11β-HSD與骨代謝

劉軍，綜述；魏波，審校

(1.廣東醫(yī)學(xué)院第二臨床學(xué)院，廣東東莞523000；2.廣東醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院骨科一區(qū)，廣東湛江524001)

11β-HSD與骨代謝

劉軍1，綜述；魏波2，審校

(1.廣東醫(yī)學(xué)院第二臨床學(xué)院，廣東東莞523000；2.廣東醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院骨科一區(qū)，廣東湛江524001)

骨代謝過(guò)程主要包括骨形成及骨吸收，近年來(lái)許多研究表明糖皮質(zhì)激素代謝酶11β-羥基類(lèi)固醇脫氫酶(11β-HSD)與骨代謝存在一定的相關(guān)性。本文就11β-HSD在骨代謝相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究當(dāng)中的進(jìn)展作簡(jiǎn)單綜述。

11β-HSD；骨代謝

骨代謝過(guò)程主要包括骨形成及骨吸收，其中起決定作用的細(xì)胞是成骨細(xì)胞及破骨細(xì)胞。糖皮質(zhì)激素在骨吸收和骨形成平衡中起到了十分重要的作用。有多項(xiàng)結(jié)果顯示，糖皮質(zhì)激素所引起的骨質(zhì)疏松與激素存在量效與時(shí)效正向依賴性[1]。11β-羥基類(lèi)固醇脫氫酶(11β-hydroxysteroid dehydrogenase，11β-HSD)是糖皮質(zhì)激素的關(guān)鍵代謝酶，可以催化糖皮質(zhì)激素C11位的酮基與羥基之間的氧化還原反應(yīng)，使有生物活性的皮質(zhì)醇與無(wú)活性11-脫氫皮質(zhì)酮(以下簡(jiǎn)稱為皮質(zhì)酮)的相互轉(zhuǎn)化[2]，所以被譽(yù)為是糖皮質(zhì)激素在組織水平上的前受體調(diào)節(jié)劑[3]。故以其為基礎(chǔ)研究糖皮質(zhì)激素與骨代謝的關(guān)系成為近年來(lái)該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

1 11β-HSD的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

11β-HSD屬于短肽鏈乙醇氧化還原酶家族，以N-末端結(jié)合于特定細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上，另外接觸反應(yīng)區(qū)還存在一個(gè)佪文結(jié)構(gòu)，類(lèi)似于糖皮質(zhì)激素的反應(yīng)位點(diǎn)。該酶分為兩型，即11β-HSD1與11β-HSD2，人類(lèi)11β-HSD1基因定位于1號(hào)染色體上，含有6個(gè)外顯子，人類(lèi)與大鼠的11β-HSD1氨基酸排列順序有77%類(lèi)同。11β-HSD1多肽鏈上有兩個(gè)糖基化的位點(diǎn)，糖基化抑制劑可以減弱11β-HSD1的脫氫酶功能，但不影響其還原酶功能。人類(lèi)11β-HSD2基因定位于16號(hào)染色體長(zhǎng)臂上，其基因結(jié)構(gòu)與11β-HSD1只有14%的同源性，由5個(gè)外顯子組成。11β-HSD2結(jié)構(gòu)中糖基化位點(diǎn)被脯氨酸包圍，故被糖基化的可能性較少[4]。

2 11β-HSD對(duì)糖皮質(zhì)激素的調(diào)節(jié)

11β-HSD1幾乎在所有糖皮質(zhì)激素目的作用部位上均有表達(dá)，具有氧化及還原雙向反應(yīng)的特殊功能。在大多數(shù)情況下，還是以還原功能占主導(dǎo)地位，故11β-HSD1被譽(yù)為是“糖皮質(zhì)激素效應(yīng)的擴(kuò)大器”[5]。該酶在肝臟組織中含量最高，故又稱為肝型11 β-HSD，因而肝臟在體內(nèi)實(shí)際上是一個(gè)潛在的激活糖皮質(zhì)激素的重要器官。而11β-HSD2具有單一的氧化(脫氫)作用，可以把細(xì)胞局部功能活躍的皮質(zhì)醇轉(zhuǎn)變?yōu)槠べ|(zhì)醇，從而據(jù)此降低激素的活性。因?yàn)樵撁冈谀I臟表達(dá)最活躍，故又稱為腎型11β-HSD，故腎臟實(shí)際上是體內(nèi)一個(gè)滅活糖皮質(zhì)激素的重要器官。

在機(jī)體內(nèi)通過(guò)肝11β-HSD1與腎11β-HSD2相互發(fā)揮作用，使有活性的糖皮質(zhì)激素在外周循環(huán)中處于一個(gè)不斷合成與分解的動(dòng)態(tài)變化中，并形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的比例。局部組織細(xì)胞內(nèi)部活躍的皮質(zhì)醇濃度不只是被外周循環(huán)的皮質(zhì)醇濃度所影響，也依賴于細(xì)胞內(nèi)源性機(jī)制所產(chǎn)生的皮質(zhì)醇[6]。如成骨細(xì)胞胞漿中有11β-HSD1表達(dá)，通過(guò)11β-HSD1表達(dá)還原功能，從而提高骨組織局部活躍的糖皮質(zhì)激素含量及半衰期，使其后續(xù)作用得以強(qiáng)化。

3 11β-HSD與骨代謝的調(diào)節(jié)

近年來(lái)，人們就發(fā)現(xiàn)11β-HSD1在成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞上均有表達(dá)，而11β-HSD2只在成骨細(xì)胞上微量表達(dá)[7-8]，并揭示了一些與骨代謝病理生理過(guò)程中常伴11β-HSD水平的改變。Coopers等[9]提出11 β-HSD可能與骨質(zhì)疏松癥相關(guān)的推測(cè)。

3.1 影響骨形成過(guò)程11β-HSD影響骨形成過(guò)程與成骨細(xì)胞不同分化階段密切相關(guān)。11β-HSD1在維持前成骨細(xì)胞周?chē)钴S糖皮質(zhì)激素濃度的穩(wěn)定方面起到了非常重要的作用。Eijken等[10]發(fā)現(xiàn)用地塞米松誘導(dǎo)人前成骨細(xì)胞株(SV-HFO)后發(fā)現(xiàn)，隨著地塞米松劑量逐漸加大，SV-HFO細(xì)胞堿性磷酸酶活動(dòng)及礦化活動(dòng)也逐漸增多并達(dá)到平臺(tái)期，而11β-HSD活動(dòng)卻逐漸下降，提示在外源性糖皮質(zhì)缺乏及前成骨細(xì)胞分化早期階段，11β-HSD1的表達(dá)與活動(dòng)是最易誘導(dǎo)的；相反，在外源性糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)所致的成骨細(xì)胞分化及礦化過(guò)程中，11β-HSD1活動(dòng)減少。而成熟的成骨細(xì)胞11β-HSD1的表達(dá)增加了糖皮質(zhì)激素所誘導(dǎo)的骨質(zhì)疏松發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，特別是糖皮質(zhì)激素在炎癥因子IL-1β、TNF-a協(xié)同下，11β-HSD1表達(dá)增加，骨質(zhì)疏松發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增加[10-12]，例如類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)局部骨質(zhì)疏松可以用該理論部分予以證明。另外，11β-HSD1在體內(nèi)的活動(dòng)與骨形成標(biāo)志物密切相關(guān)。Cooper等[9]研究發(fā)現(xiàn)20個(gè)健康男性攝入5 mg潑尼松龍(2次/d，共服7 d)，觀察到實(shí)驗(yàn)對(duì)象外周血骨形成標(biāo)志物骨鈣蛋白和N-末端1型膠原前肽減少了，但是吸收標(biāo)志物無(wú)明顯改變，其標(biāo)志物下降與體內(nèi)11β-HSD1活動(dòng)相關(guān)，其活躍程度預(yù)示了骨形成標(biāo)志物落差差距，同時(shí)也印證了糖皮質(zhì)激素減少了骨礦物質(zhì)密度(BMP)和增加了骨折的風(fēng)險(xiǎn)[13-14]。

3.2 影響骨吸收過(guò)程糖皮質(zhì)激素可以刺激前體破骨細(xì)胞分化及延長(zhǎng)破骨細(xì)胞生存期從而達(dá)到增加破骨細(xì)胞數(shù)量最終引起骨密度的降低，而置入11β-HSD2后通過(guò)下調(diào)內(nèi)源性糖皮質(zhì)激素的途徑，可以抑制破骨細(xì)胞這種過(guò)度的反應(yīng)。Jia等[15]發(fā)現(xiàn)當(dāng)培養(yǎng)基地塞米松濃度10-10～10-9mol/L時(shí)，野生株小鼠破骨細(xì)胞caspase-3活動(dòng)減少22%～26%，而11β-HSD2+/+轉(zhuǎn)基因小鼠破骨細(xì)胞caspase-3活動(dòng)并沒(méi)有明顯改變。通過(guò)caspase-3活動(dòng)的減少，使野生株小鼠破骨細(xì)胞削弱了自我凋亡的能力，而11β-HSD2+/+轉(zhuǎn)基因后則可以阻斷糖皮質(zhì)激素對(duì)破骨細(xì)胞的效應(yīng)從而維持了骨代謝的穩(wěn)態(tài)。另外，11β-HSD在體內(nèi)的活動(dòng)與骨吸收標(biāo)志物密切相關(guān)。Cooper等[8]通過(guò)給11β-HSD非特異性抑制劑生胃酮予志愿者服用后，測(cè)定服藥前后骨形成標(biāo)志物及骨吸收標(biāo)志物變化趨勢(shì)，結(jié)果顯示前者無(wú)明顯改變，后者則出現(xiàn)一定程度下降，表明了抑制11β-HSD在一定程度上會(huì)改變破骨細(xì)胞的活動(dòng)。

3.3 影響骨組織血管功能骨組織血管功能的變化直接影響骨組織營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)與調(diào)節(jié)因子進(jìn)入骨組織從而最終影響骨代謝。糖皮質(zhì)激素通過(guò)抑制成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞分泌缺氧誘導(dǎo)因子1α(HIF1α)和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)，從而減少骨組織內(nèi)內(nèi)皮細(xì)胞標(biāo)志物的表達(dá)和滋養(yǎng)血管的面積，最終減少骨組織局部血流量[16]。Small等[17]揭示局部組織11β-HSD1擴(kuò)大了內(nèi)源性糖皮質(zhì)激素抑制血管形成的功能，他發(fā)現(xiàn)11β-HSD1-/-小鼠體內(nèi)體外實(shí)驗(yàn)均表現(xiàn)出明顯的新生血管生成能力。老年小鼠由于體內(nèi)11β-HSD1表達(dá)增加，骨組織局部糖皮質(zhì)激素半衰期延長(zhǎng)，骨組織血管新生能力下降，但是11β-HSD2+/+轉(zhuǎn)基因老年小鼠中該情況發(fā)生率明顯下降，提示11β-HSD2對(duì)糖皮質(zhì)激素鈍化作用。

3.4 改變骨結(jié)構(gòu)骨結(jié)構(gòu)是骨代謝到一定程度上在形態(tài)上的具體表現(xiàn)，可以從另一個(gè)側(cè)面了解骨代謝情況。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，隨著人類(lèi)年齡的增長(zhǎng)，骨組織11β-HSD1表達(dá)也在增加[11]，伴隨著生長(zhǎng)因子IGF-1等的下降[3]，骨組織含水量減少[18]，最終減少了骨的彈性強(qiáng)度及抗壓能力，提示了內(nèi)源性糖皮質(zhì)激素參與了老年性骨質(zhì)疏松的發(fā)病過(guò)程當(dāng)中。Jorgensen等[19]發(fā)現(xiàn)11β-HSD1敲除(11β-HSD1-/-)小鼠沒(méi)有展現(xiàn)出皮質(zhì)或松質(zhì)骨的改變，只是有一部分骨髓腔內(nèi)脂肪組織的缺失，提示了11β-HSD1對(duì)激素的增敏反應(yīng)只影響了骨髓脂肪細(xì)胞的形成，而不影響骨的形成。Col1a促進(jìn)子可以重建11β-HSD2過(guò)度表達(dá)(即11β-HSD2+/+)小鼠[20]。Sher等[21]發(fā)現(xiàn)這種小鼠可以明顯改變雌鼠骨微結(jié)構(gòu)，其中7周齡及14周齡雌鼠骨小梁數(shù)量在減少而骨小梁體積在增加。同時(shí)這種小鼠可以降低由大劑量糖皮質(zhì)激素所導(dǎo)致的骨密度流失，經(jīng)激素處理的11β-HSD2+/+轉(zhuǎn)基因小鼠成骨細(xì)胞，骨質(zhì)面積、骨形成率明顯比經(jīng)激素處理的普通實(shí)驗(yàn)大鼠高，說(shuō)明了11β-HSD2表達(dá)過(guò)多會(huì)對(duì)早期前分化細(xì)胞成熟及排列有一定干擾，但對(duì)成熟骨細(xì)胞在過(guò)量糖皮質(zhì)激素所導(dǎo)致的有害效應(yīng)產(chǎn)生了有效的防御作用。O'Brien等[22]通過(guò)類(lèi)似研究也得到以上的結(jié)論。Hwang等[23]通過(guò)招募絕經(jīng)期后符合條件的志愿者婦女(共1 329名)，并提取其血液標(biāo)本做11β-HSD1的SNPs分析，同時(shí)測(cè)定志愿者脊柱和股骨頸骨密度，發(fā)現(xiàn)了HSD11B1+16374C＞T和+27447G＞C多態(tài)性變異會(huì)顯著提高志愿者股骨頸骨密度，從而推斷了11β-HSD1基因?qū)用娑鄳B(tài)性變異會(huì)相應(yīng)影響了糖皮質(zhì)激素代謝從而影響到絕經(jīng)期后婦女骨質(zhì)疏松的發(fā)生率。

4 展望

以上研究結(jié)果均表明由老年及激素因素所引起的骨代謝異常與體內(nèi)尤其是骨組織內(nèi)11β-HSD的活動(dòng)緊密相關(guān)，但是具體機(jī)制仍在進(jìn)一步研究中。由骨吸收和骨形成耦聯(lián)的骨重建過(guò)程涉及到成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞兩者各自不同的分化階段、細(xì)胞數(shù)量及功能狀態(tài)，這幾個(gè)方面均與糖皮質(zhì)激素的調(diào)控緊密相關(guān)。而骨組織局部糖皮質(zhì)激素水平處于11β-HSD動(dòng)態(tài)介導(dǎo)中，一旦機(jī)體處于某種特殊的狀態(tài)時(shí)，可能會(huì)由于局部11β-HSD活動(dòng)的改變，引起糖皮質(zhì)激素局部的波動(dòng)，最終破壞骨代謝的穩(wěn)態(tài)。當(dāng)然由于目前對(duì)11β-HSD與骨代謝異常例如骨質(zhì)疏松癥之間關(guān)系的研究未能獲得突破性進(jìn)展，也影響兩者關(guān)系的深入探討。如果能實(shí)現(xiàn)對(duì)11β-HSD的精確調(diào)控，將對(duì)老年性及激素性骨質(zhì)疏松的治療有重要的指導(dǎo)意義。

[1]Hong D,Chen HX,Ge RS,et al.The biological roles of extracellular and intracytoplasmic glucocorticoids in skeletal cells[J].J Steroid Biochem Mol Biol,2008,111(3-5)：164-170.

[2]Draper N,Mstewart P.11β-Hydroxysteroid dehydrogenase and the pre-receptor regulaion of corticosteroid hormone action[J].J Endocrinol,2005,186(2)：251-271.

[3]Tomlinson JW,Walker EA,Bujalska IJ,et al.11beta-hydroxysteroid dehydrogenase type 1：a tissue-specific regulator of glucocorticoid response[J].Endocr Rev,2004,25(5)：831-866.

[4]Brown RW,Chapman KE,Kotelevtsev Y,et al.Cloning and production of antisera to human 11beta-hydroxysteroid dehydrogenase type 2[J].Biochem J,1996,313(Pt 3)：1007-1017.

[5]Canalis E,Delany AM.11β-Hydroxysteroid dehydrogenase,an amplifier of glucocorticoid action in osteoblasts[J].J Bone Miner Res, 2002,17(6)：987-990.

[6]Ergang P,Leden P,Vagnerová K,et al.Local metabolism of glucocorticoids and its role in rat adjuvant arthritis[J].J Molecular and Cellular Endocrinology,2010,323(2)：155-160.

[7]Bland R,Worker CA,Noble BS,et al.Characterization of 11β-Hydroxysteroid dehydrogenase activity and corticosteroid receptor expression in human osteosarcoma cell lines[J].J Endocrinol,1999, 161(3)：455-464.

[8]Cooper MS,Walker EA,Bland R,et al.Expression and functional consequences of 11β-Hydroxysteroid dehydrogenase activity in human bone[J].J Bone,2000,27(2)：375-381.

[9]Cooper MS,Blumsohn A,Goddard PE,et al.11beta-hydroxysteroid dehydrogenase type 1 activity predicts the effects of glucocorticoids on bone[J].J Clin Endocrinol Metab,2003,88(8)：3874-3877.

[10]Eijken M,Hewison M,Cooper MS,et al.11β-hydroxysteroid dehydrogenase expression and glucocorticoid synthesis are directed by a molecular switch during osteoblast differentiation.J Molecular Endocrinology,2005,19(3)：621-631.

[11]Cooper MS,Elizabeth H,Goddard PE,et al.Osteoblastic 11β-hydroxysteroid dehydrogenase type 1 activity increases with age and glucocorticoid exposure[J].J Bone Mineral Res,2002,17(6)：979-986.

[12]Kaur K,Hardy R,Ahasan MM,et al.Synergistic induction of local glucocorticoid generation by inflammatory cytokines and glucocorticoids：implications for inflammation associated bone loss[J].Ann Rheum Dis,2010,69(6)：1185-1190.

[13]Canalis E.Clinical review 83：Mechanisms of glucocorticoid action in bone：implications to glucocorticoid-induced osteoporosis[J].J Clin Endocrinol Metab,1996,81(10)：3441-3447.

[14]van Staa TP,Leufkens HG,Abenhaim L,et al.Use of oral corticosteroids and risk of fracures[J].J Bone Miner Res,2000,15(6)：993-1000.

[15]Jia D,O'Brien CA,Stewart SA,et al.Glucocorticoids act directly on osteoclasts to increase their life span and reduce bone density [J].Endocrinology,2006,147(12)：5592-5599.

[16]Weinstein RS,Wan C,Liu Q,et al.Endogenous glucocorticoids decrease skeletal angiogenesis,vascularity,hydration,and strength in aged mice[J].Aging Cell,2010,9(2)：147-161.

[17]Small GR,Hadoke PWF,Sharif I,et al.Preventing local regeneration of glucocorticoids by 11beta-hydroxysteroid dehydrogenase type 1 enhances angiogenesis[J].Proc Natl Acad Sci USA,2005, 102(34)：12165-12170.

[18]Prisby RD,Ramsey MW,Behnke BJ,et al.Aging reduces skeletal blood flow,endothelium-dependent vasodilation,and NO bioavailability in rats[J].J Bone Miner Res,2007,22(8)：1280-1288.

[19]Jorgensen NR,Henriksen Z,S?rensen OH,et al.Dexamethasone, BMP-2,and 1,25-dihydroxyvitamin D enhance a more differentiated osteoblast phenotype：validation of an in vitro model for human bone marrow-derived primary osteoblasts[J].Steroids,2004,69(4)：219-226.

[20]Sher LB,Harrison JR,Adams DJ,et al.Impaired cortical bone acquisition and osteoblast differentiation in mice with osteoblast-targeted disruption of glucocorticoid signaling[J].Calcif Tissue Int, 2006,79(2)：118-125.

[21]Sher LB,Woitge HW,Adams DJ,et al.Transgenic expression of 11beta-hydroxysteroid dehydrogenase type 2 in osteoblasts reveals an anabolic role for endogenous glucocorticoids in bone[J].Endocrinology,2004,145(2)：922-929.

[22]O'Brien CA,Jia D,Plotkin LI,et al.Glucocorticoids act directly on osteoblasts and osteocytes to induce their apoptosis and reduce bone formation and strength[J].Endocrinology,2004,145(4)：1835-1841.

[23]Hwang JY,Lee SH,Kim GS,et al.HSD11B1 polymorphisms predicted bone mineral density and fracture risk in postmenopausal women without a clinically apparent hypercortisolemia[J].Bone, 2009,45(6)：1098-1103.

R68

A

1003—6350（2012）04—121—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2012.04.054

2011-10-01)

廣東醫(yī)學(xué)院青年基金項(xiàng)目(編號(hào)：XQ1025)

劉軍(1982—)，男，廣東省電白縣人，住院醫(yī)師，碩士在讀。