骨質疏松骨重塑分子機制的研究進展

戴厚杰 王洪凱

(桂林醫學院第二附屬醫院骨一科,廣西 桂林 541199)

骨質疏松(OP)是一種由骨吸收和骨形成之間的失衡,導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構破壞導致骨強度下降,增加了骨的易脆性〔1,2〕。它是一種高度流行的疾病,估計影響全球2億人口,主要發病年齡在60歲以上〔3〕。2018年,我國OP流行病調查結果顯示,50歲以上人群患病率為19.2%,而65歲以上人群患病率達32%。由OP引起壓縮性骨折,每年就高達890多萬例之多,預計到2050年,這個數字將增加兩倍〔4〕。由于治療費用、高發病率和死亡率及勞動人口生產力的喪失,日益增加的OP給發達國家和發展中國家的衛生保健系統帶來了沉重的社會和經濟負擔〔5〕。因此OP應該運用合理的方法進行有效預防治療,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骨重塑分子機制進行深入研究。本文就OP骨重塑的分子機制研究進展進行綜述。

1 骨重塑的分期

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

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

2 破骨細胞

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

M-CSF/c-fms系統和RANKL/RANK/骨保護素(OPG)系統這兩種信號系統在破骨細胞的調控中起著關鍵作用。M-CSF也是破骨細胞存活的重要因素。M-CSF受體c-fms就是其中之一,其表達是破骨細胞前體形成的標志〔8〕。M-CSF與c-fms結合后,轉錄因子c-FOS上調,導致RANKL的受體RANK的表達,并伴有PU.1、眼小畸形關聯轉錄因子(MITF)等多種轉錄因子〔18〕。M-CSF途徑還可激活B細胞淋巴瘤(Bcl)-2,Bcl-2是細胞凋亡預防的重要因子。RANKL/RANK/OPG系統是破骨細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。它存在于多種細胞類型的表面,包括成骨細胞和骨細胞,并可被MMP劈裂產生可溶性形式。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三聚體結合,阻止RANKL誘導的破骨細胞成熟,促進破骨細胞凋亡〔20,21〕。

PI3K-AKT通路在破骨細胞分化和活化過程中發揮關鍵作用〔22〕。Rho GTPase家族成員RhoA被報道能抑制AKT活性,負性控制破骨形成〔23〕,由鳥嘌呤核苷酸結合蛋白亞基(G)α13介導,在細胞骨架組織過程中位于RhoA上游。Gα13的缺失有利于破骨細胞的形成,增大破骨細胞的大小。與此相一致的是,組成性活性Gα13(Ga13CA)抑制了多核破骨細胞的形成。事實上,Ga13CA過表達的單核細胞為trap陽性,說明Ga13CA調控的是破骨細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〕。相關研究者認為Gα13和RhoA主要通過下調破骨細胞形成和骨吸收介導,在OP中起重要作用〔24〕。

破骨細胞通過分泌蛋白水解酶和鹽酸誘導骨吸收,這是一個礦物溶解和骨降解的過程〔25〕。破骨細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。甲狀細胞激活的破骨細胞可以釋放礦物質回到血液中,這是鈣穩態機制的一部分〔13〕。PTH也可間接增加成骨細胞的增殖。

3 成骨細胞

成骨細胞誘導的新骨的發育大約在受精后6 w開始于胚胎。骨形成可分為兩種類型:膜內骨化和軟骨內骨化。在膜內骨形成過程中,MSC增殖并分化為成骨細胞,成骨細胞通過合成細胞外基質蛋白產生骨,如最豐富的Ⅰ型膠原。一旦開始沉積,細胞外基質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被認為是成骨細胞的祖細胞,具有分化成其他幾種細胞類型的能力,如脂肪細胞和軟骨細胞。信號分子,比如Runt相關轉錄因子(Runx)2、Osterix(Osx)、β-catenin、激活轉錄因子(Atf)4和激活蛋白(AP)-1家族,這些都在成骨細胞轉換中起關鍵作用,任何一種轉錄因子的缺少都會導致體內成骨細胞的不完全〔28〕。Runx2是一種上游轉錄因子,參與調節成骨細胞分化的關鍵轉錄因子。在成骨細胞中,Runx2調控Sp7蛋白表達,而Sp7蛋白也是成骨細胞分化和骨基質基因的關鍵轉錄因子〔29〕。Runx2及其共激活因子Cbtβ將引導MSC分化為前成骨細胞。而Runx2的下游調控因子Osterix則會與Runx2合作,進一步引導前成骨細胞向未成熟成骨細胞分化〔30〕。β-連環蛋白也是一種Runx2的下游因子,通過參與Wnt通路能夠增強Runx2的表達〔31〕。Runx2表達式的時間似乎很重要。Runx2在未成熟成骨細胞中表達達到峰值,在成熟成骨細胞中表達下降,Ⅱ型Runx2過表達由于抑制成骨細胞的成熟而導致嚴重的骨質減少〔32〕。此外,根據細胞類型的不同,Runx2可以增強或降低骨鈣素的表達,而骨鈣素是成熟成骨細胞的表型標志物〔33〕。Runx2也可能抑制成骨細胞向骨細胞的分化,說明Runx2在成骨細胞分化中具有雙重作用〔34〕。

在幾種調節MSC分化途徑中,Wnt通路是最重要、最完善的調控成骨細胞形成的通路〔35〕。Wnt家族包含19種分泌糖蛋白,它們在骨骼發育、維持骨骼穩態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和結腸腺瘤息肉易感蛋白(APC)形成復合物,在沒有Wnt配體的情況下進行磷酸化和降解〔37〕。當Wnt配體與特定的Frizzled受體(FZD)和輔受體LRP5/6結合時,它們將從復合物中釋放β-catenin并阻止其降解。這樣,β-catenin就會在細胞內積累并轉運到細胞核,調控其靶基因,包括編碼Runx2、osterix和OPG的基因,這些基因的表達會增加〔38〕。研究還發現Wnt通路可抑制MSC向脂肪細胞分化的調節因子PPAR-γ的活性,進而抑制脂肪形成,促進MSC向成骨細胞的分化〔39〕。Wnt信號通路已被證實可增加骨量和骨強度,特別是,對硬化代表的抑制已被證實具有非常有效的骨合成作用,可增加骨形成和骨密度〔40〕。

在骨形態發生蛋白(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蛋白(LRP)-5/6受體介導的〔41〕,最終導致成骨細胞的形成,促進骨的形成。同樣,TGF-β1、成纖維細胞生長因子、胰島素樣生長因子(IGF)-1、Notch和PTH也被證明可以促進骨形成〔42〕。在骨骼重塑過程中,TGF-β1從骨基質中釋放,聚集MSCs,從而進一步生成成骨細胞〔43〕。

成骨細胞除了通過合成細胞外基質來形成骨骼外,還通過正負反饋調節破骨細胞來調節骨量。RANKL是一種同型三聚體跨膜蛋白,通過骨細胞、巨噬細胞、成骨細胞、骨髓干細胞和活化的T淋巴細胞表達〔44,45〕。成骨細胞表面RANKL表達的突出作用是通過細胞間依賴的接觸激活促進破骨細胞的分化。RANKL還對破骨細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胞缺乏和嚴重骨硬化相關,表明成骨細胞在骨重塑中發揮關鍵作用〔46〕。

4 骨細胞

骨細胞是成熟的成骨細胞,具有更分化的形態,是骨組織中主要的細胞成分之一,完全嵌入在骨基質中,占全部骨細胞的90%以上。骨細胞與相鄰的骨細胞、成骨細胞和內皮細胞保持聯系,并通過間隙連接進行交流〔47〕。骨細胞是骨中重要的力學感應細胞,能將機械力轉化為細胞信號以維持骨穩態,還能產生各種蛋白和信號分子,如硬化蛋白、組織蛋白酶K、Dickkopf相關蛋白(DKK)1等,以調節成骨細胞及破骨細胞活性〔48〕。它通過釋放激素和感知骨的機械負荷,作為骨重塑的主要調節因子〔49〕。骨細胞來源于MSC來源的成骨細胞,這些成骨細胞可以通過分泌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,從而影響降低成骨細胞的功能〔50〕。小鼠遺傳學研究表明,骨中有條件的缺失DKK1和(或)Sost可以顯著增加骨量〔51〕。感知和轉導骨骼機械力的分子靶點可能包括多胱氨酸和TAZ復合物〔52〕、整聯蛋白〔53〕和半通道〔54〕。骨細胞可以分別通過表達RANKL和M-CSF,或一氧化氮和OPG來調節破骨細胞的激活或抑制〔55〕。

5 脂肪細胞

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

除了骨細胞和脂肪細胞中的轉錄因子的調控外,脂肪因子如趨化素、抵抗素、內臟脂肪素、瘦素、脂聯素和網膜蛋白-1也會產生旁分泌作用脂肪細胞已經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中被發現,趨化素/CMKLR1信號可抑制Wnt/β-連環蛋白和Notch信號通路,從而抑制成骨細胞的形成〔59〕。趨化素/CMKLR1信號誘導NFATc1在造血干細胞中的表達,這是破骨細胞分化的關鍵轉錄因子,表明趨化素可能在疾病狀態下增強骨丟失〔56〕。其他脂肪因子,如內脂素和抵抗素表現出類似的活性,盡管內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在內的細胞-細胞接觸調節的,然而,脂肪細胞和脂肪因子在骨質丟失相關疾病中發揮關鍵作用。

綜上,OP骨重塑是通過骨細胞、破骨細胞及成骨細胞等共同作用下發生的。在各種細胞的增生及分化過程中,細胞信號通路起到非常關鍵作用,它們通過對細胞分子通路上某些靶向信號蛋白的調控,實現其影響作用。最近幾十年里,骨代謝生物學及分子生物學機制已取得重大進展,對骨重塑與破骨細胞分化的過程已經有比較清楚研究,然而,對成骨細胞的生物學特性的認識,骨細胞之間的通信和其他細胞的參與,特別是免疫細胞,仍有較多問題不是很清楚?？傮w而言,對OP骨重塑的分子機制研究還需更進一步深入研究,期待發現新的信號通路,同時也為OP的治療提高新的藥物靶點。