戴厚杰 王洪凱

(桂林醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院骨一科,廣西 桂林 541199)

骨質(zhì)疏松(OP)是一種由骨吸收和骨形成之間的失衡,導(dǎo)致骨骼破壞超過了骨骼形成造成的全身性骨骼疾病,其特征是由于骨微結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致骨強(qiáng)度下降,增加了骨的易脆性〔1,2〕。它是一種高度流行的疾病,估計(jì)影響全球2億人口,主要發(fā)病年齡在60歲以上〔3〕。2018年,我國OP流行病調(diào)查結(jié)果顯示,50歲以上人群患病率為19.2%,而65歲以上人群患病率達(dá)32%。由OP引起壓縮性骨折,每年就高達(dá)890多萬例之多,預(yù)計(jì)到2050年,這個數(shù)字將增加兩倍〔4〕。由于治療費(fèi)用、高發(fā)病率和死亡率及勞動人口生產(chǎn)力的喪失,日益增加的OP給發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家的衛(wèi)生保健系統(tǒng)帶來了沉重的社會和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)〔5〕。因此OP應(yīng)該運(yùn)用合理的方法進(jìn)行有效預(yù)防治療,迄今為止,在OP的治療上,抑制骨吸收的雙磷酸鹽(BPs)是治療最常用的藥物之一。然而,由于目前使用的藥物的副作用和有限的療效,人們一直試圖尋找其他新的藥物。而這就需要對OP骨重塑分子機(jī)制進(jìn)行深入研究。本文就OP骨重塑的分子機(jī)制研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 骨重塑的分期

OP的形成是由于骨吸收超過骨形成,導(dǎo)致骨在重塑過程中的失衡所致。骨重塑對骨穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要,涉及骨形成和骨吸收的平衡協(xié)調(diào)〔6〕。一般情況下,骨重塑可分為5個階段:(1)激活期,即骨重塑由局部機(jī)械信號或激素信號啟動;骨細(xì)胞被認(rèn)為能夠感知這些信號并將其轉(zhuǎn)化為骨骼中的生物反應(yīng)〔7〕。(2)再吸收階段,成熟的破骨細(xì)胞分泌基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)消化礦物質(zhì)和有機(jī)基質(zhì)。在這個階段,Howship的吸收陷窩在冠層細(xì)胞下形成〔8〕。(3)逆轉(zhuǎn)階段,成熟的破骨細(xì)胞發(fā)生凋亡,成骨細(xì)胞被定向到骨吸收位點(diǎn)。轉(zhuǎn)化生化因子(TGF)-β等局部分子會被釋放,誘導(dǎo)成骨細(xì)胞開始骨形成〔9〕。(4)成骨階段,成骨細(xì)胞主導(dǎo)骨重塑過程,此過程通常需要4～6個月〔10〕。許多局部和全身的調(diào)節(jié)因子如Wnt、骨硬化蛋白和甲狀旁腺激素(PTH)會誘導(dǎo)骨的成骨細(xì)胞發(fā)生。由不同蛋白質(zhì)(如Ⅰ型膠原)組成的有機(jī)骨基質(zhì)(類骨)開始沉積,直到實(shí)現(xiàn)骨吸收的全部補(bǔ)償。(5)終止期,即等量的骨基質(zhì)被再吸收和形成,形成期將終止。成骨細(xì)胞要么發(fā)生凋亡,要么形成新的骨細(xì)胞〔11〕。骨礦化開始并完成均在此階段〔12〕。

破骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞是直接參與骨重塑的三種重要的骨細(xì)胞〔13〕。同時骨的形成,是由間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)來源的成骨細(xì)胞和組織特異性巨噬細(xì)胞多核來源的破骨細(xì)胞骨吸收協(xié)調(diào),以維持骨礦物穩(wěn)態(tài)和強(qiáng)度。骨質(zhì)流失可能是由于每種細(xì)胞類型的功能失常而引起的。

2 破骨細(xì)胞

破骨細(xì)胞是促進(jìn)骨重塑的主要吸收細(xì)胞,其缺陷可導(dǎo)致骨重塑的不平衡〔14〕。它是一種多核細(xì)胞,黏附在骨頭上并吸收骨頭,導(dǎo)致形成孔洞并將鈣釋放到血液中。這些細(xì)胞是在單核/巨噬細(xì)胞集落刺激因子(M-CSF)和核因子受體激活因子(RANK)及其配體(RANKL)的刺激下,從造血干細(xì)胞(HSCs)分化而來的〔15〕。其他因素中,包括炎癥細(xì)胞因子,如白細(xì)胞介素(IL)-1、IL-6、腫瘤壞死因子(TNF)-α和αVβ3整合素,也可以調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的分化和功能〔16,17〕。一旦RANK受體與其配體發(fā)生相互作用,TNF受體相關(guān)因子(TRAF)6等分子被招募,導(dǎo)致絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)級聯(lián)、核因子(NF)-κB、蛋白激酶B(AKT/PKB)、c-Jun氨基末端激酶(JNK)和細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)下游信號通路的激活及參與破骨形成的基因表達(dá)。

M-CSF/c-fms系統(tǒng)和RANKL/RANK/骨保護(hù)素(OPG)系統(tǒng)這兩種信號系統(tǒng)在破骨細(xì)胞的調(diào)控中起著關(guān)鍵作用。M-CSF也是破骨細(xì)胞存活的重要因素。M-CSF受體c-fms就是其中之一,其表達(dá)是破骨細(xì)胞前體形成的標(biāo)志〔8〕。M-CSF與c-fms結(jié)合后,轉(zhuǎn)錄因子c-FOS上調(diào),導(dǎo)致RANKL的受體RANK的表達(dá),并伴有PU.1、眼小畸形關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)錄因子(MITF)等多種轉(zhuǎn)錄因子〔18〕。M-CSF途徑還可激活B細(xì)胞淋巴瘤(Bcl)-2,Bcl-2是細(xì)胞凋亡預(yù)防的重要因子。RANKL/RANK/OPG系統(tǒng)是破骨細(xì)胞活性的主要決定因素。RANKL是一種同型三聚體跨膜蛋白,屬于TNF超家族。它存在于多種細(xì)胞類型的表面,包括成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞,并可被MMP劈裂產(chǎn)生可溶性形式。而這種可溶形式保留了激活RANK的能力〔19〕。有研究表明,OPG是一種可溶性分泌蛋白,是RANKL的可溶性誘餌受體,通過競爭性地與RANKL三聚體結(jié)合,阻止RANKL誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞成熟,促進(jìn)破骨細(xì)胞凋亡〔20,21〕。

PI3K-AKT通路在破骨細(xì)胞分化和活化過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用〔22〕。Rho GTPase家族成員RhoA被報(bào)道能抑制AKT活性,負(fù)性控制破骨形成〔23〕,由鳥嘌呤核苷酸結(jié)合蛋白亞基(G)α13介導(dǎo),在細(xì)胞骨架組織過程中位于RhoA上游。Gα13的缺失有利于破骨細(xì)胞的形成,增大破骨細(xì)胞的大小。與此相一致的是,組成性活性Gα13(Ga13CA)抑制了多核破骨細(xì)胞的形成。事實(shí)上,Ga13CA過表達(dá)的單核細(xì)胞為trap陽性,說明Ga13CA調(diào)控的是破骨細(xì)胞成熟的后期而不是早期,能夠靶向骨丟失而不影響正常骨重塑〔23〕。相關(guān)研究者認(rèn)為Gα13和RhoA主要通過下調(diào)破骨細(xì)胞形成和骨吸收介導(dǎo),在OP中起重要作用〔24〕。

破骨細(xì)胞通過分泌蛋白水解酶和鹽酸誘導(dǎo)骨吸收,這是一個礦物溶解和骨降解的過程〔25〕。破骨細(xì)胞釋放的重要蛋白水解酶是溶酶體酶(如組織蛋白酶K)和MMP-9〔26〕。這可能是對PTH和降鈣素刺激的反應(yīng)。甲狀細(xì)胞激活的破骨細(xì)胞可以釋放礦物質(zhì)回到血液中,這是鈣穩(wěn)態(tài)機(jī)制的一部分〔13〕。PTH也可間接增加成骨細(xì)胞的增殖。

3 成骨細(xì)胞

成骨細(xì)胞誘導(dǎo)的新骨的發(fā)育大約在受精后6 w開始于胚胎。骨形成可分為兩種類型:膜內(nèi)骨化和軟骨內(nèi)骨化。在膜內(nèi)骨形成過程中,MSC增殖并分化為成骨細(xì)胞,成骨細(xì)胞通過合成細(xì)胞外基質(zhì)蛋白產(chǎn)生骨,如最豐富的Ⅰ型膠原。一旦開始沉積,細(xì)胞外基質(zhì)隨后就會通過磷酸鈣以羥基磷灰石〔Ca10(PO4)6(OH)2〕的形式積累而礦化〔27〕。

MSC被認(rèn)為是成骨細(xì)胞的祖細(xì)胞,具有分化成其他幾種細(xì)胞類型的能力,如脂肪細(xì)胞和軟骨細(xì)胞。信號分子,比如Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子(Runx)2、Osterix(Osx)、β-catenin、激活轉(zhuǎn)錄因子(Atf)4和激活蛋白(AP)-1家族,這些都在成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)換中起關(guān)鍵作用,任何一種轉(zhuǎn)錄因子的缺少都會導(dǎo)致體內(nèi)成骨細(xì)胞的不完全〔28〕。Runx2是一種上游轉(zhuǎn)錄因子,參與調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞分化的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。在成骨細(xì)胞中,Runx2調(diào)控Sp7蛋白表達(dá),而Sp7蛋白也是成骨細(xì)胞分化和骨基質(zhì)基因的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子〔29〕。Runx2及其共激活因子Cbtβ將引導(dǎo)MSC分化為前成骨細(xì)胞。而Runx2的下游調(diào)控因子Osterix則會與Runx2合作,進(jìn)一步引導(dǎo)前成骨細(xì)胞向未成熟成骨細(xì)胞分化〔30〕。β-連環(huán)蛋白也是一種Runx2的下游因子,通過參與Wnt通路能夠增強(qiáng)Runx2的表達(dá)〔31〕。Runx2表達(dá)式的時間似乎很重要。Runx2在未成熟成骨細(xì)胞中表達(dá)達(dá)到峰值,在成熟成骨細(xì)胞中表達(dá)下降,Ⅱ型Runx2過表達(dá)由于抑制成骨細(xì)胞的成熟而導(dǎo)致嚴(yán)重的骨質(zhì)減少〔32〕。此外,根據(jù)細(xì)胞類型的不同,Runx2可以增強(qiáng)或降低骨鈣素的表達(dá),而骨鈣素是成熟成骨細(xì)胞的表型標(biāo)志物〔33〕。Runx2也可能抑制成骨細(xì)胞向骨細(xì)胞的分化,說明Runx2在成骨細(xì)胞分化中具有雙重作用〔34〕。

在幾種調(diào)節(jié)MSC分化途徑中,Wnt通路是最重要、最完善的調(diào)控成骨細(xì)胞形成的通路〔35〕。Wnt家族包含19種分泌糖蛋白,它們在骨骼發(fā)育、維持骨骼穩(wěn)態(tài)和骨骼重塑中都是不可或缺的〔36〕。在典型的Wnt通路中,β-catenin與axin和結(jié)腸腺瘤息肉易感蛋白(APC)形成復(fù)合物,在沒有Wnt配體的情況下進(jìn)行磷酸化和降解〔37〕。當(dāng)Wnt配體與特定的Frizzled受體(FZD)和輔受體LRP5/6結(jié)合時,它們將從復(fù)合物中釋放β-catenin并阻止其降解。這樣,β-catenin就會在細(xì)胞內(nèi)積累并轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞核,調(diào)控其靶基因,包括編碼Runx2、osterix和OPG的基因,這些基因的表達(dá)會增加〔38〕。研究還發(fā)現(xiàn)Wnt通路可抑制MSC向脂肪細(xì)胞分化的調(diào)節(jié)因子PPAR-γ的活性,進(jìn)而抑制脂肪形成,促進(jìn)MSC向成骨細(xì)胞的分化〔39〕。Wnt信號通路已被證實(shí)可增加骨量和骨強(qiáng)度,特別是,對硬化代表的抑制已被證實(shí)具有非常有效的骨合成作用,可增加骨形成和骨密度〔40〕。

在骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMPs)和Wnt(主要是Wnt3a和Wnt10b)的刺激下Runx2的水平增加,而這個過程是通過激活卷曲蛋白和脂蛋白受體相關(guān)蛋白(LRP)-5/6受體介導(dǎo)的〔41〕,最終導(dǎo)致成骨細(xì)胞的形成,促進(jìn)骨的形成。同樣,TGF-β1、成纖維細(xì)胞生長因子、胰島素樣生長因子(IGF)-1、Notch和PTH也被證明可以促進(jìn)骨形成〔42〕。在骨骼重塑過程中,TGF-β1從骨基質(zhì)中釋放,聚集MSCs,從而進(jìn)一步生成成骨細(xì)胞〔43〕。

成骨細(xì)胞除了通過合成細(xì)胞外基質(zhì)來形成骨骼外,還通過正負(fù)反饋調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞來調(diào)節(jié)骨量。RANKL是一種同型三聚體跨膜蛋白,通過骨細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、成骨細(xì)胞、骨髓干細(xì)胞和活化的T淋巴細(xì)胞表達(dá)〔44,45〕。成骨細(xì)胞表面RANKL表達(dá)的突出作用是通過細(xì)胞間依賴的接觸激活促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化。RANKL還對破骨細(xì)胞凋亡起到一定的抑制作用。同時人類RANKL基因和RANKL基因敲除小鼠的基因突變與破骨細(xì)胞缺乏和嚴(yán)重骨硬化相關(guān),表明成骨細(xì)胞在骨重塑中發(fā)揮關(guān)鍵作用〔46〕。

4 骨細(xì)胞

骨細(xì)胞是成熟的成骨細(xì)胞,具有更分化的形態(tài),是骨組織中主要的細(xì)胞成分之一,完全嵌入在骨基質(zhì)中,占全部骨細(xì)胞的90%以上。骨細(xì)胞與相鄰的骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞保持聯(lián)系,并通過間隙連接進(jìn)行交流〔47〕。骨細(xì)胞是骨中重要的力學(xué)感應(yīng)細(xì)胞,能將機(jī)械力轉(zhuǎn)化為細(xì)胞信號以維持骨穩(wěn)態(tài),還能產(chǎn)生各種蛋白和信號分子,如硬化蛋白、組織蛋白酶K、Dickkopf相關(guān)蛋白(DKK)1等,以調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞及破骨細(xì)胞活性〔48〕。它通過釋放激素和感知骨的機(jī)械負(fù)荷,作為骨重塑的主要調(diào)節(jié)因子〔49〕。骨細(xì)胞來源于MSC來源的成骨細(xì)胞,這些成骨細(xì)胞可以通過分泌Wnt信號通路的刺激因子,如一氧化氮和ATP及硬化蛋白和DKK1等抑制劑來調(diào)控骨形成。硬化蛋白和DKK1通過抑制Wnt/β-catenin信號通路和降低Runx2表達(dá),從而影響降低成骨細(xì)胞的功能〔50〕。小鼠遺傳學(xué)研究表明,骨中有條件的缺失DKK1和(或)Sost可以顯著增加骨量〔51〕。感知和轉(zhuǎn)導(dǎo)骨骼機(jī)械力的分子靶點(diǎn)可能包括多胱氨酸和TAZ復(fù)合物〔52〕、整聯(lián)蛋白〔53〕和半通道〔54〕。骨細(xì)胞可以分別通過表達(dá)RANKL和M-CSF,或一氧化氮和OPG來調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的激活或抑制〔55〕。

5 脂肪細(xì)胞

在與衰老相關(guān)的骨質(zhì)流失及糖尿病等疾病中,骨髓脂肪的生成起著非常關(guān)鍵的作用。來源于骨髓的脂肪細(xì)胞分化與成骨細(xì)胞分化具有同源性,而成熟的脂肪細(xì)胞表達(dá)RANKL并促進(jìn)破骨細(xì)胞的形成〔56〕。值得注意的是,在脂肪轉(zhuǎn)錄因子中,過氧化物酶體增殖物激活受體(PPAR)γ被認(rèn)為是造血干細(xì)胞向破骨細(xì)胞分化的主要因素〔57〕。PPARγ下調(diào)MSC和HSC中Wnt/β-catenin信號通路,分別抑制成骨細(xì)胞生成和激活破骨細(xì)胞功能。在破骨細(xì)胞中PPARγ介導(dǎo)過氧化物酶體增殖物,激活受體-γ輔激活因子-1β的表達(dá)(PGC1β),從而促進(jìn)線粒體生物發(fā)生,進(jìn)而增加骨吸收〔58〕。

除了骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控外,脂肪因子如趨化素、抵抗素、內(nèi)臟脂肪素、瘦素、脂聯(lián)素和網(wǎng)膜蛋白-1也會產(chǎn)生旁分泌作用脂肪細(xì)胞已經(jīng)被證明參與了骨骼重塑。有趣的是,趨化素的同源受體,趨化因子樣受體(CMKLR)1在MSCs中被發(fā)現(xiàn),趨化素/CMKLR1信號可抑制Wnt/β-連環(huán)蛋白和Notch信號通路,從而抑制成骨細(xì)胞的形成〔59〕。趨化素/CMKLR1信號誘導(dǎo)NFATc1在造血干細(xì)胞中的表達(dá),這是破骨細(xì)胞分化的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子,表明趨化素可能在疾病狀態(tài)下增強(qiáng)骨丟失〔56〕。其他脂肪因子,如內(nèi)脂素和抵抗素表現(xiàn)出類似的活性,盡管內(nèi)脂素在骨重塑中的作用還存在爭議。在正常情況下,骨形成是由包括RANK-RANKL在內(nèi)的細(xì)胞-細(xì)胞接觸調(diào)節(jié)的,然而,脂肪細(xì)胞和脂肪因子在骨質(zhì)丟失相關(guān)疾病中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

綜上,OP骨重塑是通過骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞及成骨細(xì)胞等共同作用下發(fā)生的。在各種細(xì)胞的增生及分化過程中,細(xì)胞信號通路起到非常關(guān)鍵作用,它們通過對細(xì)胞分子通路上某些靶向信號蛋白的調(diào)控,實(shí)現(xiàn)其影響作用。最近幾十年里,骨代謝生物學(xué)及分子生物學(xué)機(jī)制已取得重大進(jìn)展,對骨重塑與破骨細(xì)胞分化的過程已經(jīng)有比較清楚研究,然而,對成骨細(xì)胞的生物學(xué)特性的認(rèn)識,骨細(xì)胞之間的通信和其他細(xì)胞的參與,特別是免疫細(xì)胞,仍有較多問題不是很清楚?？傮w而言,對OP骨重塑的分子機(jī)制研究還需更進(jìn)一步深入研究,期待發(fā)現(xiàn)新的信號通路,同時也為OP的治療提高新的藥物靶點(diǎn)。