综述：非编码RNA介导机械负荷调控骨代谢稳态

本综述系统阐述了非编码RNA（ncRNA）在骨组织机械信号转导中的核心作用。文章详细解析了microRNA（miRNA）、长链非编码RNA（lncRNA）和环状RNA（circRNA）如何响应流体剪切力（FSS）、拉伸应力、压缩力等多种机械刺激，通过调控TGF-β、Wnt/β-catenin、BMP等关键信号通路，影响成骨细胞、破骨细胞及骨细胞的活性，进而维持骨代谢稳态。文章不仅揭示了机械敏感性ncRNAs在生理性负荷（如跑步、振动）促进骨形成以及废用性负荷（如后肢卸载、卧床）导致骨丢失中的分子机制，还为骨质疏松（OP）、骨关节炎（OA）等骨骼疾病的防治提供了新的潜在治疗靶点和策略，具有重要的理论价值和临床转化前景。

　　

骨骼作为一个高度活跃的器官，其持续的改建和再生依赖于动态的机械刺激。机械转导是将机械力转化为生化信号的调控过程，在维持骨代谢稳态中扮演着关键角色。近年来，研究表明非编码RNA（ncRNAs）在介导机械负荷调控骨代谢中发挥着核心作用。

非编码RNA概述

ncRNAs是指不编码蛋白质的RNA分子。根据结构和功能，可分为结构性和调控性ncRNAs。本综述重点关注调控性ncRNAs，尤其是microRNAs（miRNAs）、长链非编码RNA（lncRNAs）和环状RNA（circRNAs）在机械调控骨代谢稳态中的功能作用。miRNAs是长约22个核苷酸的内源性RNA，通过与mRNA的3‘非编码区（3’UTR）碱基配对来调控基因表达。lncRNAs是长度超过200个核苷酸的转录本，不翻译成蛋白质。circRNAs则由mRNA或lncRNA外显子反向剪接形成，具有闭合环状结构，性质更稳定。根据竞争性内源RNA（ceRNA）机制，lncRNAs和circRNAs可作为miRNA海绵，通过共享的miRNA结合位点隔离miRNA，阻止其与靶mRNA结合，从而影响一系列生物学过程。

ncRNA调控骨改建

ncRNAs约占人类基因组的98%，已成为骨改建的重要调控因子，精细协调成骨分化与破骨细胞介导的骨吸收。尽管机械转导是将物理刺激转化为生化反应的过程，但其涉及的分子机制及其全部范围尚不完全清楚。与传统信号枢纽不同，多个ncRNAs可能同时介导一种或多种机械刺激来完成相同的指令。

非编码RNA介导机械负荷调控骨代谢

体外研究：流体剪切力

在骨骼中，宏观机械力导致组织变形，驱动组织间液流经骨小管网络，这些液体的流动在狭窄的孔道壁上产生剪切应力，从而影响细胞周围的生物微环境。因此，流体剪切应力（FSS）是骨骼中最常见的机械刺激形式。

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  FSS通过ncRNA调控骨细胞：骨细胞占骨细胞总数的95%，是机械转导机制的重要组成部分。研究发现，FSS（10 dyn/cm²）处理OCY454骨样细胞可激活TGF-β信号通路，并显著抑制miR-100的表达。这种抑制足以刺激成骨标志物的增加。研究表明，miR-100通过降低Wnt受体表达来拮抗骨细胞中的Wnt信号，从而介导流体剪切应力诱导的成骨分化。
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  FSS通过ncRNAs调控成骨细胞：研究发现，FSS（12 dyn/cm²）作用于MC3T3-E1细胞，可促进肌动蛋白应力纤维的形成和重排，并促进成骨分化过程。多种miRNAs，如miR-19b, -20a, -21等在FSS后显著下调，可能激活了FSS诱导的前成骨细胞分化。例如，miR-20a通过直接抑制靶基因BAMBI和SMAD6来激活BMP2信号通路，促进成骨细胞分化。此外，lncRNA TUG1在FSS诱导下时间依赖性增加，通过海绵吸附miR-34a靶向FGFR1通路，促进成骨细胞增殖并抑制凋亡。

体外研究：拉伸应力/张力

机械拉伸应力是物体内部抵抗外力引起变形的内力，对于骨骼的正常功能至关重要。

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  拉伸应力通过ncRNA调控骨细胞和成骨细胞：对MC3T3-E1细胞施加机械拉伸应变（0.5 Hz, 2500 με），发现8小时的拉伸最有利于促进成骨分化。在骨细胞中，拉伸抑制miR-29b-3p的表达，负向调控其靶基因胰岛素样生长因子IGF-1。经拉伸处理的骨细胞条件培养基可促进MC3T3-E1细胞的成骨分化，而过表达miR-29b-3p则通过降低条件培养基中的IGF-1水平抑制成骨分化，表明两者间的交互对话通过机械敏感性miRNAs调控骨细胞IGF-1分泌，从而指导成骨细胞分化。
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  拉伸应力通过ncRNA调控间充质干细胞：对人骨髓间充质干细胞（hBMSC）进行每日机械拉伸（10%，0.5 Hz），发现机械敏感性lncRNA H19和miR-138分别介导hBMSC的成骨分化。lncRNA H19作为ceRNA与miR-138结合，并靶向PTK2（编码黏着斑激酶FAK）。在机械拉伸条件下，敲低lncRNA H19会放松其对miR-138的内源性竞争，抑制FAK表达。
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  病理状态下拉伸应力通过ncRNA调控骨代谢：适当的短期刺激可增加软骨细胞外基质的合成，而过度负荷则降解细胞外基质并诱导软骨终板退变。研究发现，circRNA 0058097通过海绵吸附miR-365a-5p促进张力诱导的软骨退变。而过表达circ FADS2则通过竞争miR-4726-5p上调其靶基因TGF-β3，改善过度张力诱导的椎间盘退变。

体外研究：压缩力和静水压力

压缩力是物体承受的压力，而静水压力是软骨细胞感知的主要负荷刺激。

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  压缩力通过ncRNA调控成骨细胞：研究发现，压缩力（3.0 g/cm²）可增加成骨细胞MC3T3-E1中miR-494-3p的水平，而抑制细胞增殖则归因于miR-494-3p直接靶向成纤维细胞生长因子受体2（FGFR2）和Rho关联卷曲螺旋激酶1（ROCK1）的表达降低。
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  静水压力通过ncRNA调控软骨细胞：模拟正常步态时膝关节压力（5 MPa）的循环静水压力作用于骨关节炎（OA）患者的软骨细胞，可显著增加miR-27a/b, miR-140, miR-146a的表达水平，并通过抑制其靶基因激活Wnt/β-catenin通路。适度的静水压力诱导通过恢复某些miRNA水平在OA细胞中发挥积极作用。然而，高连续静水压力（24 MPa）会逆转miR-155和miR-181a的表达。过度机械压力会损伤软骨细胞外基质并改变软骨细胞平衡。

体内研究：跑台训练和跑步运动

规律运动作为一种非药物策略，对骨骼健康有促进作用。

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  8周跑台训练可增加小鼠股骨的机械强度，促进骨组织成熟，并鉴定出与体外骨细胞中差异表达miRNAs趋势相似的8个miRNAs，可能在调控骨代谢中起重要作用。
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  运动可增加年轻小鼠的骨形成率并抑制miR-138-5p水平。相反，在miR-138转基因小鼠中这些现象不显著，表明骨中高水平的miR-138-5p剥夺了其对机械负荷的反应能力。
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  中等强度跑台运动可通过增加lncRNA H19的表达并激活Wnt/β-catenin通路，减轻去卵巢引起的骨丢失。
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  对参加半程马拉松的男性志愿者血清分析发现，血清干预促进了成骨分化相关miRNA（如miR-21-5p）的表达，同时抑制了成脂分化相关miRNA（miR-188-5p）。miR-21-5p通过靶向PTEN和SMAD7激活AKT和SMAD通路促进成骨分化。

体内研究：振动和抗阻运动

全身振动，特别是低振幅高频振动，是预防和治疗骨质疏松的非药理学方法。

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  低振幅振动（0.3g, 90 Hz）可诱导老年大鼠原代骨髓间充质干细胞（BMSCs）的成骨分化，从而改善年龄相关性骨丢失大鼠模型的骨密度和成骨标志物表达。其机制是通过上调miR-378a-3p，靶向并抑制生长因子受体结合蛋白2（Grb2）来实现的。
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  然而，在老年女性中，急性高强度抗阻运动或长期抗阻训练后，骨密度、骨转换标志物或血清miR-133和miR-206水平均未显示显著差异，可能与年龄相关的骨骼对机械负荷反应阈值升高有关。

非编码RNA介导机械卸载调控骨代谢

啮齿类动物：后肢卸载和模拟微重力

机械卸载会导致严重的废用性骨质疏松。

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  后肢卸载（HU）模型是模拟太空骨负重解除的常用方法。研究发现，悬吊28天后，小鼠骨组织中miR-103a表达上调。机械卸载诱导的骨丢失可通过抑制miR-103a处理得到部分抵消。
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  miR-132-3p在悬吊3周后的大鼠骨组织以及体外模拟失重的原代大鼠成骨细胞中均显著上调，并与成骨分化负相关。其直接靶点是E1A结合蛋白p300（Ep300），这是Runx2活性和稳定性所必需的组蛋白乙酰转移酶。靶向抑制miR-132-3p可通过促进成骨分化有效保护HU小鼠的骨量、微结构和强度。
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  卸载4周后重新负重2周，小鼠骨中升高的miR-138-5p水平在卸载期间显著增加，而在重新负重期间部分恢复。其通过靶向微管-肌动蛋白交联因子1（MACF1）和SIRT1来调控成骨细胞分化、增殖和凋亡。
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  lncRNA ODSM和lncRNA OGRU在悬吊小鼠股骨和体外卸载的MC3T3-E1细胞中表达显著降低。作为ceRNA，lncRNA OGRU通过miR-320-3p/Hoxa10轴促进后者的蛋白表达，从而在体内外负荷条件下促进成骨细胞活性和基质矿化。靶向递送这些lncRNAs可有效缓解后肢悬吊诱导的骨丢失。

人类：卧床休息

长期严格卧床休息会导致明显的骨丢失。

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  对年轻男性进行45天头低位卧床休息（-6°）研究发现，与基线相比，卧床个体11种循环miRNAs水平显著降低。恢复10天后，志愿者血浆中三种miRNAs（miR-103, 130a和1234）水平显著升高。循环miR-1234可能与卧床休息诱导的骨丢失相关。
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  在长期卧床调查中发现，卧床男性骨标本中miR-138-5p的表达随着卧床时间的延长而增加，而成骨标志基因表达和骨密度（T值）则与活动量呈负相关。

讨论与展望

尽管ncRNAs在机械负荷调控骨代谢中的作用已被广泛揭示，但该领域仍存在一些局限性。ncRNAs在机械传导中表现出显著的多功能性和复杂性，其表达和功能高度依赖于特定的细胞微环境和机械背景。当前研究中机械刺激参数的标准化问题突出，不同加载模式的参数标准差异巨大，难以确定真正的“生理性”和“非生理性”机械刺激阈值。不同细胞类型对机械刺激的敏感性存在固有差异，且缺乏对不同细胞间机械信号对话的系统研究。

未来需要借助多组学技术构建更全面的机械生物学调控图谱。虽然ncRNAs治疗策略在动物模型中显示出巨大潜力，但其临床转化仍面临递送效率、组织靶向性和长期安全性等严峻挑战。开发高效的骨靶向递送系统将是提高治疗精准性和可行性的重要研究方向。随着研究的深入，相信未来会有更多具有机械敏感性的ncRNAs被揭示，这将为ncRNA介导的机械负荷在骨生物学领域的应用提供理论基础，并为解决临床骨骼疾病提供潜在的治疗策略。