徐軼爾 孫貴才 于雪峰 孫冠男 王萌影 鄭春雨 白建海

1. 哈藥集團(tuán)藥物研究院，黑龍江 哈爾濱 150000 2. 南昌大學(xué)第四附屬醫(yī)院，江西 南昌 330003 3. 哈爾濱市道外區(qū)人民醫(yī)院，黑龍江 哈爾濱 150020 4. 黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040 5. 唐山市眼科醫(yī)院，河北 唐山 063000

1 骨質(zhì)疏松癥發(fā)病機(jī)理

在哺乳動(dòng)物整個(gè)生命周期中骨骼的不斷更新過(guò)程稱為骨重塑，在這個(gè)過(guò)程中，既包括破骨細(xì)胞骨吸收過(guò)程也包括成骨細(xì)胞骨再生過(guò)程[1]。骨細(xì)胞(成骨細(xì)胞被自身分泌的骨基質(zhì)包圍)在骨重建過(guò)程中引導(dǎo)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞粘附，通過(guò)產(chǎn)生和分泌關(guān)鍵調(diào)控因子來(lái)調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞增殖和破骨細(xì)胞的分化[2,3]。生理?xiàng)l件下，骨的吸收和形成處于平衡狀態(tài)，成骨細(xì)胞增殖和破骨細(xì)胞骨吸收達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。隨著年齡的增長(zhǎng)，骨的吸收和形成之間的平衡被破壞，骨骼機(jī)械強(qiáng)度漸進(jìn)性減弱，骨量下降，這主要是因?yàn)楣墙M織內(nèi)微結(jié)構(gòu)的惡化和基質(zhì)無(wú)機(jī)鹽的減少(機(jī)制目前不明確)以及成骨細(xì)胞凋亡的增加所引起骨細(xì)胞功能的喪失，增加了骨骼內(nèi)部結(jié)構(gòu)的空隙[4,5]。骨量及機(jī)械強(qiáng)度下降導(dǎo)致骨的脆性增加所致的癥候群稱之為骨質(zhì)疏松癥。

傳統(tǒng)觀念認(rèn)為女性骨質(zhì)疏松癥主要是絕經(jīng)后開(kāi)始發(fā)病。如今研究發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)疏松癥是多因素疾病。該病在30歲以后就開(kāi)始隱匿的發(fā)生，年齡相關(guān)因素是骨質(zhì)疏松癥發(fā)生的內(nèi)在因素，包括氧化應(yīng)激Wnt/β-catenin信號(hào)下調(diào)，F(xiàn)oxO轉(zhuǎn)錄因子活性增強(qiáng)，脂質(zhì)過(guò)氧化(通過(guò)激活PPARγ和增加骨髓肥胖)，骨細(xì)胞自噬下降，骨細(xì)胞老化增加[6]。身體某些組織或者器官隨年齡增加相應(yīng)發(fā)生改變，比如：絕經(jīng)期卵巢功能的減退或者腎上腺糖皮質(zhì)激素分泌增多，促進(jìn)了年齡因素對(duì)骨質(zhì)疏松癥的影響作用。

2 Wnt信號(hào)的基本作用

Wnts是由高度保守的分泌信號(hào)糖蛋白組成的家族，控制細(xì)胞增殖、分化、凋亡、存活和遷移[7]。在胚胎發(fā)育的過(guò)程中和對(duì)出生后的健康和疾病(包括腫瘤和退化性改變)他們起著關(guān)鍵的調(diào)控作用。到目前為止，在人類和鼠組織細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了19種不同的Wnt蛋白。Wnt蛋白通過(guò)和細(xì)胞膜上受體結(jié)合傳遞信號(hào)。細(xì)胞膜上存在著各種類型的受體，他們包括Frizzled家族和低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白LRP5、LRP6、Ror2和Ryk。不同的Wnts識(shí)別不同的受體從而選擇性激活細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路。Wnt和相關(guān)受體結(jié)合后最少激活3種細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路：Wnt/β-連環(huán)蛋白(β-catenin)通路(標(biāo)準(zhǔn)的Wnt通路)、非標(biāo)準(zhǔn)的Wnt通路和Wnt-鈣離子通路。

被Wnts激活的Frizzled/LRP5或者Frizzle/LRP6受體復(fù)合體，比如Wnt1和Wnt3α，能夠?qū)е翧xin(一種支架蛋白)和Wnt受體復(fù)合體在細(xì)胞膜結(jié)合，引起糖原合酶激酶3β(GSK-3β)的失活(圖1)。失活的GSK-3β反過(guò)來(lái)能夠防止β-catenin被蛋白酶降解。這個(gè)步驟能夠保證β-catenin在細(xì)胞質(zhì)中穩(wěn)定并進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)，進(jìn)而使T-細(xì)胞因子(TCF)和淋巴細(xì)胞強(qiáng)化結(jié)合因子(LEF)家族轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控Wnt目標(biāo)基因表達(dá)[8]。

圖1 Wnt/β-catenin信號(hào)通路在骨重建、RANKL再生和硬化蛋白中的作用Fig.1 The role of Wnt/β-catenin signaling pathway in bone reconstruction, RANKL regeneration, and sclerosis protein

3 Wnt/β-catenin信號(hào)在骨代謝中

成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞是完全不同的生命周期較短的細(xì)胞。因此，他們需要從間充質(zhì)干細(xì)胞或者單核巨噬細(xì)胞中進(jìn)行更新[9,10]。為了滿足需求，補(bǔ)充分化的細(xì)胞系上升或者下調(diào)。這主要是通過(guò)各自干細(xì)胞后裔定型的譜系上升或者下降復(fù)制完成的[11,12]。成骨細(xì)胞或者破骨細(xì)胞由于填補(bǔ)或者壽命導(dǎo)致的數(shù)目的混亂引起骨代謝性疾病常見(jiàn)的就是骨質(zhì)疏松癥[1]。

通過(guò)對(duì)4名患者家族的基因譜系12年研究，發(fā)現(xiàn)3名患者骨量明顯增高和一名患者骨量明顯降低，揭示了Wnt信號(hào)的激活或者失活變異分別能夠引起骨代謝異常。有兩個(gè)家族變異發(fā)生在LRP5基因[13,14]。另外兩個(gè)變異發(fā)生在SOST，它是一種骨硬化癥解碼基因，是骨形成的一個(gè)重要抑制劑，抑制Wnt信號(hào)和堿性磷酸(酯)酶分泌以及骨基質(zhì)合成[15,16]。研究發(fā)現(xiàn)在骨中缺少硬骨素會(huì)引起骨硬化癥或者Van Buchem疾病，LRP5基因表達(dá)異常能夠引起骨質(zhì)疏松癥或者假神經(jīng)膠質(zhì)瘤癥候群。通過(guò)對(duì)這些基因的研究，揭示了Wnt信號(hào)途徑確實(shí)在骨健康和疾病發(fā)生發(fā)展過(guò)程中起到關(guān)鍵調(diào)控作用，因此，Wnt信號(hào)途徑成了骨質(zhì)疏松疾病研究的新靶點(diǎn)[17]。

Wnt/β-catenin信號(hào)刺激造骨細(xì)胞增殖，促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化，促進(jìn)Osterix1(Osx1)向成骨細(xì)胞表達(dá)，同時(shí)抑制軟骨形成和脂肪形成[12]。另外，Wnts能夠防止成熟的成骨細(xì)胞發(fā)生凋亡，從而通過(guò)核積累β-catenin依賴途徑和解離途徑延長(zhǎng)他們的生命周期[18]。

Wnt/β-catenin信號(hào)除了作用于成骨細(xì)胞以外，還能夠通過(guò)刺激生成和分泌骨保護(hù)素(OPG)減少破骨細(xì)胞的分化[19]。骨保護(hù)素是一種天然的核因子κ B受體活化因子配體(RANKL)的拮抗劑[20]。RANKL對(duì)于破骨細(xì)胞的分化、生存和發(fā)揮功能是必不可少的，因此對(duì)于骨的吸收起到關(guān)鍵性的調(diào)控作用[21]。在破骨細(xì)胞增殖過(guò)程中，骨髓源巨噬細(xì)胞(BMMs)分化成為前體破骨細(xì)胞，隨后相互融合形成成熟的破骨細(xì)胞。RANKL和巨噬細(xì)胞族激化因子為破骨細(xì)胞分化提供兩種必須和足夠的信號(hào)[22]，他們可以通過(guò)間接控制OPG的表達(dá)而作用于破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞，還能夠直接作用于破骨細(xì)胞。然而，直接作用的生物學(xué)意義目前尚不完全清楚。任何情況下，破骨細(xì)胞中β-catenin的失活都能夠增加破骨細(xì)胞數(shù)量和骨吸收從而減少骨量[23]。

迄今為止，已經(jīng)證明Wnt蛋白在人類和大鼠骨骼發(fā)育和骨穩(wěn)態(tài)以及關(guān)節(jié)形成過(guò)程中起到重要調(diào)控作用，包括Wnt1、Wnt3a、Wnt4、Wnt5、Wnt5a、Wnt7a、Wnt10b和Wnt14。在些因子當(dāng)中，Wnt10b可能是最關(guān)鍵的正性調(diào)節(jié)成人骨骼形成的因子[24,25]。除Wnt蛋白以外，哺乳動(dòng)物還能夠產(chǎn)生Wnt/β-catenin信號(hào)增強(qiáng)片段。最近有研究報(bào)道應(yīng)用Wnt1基因突變鑒定常染色體顯性遺傳早發(fā)型骨質(zhì)疏松癥和嚴(yán)重的骨發(fā)育不全[26]。

4 Wnt信號(hào)對(duì)骨骼機(jī)械力學(xué)的影響

骨骼中Wnt信號(hào)微調(diào)是由若干個(gè)糖蛋白完成的，他們的功能也可以稱之為Wnt信號(hào)途徑的拮抗劑[27]，目前公認(rèn)的最有效的有硬化蛋白，DKK蛋白1和2。硬化蛋白通過(guò)阻斷Wnt蛋白和細(xì)胞外區(qū)域的LRP5和LRP6結(jié)合能夠阻斷經(jīng)典的Wnt途徑，其中干擾Wnt和LRP6結(jié)合的作用比較明顯。總之，硬化蛋白缺失，釋放Wnt信號(hào)可顯著引起人類和大鼠骨量的積聚。

骨骼支架為了滿足機(jī)械力的要求不斷的進(jìn)行骨重塑。解釋這種觀點(diǎn)最好的例子就是在太空飛行過(guò)程中或者失重狀態(tài)下發(fā)生的骨量的快速和劇烈的損失。在骨骼中負(fù)責(zé)傳感機(jī)械應(yīng)變和編排骨架適應(yīng)變化的是骨細(xì)胞[3]。骨的機(jī)械刺激能夠減少硬化蛋白 (Sclerostin，SOST)表達(dá)[28]，相反，骨固定化過(guò)程中能夠使SOST表達(dá)增加[29]。

5 Wnt/β-catenin信號(hào)通路在骨質(zhì)疏松癥發(fā)病中的作用

年齡相關(guān)的骨質(zhì)疏松癥的特點(diǎn)是骨形成的減少和骨髓肥胖的增加[6]。最近通過(guò)小鼠動(dòng)物模型研究發(fā)現(xiàn)Wnt/β-catenin信號(hào)衰減可能會(huì)引起上述病理改變[30]。隨著年齡增加骨量的減少和骨髓肥胖的增加是和氧化應(yīng)激(OS)逐步增加相關(guān)的[31]。最近幾年，叉形頭轉(zhuǎn)錄因子家族的子類轉(zhuǎn)錄因子稱為FoxO，已經(jīng)成為防止氧化應(yīng)激重要防御機(jī)制。體內(nèi)氧化應(yīng)激一旦發(fā)生時(shí)，F(xiàn)oxOs從細(xì)胞漿異位到細(xì)胞核，從而刺激抗氧化酶的轉(zhuǎn)錄，以及參與細(xì)胞周期和基因DNA修復(fù)過(guò)程[32,33]。重要的是，β-catenin除了參與TCF/LEF轉(zhuǎn)錄以外還是FoxOs必須的共同活化體[34]。在氧化應(yīng)激或者養(yǎng)分耗盡的環(huán)境中，成骨細(xì)胞中小部分β-catenin被轉(zhuǎn)移到Wnt/TCF-FoxO介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄中[35]。通過(guò)這種機(jī)制減弱Wnt/β-catenin信號(hào)，減少Osx1的表達(dá)，減少生成成骨細(xì)胞，從而減少骨量，同時(shí)增加脂肪生成[30]。β-catenin通過(guò)TCF-FoxO介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄類似于抗衰老的防御反應(yīng)，可能會(huì)與一些年齡相關(guān)性疾病有關(guān)[34]。但是，F(xiàn)oxO激活最終加重了對(duì)骨骼衰老的作用，并且有可能成為更年期骨質(zhì)疏松的元兇[36]

6 靶向Wnt信號(hào)干預(yù)治療骨質(zhì)疏松癥的進(jìn)展

SOST基因突變的雜合子攜帶者具有降低細(xì)胞因子的分泌水平，促進(jìn)釋放Wnt信號(hào)，從而增加骨形成作用，并且沒(méi)有副作用[37]。重要的是，甲狀旁腺素(PTH)通過(guò)骨細(xì)胞減少了骨硬化蛋白的產(chǎn)生[38]。PTH是目前最有前途的骨形成促進(jìn)劑，可以顯著增加骨量。以上理論為試圖中和骨硬化素抗體治療骨質(zhì)疏松癥藥物開(kāi)辟了道路。在大鼠和猴子身上的臨床前期研究表明，硬化蛋白中和抗體能夠增加骨強(qiáng)度，促進(jìn)骨形成，提高骨質(zhì)量[39,40]。此外，一個(gè)多中心、隨機(jī)、安慰劑對(duì)照研究表明，應(yīng)用Romosozumab(單克隆硬化蛋白中和抗體)藥物治療絕經(jīng)后婦女低骨密度能夠增加骨密度和骨形成以及減少骨吸收，在1年內(nèi)，相對(duì)于雙膦酸阿倫膦酸鈉(4.1%)或者PTH(特立帕肽)(7.1%)其骨量增加的程度更明顯(11.3%)[41]。Romosozumab對(duì)骨轉(zhuǎn)換指標(biāo)效果顯著，短時(shí)間應(yīng)用能夠溫和的促進(jìn)骨形成，長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)應(yīng)用能夠減少骨的吸收。但是目前對(duì)于這種不可確定的骨轉(zhuǎn)換指標(biāo)的變化原因尚不清楚。有研究表明，Denosumab(RANKL的中和抗體)是治療骨質(zhì)疏松癥的有效藥物[42]。

7 總結(jié)

Wnt信號(hào)通路在骨重建、RANKL再生和硬化蛋白拮抗作用等方面均起到重要的調(diào)節(jié)作用，是骨質(zhì)疏松癥發(fā)生發(fā)展的重要病理生理學(xué)基礎(chǔ)。此外，這些理論對(duì)于合理、有效的治療骨質(zhì)疏松癥提供了新的治療學(xué)策略。