甲狀旁腺激素在骨形成過程中的作用

【摘要】甲狀旁腺激素是人體內(nèi)最重要的鈣穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)因子，近年來的研究證明，PTH 在骨的代謝過程中也有著極其重要的作用。PTH及其活性片段PTH1-34已成為重要的骨形成促進劑，它是目前臨床應(yīng)用效果最好的的促進骨合成代謝的藥物。本文就其自身活性結(jié)構(gòu)、一般特性和作用機制做一綜述。

【關(guān)鍵詞】甲狀旁腺激素；成骨細胞；破骨細胞

【中圖分類號】R-0【文獻標(biāo)識碼】B【文章編號】1671-8801（2014）06-0348-02

骨重建貫穿于人的整個生命過程中，骨形成與骨吸收相互偶聯(lián)，處于一種動態(tài)的平衡的狀態(tài)當(dāng)中，任何一方作用的失衡都有可能導(dǎo)致骨量的減少，嚴(yán)重時則導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的發(fā)生。很多動物實驗和臨床研究都證明系統(tǒng)性的骨質(zhì)疏松對牙槽骨的礦物質(zhì)含量和剩余牙槽骨體積都有明顯影響，而牙槽骨質(zhì)量和剩余牙槽骨體積都是決定口腔種植體初期穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素?？茖W(xué)家們在研究如何治療和預(yù)防骨質(zhì)疏松時，主要將目標(biāo)集中在，抑制骨吸收或促進骨形成這兩方面。在促骨形成方面，PTH受到了廣泛的關(guān)注，1980年， Reev等進行了PTH 治療骨質(zhì)疏松癥的第一次臨床試驗，也證實了間歇使用PTH 具有成骨作用。自從首次報道間歇使用PTH1-34對大鼠脛骨骨折愈合的療效以來，一系列大量研究都表明，小劑量間歇性給藥的方法可以增加骨折位點和骨折愈合的骨骼修復(fù)。

一、人甲狀旁腺激素的結(jié)構(gòu)及其一般特性

人甲狀旁腺激素是由甲狀旁腺主細胞和嗜酸性粒細胞合成和分泌，是由84個氨基酸組成的單鏈多肽蛋白質(zhì)。是調(diào)節(jié)鈣磷代謝的主要激素。天然PTH有N端和C端，其中N端可與經(jīng)典PTH-Ⅰ型受體結(jié)合，發(fā)揮成骨作用[1]；C端則與其他受體結(jié)合，發(fā)揮破骨作用。在分泌過程中切除N端的31個殘基后形成了成熟的直鏈多肽激素，即PTH1-34為活性片段。PTH1-34是第一個被批準(zhǔn)用于治療骨質(zhì)疏松的分子，目前已在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用。PTH促骨合成的機制是建立在上調(diào)骨合成相關(guān)基因的表達上，當(dāng)PTH的N端與其在成骨細胞上的受體相結(jié)合后，刺激相關(guān)骨合成基因的表達增加，已經(jīng)證實， PTH可以調(diào)節(jié)眾多的成骨細胞表面基因的表達， 如上調(diào)的基因有膠原酶-3、組織血漿酶原激活物、骨鈣素、胰島素樣生長因子等， 下調(diào)的基因有I型膠原、骨調(diào)素等[2]。骨合成基因表達的增高導(dǎo)致內(nèi)生骨量增加，有作者觀察了PTH 與成骨細胞表面PTH-Ⅰ型受體結(jié)合后，參與骨代謝基因的表達，至少有125個已知基因和30個未知基因的序列片段在PTH刺激后表達發(fā)生變化， 且變化達到2倍以上[3]。成骨細胞是所有骨組織細胞中唯一具有PTH 受體的細胞，但是當(dāng)PTH與其受體結(jié)合后也可以釋放一系列細胞因子刺激破骨細胞，引起骨吸收，破骨與成骨雖然相偶聯(lián)發(fā)生，但其作用效果弱于成骨作用。間歇使用PTH時，骨形成相比于骨吸收的作用力更早也更多，因此為骨重建提供了一個上升空間，而并非抑制骨吸收，較低的骨吸收率和持續(xù)內(nèi)在的促骨形成導(dǎo)致骨質(zhì)量的最終提高。

二、作用機制

PTH 受體是經(jīng)典的G 蛋白偶聯(lián)受體，到目前為止已發(fā)現(xiàn)2 種亞型: PTH1受體和PTH 2 受體，前者主要存在于腎臟和骨組織中，后者主要位于腦組織和胰腺中。PTH與成骨細胞上的PTH1R結(jié)合后主要通過與兩條傳導(dǎo)通路的耦合來發(fā)揮作用:一是腺昔酸環(huán)化酶激活G蛋白系統(tǒng);二是磷脂酶C激活Gq蛋白系統(tǒng)。

PTH與受體結(jié)合后，激活G蛋白受體Gs或Gi，刺激腺苷酸環(huán)化酶，使ATP在其作用下產(chǎn)生第二信使cAMP，其濃度的升高刺激了蛋白激酶的活性，從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)蛋白的磷酸化作用，引起相應(yīng)的瀑布式級聯(lián)反應(yīng)。這就是cAMP／PKA信息傳遞途徑。

PTH受體的高親和力區(qū)可通過G蛋白與磷脂酶C偶聯(lián)，磷脂酞肌醇在激酶的作用下磷酸化形成PIP2，受體與底物結(jié)合后通過G蛋白將PLC激活，繼而引起PIP2水解成三磷酸肌醇和甘油二酯。PLC 依賴的三磷酸肌醇和甘油二脂升高。而PI3則促進細胞釋放游離鈣離子增加。甘油二酯導(dǎo)致蛋白激酶C從胞漿轉(zhuǎn)移至胞膜， 從而激活PKC 通路。

三、成骨細胞發(fā)生和生長過程中一些自分泌/旁分泌調(diào)節(jié)因子的作用

成骨細胞是骨重建的主要細胞，成骨細胞的凋亡對維持骨代謝的平衡起著重要作用，成骨細胞最終有三種轉(zhuǎn)歸：一部分被埋于其自身分泌的骨基質(zhì)中轉(zhuǎn)變?yōu)楣羌毎?，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止的襯里細胞，其余的則以凋亡的形式死亡。骨代謝的平衡是由成骨細胞和破骨細胞兩方面的平衡決定，一方面，成骨細胞的增殖速度及凋亡比率決定了骨組織中成骨細胞的水平；另一方面，破骨細胞的數(shù)目及活性決定了骨吸收速度，且破骨細胞的分化及成熟受到成骨細胞分泌的一些因子的影響。在1981年，Rodan提出一個重要的假說，他認(rèn)為破骨細胞的分化必須依賴于成骨細胞分泌的某種蛋白質(zhì)分子。

骨保護素（OPG）

是一種調(diào)節(jié)骨吸收的糖蛋白， 屬于腫瘤壞死因子受體超家族成員。OPG主要表達于成骨細胞表面，是RANKL的誘騙受體，與RANK競爭結(jié)合RANKL，從而抑制破骨細胞激活、分化。OPG主要作用于破骨細胞分化的末期階段，不但能阻斷成骨細胞激活破骨細胞分化功能，還能抑制成熟破骨細胞的存活及其骨吸收活性。成骨細胞能表達OPG基因， 并可與配體OPGL結(jié)合，競爭調(diào)節(jié)破骨細胞的活性。PTH 可刺激成骨細胞表達OPGL mRNA增加，使OPG/OPGL比值下降。這提示OPG介導(dǎo)的PTH對骨的作用發(fā)生在成骨細胞發(fā)育早期， 也就是成骨細胞增殖期。成熟期的成骨細胞比增殖期成骨細胞合成OPG 的能力強， 因而抑制破骨細胞的能力也相應(yīng)增加。在骨組織局部微環(huán)境中，OPG 基因表達的下降具有多重生理意義， 一方面對OPGL- RANK 信號軸的抑制作用減弱， 使破骨細胞活化；另一方面， OPGL 可直接作用于成熟的破骨細胞， 使其活化，這兩方面可以促進骨吸收。

RANKL（核因子kappaB受體活化劑配體）

可促進破骨細胞分化，增強成熟破骨細胞的活力，阻止破骨細胞凋亡。在骨中的主要作用是刺激破骨細胞的分化、活化和拮抗破骨細胞的凋亡，RANKL在骨和骨髓中的表達水平最高。事實上，在存在低濃度的巨噬細胞克隆刺激因子的情況下， RANKL可以作為刺激破骨細胞的前體細胞，并使之分化為成熟的破骨細胞的一種關(guān)鍵因子。

RANK(核因子kappaB受體活化劑)

在破骨細胞的前體細胞、成破骨細胞、軟骨細胞及乳腺上皮細胞內(nèi)均有表達。RANKL通過與破骨細胞表面的RANK結(jié)合來促進破骨細胞的增殖，分化，成熟及骨吸收活動。成骨細胞及骨髓基質(zhì)細胞表達RANKL，與破骨細胞前體細胞或破骨細胞表面上的RANK結(jié)合后，促進破骨細胞的分化和激活，并抑制破骨細胞的凋亡。未成熟成骨細胞RANKL與OPG比值高，促進破骨細胞分化；成熟成骨細胞中該比值低，對破骨細胞呈負(fù)調(diào)節(jié)。此調(diào)節(jié)軸是近年來發(fā)現(xiàn)的破骨細胞分化過程中的一個重要信號傳導(dǎo)通路，是成骨細胞作用于破骨細胞的重要途徑。研究證實，骨保護素可以抑制破骨細胞的產(chǎn)生和成熟破骨細胞的活性。破骨細胞分化因子受體可以誘導(dǎo)破骨細胞的前體細胞分化形成破骨細胞，增強成熟破骨細胞的活力，抑制破骨細胞凋亡，其誘導(dǎo)破骨細胞形成的作用能被OPG拮抗[4-5]。IGF-1（胰島素樣生長因子-1）是主要的調(diào)節(jié)骨形成及增加骨基質(zhì)的細胞因子，主要存在于血液系統(tǒng)，但其在骨組織局部發(fā)揮的作用更為重要。成骨細胞可分泌IGF-Ⅰ，反過來它又具有顯著的刺激成骨細胞增殖及膠原合成作用。目前研究認(rèn)為其在成骨細胞存在時對破骨細胞也有顯著作用，并且發(fā)現(xiàn)成熟破骨細胞上存在IGF-Ⅰ的受體。IGF-Ⅰ可對多種因素如雌激素、甲狀旁腺素、雄激素和一些細胞因子產(chǎn)生應(yīng)答，提示該系統(tǒng)有可能是多種激素和因子調(diào)節(jié)骨代謝復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的核心因素之一。因此可以說它是聯(lián)系成骨細胞、破骨細胞的重要細胞因子，是骨骼更新標(biāo)志，無論骨量增加還是降低均為成骨細胞發(fā)揮功能的標(biāo)志。鑒于IGF-Ⅰ對骨代謝的重要作用，可推斷間歇性應(yīng)用PTH對骨細胞生成反應(yīng)的機制可能由IGF-Ⅰ介導(dǎo)。展望目前PTH1-34是唯一批準(zhǔn)應(yīng)用于臨床的促骨合成類藥物，其促成骨作用已被廣泛證實但分子機制和細胞機制尚未完全明確。對PTH 及其受體的基因表達、分子結(jié)構(gòu)和信號傳遞系統(tǒng)等的研究不僅有助于闡明PTH 的作用機制。更有助于開發(fā)僅保留促合成作用的PTH片斷或類似物，起到更大的臨床效果。參考文獻：[1]董芒艷. PTH 對 MC3T3-E1 細胞分化過程中 Cbf α1 表達的影響[D]. 山西醫(yī)科大學(xué)， 2009.[2]錢瑩， 朱萍， 王偉銘， 等. 人甲狀旁腺激素調(diào)節(jié)骨保護素及其配體基因表達的 PKA， PKC 信號傳導(dǎo)通路研究[J]. 中國微循環(huán)， 2007， 11(5): 293-295.[3]李鳳英，王錦。甲狀旁腺激素與骨質(zhì)疏松癥。天津醫(yī)科大學(xué)學(xué)報，2000;06(2):246-8[4]徐進， 榮海欽， 季虹， 等. 甲狀旁腺激素相關(guān)蛋白對去卵巢大鼠骨組織中 OPG， RANKL 基因表達的影響 [J][J]. 中國骨質(zhì)疏松雜志， 2008， 14(12): 854-858.[5]陳孫裕， 肖德明. 細胞因子與 OPG/RANK/RANKL 系統(tǒng)[J]. 中國骨腫瘤骨病， 2006， 5(1): 49-52.