細胞外ATP激活受體P2X7在骨質疏松癥中的作用機制

張浩龍 趙瑞 潘靜 齊雅茜 雷新宇 白金霞 張忠文 王薇 張浩令* 宋志靖,5*

1.馬來西亞理科大學高級醫學和牙科研究所,馬來西亞 檳城 13200

2.甘肅中醫藥大學中醫臨床學院,甘肅 蘭州 730000

3.甘肅中醫藥大學針灸推拿學院,甘肅 蘭州 730000

4.甘肅中醫藥大學公共衛生學院,甘肅 蘭州 730000

5.敦煌醫學與轉化教育部重點實驗室,甘肅 蘭州 730000

隨著全球人口逐漸步入老齡化,骨質疏松癥已成為全球范圍內的一大公共衛生挑戰[1]。這種疾病表現為骨密度減低、骨微結構破壞,骨折風險增加[2]。當前,針對骨質疏松癥的治療策略主要包括藥物治療,如抗骨吸收劑(雙膦酸鹽、利塞膦酸鈉、伊班膦酸鹽和唑來膦酸等)、生活方式的調整(增加鈣和維生素D的攝入、保持適當的運動)以及定期進行骨密度檢查等[3-4]。然而,這些治療手段大多僅能緩解癥狀,并未能在根本上改變疾病的進程。因此,探索新的治療靶點以開發更為有效的治療策略,已然成為當前研究的關鍵方向。

近年來,作為由細胞外腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine-triphosphate,ATP)激活的離子通道,P2X7受體在骨質疏松癥的發展過程中,特別是在骨吸收和破骨細胞功能方面,已被廣大科研工作者高度認可[5]。Kvist等[6]在2017年證實,在骨質疏松小鼠模型中,消除P2X7受體可以預防炎癥性骨質流失,同時維持其骨強度。Lu等[7]發現敲除P2X7受體可以通過調節自噬和Ca2+/鈣黃素/NFATc1信號通路來抑制破骨細胞的分化,進而抑制骨質疏松癥的發生。因此,P2X7受體有可能成為骨質疏松癥治療的新靶點。本文致力于深入探討P2X7受體在骨質疏松癥中的作用,以及其作為免疫系統與骨質疏松癥之間聯系的角色,為骨質疏松癥的新型治療策略提供新的視角和啟示。

1 P2X7對破骨細胞和成骨細胞的影響

P2X7受體在骨骼相關疾病中扮演著至關重要的角色,特別在破骨細胞與成骨細胞的功能調節上顯得尤為突出。在破骨細胞中,P2X7受體的活化能夠誘導氧化應激反應,啟動NF-κB(核因子激活的B細胞的κ-輕鏈增強)信號通路,并推動破骨細胞前體細胞的分化,從而強化骨質吸收活動。在成骨細胞中,P2X7受體能夠激發其增殖和分化,進一步促進骨質的礦化過程。然而,持久或過度的活化可能誘發細胞凋亡,對成骨細胞產生負面影響。因此,作為骨骼代謝的核心分子,P2X7受體在維持骨骼健康方面具有至關重要的價值。

1.1 P2X7對破骨細胞的影響

P2X7受體在破骨細胞的活動中發揮著核心作用,其活化能夠刺激破骨細胞加強對骨質的吸收。在響應炎癥部位釋放的刺激或對機械刺激的反應時,P2X7核苷酸受體能夠通過NF-κB來調控破骨細胞的生成和活性[8-9]。然而,P2X7受體的過度活化會導致骨質吸收或骨質喪失從而誘發骨質疏松癥和其他骨骼相關疾病[10]。例如,Zha等[11]的研究揭示了腫瘤壞死因子-α(TNF-α)可以通過磷脂酰肌醇3-激酶/絲氨酸/蘇氨酸激酶(PI3k/Akt)信號通路增強P2X7受體以及NF-κB配體受體激活劑(receptor activator ofnuclear factor kappa-B ligand,RANKL)的表達,促使骨髓間充質干細胞(BMSCs)向破骨細胞的分化,加速骨質的損失并誘發絕經后婦女的骨質疏松癥。此外,在長期或高劑量的鉻金屬暴露下,P2X7的活化通過上調PI3K/AKT通路抑制成骨細胞活性并刺激破骨細胞生成誘發骨質疏松癥[12]。阻斷P2X7受體可以抑制TNF-α促進的破骨細胞分化,明顯延緩骨質疏松癥的進展[7]。研究表明,敲除P2X7受體可調控自噬、Ca2+/鈣黃素/NFATc1信號通路、MAPK信號通路來抑制破骨細胞的分化[13-14]。Hwang等[15]敲除P2X7受體可抑制溶血磷脂酸(LPA)刺激的破骨細胞直徑和骨吸收能力。因此,以P2X7受體作為藥物靶點,通過抑制P2X7可以降低破骨細胞的活性,為骨質疏松癥等骨骼疾病的治療開辟新的路徑。

總的來說,P2X7受體的激活可以促進破骨細胞的生成。然而,關于細胞外ATP在調控骨吸收中的重要作用存在著矛盾的證據。細胞外高濃度ATP既有可能誘發骨吸收,也可能通過啟動細胞凋亡來降低骨吸收。此外,細胞內ATP水平對破骨細胞的生存和再吸收具有積極的調節作用(圖1)[16-18]。

圖1 P2X7激活調節破骨前體細胞和破骨細胞的作用機制Fig.1 Mechanism of P2X7 activation regulating the function of osteoclast precursors and osteoclasts

1.2 P2X7對成骨細胞的影響

成骨細胞是骨骼形成和礦化的關鍵細胞[19]。在成骨細胞的生物學功能中,P2X7受體發揮著重大的影響。P2X7受體的激活能夠刺激成骨細胞的增殖和分化,進一步推動新骨的生成和骨矩陣的礦化,但過度激活可能對成骨細胞產生負面影響。一些研究指出,長期或過度激活P2X7受體可能導致成骨細胞的過度增殖以及細胞凋亡。如長期鎘暴露激活P2X7,通過下調PI3K/AKT信號通路抑制BMSCs和骨髓單核細胞(BMMs)向成骨細胞的分化,并促進成骨細胞凋亡,從而誘發骨質疏松癥的發生[12]。因此,P2X7受體活動的平衡在維護骨骼健康中起著至關重要的作用。失衡的P2X7受體活動對于成骨細胞的抑制作用,使其成為了在治療骨骼疾病和骨質疏松癥等疾病中的潛力靶點。例如,抗菌肽LL37 (Human cathelicidin,Ropocamptide)通過P2X7受體和MAPK信號通路抑制炎癥細胞因子白細胞介素-1β(IL-1β)、TNF-α和RANKL的表達,降低脂多糖(LPS)誘導的成骨抑制作用[20]。低強度脈沖超聲(LIPUS)可以誘導細胞外ATP通過P2X7受體及其下游的信號通路,促進人類間充質干細胞(hMSCs)的成骨分化[21]。然而,關于如何精確調控P2X7受體以優化骨骼健康,科研人員仍需要進行更深入的研究。

成骨細胞的發育源自間充質干細胞(MSCs),在此過程中,內源性ATP的釋放能夠激活P2X7受體,從而推動MSCs向成骨細胞的分化。細胞外的ATP通過水解生成ADP/AMP和焦磷酸(PPi),這兩者對成骨細胞的功能產生抑制作用,而內源性ATP(無論是基礎狀態還是機械刺激誘導的)則具有促成骨效果。P2X7受體信號能夠觸發一系列下游事件[前列腺素E2(PGE2)的合成/釋放、磷脂酸(LPA)的合成/釋放,以及絲氨酸/蘇氨酸激酶(ERK1/2)的激活],增強成骨細胞的分化并促進骨組織形成。機械刺激導致ATP的釋放,通過激活P2X7受體,以此來增強受體介導的成骨功能。對于P2X7受體的瞬時激活,其可通過激動劑介導,促進成骨細胞的分化和基質礦化;然而,持續的刺激會導致細胞外ATP積累,進而誘發細胞凋亡,呈現出抗成骨性(圖2)[8,13,22-23]。

圖2 P2X7激活調節成骨前體細胞和成骨細胞的作用機制Fig.2 Mechanism of P2X7 activation regulating the function of osteoblast precursors and osteoblasts

2 P2X7作為免疫炎性系統和骨質疏松癥之間的紐帶

2.1 P2X7與慢性炎癥性骨質疏松癥

P2X7受體是一種由ATP激活的離子通道,存在于各類細胞類型中,尤其在免疫細胞(如巨噬細胞和淋巴細胞等)中表達量較高[24]。此類受體在多種細胞生理活動中,如信號傳導、炎癥反應、細胞增殖與凋亡,均發揮著決定性的作用。近期的研究揭示了P2X7受體在慢性炎癥性骨質疏松癥發展過程中扮演著關鍵角色[25]。慢性炎癥性骨質疏松癥是一種由持久的炎癥狀態引發的骨質流失疾病,常伴隨發生于類風濕性關節炎和炎癥性腸病等慢性炎癥疾病中。在這類疾病的發展過程中,炎癥細胞和細胞因子的過度活動導致骨骼重塑過程的失衡,即破骨細胞的骨吸收活動超過了成骨細胞的骨生成活動,從而引發了骨質疏松癥[6]。

P2X7受體對慢性炎癥性骨質疏松癥的影響主要表現在兩個方面:一是調節炎癥反應,二是直接影響骨骼細胞。首先,P2X7受體可以調控炎癥細胞的活性和細胞因子的生成,如TNF-α、白介素-1(IL-1)和白介素-6(IL-6),參與炎癥反應。這些細胞因子可以直接刺激破骨細胞的形成和活化,加快骨吸收[26]。例如,高濃度的TNF-α可以通過PI3K/Akt信號通路,上調BMSCs中的P2X7受體表達,促進BMSCs向破骨細胞的分化,進一步加強骨吸收,加劇骨質疏松癥的發展[7]。另一方面,低濃度的TNF-α(1～5 ng/mL)可以通過NF-κB信號通路促進成骨細胞的分化,同時抑制破骨細胞的分化[27]。同時,炎癥反應會引發RANKL分泌增加,進一步促進破骨細胞的分化和功能。除上述細胞因子外,其他細胞因子如白介素-12(IL-12)、白介素-18(IL-18)、白介素-33(IL-33)和干擾素α2(IFN-α2)可以抑制破骨細胞的分化,抑制骨質流失[23]。然而,對于P2X7受體如何在微觀層面上影響這些過程,以及如何有效利用這些機制來開發新的治療策略,仍需要進一步的研究。

炎癥過程中,大量ATP的釋放激活免疫細胞以及破骨細胞和成骨細胞上的P2X7受體。當炎癥部位的組織或細胞受到損傷時,釋放出的ATP可激活骨細胞上的P2X7受體。同樣,炎癥部位的單核細胞等免疫細胞的P2X7受體會被細胞或組織損傷釋放的ATP激活。這些細胞上的P2X7受體激活會誘導K+流出和NALP3炎性體激活,導致促炎細胞因子IL-1、IL-6、IL-1β和TNF-α的加工和釋放。這些因子通過PI3k/AKT途徑促進單核細胞與破骨細胞的融合,進而推動骨的吸收。同時,增強成骨細胞中的RANKL表達可促進破骨細胞形成并加速骨吸收。此外,一些炎癥細胞因子(如IL-12、IL-18、IL-33)可抑制破骨細胞,促進成骨細胞分化,抑制骨質流失(圖3)[8,13,28]。

圖3 P2X7與慢性炎癥性骨質疏松癥作用機制Fig.3 Mechanism of P2X7 in chronic inflammatory osteoporosis

2.2 P2X7與免疫系統介導的骨質疏松癥

免疫系統在骨質疏松癥的發展過程中扮演著重要的角色,尤其是免疫細胞和炎癥因子對骨質調控的作用不容忽視。感染或疾病所引發的炎癥,或者免疫功能失調導致的病理性問題,都可能對骨質產生破壞性的影響,從而增加患者骨質疏松和骨折的風險。例如,在自身免疫力下降的情況下,由于CD4+細胞的功能出現問題且數量有所減少,其對骨保護素(OPG)的共刺激作用相應減弱,從而導致OPG的生成量下降。這會使RANKL與OPG的比值增加,提升破骨細胞的活性,加速骨質吸收,進而提高骨質疏松癥的風險[29]。細胞外的ATP通過激活P2X7受體-NF-κB(p65)信號通路,促進樹突狀細胞的成熟,并同時釋放炎癥因子如γ-干擾素 (IFN-γ)和IL-12[30]。此外,樹突狀細胞的P2X7受體的激活也會產生IL-1β和IL-18等細胞因子,進一步增強炎癥反應[31]。IL-18和IL-12的釋放抑制破骨細胞活動,同時促進成骨細胞的分化,從而有助于預防骨質流失[13-15,28]。

2.3 P2X7基因多態性與骨質疏松癥

編碼P2X7受體的基因P2RX7已被證實存在眾多形態變異,這些變異可能對P2X7受體的功能產生重大影響,并可能與多種疾病的發病風險緊密相關。關于P2X7基因多態性與骨質疏松癥關系的研究尚屬初級階段,但P2X7基因多態性影響骨骼細胞,包括成骨細胞和破骨細胞的活動已被證實。Wang等[32]研究結果表明,P2X7R rs3751143CC基因型以及rs1718119 G-rs2230911 G-rs3751143C單倍型與骨質疏松癥風險增加存在顯著關聯。同時,P2X7R rs3751143與ER-α PvuⅡ兩個位點的相互作用使中國絕經后婦女對骨質疏松癥的易感性顯著增加。Xu等[33]的研究也揭示了P2X7R rs3751143功能多態性可能對中國絕經后婦女的骨質疏松癥易感性產生影響。Jrgensen等[34]發現骨質流失率與Arg307Gln氨基酸替代顯著相關,攜帶這種多態性雜合子的個體骨質流失率增加40%。此外,攜帶Ile568Asn變異等位基因也能增加個體骨質流失,加速骨質疏松癥的發生。相比之下,Gln460Arg和Ala348Thr多態性與防止骨質流失有關。Ala348Thr 多態性與絕經后10年椎體骨折發生率較低相關。這項研究進一步驗證了P2X7受體基因多態性在骨密度調控方面的重要性。Stéfani等[35]通過對121名巴西人進行 P2X7基因中7個非同義單核苷酸多態性(SNPs)的基因分型,發現TL 18147-P2X7受體基因中的單核苷酸多態性與骨密度和踝關節骨折有關。

P2X7受體以及其編碼基因P2RX7的多態性構成了一個新興而充滿潛力的研究領域,這可能為深化對骨質疏松癥的認識,以及提供預防和治療骨質疏松癥的新穎思路。然而,仍需更多研究以揭示P2X7受體在骨質疏松癥中的確切作用,以及P2RX7基因多態性如何影響這一過程。此外,還需在更廣大的樣本群體及不同種族中進行更深入的研究,以驗證現有的發現,并確定這些發現是否具有廣泛的適用性。只有通過這種方式的研究,才能充分發掘P2X7受體和P2RX7基因多態性這一具有巨大潛力的研究領域,為骨質疏松癥的預防和治療開拓新的策略。

3 P2X7治療骨質疏松癥的潛在治療靶點

通過激活P2X7受體可以實現破骨細胞骨吸收與成骨細胞骨形成之間的理想平衡,從而有效地改善骨質疏松癥,使其成為治療骨質疏松癥的關鍵調節劑及潛在治療靶點[8]?，F階段,已有多種P2X7受體調控劑被應用于骨質疏松癥的治療,如P2X7受體拮抗劑A438079和A740003[36]。除了P2X7受體調控劑,一些天然藥物成分如芹菜素、丹參酮ⅡA磺酸鈉(STS)等,被證實或推測對骨質疏松癥的治療具有積極效果。這些藥物主要通過靶向調控破骨細胞的活動、抑制炎癥反應以及誘導干細胞向成骨細胞的分化等方式防止骨質流失,治療骨質疏松癥[37-38]。此外,P2X7受體還能影響BMSCs的分化。研究指出,P2X7受體的活性可以推動這些干細胞向破骨細胞方向分化,而非成骨細胞。因此,通過調控P2X7受體的活性,可能引導干細胞向成骨細胞的方向分化,進而增加骨質。

P2X7受體具有成為骨質疏松癥治療的潛在靶點的可能性。然而,為了將這些理論應用于實際的治療策略,還需要進行更多的研究,包括開發和測試靶向P2X7受體的藥物,確定其劑量和毒副作用,以及在臨床試驗中驗證其療效和安全性。

4 結語與展望

P2X7受體因其在調控炎癥過程、影響骨質重塑,以及引導骨髓間充質干細胞分化等關鍵環節中的作用,被認為是治療骨質疏松癥的重要新靶點。關于P2X7受體在骨質疏松癥治療中的研究已有一些初步的成果,但仍需針對以下問題進行深入探討。首先,對于P2X7受體在骨質重塑和炎癥反應中的具體分子和細胞層面運作機制仍需進一步明確,以便更有效地將P2X7受體作為治療骨質疏松癥的新靶點。其次,雖然部分P2X7受體調節劑在骨質疏松癥治療中得到初步應用,但其治療效果和安全性仍需要通過更多的臨床試驗進行驗證。同時,科研人員也需要研發更為有效且安全的P2X7受體調節劑。再者,需要深入探討P2X7受體與其他骨質疏松癥治療目標的相互作用,這些交互可能影響治療效果,因此,揭示這些交互作用對于優化治療策略具有重要價值。而P2X7基因的多態性決定了不同的人群(如不同種族、年齡、性別等)對P2X7受體調節劑的反應存在差異,研究人員需要對此進行深入研究,以找出更有效、更安全以及更加個性化的治療策略。最后,針對P2X7受體的研究并不僅限于骨質疏松癥治療,其在骨質疏松癥預防以及其他骨相關疾病(如骨質增生、骨腫瘤等)治療中的作用也值得進一步探索。

總體來說,P2X7受體作為治療骨質疏松癥的新靶點,其理論意義重大且應用前景廣闊。本文期待在深入研究的推動下,發現更多的P2X7受體調控策略,并將這些策略應用于臨床,以此為骨質疏松癥患者帶來實質性的益處。