喬銘薪 朱舟 萬(wàn)乾炳

四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院，四川 成都 610041

隨著人們生活水平的提高及人口老齡化，脂代謝異常及骨代謝異常發(fā)病率逐年上升，且常合并發(fā)生。研究表明脂質(zhì)代謝和骨代謝關(guān)系密切[1]，骨密度(bone mineral density，BMD)及骨量與低密度脂蛋白膽固醇(low-density lipoprotein cholesterol，LDL-C)、高密度脂蛋白膽固醇(high density liptein cholesterol，HDL-C)等膽固醇之間存在顯著關(guān)系[2-4]。臨床研究顯示血脂異常與低骨密度間正相關(guān)[5-6]，特別是絕經(jīng)女性[7]，對(duì)其行激素替代治療可減少骨質(zhì)流失，降低血清總膽固醇(TC)和LDL-C水平[2,8]，可見高脂血癥極可能破壞骨代謝平衡[9]。膽固醇作為脂代謝的重要部分，其血液濃度超量是導(dǎo)致高脂血癥發(fā)生的主要危險(xiǎn)因素。據(jù)此，本文從膽固醇對(duì)骨代謝細(xì)胞的影響和對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone mesenchymal stem cells，BMSC)分化的調(diào)控及相關(guān)機(jī)制等方面展開闡述，以期為脂代謝紊亂相關(guān)的骨代謝疾病的防治提供理論依據(jù)。

1 膽固醇與成骨細(xì)胞

1.1 高脂血癥對(duì)成骨細(xì)胞的影響

成骨細(xì)胞是起源于BMSC，參與骨代謝的單核細(xì)胞。據(jù)報(bào)道，高脂血癥/高膽固醇血癥對(duì)成骨細(xì)胞的活性會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響[10-11](圖1)。高膽固醇(HCD)喂養(yǎng)的大鼠血清骨吸收標(biāo)志物水平顯著升高；停止HCD骨形成標(biāo)志物(BGP、ALPL、PINP)升高[6]。高膽固醇血癥也會(huì)引起成骨相關(guān)基因及通路的下調(diào)：如Runx2、TGF-β/BMP和Wnt通路等[10]。對(duì)大鼠原代成骨細(xì)胞體外研究表明，高劑量膽固醇對(duì)成骨細(xì)胞具有明顯毒性，而治療劑量的膽固醇依濃度不同作用效果也不一致[6]。綜上，血清總膽固醇水平升高會(huì)抑制成骨細(xì)胞活性及骨形成。但最近有研究顯示膽固醇對(duì)成骨細(xì)胞活動(dòng)并非只有負(fù)面影響。如低于20 μg/mL膽固醇在體外可直接增加成骨功能基因的表達(dá)[6]。外源性膽固醇抑制成骨細(xì)胞分化，生理水平的內(nèi)源性膽固醇是Hedgehog信號(hào)介導(dǎo)骨髓基質(zhì)細(xì)胞成骨反應(yīng)所必需的，這表明膽固醇在調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞分化和對(duì)Hedgehog途徑激活具有雙重作用[12]。

1.2 膽固醇種類及產(chǎn)物對(duì)成骨細(xì)胞的影響

不同類型膽固醇對(duì)成骨細(xì)胞的作用并不同(表1)。研究報(bào)道BMD和低密度脂蛋白(LDL)間通常存在負(fù)相關(guān)關(guān)系[3]。載脂蛋白E(ApoE)可促進(jìn)LDL的細(xì)胞攝取及清除，ApoE-/-小鼠會(huì)出現(xiàn)骨量丟失，原因可能是氧化型LDL(oxLDL)激活了炎癥反應(yīng)，促進(jìn)了單核/巨噬細(xì)胞增多以及IL-1β、IL-6和TNF的表達(dá)增加，最終導(dǎo)致成骨細(xì)胞凋亡[3]。同樣ApoE-/-導(dǎo)致的LDL堆積也會(huì)抑制Wnt/β-catenin通路，使成骨基因及相關(guān)配體表達(dá)下調(diào)。而高密度脂蛋白(HDL)的濃度與骨量及BMD呈正相關(guān)[4,13]。HDL可實(shí)現(xiàn)膽固醇的逆轉(zhuǎn)運(yùn)，減少oxLDL引起的成骨細(xì)胞凋亡。研究發(fā)現(xiàn)載脂蛋白A1(ApoA1-/-HDL主要成分)缺陷小鼠骨量明顯減少，成骨細(xì)胞相關(guān)因子(Runx2、Osterix、Col1a1)表達(dá)下降，分析其原因可能是ApoA1缺陷使HDL合成受損所導(dǎo)致[4]?？梢奌DL對(duì)成骨細(xì)胞功能活性有正調(diào)節(jié)作用，但也有認(rèn)為兩者間為負(fù)相關(guān)，這可能與遺傳、年齡、飲食和代謝狀態(tài)等因素有關(guān)[14]。研究顯示20(S)-羥基膽固醇和辛伐他汀通過(guò)Raf/MEK/ERK通路協(xié)同促進(jìn)MSC成骨分化[15]。此外，部分羥膽固醇也能促進(jìn)BMSC成骨基因表達(dá)且與BMP2協(xié)同誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化和增殖[16]，其中Hedgehog通路可能參與羥膽固醇介導(dǎo)的成骨過(guò)程[17]。

2 膽固醇與破骨細(xì)胞

2.1 高脂血癥對(duì)破骨細(xì)胞的影響

破骨細(xì)胞起源于血系單核巨噬細(xì)胞系統(tǒng)，其分化需要巨噬細(xì)胞集落刺激因子(M-CSF)和核因子κB受體活化因子配體(RANKL)[18]。高脂血癥/高膽固醇血癥通常會(huì)增加破骨細(xì)胞的活性，導(dǎo)致骨量丟失[10-11,19](圖1)。小鼠高脂飲食會(huì)升高其血清膽固醇水平，導(dǎo)致破骨細(xì)胞數(shù)量增加，最終降低小鼠BMD，提示破骨細(xì)胞在膽固醇誘導(dǎo)的骨丟失中起重要作用[19]?；蜓芯匡@示，高脂血癥小鼠破骨相關(guān)基因c-Fos、TRAP等表達(dá)較高[10]。此外，一種參與脂肪因子分泌和成骨/破骨細(xì)胞分化的肌動(dòng)蛋白——虹膜蛋白的缺失會(huì)誘導(dǎo)機(jī)體出現(xiàn)高脂血癥，同時(shí)檢測(cè)到破骨細(xì)胞數(shù)量增加和RANKL的高表達(dá)[20]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激是由多種代謝因子如膽固醇引起的，用特異性抑制劑抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可減弱破骨細(xì)胞相關(guān)基因的表達(dá)和CREBH(內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)破骨細(xì)胞分化的下游效應(yīng)器)的激活[21]。以上表明，高膽固醇可刺激機(jī)體產(chǎn)生破骨細(xì)胞因子，激活RANKL/RANK/OPG通路，上調(diào)破骨基因表達(dá)來(lái)增加破骨細(xì)胞的分化成熟。

2.2 膽固醇種類及產(chǎn)物對(duì)破骨細(xì)胞的影響

不同類型膽固醇及產(chǎn)物對(duì)破骨細(xì)胞的作用并不單一(表1)。比如oxLDL上調(diào)破骨細(xì)胞活性，oxLDL不僅能直接刺激成骨細(xì)胞RANKL、CD36和肝X受體的表達(dá)，還能誘發(fā)炎性反應(yīng)，來(lái)增強(qiáng)破骨細(xì)胞分化[19]。另有研究發(fā)現(xiàn)，Toll樣受體2亦可通過(guò)誘導(dǎo)骨髓細(xì)胞Lox-1(oxLDL的受體)表達(dá)上調(diào)，模擬oxLDL的激活促進(jìn)破骨細(xì)胞形成[22]。然而，尚有研究者認(rèn)為L(zhǎng)DL和oxLDL可能會(huì)抑制破骨細(xì)胞分化成熟[23-24]。HDL則誘導(dǎo)破骨細(xì)胞凋亡，HDL處理破骨細(xì)胞后，核固縮細(xì)胞增加，這可能因?yàn)镠DL上調(diào)了ABCG1(ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)體G1)的表達(dá)，促進(jìn)了破骨細(xì)胞內(nèi)的膽固醇外流，破壞了細(xì)胞膽固醇穩(wěn)態(tài)，從而促進(jìn)了破骨細(xì)胞的凋亡[25]。HDL亦可通過(guò)調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)抑制破骨細(xì)胞的功能：HDL可抑制T淋巴細(xì)胞與巨噬細(xì)胞的相互作用，降低炎癥反應(yīng)，從而減弱炎癥對(duì)RANK/RANKL的活化，削弱破骨細(xì)胞前體細(xì)胞的激活，最終抑制破骨細(xì)胞的活性[14]。27-羥基膽固醇(27-HC)可觸發(fā)巨噬細(xì)胞分泌TNFα和IL-8，最終通過(guò)多途徑刺激破骨細(xì)胞生成，該機(jī)制可能是27-HC通過(guò)抑制miR-139的表達(dá)和激活STAT3/c-Fos/NFATc1而導(dǎo)致的[26]。

表1 膽固醇及產(chǎn)物對(duì)成骨/破骨細(xì)胞的影響Table 1 The effect of cholesterol and its products on the activity of osteoblasts and osteoclasts

3 膽固醇對(duì)BMSC分化的調(diào)控

3.1 脂/骨代謝通路

脂肪細(xì)胞與成骨細(xì)胞均源自共同的祖細(xì)胞即BMSC。BMSC是聯(lián)系脂骨代謝的核心，骨髓脂肪量和骨量緊密相關(guān)且相互制約。脂代謝與骨代謝之間具有多條調(diào)控通路，包括無(wú)翼型MMTV整合位點(diǎn)通路(Wnt/β-catenin)、過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ通路(PPARγ)、瘦素調(diào)節(jié)通路、骨形態(tài)發(fā)生蛋白通路、低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白5(LRP5)通路、固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白通路、氧化應(yīng)激通路等[32]。其中PPARγ、Wnt/β-catenin是兩者相互影響的重要分子基礎(chǔ)。Wnt/β-catenin通路已被證明可促進(jìn)BMSC向成骨細(xì)胞分化，阻礙脂肪細(xì)胞分化[33-34]。部分Wnt蛋白激活了不針對(duì)β-catenin的非經(jīng)典途徑[34-35]。在成骨過(guò)程中，能夠激活非經(jīng)典途徑的Wnt5a和Wnt11的mRNA水平隨著ARL4C(GTP結(jié)合蛋白的ADP核糖基化因子)的敲低而降低[35]。PPARγ是促進(jìn)脂肪細(xì)胞分化增殖的主要轉(zhuǎn)錄因子。脂肪酸長(zhǎng)鏈和氧化衍生物可以結(jié)合并活化PPARγ[28]，Wnt也可通過(guò)PPARγ影響脂肪細(xì)胞的分化[36]?？梢奧nt通路與PPARγ在BMSC分化過(guò)程具有相互拮抗作用。

3.2 膽固醇對(duì)BMSC分化的影響

血清總膽固醇升高會(huì)促進(jìn)BMSC向脂肪細(xì)胞分化，干擾成骨細(xì)胞分化。據(jù)報(bào)道，高膽固醇血癥患者體內(nèi)產(chǎn)生的氧化脂質(zhì)一方面可以直接激活 PPARγ，使BMSC分化向脂肪細(xì)胞傾斜[29]。同時(shí)過(guò)多的氧化脂質(zhì)還會(huì)誘發(fā)炎癥反應(yīng)，刺激破骨細(xì)胞成熟，誘導(dǎo)成骨細(xì)胞凋亡。然而不同類型膽固醇對(duì)BMSC分化的影響不同，部分氧固醇如25-羥基膽固醇在BMSC分化過(guò)程中有促成骨和抗脂肪的作用，它對(duì)脂肪生成的抑制可能與PPARγ低表達(dá)有關(guān)[37]。ApoA1-/-小鼠的BMSC表現(xiàn)出成脂細(xì)胞調(diào)節(jié)因子PPARγ和CEBPα表達(dá)的升高[4]，而成骨相關(guān)通路受損。膽固醇對(duì)BMSC的調(diào)節(jié)與Wnt信號(hào)通路也有關(guān)，LRP5作為L(zhǎng)DL受體可抑制成骨細(xì)胞凋亡，其機(jī)制可能是LRP5上調(diào)β-catenin和LEF/TCF轉(zhuǎn)錄因子水平，從而增加成骨相關(guān)基因表達(dá)[38]。并且非經(jīng)典Wnt信號(hào)通路中Wnt-5a能刺激成骨細(xì)胞生成，通過(guò)CaMKII-TAK1/TAB2-NLK途徑抑制PPARγ誘導(dǎo)的脂肪生成[27]。ABCG1作為脂肪生成調(diào)節(jié)因子和膽固醇轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，可通過(guò)Wnt/β-catenin和AMPK通路在成骨過(guò)程中發(fā)揮重要作用[39]，其高表達(dá)抑制成骨，促進(jìn)成脂。近年部分研究顯示，氧化應(yīng)激介導(dǎo)的 FoxO-β-catenin-PPARγ信號(hào)軸的平衡，對(duì) BMSCs分化的調(diào)控至關(guān)重要[36]。高膽固醇等因素會(huì)下調(diào)Wnt/β-catenin，增高核因子 κB 水平，最終刺激破骨細(xì)胞分化[32]。使用PPARγ拮抗劑的大鼠因PPARγ低表達(dá)阻滯了c-Fos表達(dá)，導(dǎo)致破骨細(xì)胞合成缺陷性骨硬化病[40]。綜上，Wnt通路及PPARγ在調(diào)節(jié)BMSC平衡分化及破骨細(xì)胞活性方面均發(fā)揮重要作用(圖1)。

圖1 脂代謝與骨代謝疾病作用機(jī)制示意圖Fig.1 Schematic diagram of the mechanism of the relationship between lipid metabolism and bone metabolic diseases注：“→ ”代表促進(jìn)作用；“-| ”代表抑制作用

4 他汀類藥物與脂骨代謝

4.1 他汀類藥物的多效性能

他汀類藥物作為HMG-CoA還原酶的特異性抑制劑，是經(jīng)典有效的降膽固醇藥物[31]。研究者將他汀類藥物通過(guò)改性或聯(lián)合其他材料制備成新型生物復(fù)合材料，以期達(dá)到降脂、成骨、成血管等多效性能。Huang等[15]將20(S)-羥基膽固醇和辛伐他汀聯(lián)合應(yīng)用協(xié)同增強(qiáng)BMSC的成骨分化；另有研究將磷灰石(HAP)包裹的阿托伐他汀(AT)負(fù)載于PLGA微粒，形成PLGA-AT-HAP可注射復(fù)合材料用于骨組織工程[41]；二者均是利用他汀類藥物促進(jìn)了骨骼的再生。Zhou等[42]得出辛伐他汀通過(guò)調(diào)節(jié)自噬流量改善高膽固醇飲食所致的大鼠頜骨微結(jié)構(gòu)缺損，說(shuō)明他汀類藥物可修復(fù)高脂血癥引起的骨缺損。以上研究肯定了他汀類藥物對(duì)骨代謝的作用，但其療效取決于細(xì)胞類型、藥物種類、劑量及給藥途徑和治療時(shí)間等多種因素。

4.2 他汀類藥物對(duì)脂骨代謝的作用機(jī)制

他汀類藥物可以通過(guò)激活Wnt通路和抑制PPARγ[43-44]，來(lái)促進(jìn)BMSC向成骨細(xì)胞分化。同時(shí)他汀類藥物可通過(guò)上調(diào)BMP-2和Runx2基因、抑制FPP和GGPP合成并調(diào)節(jié)Wnt/β-catenin及TGFβ/Smad3信號(hào)通路來(lái)激活成骨細(xì)胞分化，抑制其凋亡[31,43,45-46]。其次，他汀類藥物直接調(diào)節(jié)RANKL/RANK/OPG通路來(lái)抑制破骨細(xì)胞分化，從而發(fā)揮骨保護(hù)作用[42]；此外，他汀類藥物可通過(guò)刺激雌激素受體(ER)表達(dá)間接影響破骨細(xì)胞活性[47]?？傮w來(lái)說(shuō)(圖2)，他汀類藥物主要通過(guò)調(diào)節(jié)BMSC選擇性分化、促進(jìn)成骨、抑制破骨等方面發(fā)揮多效性骨保護(hù)機(jī)制。

圖2 他汀類藥物影響脂骨代謝的信號(hào)通路Fig.2 Signal pathways of statins affecting lipid-bone metabolism注：“→ ”代表促進(jìn)作用；“-| ”代表抑制作用

5 總結(jié)及展望

高膽固醇血癥/高脂血癥作為脂代謝疾病，對(duì)骨代謝影響通常是負(fù)面的。然而不同膽固醇類型對(duì)骨代謝影響不盡相同，如LDL為骨形成負(fù)調(diào)節(jié)因子而HDL卻有骨保護(hù)作用。因此，膽固醇對(duì)骨代謝的影響取決于疾病狀況，機(jī)體復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制，膽固醇的類型、水平、來(lái)源及靶細(xì)胞類型等多個(gè)因素，不能一概而論。膽固醇還參與早期BMSC分化的調(diào)控，其中Wnt/β-catenin通路及PPARγ是較為重要的兩條彼此拮抗通路。對(duì)脂骨代謝分子機(jī)制深入了解不僅可以為治療骨代謝疾病提供新靶點(diǎn)，而且可以研制針對(duì)高脂血癥的骨缺損修復(fù)材料(如他汀類藥物)，以達(dá)到降脂與成骨的雙重作用。綜上所述，膽固醇對(duì)骨代謝影響的研究已取得一定進(jìn)展，進(jìn)一步了解彼此間的相關(guān)性及分子機(jī)制，將有助于為骨代謝疾病開發(fā)新的防治措施。