而成，這一觀點現已被否定。2.OC與單核吞噬細胞共同來源於骨髓生血系統的同一前身細胞，之後各自向不同方向分化。這一假說也被實驗研究所推翻。研究表明，由骨髓而來的單核細胞經培養之後，可以分化爲破骨細胞，但是末梢血中的單核細胞與腹腔中的單核巨噬細胞，經培養後並不能形成破骨細胞，而且前者與破骨細胞的細胞膜上有不同的表面抗原，這提示了破骨細胞與單核巨噬細胞兩者不是來自共同的祖代。3.OC來源於單核吞噬細胞系統之外的骨髓生血細胞系統，爲獨立於骨髓幹細胞系統的一個細胞系(2)。Walker曾採用患有硬化病的小鼠及正常小鼠進行了血循聯體實驗，結果患硬化病的小鼠恢復了正常。研究表明，破骨細胞胞漿中碳酸酣酶Ⅱ(CAⅡ)基因突變可以引起骨硬化症的發生。由此表明，破骨細胞是來源於正常鼠的骨髓生血系統。此外，在臨床上通過對患石骨症的患者移植整個胸腺、骨髓等，也取得了良好的療效。由此說明，破骨細胞的形成取決於血循中的細胞。OC在胚胎早期就己到達骨膜，再逐漸分化、融合爲破骨細胞，也就是說OC的前驅細胞是前破骨細胞(Proosteoclast)，它在胚胎期間己存在於骨的微環境中，到達骨膜後，由前破骨細胞分化、融合爲破骨細胞。OC在各個分化階段，具有特有的膜抗原和受體。到目前爲止，雖然OC的祖代正身還難以確定，但OC的前驅細胞是來自與單核吞噬細胞系統不同的骨髓幹細胞系，這一點己被公認。該觀點在80年代初，己被首先進行分離、培養破骨細胞的Chamber(1984年)所證實，即OC來源於骨髓林文彬41生血幹細胞。成骨細胞及破骨細胞的形態、結構與功能（一）成骨細胞的形態、結構與功能具有分泌、合成功能的功能態成骨細胞，爲排列呈一行的立方形或矮柱狀的細胞，彼此以細胞的胞漿突起相互連接，借助其新形成的類骨質與鈣化的骨面相接。由於功能態的成骨細胞主要功能是分泌前膠原分子、無定形的骨基質和酶，在電鏡下顯示出分泌細胞的特徵，含有豐富的粗面內質網，是大量合成蛋白的特徵。線粒體細長且數量增多，胞漿中游離的核蛋白體豐富。細胞核較大而圓，位於細胞的一端，具有單個明顯的核仁，核染色質呈網狀，多靠近核膜一側分佈，細胞漿內的微絲靠近胞膜側分佈，近年研究認爲這些微絲的結構與肌動蛋白的結構極爲相似，並能與肌球蛋白結合，故推測微絲的功能與肌動蛋白功能相似，有助於細胞的伸縮，與成骨細胞的收縮運動和移動相關。成骨細胞(3)爲立方形，約20微米直徑，其胞漿呈嗜鹼性，由於胞漿內含有大量的鹼性磷酸酶所致，與骨組織礦化密切相關。此外胞漿內還存在有大量的高爾基體，與膠原的加工和排除相關。類骨質礦化後，成骨細胞被包理於礦化的骨組織中，成爲骨細胞(4)，爲扁圓形、多突起的細胞，其體積比成骨細胞縮小，胞體位於骨陷窩內，其胞漿突起位於骨小管內，並借助于骨小管與相鄰的骨細胞連接。非功能態的成骨細胞位於骨組織的表面，爲扁平狀沿骨面排列呈一層，其胞漿內的細胞器較少，細胞處於無功能的靜止態，又稱其爲骨的內襯細胞，是成骨細胞的一種特殊狀態，可能參與破骨細胞性骨吸收的調控。成骨細胞的功能：成骨細胞的主要功能有以下三點：1.合成、分泌膠原與糖蛋白，形成骨基質骨基質的主要成分爲Ⅰ型膠原，由成骨細胞合成；並通過鹼性磷酸酶等多種酶介導入骨組織的礦化過程。2.參與破骨細胞性骨吸收的調控作用成骨細胞不僅與骨形成密切相關，而且在骨吸收過程中也起了相關重要的作用，直接與間接地參加了骨吸收的調控。成骨細胞又被認爲是調控骨吸收的中心細胞，通過各種因數的作用，致使成骨細胞變形離開骨面，由於骨面的暴露，遊走的破骨細胞才得以進入和附著骨面，開始了骨的吸收活動。同時成骨細胞作爲破骨細胞的輔助細胞，參與骨的吸收、分解。3.維持骨的代謝平衡骨的代謝及改建的主要功能細胞是成骨細胞與破骨細胞的協同作用，在多種細胞因數的調控下，通過複雜的分子機制完成骨代謝平衡。一旦這種骨的吸收與形成的平衡被破壞，則進入病態，從而引起了多種骨疾患的發生，並導致了骨代謝障礙。綜上所述，成骨細胞是來源於未分化間充質中的多潛能幹細胞，是由具有多種形態和功能特點的細胞亞群構成，參與了骨的吸收、形成及改建。成骨細胞與破骨細胞在多種細胞因數的調控下，通過複雜的分子機制，兩者協同維持了骨的代謝平衡活動。（二）破骨細胞的形態、結構與功能OC是沒有突起的多核大細胞(5)，直徑爲30～100um，有數十個甚至多達上百個細胞核，其胞核多呈圓形，核膜平整，染色質顆粒細小且分佈均勻，著色較淺，內有1～2個成骨細胞與破骨細胞的研究探討42核仁。幼稚的OC胞漿嗜鹼性，成熟後的OC胞漿嗜酸性，並隨著細胞的老化胞漿嗜酸性愈強。通常胞漿內有豐富的線粒體以及大量的溶酶體與游離的核糖體。破骨細胞的胞膜上有質子泵，其功能是分泌酸，主要是空泡型質子泵。此外OC含有極爲豐富的酸性磷酸酶(其同功酶爲TRAP)、溶酶體酶、6-甘油磷酸酶、8-葡萄糖醛酸酶、芳香基硫酸酯酶及組織蛋白酶等，存在於粗面內質網、高爾基複合體中。OC在骨吸收與骨的重建中起啓動作用，一旦OC附著于骨面形成了骨吸收的微小環境，即可通過分泌釋放酸及酶，導致骨的吸收；前者致使骨礦溶解，後者導致骨的膠原降解，從而引起骨的破壞。靜止狀態下OC無極性，只有在進行骨吸收功能狀態下才具有明顯的極性。超微結構觀察可以看到骨吸收時的OC呈現細胞的極化，可分爲以下四個部分：1.波狀緣(ruffledborder)又稱褶皺緣，在光鏡下亦稱紋狀緣(striatedborder)，爲OC附著骨面後，對著骨面進行骨吸收的特殊分化的細胞膜，由許多不規則的絨毛狀突起組成，可大大增加破骨細胞進行骨吸收的表面積，OC通過這些絨毛突起分泌酸與酶等多種生物活性物質，並攝取游離出來的骨鹽。據研究報道，一個OC可以溶解由100個成骨細胞形成的骨質。OC是可以移動的細胞，當在一個部位進行骨吸收之後，可以從該部位移動到另一個部位，再進行骨吸收活動。當OC離開骨的表面之後，其波狀緣消失，骨的吸收活動也就停止。2.空泡區(vesicularregion)，位於許多絨毛突起之間以及其下方的部位，由密集的空泡相互連接組成，空泡區存在各種酶，其功能主要是分泌、攝取以及消化細胞外被溶解的物質，是骨吸收時的重要組成部分。其中的碳酸酣酶(CarbonicAnhdrase，CA)在骨的吸收破壞中起極爲重要的作用，OC在局部分泌酸與蛋白酶進行骨吸收，其分泌的酸主要是通過二型碳酸酣酶(CAⅡ)將CO2溶於水形成H2CO3而産生的，對骨組織的脫礦及有機基質分解起了至關重要的作用。3.封鎖帶(sealingzone)又稱透明帶(clearzone)，其部位是在波狀緣的周圍，爲一環形的胞漿區，此處無細胞器，內含有大量微絲(如Vimentin等)、微管及肌動蛋白(F-Actin)，主要由均質的核糖體組成。其主要功能是把被吸收的骨質包圍、封閉，與外界隔絕，保證骨吸收時微小環境的PH值(約爲PH3-5)呈酸性環境，足以使骨組織脫礦、溶解。此外，封鎖帶還具有資訊傳遞功能，其中的微絲、微管、肌動蛋白都參與了細胞間的離子交換及資訊的傳遞作用。OC進行骨吸收時封鎖帶明顯增大，確保其封鎖功能的行使。一般情況下每次封閉2-10分鐘之後，隨著OC的移動及附著骨面，封鎖帶再繼續進行封閉骨吸收時所必要的微環境。OC通過封鎖帶緊貼骨面，是通過OC中的微絲進行收縮來行使其封鎖功能的。4.細胞基底部(basalpartofthecell)，爲不接近骨面的游離端。細胞核位於細胞的基底部位，其內含有豐富的高爾基體、線粒體等細胞器，圍繞每一個細胞核排列。OC中的許多酶存在於粗面內質網及高爾基體中，在OC進行骨吸收活動過程中，這些酶不斷向波狀緣方向移動，參與骨的吸收、破壞。破骨細胞的功能：骨吸收與破骨細胞相伴隨，骨吸收活動是OC在骨的微環境內進行的複雜分子生物學反應的過程。骨吸收時首先是OC分泌酸，致使骨組織脫礦，繼而通過分泌的多種酶將殘留的有機物分解。OC與胃壁細胞及腎尿管細胞有相類似的結構與膜抗原，都可以通過細胞膜外分泌酸，其質子泵相當於一個酸泵，不斷的分泌酸。是OC保證骨吸收的重要結構，通過分泌酸可直接