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肌肉和骨骼的相互调节

泰然健康网
2024-11-26 21:32

肌肉和骨骼作为运动系统的两大重要组成部分，不仅具有运动及内脏保护功能，同时也兼备内分泌与代谢调节等重要功能[1-4]。肌肉与骨骼间存在密切联系，并相互调节，任何一方的结构、功能改变均会影响另一方的结构与功能，其相互影响机制包括力学作用和化学调节。因此，维护肌肉健康不仅能增强肌力，还能减少骨量丢失，改善骨强度；同样，维护骨骼健康也能进一步提高肌肉量和肌肉强度，改善人体平衡能力，降低跌倒风险，减少骨折发生。

肌肉组织起源于中胚层和外胚层的间充质干细胞，在体内或体外因素的作用下，间充质干细胞分化为脂肪、软骨、骨骼、肌肉、神经等多种组织细胞。由于发育上的同源性，肌肉、骨骼细胞之间存在着某种内在联系。它们在解剖上彼此相邻更有利于它们在力学信号及化学信息方面的沟通。一方面骨骼供肌肉附着，作为肌肉运动的杠杆支持肌肉，以此提高肌肉的强度，而肌肉的收缩也同时影响骨骼结构，有助于骨骼强度的增加；另一方面骨骼和肌肉还能通过化学信息的传递影响对方的功能。与脂肪含量相比，肌肉含量与骨量的关系更为密切，肌肉含量不仅与骨矿物质含量相关，还与骨强度密切相关。

Ferreti等[5]用双能X线吸收仪对778名正常儿童和青少年的骨矿物质含量和去脂体质量以及体脂含量进行测量分析，结果发现去脂体质量与骨矿物质含量的关系比体脂与骨矿物质含量的关系更为密切，去脂体质量越高，骨矿物质含量也越高。Bogl等[6]对57名同卵双生和92名同性别异卵双生成人的骨矿物质含量和去脂体质量以及体脂含量的关系进行了类似分析，得出与Ferreti等[5]研究完全相同的结果，证实肌肉含量与骨矿物质含量之间的密切关系。由于骨强度比骨矿物质含量更能反映骨的生物(力学)学特性，Jackowski等[7]对成年人的去脂体质量与骨强度之间的关系进行了研究，发现成年人去脂体质量与骨强度呈正相关关系。

上述研究表明，肌肉与骨骼存在着密切的关系，互相影响着对方的结构和功能，但究竟是通过何种机制实现这种相互间的调节目前还不完全清楚，是研究的热点，受到广泛关注，以下将通过肌肉与骨骼所受到的全身性共同调节，以及肌肉与骨骼间局部相互调节进行阐述。

全身因素共同调节肌肉和骨骼

肌肉和骨骼作为运动系统的两大重要组成部分，共同受机体多种因素的调节[2-4]。在生长发育中肌量与骨量密切相关[8]，肌肉生长略快于骨骼，提示在成长期肌肉生长会促进骨量积累。老年期肌量和骨量也呈密切正相关。全身调节因素共同影响肌肉和骨骼的主要证据：

由于成肌细胞和成骨细胞共同来源于多能间充质干细胞，因此肌肉和骨骼可受到某些共同遗传因素的调控。全基因组关联分析研究(Genome-Wide Association Study，GWAS)提示 myostatin、a-actinin 3、 proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha (PGC-1a)、myocyte enhancer factor 2 C (MEF-2C)、GLYAT 和METTL21C等编码基因同时与肌少症和骨质疏松症密切相关[9]。

相关的内分泌因子会同时影响肌肉和骨骼。老年人群中维生素D缺乏与肌少症和骨质疏松症的发生有关；GH/IGF-1 轴对骨骼和肌肉产生共同调节，运动后IGF-1 水平升高可能是运动对肌肉和骨骼正性作用所致。男性雄激素剥夺治疗和女性绝经后出现的肌量丢失和骨量减少，均表明性激素对肌肉及骨骼的重要调节作用。

某些疾病状态同时累及肌肉和骨骼。皮质醇增多症患者会同时发生肌少症和骨质疏松症；糖尿病患者的代谢异常，特别是糖基化终末产物的堆积，明显增加肌少症和骨折风险；慢性炎性反应，如类风湿性关节炎和炎性肠病，会同时引起肌少症和骨质疏松症。

老年人营养缺乏普遍存在，营养不良时肌少症和骨质疏松症也可同时出现。

力学刺激同时影响肌肉和骨骼，既直接刺激成肌细胞和成骨细胞的分化，又分别诱发肌肉和骨骼释放多种生物活性因子来相互调节。

肌肉对骨骼的调节

肌肉通过力学作用和化学调节对骨骼产生不同的影响。力学作用主要是通过肌肉收缩，对骨骼产生应力作用，促进骨骼生长发育，使骨密度和骨强度增加。而化学调节主要是指肌肉产生的化学物质，通过旁分泌机制作用于间充质细胞、成骨细胞、破骨细胞及骨细胞，从而促进骨形成和/或抑制骨吸收。相比之下，力学作用的证据比较充分，被广泛接受，而化学调节涉及多种内分泌激素、肌细胞因子、炎性因子、骨细胞及成骨细胞分泌的细胞因子等，同时与细胞的能量代谢有关，相关细节有待进一步深入研究。

Rauch等[10]观察了138名青春发育期少年，发现青春期男孩和女孩去脂体质量的增加较骨矿物质含量增加分别早0.51和0.36年，提示肌肉的发育早于骨骼的发育，推测肌肉的发育很可能对骨骼的发育有促进作用。Gomez等[11]研究提示，MyoD和Myf5敲除后的小鼠由于缺乏骨骼肌，小鼠胚胎在母体子宫内无自主活动能力，出生后不能存活，这种小鼠还表现出骨骼矿化不良，新生骨中的破骨细胞数量增多，表示肌肉可能促进骨骼的发育。由于骨骼作为肌肉附着的杠杆，力学作用的研究一直是关注的重点，Manske等[12]对动物注射肉毒杆菌后发现，注射肉毒杆菌毒素虽然只是短暂扰乱动物的行走步态，但导致的肌肉萎缩和骨量丢失却持续存在，说明肌肉含量的正常可能有助于正常骨量的维持。Lam等[13]研究发现，刺激肌肉收缩能预防肢体悬吊失重动物骨量丢失的发生，提示肌肉收缩在一定程度上能阻止骨量丢失，这正是肌肉通过力学作用对骨骼产生影响的结果。有研究发现肌肉可能通过化学物质作用于骨骼，从而对骨骼产生正面的影响，Kaufman等[14]观察到，当动物骨折处的骨骼与局部肌肉被硝酸纤维膜隔开后，骨折的愈合速度明显减慢，且硝酸纤维膜微孔的孔径越小，骨折愈合的速度也越慢，提示肌肉可能通过输送某些化学物质到骨骼，从而影响骨骼修复，至于是通过何种化学物质影响骨骼，目前尚不清楚。Banu等[15]发现肌肉组织中IGF-1过表达的小鼠比野生型小鼠肌肉含量明显增加，同时长骨骨骼增粗、增长，且长骨皮质骨厚度和面积、皮质骨矿物质含量和密度均相应增加，虽然这项结果提示肌肉组织产生的IGF-1可能对骨骼的发育有促进作用，但不排除是肌肉组织中的IGF-1通过提高肌肉质量、强度促进了骨骼的发育。也就是说，肌肉组织产生的IGF-1对骨骼发育的促进作用可能是直接作用，也可能是通过改善肌力后的间接作用。肌生成抑制素(myostatin)主要在骨骼肌组织中表达，其主要功能为抑制肌肉的生长和再生。Dankbar等[16]发现，肌生成抑制素基因敲除能显著增加小鼠肌肉含量及肌肉强度，同时抑制TNF-α诱导的破骨细胞分化，表明肌生成抑制素对破骨细胞的分化有促进作用。同样，究竟肌生成抑制素对骨骼有直接作用，还是通过影响肌力对骨骼起间接作用，需要进一步研究。

骨骼对肌肉的调节

与肌肉对骨骼的作用相似，骨骼也可能通过力学作用和化学调节对肌肉产生影响，与肌肉对骨骼的作用相似，骨骼对肌肉的作用究竟是通过机械应力还是化学因子起作用，目前还难以明确，有待于进一步研究。

软骨细胞和成骨细胞分泌的一种信号分子Indian Hedgehog (Ihh)可能对肌肉的生长也有促进作用。Bren-Mattison等[17]发现，骨骼特异性信号蛋白Ihh敲除的动物在胚胎期就出现肢体肌肉明显缩小，且骨骼肌组织中的成肌细胞凋亡增加，p21表达水平下降，并且异位组织表达Ihh后，可使肌肉含量恢复正常，说明骨骼中的Ihh能直接促进肌肉的生长。Shen等[18]首次在体内实验证明骨组织分泌的活性分子可靶向作用于肌肉。他们的研究发现，骨特异性因子羧基化骨钙素(Glu-OC)可部分修复功能受损的肌肉。小鼠骨骼成骨细胞和骨细胞特异性敲除间隙连接蛋白Connexin43后，小鼠的皮质骨变薄、密度减低，并同时伴有肌量的减少和肌肉强度的降低，表明骨骼细胞中的Connexin43可直接参与肌肉生长和功能的调控。先前有研究认为Connexin43有阻止成骨细胞和骨细胞凋亡的功能[19]。Borsheim等[20]观察到，使用抑制破骨细胞活性的帕米膦酸二钠能预防严重烧伤儿童的肌肉萎缩，提示骨骼可能有维持肌量的作用。

总之，骨骼与肌肉不仅有共同的起源，在解剖位置上相互依存，而且在结构与功能上彼此调节，密不可分。骨骼与肌肉的紧密联系，不仅与其相互作用的力学机制相关，还与彼此间存在着复杂而精密的内分泌调节及某些共通分子信号通路有关。骨骼与肌肉间究竟是如何通过机械应力和生物活性因子相互调节，实现彼此在发育、稳态维持及功能行使过程中的协同关系，有待进一步的深入研究。