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骨骼與身體的“對話”

2024-02-21 19:49方陵生
科學24小時 2024年2期
關鍵詞:瘦素對話骨細胞

方陵生

骨骼讓我們能夠直立行走,并保護我們的內臟不受損傷。同時,骨骼也讓我們能夠隨意自如地活動四肢,強健的骨骼還能防止我們跌倒。

年少時,骨骼與我們一起成長。年幼時,我們若不小心摔倒骨折,很快就會愈合。但當我們漸漸變老,骨骼也會變得松脆。此時,我們若是不慎跌倒,骨骼就有可能會斷裂,甚至需要通過置換人工關節來恢復活動能力。如果骨骼只是起著支撐作用的身體結構,那么它為我們做到以上這些也就足夠了不起了。

事實上,骨骼對于我們的身體健康還起著普通人不了解的更多作用。例如,骨骼可為鈣和磷提供一個方便的儲存場所。鈣和磷是神經和細胞正常工作必不可少的礦物質。每天,在骨骼海綿狀的內部結構——骨髓里面,還會產生數千億個血液細胞,以及組成軟骨和脂肪的其他細胞。

當然,骨骼所起的作用還遠不止于此。過去幾十年里,科學家們有了令人驚奇的新發現:骨骼還參與了與其他身體部位溝通的復雜的化學“對話”,它的“對話”對象包括腎臟、大腦、脂肪和肌肉組織,甚至還包括生活在人體腸胃里的微生物。

這一發現著實令人驚訝!骨細胞如何向其他器官發送信號、如何理解和回應來自身體其他部位的分子信息,這些疑問仍需進一步破譯。但科學家已經開始思考,如何利用骨骼與身體的“對話”開發新的治療方法,來保護和增強骨骼。

骨骼是一種獨特的機體組織,它不僅包含可構建堅硬基質使骨骼具有強度的細胞,同時還包含分解基質的細胞,使骨骼在人體生長期可重塑自我,并在一生中擁有自我修復的能力。構建骨骼的細胞被稱為“成骨細胞”,而分解骨骼的細胞則被稱為“破骨細胞”。如果兩種細胞數量失衡,就會導致骨質太多或太少。如骨質疏松癥是一種因骨質減少造成骨骼變脆的病癥,主要是新骨質合成的速度跟不上老骨質降解的速度而導致的。

除了成骨細胞和破骨細胞,骨骼還含有另一種細胞類型,叫作“骨細胞”。骨細胞占所有骨骼細胞的90% 以上。對骨細胞的研究,始于大約20 年前一位名為琳達· 伯恩瓦爾德的細胞生物學家。當時,有同事勸告琳達不要將時間浪費在對骨細胞的研究上。因為當時人們普遍認為,骨細胞所發揮的作用很小,只是用來感知機械力,調節骨骼重塑而已。

但琳達并沒有因此而放棄。骨細胞確實能感知機械負荷,但它們所起的作用遠不止這些。最近,她在《生理學年度評論》上發表的文章中,詳細闡述了骨細胞對腎臟、胰腺和肌肉的重要性。

琳達關于骨細胞與其他器官交流最早的一個發現是,骨細胞會產生一種名為“FGF23”的生長因子,這種生長因子通過血流抵達腎臟。如果身體里FGF23 過多(如軟骨癥患者),那么腎臟就會向尿液中釋放更多的磷,身體里這種必需礦物質會越來越少,由此產生的癥狀包括骨骼軟化、肌無力或僵硬,以及牙齒問題等。

在琳達潛心研究骨細胞的同一時期,生理學家杰拉德· 卡爾桑蒂也開始了對骨骼重塑和能量代謝之間潛在關系的研究。杰拉德研究發現,脂肪細胞會產生一種叫作“瘦素”的激素,瘦素會在骨骼重塑和能量代謝這兩種生物過程中起作用。老鼠動物實驗證明,瘦素可抑制骨骼重塑。食物匱乏時,瘦素可抑制早期骨骼生長和食欲,為維持日常功能節省身體能量。

杰拉德的研究小組對由于基因突變而缺乏脂肪細胞和瘦素的幾名兒童的手骨和腕骨進行X 光檢查后發現,這些兒童的骨骼都比他們的實際年齡大幾個月甚至幾年。顯然,沒有瘦素的抑制作用,骨骼會加速生長。這是骨骼會“傾聽”其他人體器官“信息”的一個例子。杰拉德還提出,骨骼對于身體的能量使用也會產生影響。他發現,缺乏骨鈣素的老鼠在調節血糖水平方面存在困難,骨鈣素是由成骨細胞產生的一種蛋白質。

進一步的研究發現了骨鈣素與身體溝通之后發揮的多種作用,如通過影響性激素的產生促進男性的生育能力,通過改變大腦中神經遞質水平改善學習和記憶能力,在運動中增強肌肉功能,以及參與骨骼與身體的其他“對話”活動。

杰拉德認為,骨骼與身體其他部位有著如此密切的關系,這可能與早期脊椎動物為生存而進化出的應激反應有關。骨鈣素使得早期的脊椎動物,無論是雄性還是雌性,都能通過睪酮和肌肉的作用來提高能量水平,在發現天敵時及時作出反應,如逃跑,或產生規避危險和威脅的記憶等。由此可得出結論,骨骼可定義為在生理上能感知危險的一種身體器官。

目前,骨鈣素對危險反應的假說仍存在一些爭議。但無論是否真如杰拉德提出的“骨鈣素在脊椎動物進化中發揮了重要作用”,這些發現都使科學家對骨骼與人體其他部位的溝通方式產生了極大的興趣。

在人體運動中,骨骼和肌肉通常協同工作,人們早已知曉它們之間的相互作用。當肌肉“拉動”骨骼,肌肉力量變強時,骨骼也會對這種增加的物理拉力作出反應,變得更強,以適應身體的需求,使肌肉和骨骼可以更有效地協同工作。

在骨骼與肌肉協同工作的過程中,一場化學“對話”也正在進行。例如,骨骼肌細胞會產生一種叫作“肌肉生長抑制素”的蛋白質,以防止骨骼肌細胞過量增長。在老鼠動物實驗以及對人體的觀察后發現,肌肉生長抑制素還能控制骨量。

此外,在運動鍛煉過程中,肌肉產生的一種BAIBA 分子會影響脂肪和胰島素對能量消耗增加的反應。BAIBA 是運動中由肌肉產生的一種代謝物,參與了運動對代謝紊亂的有益調節作用。研究發現,BAIBA 可以保護骨細胞免遭細胞代謝的危險副產物——活性氧(一類高度活性的氧化物,包括自由基、過氧化物等)的侵害。實驗表明,給患有骨骼和肌肉萎縮癥的幼鼠提供額外的BAIBA,有益于骨骼和肌肉的健康。此外,研究還發現,另一種隨運動量增多而增加的肌肉分子——鳶尾素,也有助于骨細胞保持活力,促進骨骼重塑。

當然,骨骼與肌肉的這種“對話”并不是單向的,作為回報,骨細胞會定期產生促進肌肉生長的前列腺素E2。當感受到來自肌肉的拉力增加時,骨細胞會促進這種分子信使的產生。

骨骼與腸道的“對話”同樣也引發了研究人員極大的關注與興趣。人體內擁有大量的微生物,就如同人體器官一樣發揮著不可替代的作用。腸道微生物群幫助消化食物,防止有害細菌滋生,并與包括骨骼在內的其他人體器官交流。

美國康奈爾大學生物力學專家克里斯托弗· 埃爾南德斯指出,骨骼與腸道微生物群的“對話”似乎是單向的,迄今尚無人觀察到骨骼向腸道微生物群發送信息,但骨骼可以從腸道微生物群那兒獲得很多有用的信息。假如某人嚴重食物中毒,需要身體發動所有資源來抵抗感染,當然,骨骼也不能例外,此時,合成骨質、構建骨骼的任務就會暫時擱置。

發現骨骼與腸道微生物群之間“對話”的第一個線索來自2012年的一項研究,實驗對象是在無菌環境中長大的老鼠。這些老鼠的體內破骨細胞較少,因此骨量更高,如在短期內給老鼠補充腸道微生物可使骨量恢復正常。

“腸道微生物對骨骼的影響”這一發現不僅令科學家們十分驚訝,而且促使他們開始探索骨細胞和腸道微生物之間許多復雜的“對話”,以及這些“對話”對人體整體健康的影響。

最令人興奮的是,骨骼與身體其他部位之間的“對話”為開發具有創造性的治療方案開辟了新的途徑。例如,通過藥物作用于人體的不同部位來促進骨骼健康。

對于患有骨質疏松癥的患者來說,盡管現有的一些藥物可以減緩骨質分解,還有一些藥物可以加速骨質形成,但這些藥物可能都有副作用,其效果幾乎也未能達到預期。腸道微生物可能是一個很好的切入點。含有益生菌和其他微生物的食物,如發酵牛奶等,可以幫助人體建立健康的腸道微生物群。有研究小組發現,一種特殊的益生菌——羅伊氏乳桿菌,可以保護老鼠避免抗生素治療后出現的骨質流失。一組絕經后婦女(最易患骨質疏松癥的人群)嘗試了三種乳酸桿菌組合,接受治療的女性在為期一年的研究中沒有出現骨質流失,而安慰劑對照組女性則有骨質流失現象的出現。

隨著骨骼老化,產生炎癥的衰老骨細胞會積累起來,炎癥反過來影響骨骼的形成和分解,導致骨質疏松。動物研究發現,抗生素讓骨骼變脆易碎,這是因為抗生素會對腸道微生物產生影響,進而干擾腸道微生物與骨骼的正常溝通。比如,腸道細菌制造以及輸送至肝臟和腎臟的維生素K 都會隨之減少。顯然,腸道微生物與骨骼健康息息相關。

關于骨骼和身體其他部位之間的“對話”,科學家們需要了解的還有很多。隨著時間的推移,骨骼研究可能會帶來更多的治療方法,不僅可以保持骨骼健康,還可以讓與骨骼“對話”的人體其他部位更加健康和強壯。

目前的研究已經清晰的是,骨骼不僅是身體的機械支撐,而且與人體的其他部位保持著持續不斷的溝通和交流。骨骼對于人體整體有著廣泛的影響,在機體組織日常運行的幕后,默默地發揮著重要的作用。

有鑒于此,下次當你享用一杯酸奶時,或者在鍛煉身體時,甚至在排空膀胱的時候,一定不要忘記在幕后默默無聞付出的骨骼。我們要感謝骨骼的付出,感謝它能夠對微生物信號作出反應,感謝它與肌肉之間的“對話”,還要感謝它為防止身體里的磷減少和流失做出的貢獻。

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