骨陷窝-小管结构改变对骨细胞流体动力学微环境的影响

目的探讨废用条件引起的骨陷窝-小管系统(lacunar-canalicular system,LCS)结构改变对力学刺激作用下骨细胞流体动力学微环境的影响。方法首先,以轴向加载的小鼠胫骨为对象,建立“整骨-单个骨细胞LCS”多尺度模型。然后,将整骨多孔弹性有限元模型计算得到的压力梯度等结果作为单个骨细胞LCS模型的边界条件,以计算骨细胞周围的流速和剪切应力。最后,采用实验设计(design of experiment,DOE)方法确定LCS结构参数(陷窝体积、陷窝形状与小管直径)对LCS内骨细胞流体动力学微环境的独立及交互影响。结果当陷窝体积、陷窝形状与小管直径分别从正常变为废用条件时,流速分别增加了5.3%、39.3%和37.0%。DOE结果显示,陷窝形状与小管直径对流速和剪切应力具有显著影响(P<0.05),且贡献比为0.38∶0.62,而陷窝体积以及各参数交互作用影响不显著。结论废用条件致陷窝形状和小管直径的改变是影响力学刺激作用下LCS内骨细胞流体动力学微环境的主要因素。通过合理的运动方式有望防治太空失重等带来的废用性骨丢失。

骨陷窝-微管代谢和生理功能的研究应用与进展

背景:个体在进行生理活动时,可以引起骨细胞周围间隙内液体的流动,这种液体流动对骨细胞代谢和发挥机械信号转导功能十分重要。目的:总结近年来关于骨结构和生理功能的研究进展,进一步阐明生理性负荷影响骨组织的机制。方法:应用计算机检索Pub Med数据库检索2009年1月至2015年12月关于骨微结构,骨代谢和骨细胞机械信号转导相关的文章,检索词为"osteocyte;mechanical load,permeability,lacunarcanalicularsystem,interstitialfluid flow,mechanotransduction,signaling pathways",通过对资料初审,排除较旧或者研究方法错误的文献报道,共搜集到符合纳入标准的文献40篇。结果与结论:骨组织可以迅速适应机械环境的变化,保证在骨功能性活动区有足够的骨量,即通过感受受力状态的改变,调节骨的吸收和形成,这和骨细胞的生理特点密切相关。骨细胞位于矿化的骨基质中,周围独特的微环境使其可以感受个体生理性活动产生的机械刺激,并将这种机械信号转化为化学信号进而调节骨的吸收或形成。当生理性机械负荷作用于骨组织时,会引起骨陷窝-微管系统内液体流动,即压力诱导性液体流动,这种液体运动通过2种机制影响骨细胞:调节骨细胞代谢,参与骨细胞机械信号转导过程。总之,生理性的机械负荷对于维持骨健康和调节骨适应有重要意义。

对骨细胞生物学功能的最新认识

骨细胞长久以来都被看作是一种终末分化的、代谢惰性的、深埋在骨基质之中的占位细胞,并不具有重要的生理作用和功能。然而近些年的研究发现,骨细胞是一种活跃的多功能细胞,参与机体诸多生物学过程的调控。骨细胞的生物学功能可以大致归纳为以下六类:调节骨重建平衡、感知和转导力学刺激、参与机体的神经–内分泌调节、与肌肉组织有密切的相互作用、降解与合成骨基质及调控骨组织内储存的钙和其他生物活性物质。