林妹珠，倪清麗綜述，黃惠娟審校

0 引 言

大多數(shù)代謝性骨病是由于骨吸收過度，超過骨形成的速度，導(dǎo)致骨量損失。成骨細(xì)胞主要負(fù)責(zé)骨形成過程，破骨細(xì)胞主要負(fù)責(zé)骨吸收過程，兩者共同調(diào)節(jié)骨重建過程。當(dāng)破骨細(xì)胞完成骨吸收后，成骨細(xì)胞的骨形成機(jī)制隨之啟動，補(bǔ)充骨吸收的消耗，以保證骨骼的完整性以及強(qiáng)度[1]。護(hù)骨素(osteoprotegerin，OPG)/核因子κβ受體活化因子(receptor activator of NF-κβ，RANK)/核因子κβ受體活化因子配體(receptor activator of NF-κβ ligand，RANKL)信號系統(tǒng)對破骨細(xì)胞和生物學(xué)至關(guān)重要，研究表明許多臨床相關(guān)的人類代謝性骨病，包括炎癥性骨病(如類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎)、炎性骨腫瘤(如骨髓瘤或溶骨性轉(zhuǎn)移)和不同形式的骨質(zhì)疏松癥與OPG/RANKL/RANK系統(tǒng)的改變有關(guān)[2]。環(huán)境顆粒物(particulate matter 2.5,PM2.5)是大氣污染物的主要組成部分之一，可吸收多種污染物多環(huán)芳烴和金屬，損害呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)以及骨骼系統(tǒng)[3]等。本文就PM2.5對骨代謝的影響與雌激素受體途以及OPG/RANKL/RANK途徑的相關(guān)性作一綜述。

1 ER/RANK通路和PM2.5概述

1.1 OPG-RANKL-RANK信號通路的組成骨處于不斷的重塑狀態(tài)，這對于維持正常的骨骼結(jié)構(gòu)和功能十分重要，破骨細(xì)胞對骨吸收有再生作用，成骨細(xì)胞則主要負(fù)責(zé)新骨的形成[4]。在生理條件下，破骨細(xì)胞的形成和吸收是保持平穩(wěn)的。然而，當(dāng)兩者平衡受到干擾時，骨骼功能或結(jié)構(gòu)就會發(fā)生異常。OPG-RANKL-RANK信號通路是成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞之間通訊的重要信號通路[5]，許多研究均支持RANKL/OPG比值是骨質(zhì)量的主要決定因素的觀點。RANKL/RANK信號調(diào)控多核破骨細(xì)胞的形成及其在正常骨重塑和多種病理條件下的活化和存活，OPG通過與RANKL結(jié)合并阻止其與受體RANK結(jié)合，保護(hù)骨骼免受過度骨吸收[6]。RANK/ RANKL信號由OPG的誘騙受體控制，該受體與RANKL相互作用。已有研究表明，在RANK或RANKL缺陷小鼠中，破骨細(xì)胞完全缺失，導(dǎo)致骨質(zhì)疏松，而OPG缺陷小鼠表現(xiàn)出過度的骨吸收和嚴(yán)重的骨質(zhì)疏松癥[7]。RANK/RANKL信號通路對骨吸收破骨細(xì)胞的分化至關(guān)重要，絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥或癌癥引起的骨破壞等病理過程中，其信號通路被解除[8]。隨著OPG/RANKL/RANK系統(tǒng)在正常骨骼生理中作用不斷積累的證據(jù)增加，不難發(fā)現(xiàn)，人類中許多臨床相關(guān)的代謝性骨病，包括炎癥性骨病(如類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎)，惡性骨腫瘤(如骨髓瘤或溶骨性轉(zhuǎn)移瘤)和不同形式的骨質(zhì)疏松癥均與OPG/RANKL/RANK系統(tǒng)的改變有關(guān)[9]。

1.2雌激素和雌激素受體雌激素是一種由芳香化酶催化雄激素合成的18個碳類固醇類激素，主要存在形式為雌酮(E1)、雌二醇(E2)、雌三醇(E3)等[10]，卵巢是女性循環(huán)雌激素的主要來源。雌激素受體(ER)主要包括雌激素α受體(ERα)和雌激素β受體(ERβ),兩者皆屬于甾體/甲狀腺激素核受體超家族，其成員具有共同的結(jié)構(gòu)[11]。骨是雌激素發(fā)揮作用的重要靶組織，雌激素受體α和β在骨和骨髓細(xì)胞中廣泛表達(dá)，雌激素是男性和女性骨骼代謝的主要激素調(diào)節(jié)因子[12]。雌激素可通過成骨細(xì)胞增加OPG的mRNA和蛋白表達(dá)，從而中和細(xì)胞結(jié)合或可溶性RANKL的作用[13],可能通過抑制IL-1和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-alpha，TNF-α)的產(chǎn)生而降低RANKL和M-CSF的表達(dá)，最終使骨吸收減少[14]。雌激素?fù)p失的主要后果是骨吸收的增加，其在細(xì)胞水平上對維持骨形成也很重要。由于雌激素的減少，女性在絕經(jīng)后的前4～8年經(jīng)歷了快速的減少期，除在月經(jīng)停止后的早期骨質(zhì)流失更快外，女性在生長過程中積累的骨骼質(zhì)量也較男性少[15]。因此，女性發(fā)生骨質(zhì)疏松、骨折等骨代謝相關(guān)疾病的概率較男性高。骨質(zhì)疏松癥相關(guān)疾病嚴(yán)重影響老年人的生活質(zhì)量，增加醫(yī)療費用負(fù)擔(dān)[16]。

1.3PM2.5的概述近年來，霧霾問題廣受關(guān)注，大氣污染主要成分之一PM 2.5也成為了研究熱點。PM2.5指的是空氣動力學(xué)直徑≤2.5μm的顆粒物，其表面積大，可吸附空氣中多種有毒有害物質(zhì)，已有大量臨床流行病學(xué)調(diào)查以及動物或細(xì)胞實驗證明PM 2.5對健康有害[17]。Liu等[18]收集24個國家或地區(qū)的652個城市空氣污染與死亡率每日數(shù)據(jù)，評估了PM10和PM2.5與多個國家或地區(qū)的心血管和呼吸系統(tǒng)死亡率的關(guān)系，指出短期暴露于PM10和PM2.5與心血管和呼吸系統(tǒng)死亡率之間存在獨立關(guān)系并且可能存在劑量效應(yīng)關(guān)系。Cui等[19]研究表明，PM2.5可增加活性氧簇的形成、降低磷酸化-Akt的水平，從而抑制骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖。PM 2.5已被國際癌癥協(xié)會認(rèn)定為一級致癌物。Duan等[20]檢測3053名研究對象的(來自2005-2014年全國健康和營養(yǎng)檢查調(diào)查數(shù)據(jù))8種多環(huán)芳烴代謝物以估計多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)與骨質(zhì)疏松的相關(guān)性，得出2-羥基芴與骨質(zhì)疏松癥的幾率增加有關(guān)而3-羥基芴與骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病率降低有關(guān)的結(jié)論。關(guān)于兒童和老年人的研究報告指示，空氣污染物的濃度，特別是PM(PM 2.5和PM 10)的濃度與骨密度呈負(fù)相關(guān)[21-22]。長期暴露于高水平的空氣污染物，在世界許多地區(qū)是一個日益嚴(yán)重的問題。

2 PM2.5通過ER/RANK通路調(diào)節(jié)骨代謝作用

2.1 PM2.5進(jìn)入體內(nèi)代謝過程與ER/RANK通路的相關(guān)性長期的PM2.5暴露可誘發(fā)多種炎癥因子高表達(dá)，如IL-1、IL-6、TNF-α等[23]，這些炎癥因子可促進(jìn)骨髓細(xì)胞分化、淋巴細(xì)胞生長，從而引起一系列的骨代謝紊亂。PM2.5的組成較為復(fù)雜，包括有機(jī)和無機(jī)成分。其不僅含有大量的有機(jī)物質(zhì)，如苯并芘、多環(huán)芳烴、硝基和含氧多環(huán)芳烴，而且還富含無機(jī)化學(xué)物質(zhì)，如硫酸鹽、硝酸鹽和金屬[24]。PM的生物效應(yīng)與PAHs以及硝基和氧化型PAHs直接相關(guān)，雖然PAHs對PM質(zhì)量的貢獻(xiàn)最小(<0.1%),卻是PM的主要毒性成分[25]。芳香烴受體(aromatic hydrocarbon receptor，AhR)是一種最早被發(fā)現(xiàn)的多環(huán)芳烴類環(huán)境污染物的配體，存在于大多數(shù)細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)[26]。骨質(zhì)的完整性依賴于成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞分別調(diào)節(jié)骨形成與骨吸收的動態(tài)平衡，而細(xì)胞因子、激素、AhR等其他蛋白因素共同參與成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的調(diào)節(jié)，最終精細(xì)調(diào)控骨代謝的過程[27]。PAHs進(jìn)入體內(nèi)可激活A(yù)hR[28]，在有雌激素存在的情況下，通過活化 AhR 影響ER的促轉(zhuǎn)錄活性、干擾類固醇激素信號，使 ER 與E2結(jié)合降低，從而干擾骨代謝調(diào)節(jié)過程；在無雌激素存在的情況下，結(jié)合配體的AHR則表現(xiàn)出了抗雌激素作用，其主要是通過抑制與雌激素結(jié)合ESR介導(dǎo)的DNA的結(jié)合來實現(xiàn)的[29]。Rogers等[30]針對絕經(jīng)后婦女的研究發(fā)現(xiàn)循環(huán)中的OPG水平與血清雌二醇之間存在顯著的弱正相關(guān)，血清OPG水平與骨轉(zhuǎn)換標(biāo)志物之間存在弱的負(fù)相關(guān)，而OPG血清水平與全身、全髖和股骨頸的BMD之間存在顯著的正相關(guān)。而且前期的動物模型和臨床研究也表明OPG給藥可防止與雌激素缺乏相關(guān)的骨丟失?？梢奜PG/RANKL/RANK通路在雌二醇缺乏引起的骨丟失疾病中發(fā)揮重要作用，而PM2.5可干擾此途徑，進(jìn)一步引起骨代謝紊亂。

2.2PAHs通過干擾ER途徑調(diào)節(jié)骨代謝雌激素是絕經(jīng)后發(fā)生骨質(zhì)疏松的主要原因，雌激素在調(diào)節(jié)骨吸收、通過刺激破骨細(xì)胞的形成(破骨細(xì)胞發(fā)生)，增強(qiáng)破骨細(xì)胞的活性、抑制其凋亡等方面發(fā)揮重要作用[31]。我們的前期實驗研究證明，切除雙側(cè)卵巢去勢后的SD 大鼠血清IL-1、IL-6值顯著升高，給予類雌激素可降低炎癥因子并升高骨密度，有逆轉(zhuǎn)骨質(zhì)疏松的效果[32]。Shevde等[33]通過大鼠實驗證明，雌激素可通過受體結(jié)合途徑直接抑制去勢大鼠的破骨細(xì)胞前體形成細(xì)胞的募集與分化，進(jìn)而抑制破骨細(xì)胞活性。過去十年中，已有多項研究表明PM2.5暴露可影響雌激素的生成，同時干擾雌激素受體的蛋白及mRNA表達(dá)，Dang等[34]通過動物實驗表明孕期暴露于空氣中PM2.5污染后，可誘發(fā)高水平的甲基化，ERa水平明顯下降，暴露于PM2.5可使子宮收縮宮內(nèi)胎鼠發(fā)育過程中的血流量導(dǎo)致新生兒體重下降。有研究表明，AhR基因敲除的小鼠骨量增加、骨吸收減少，逆轉(zhuǎn)由雌激素缺乏導(dǎo)致的骨丟失[35]。AhR通過2種途徑調(diào)控雌激素的作用：①通過誘導(dǎo)外源化學(xué)物代謝酶的表達(dá)進(jìn)而增加雌二醇的氧化代謝；②通過配體激活蛋白酶體并下調(diào)ERa的表達(dá)[36]。骨組織中富含ER，AhR與ER之間存在交互作用：AhR激活可降低ER的表達(dá)，ERα可促進(jìn)AhR下游靶基因轉(zhuǎn)錄而與自身靶基因的結(jié)合減弱[37]。PAHs進(jìn)入體內(nèi)即通過AhR途徑干擾 ER與雌激素的結(jié)合，引起雌激素缺乏而導(dǎo)致的骨丟失。

2.3PM2.5通過 ER/RANK信號通路影響骨代謝PM2.5中的許多物質(zhì)，包括PAHs、重金屬、多氯化聯(lián)苯同源物等可誘發(fā)癌變，腫瘤細(xì)胞通過刺激破骨細(xì)胞增殖，導(dǎo)致骨形成和骨吸收動態(tài)失衡，引發(fā)骨質(zhì)疏松[38]。RANKL和OPG代表成骨細(xì)胞來源的旁分泌細(xì)胞因子，這些細(xì)胞因子對破骨細(xì)胞功能至關(guān)重要，RANKL/OPG比值升高時，這兩個因子的失衡有利于破骨細(xì)胞的分化和活化，促進(jìn)骨丟失[39]。雌激素缺乏可增加RANKL/OPG的比率，從而促進(jìn)破骨細(xì)胞生成，加速骨吸收，誘導(dǎo)骨丟失[40]。輔助T(Th)細(xì)胞分泌的IL-1、IL-6和TNF-α等可誘導(dǎo)破骨細(xì)胞增殖，引發(fā)骨質(zhì)疏松。Abplanalp等[41]通過動物細(xì)胞實驗證明骨髓是PM2.5遠(yuǎn)端毒性靶點之一，暴露于PM2.5會影響人類和小鼠骨髓中的內(nèi)皮祖細(xì)胞，限制其固有功能，并使其進(jìn)入外周循環(huán)，吸入PM2.5會降低骨髓中造血干細(xì)胞的水平。Saha等[42]對暴露于室內(nèi)空氣污染的139名絕經(jīng)后婦女檢測其血清可溶性RANKL和OPG的水平并實時監(jiān)測室內(nèi)空氣中PM2.5和PM10的水平，發(fā)現(xiàn)PM10和PM2.5水平與血清RANKL水平呈正相關(guān)，與血清OPG呈負(fù)相關(guān)；從而證明長期暴露于空氣污染會增加膜結(jié)合性和可溶性RANKL循環(huán)破骨細(xì)胞前體，但OPG降低，提示骨吸收風(fēng)險增加，并隨之增加骨質(zhì)疏松癥的風(fēng)險。

3 結(jié) 語

綜上所述，空氣中污染物中的細(xì)顆粒PM2.5可通過ER/RANK通路影響骨代謝過程，導(dǎo)致骨重塑平衡破壞，引起骨代謝相關(guān)疾病。PM2.5對于骨骼系統(tǒng)的危害及機(jī)制有待通過進(jìn)一步的流行病學(xué)調(diào)查和動物實驗及細(xì)胞實驗加以驗證，進(jìn)而有效防治其危害。