雌激素誘導(dǎo)BMSCs成骨分化機(jī)制的研究進(jìn)展

劉明曦 綜述，王亞軍審校

(吉林大學(xué)第二醫(yī)院骨科醫(yī)院，長春 130000)

雌激素誘導(dǎo)BMSCs成骨分化機(jī)制的研究進(jìn)展

劉明曦 綜述，王亞軍△審校

(吉林大學(xué)第二醫(yī)院骨科醫(yī)院，長春 130000)

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞；雌激素；成骨

絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥(postmenopausal osteoporosis，PMO)是中老年女性的多發(fā)病、常見病，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。PMO是由于卵巢萎縮、功能下降、雌激素水平降低引起成骨與破骨細(xì)胞功能失衡，進(jìn)而導(dǎo)致骨質(zhì)丟失加速、骨脆性增加、骨強(qiáng)度減低的一種骨代謝性疾病。根據(jù)其發(fā)病機(jī)制，臨床上通過激素替代療法(hormone replacement therapy，HRT)對PMO，已經(jīng)獲得了良好的效果。其中雌激素是HRT治療的重要組成部分。雌激素具有廣泛的生物學(xué)效應(yīng)，對細(xì)胞的遷移、增殖和分化均有影響。同時，雌激素也是骨骼系統(tǒng)中重要的調(diào)節(jié)因子。有研究表明[1]，雌激素可以誘導(dǎo)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化，進(jìn)而影響骨重建過程。近年來，雌激素通過調(diào)控干細(xì)胞成骨分化治療骨質(zhì)疏松的相關(guān)研究備受關(guān)注。

目前在組織工程領(lǐng)域應(yīng)用較多的干細(xì)胞主要有兩類，即成體干細(xì)胞和胚胎干細(xì)胞。胚胎干細(xì)胞由于涉及倫理問題，應(yīng)用受到一定的局限。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone mesenchymal stem cells,BMSCs)是中胚層來源的成體干細(xì)胞，因其具有取材方便、易于體外擴(kuò)增等優(yōu)勢，已成為組織工程重要的種子細(xì)胞。BMSCs具有多向分化潛能，在適當(dāng)?shù)臈l件下，BMSCs可表現(xiàn)為成骨[2]、成軟骨[3]、成肌[4]等方向的分化。

1 雌激素調(diào)控BMSCs成骨分化的機(jī)制

既往認(rèn)為骨質(zhì)疏松的發(fā)生主要是由于破骨細(xì)胞功能亢進(jìn)，使骨代謝處于高轉(zhuǎn)換型的骨質(zhì)丟失狀態(tài)。但有學(xué)者認(rèn)為，破骨細(xì)胞功能的過度活化才是骨質(zhì)疏松早期的主要影響因素，當(dāng)骨質(zhì)疏松發(fā)展到后期時，成骨細(xì)胞功能的下降起主要作用[5]。

雌激素是甾體類激素，在人體主要由卵巢和腎上腺分泌產(chǎn)生。骨是雌激素作用的重要靶器官之一。雌激素對BMSCs具有促進(jìn)成骨分化，抑制成脂分化的作用，且該作用具有一定的劑量依賴性[6]。BMSCs的成脂與成骨分化存在著一種此消彼長、動態(tài)平衡的關(guān)系。絕經(jīng)后婦女血清雌二醇水平下降，使BMSCs成骨分化能力降低，向脂肪細(xì)胞的分化增強(qiáng)，同時由于破骨細(xì)胞功能過度活化的作用，出現(xiàn)骨量減少和脂肪組織含量增高并存的情況。

1.1 雌激素受體(estrogen receptor，ER) ER屬于核受體超家族，是雌激素作用的直接對象。ER包括ERα和ERβ兩種亞型。該兩種亞型具有高度同源性，在ERα存在的情況下，ERβ可以抑制其表達(dá)過程。而在ERα喪失時，ERβ可作為“替補(bǔ)”代替其某些功能。ER廣泛表達(dá)于多種細(xì)胞和組織，與細(xì)胞的遷移、分化、增殖等過程息息相關(guān)。既往研究證實(shí)，BMSCs表面亦存在ER的表達(dá)[7]。雌激素及其配體與BMSCs表面的ER發(fā)生特異性結(jié)合，從而激活ERα和ERβ，產(chǎn)生相應(yīng)的生物學(xué)效應(yīng)。雌激素與其受體的這種相互作用在女性成骨中具有關(guān)鍵性的作用。有研究表明[8]，雌激素主要通過ERα作用于BMSCs，增強(qiáng)其成骨活性。ER是直接感知雌激素作用的靶蛋白，也是整個雌激素成骨調(diào)控過程的起始點(diǎn)。ER配體可以介導(dǎo)ER、絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路、骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(BMP-2)和Wnt通路等形成信號網(wǎng)絡(luò)，共同作用于干細(xì)胞的成骨分化。因此，多條成骨相關(guān)通路通過ER這個核心分子整合成為龐大而復(fù)雜的信號通路網(wǎng)絡(luò)。

1.2 骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMPs)/Smad通路 BMPs屬于轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor Beta,TGF-β)超家族，是一類與干細(xì)胞成骨分化密切相關(guān)的生長因子，它的存在與Smad通路的激活密切相關(guān)。其中BMP-2具有很強(qiáng)的成骨誘導(dǎo)能力。有學(xué)者已證明BMP-2可以促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化[9]。雌激素可以通過刺激間充質(zhì)干細(xì)胞合成BMP-2，進(jìn)而促進(jìn)其向成骨細(xì)胞分化[10]。BMPs也可直接作用于BMSCs上的特異性跨膜絲/蘇氨酸激酶受體，激活Smad蛋白通路。外源性的藥物刺激可通過誘導(dǎo)Smad1、Smad5和Smad8磷酸化水平升高，促進(jìn)BMPs信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)[11]。有研究發(fā)現(xiàn)，人為誘導(dǎo)BMP-2 mRNA表達(dá)上調(diào)后，成骨標(biāo)志物堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)、Ⅰ型膠原、骨鈣素等均有升高，礦化結(jié)節(jié)也有一定程度的增多，細(xì)胞具有明顯的成骨分化特征[12]。此外，BMP-4也是對間充質(zhì)干細(xì)胞有促成骨分化作用的細(xì)胞因子之一。Lambertini等[13]發(fā)現(xiàn)，雌激素也可以通過上調(diào)BMP-4對細(xì)胞的成骨分化起促進(jìn)作用。

1.3 Wnt/β-catenin信號通路 Wnt/β-catenin信號通路是骨代謝過程中一條重要的通路。Wnt是一類富含L-半胱氨酸的糖蛋白，該類蛋白可以促進(jìn)前體成骨細(xì)胞的生長，并促進(jìn)成骨細(xì)胞的早期分化[14]。新近研究表明，雌激素抑制細(xì)胞成脂分化，促進(jìn)成骨分化的作用與Wnt通路的激活有關(guān)，這種作用具有劑量依賴性[15]。Wnt/β-catenin信號通路可以通過與ER相關(guān)通路的相互作用促進(jìn)間充質(zhì)祖細(xì)胞(mesenchymal progenitor cells，MPCs)的成骨分化[16]。BMSCs是成骨細(xì)胞的前體細(xì)胞之一，β-catenin蛋白在成骨前體細(xì)胞的增殖、分化等生命活動中具有重要作用。Wnt/β-catenin信號通路可以受BMP-2調(diào)控，其中β-catenin蛋白對間充質(zhì)干細(xì)胞成骨的促進(jìn)作用是通過增強(qiáng)其對BMP-2的應(yīng)答而完成的，且這種作用可以被ER阻斷劑ICI 182780、ERα敲除等方法所終止[17]。提示雌激素誘導(dǎo)成骨的信號通路并非是獨(dú)立作用的，而是相輔相成、共同調(diào)控成骨過程。

1.4 NO/NOS信號通路 NO可以調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞功能，在成骨細(xì)胞分化過程中起重要作用。NO的作用機(jī)制在于增加環(huán)磷酸鳥苷(cGMP)的含量，通過cGMP的作用加速成骨細(xì)胞的分化[18]。NOS抑制劑L-NMMA(NG-Monomethyl-L-arginine)可以通過抑制酶的活性阻斷NO對成骨分化的刺激作用。既往有研究發(fā)現(xiàn)[19]，在L-NMMA作用下，17β-雌二醇誘導(dǎo)的ALP升高、礦化小結(jié)形成增多等現(xiàn)象均未出現(xiàn)。在內(nèi)皮型一氧化氮合酶(endothelial NO synthase，eNOS)基因缺陷的小鼠，其成骨細(xì)胞對雌激素刺激不產(chǎn)生反應(yīng)。說明在NO/NOS信號通路，雌激素可能是通過調(diào)節(jié)NOS對NO的敏感性,放大NO作用，從而對成骨產(chǎn)生促進(jìn)作用。此外，F(xiàn)ukumoto等[20]還發(fā)現(xiàn)，17β-雌二醇也可直接增加組織中NO的含量，這可能也是其調(diào)節(jié)NO/NOS通路、促進(jìn)成骨的機(jī)制之一。

1.5 MAPK信號通路 MAPK信號通路廣泛存在于細(xì)胞分化、發(fā)育等生命活動中，是細(xì)胞內(nèi)調(diào)控力學(xué)-生化轉(zhuǎn)導(dǎo)過程的重要通路。在力學(xué)刺激誘導(dǎo)成骨方面研究較多。MAPK通路包括p38MAPK、細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular-signal regulated kinase,ERK1/2)和c-Jun氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK),三者均參與了BMSCs的成骨分化過程，其中 P38主要對細(xì)胞的分化起作用，而ERK主要影響細(xì)胞的增殖活動[21]。Liao等[22]發(fā)現(xiàn)，金雀異黃酮(genistein)具有類似于17β-雌二醇的作用，在其誘導(dǎo)ERα基因表達(dá)的過程中，存在MAPK的激活，并可觀察到成骨細(xì)胞分化特征性基因的表達(dá)升高及礦化作用的增強(qiáng)。另有研究發(fā)現(xiàn)[23]，淫羊藿苷也具有雌激素樣作用，其作用于ER，激活ERK和JNK通路，從而誘導(dǎo)成骨分化。相似的，葛根素也可促進(jìn)成骨分化，并誘導(dǎo)ALP和Ⅰ型膠原表達(dá)，葛根素的這種作用可以被ER拮抗劑ICI 182780和P38MAPK拮抗劑SB203580所阻斷[24]，提示葛根素也可以直接作用于ER,其誘導(dǎo)分化的作用于P38的激活有關(guān)。Niu等[25]發(fā)現(xiàn)，BMP-2誘導(dǎo)成骨分化存在著P38和ERK1/2通路的激活，這也從另一方面證實(shí)了雌激素誘導(dǎo)BMSCs的成骨分化中的各條通路相互交叉、相輔相成的關(guān)系。

2 雌激素在誘導(dǎo)成骨分化過程中的量-效和時-效關(guān)系

雌激素在促進(jìn)成骨分化過程中的量-效與時-效關(guān)系是研究的重要方面。有學(xué)者對雌激素干預(yù)后BMSCs的鈣鹽沉積及成骨基因RUNX2和OCN等進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)，雌激素對BMSCs的成骨促進(jìn)作用在低劑量范圍內(nèi)具有劑量依賴性，該作用在雌二醇濃度為1×10-9mol/L時最為明顯[26]。但單次給藥的雌激素作用于細(xì)胞的時間較短，難以維持穩(wěn)定的濃度，從而影響其成骨促進(jìn)作用，這可能與雌激素本身的藥理作用、半衰期等有關(guān)。為了解決維持雌激素作用濃度的相關(guān)問題，Hong等[27]采用聚乳酸-聚乙醇酸共聚物制備了負(fù)載雌二醇的緩釋顆粒，該顆粒能夠維持雌二醇穩(wěn)定釋放時長為7 d。將該顆粒運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)中能夠?yàn)楦杉?xì)胞營造穩(wěn)定濃度雌激素的微環(huán)境，較單次給藥更符合體內(nèi)的生長環(huán)境，因而實(shí)驗(yàn)結(jié)果也更為可靠。

3 結(jié) 語

雌激素作為HRT治療的一部分，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于女性PMO的治療，并已取得了良好的臨床效果。對于雌激素促進(jìn)BMSCs成骨分化的機(jī)制研究，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了BMPs/Smad、Wnt/β-catenin、NO/NOS和MAPK等多條信號通路，ER作為藥物作用的起始靶蛋白，整合了這些錯綜復(fù)雜的信號通路，形成了復(fù)雜而有序的信號通路網(wǎng)絡(luò)。雌激素對成骨的促進(jìn)作用已被許多學(xué)者證實(shí)，但在雌激素的應(yīng)用過程中仍存在著一些問題：(1)既往文獻(xiàn)中雌激素對BMSCs的干預(yù)大部分采用單次刺激的方法，微環(huán)境中雌激素濃度難以維持穩(wěn)定，如何采取措施維持刺激濃度的穩(wěn)定，是該研究領(lǐng)域的一個重要課題；(2)在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，雌激素濃度梯度的設(shè)置比較粗略，通常是以數(shù)量級來進(jìn)行劃分，而精確的最適濃度鮮有文獻(xiàn)報(bào)道，且實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中雌激素的實(shí)際干預(yù)濃度易受操作過程、藥品存放條件等外界因素影響，如何使干預(yù)過程標(biāo)準(zhǔn)化，仍需要進(jìn)一步摸索；(3)采用體外實(shí)驗(yàn)研究雌激素對BMSCs的成骨促進(jìn)作用具有一定的局限性。BMSCs體內(nèi)移植后受到體內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的影響，如何控制其分化方向，雌激素在體內(nèi)應(yīng)用的安全性、可控性，都是有待解決的問題。

綜上所述，研究雌激素對于這些通路的作用，探討其深層機(jī)制，解決干細(xì)胞移植治療中的一些實(shí)際問題，將為雌激素治療骨質(zhì)疏松癥等疾病提供可靠指導(dǎo)，也將為其他骨相關(guān)疾病的治療奠定理論基礎(chǔ)。

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更 正

本刊2015年44卷20期2774頁，第一作者“冉坤”文章“帕珠沙星與左氧氟沙星治療老年葡萄球菌下呼吸道感染的對比研究”?，F(xiàn)將該文通訊作者更正為：通訊作者“楊輝”，共同通訊作者“陶勇”。

特此更正！

《重慶醫(yī)學(xué)》編輯部

二〇一五年七月三十日

劉明曦(1986-)，住院醫(yī)師，在讀碩士，主要從事創(chuàng)傷骨科研究。

△通訊作者，E-mail:75392114@qq.com。

述·

10.3969/j.issn.1671-8348.2015.23.048

R816.8

A

1671-8348(2015)23-3294-03

2015-02-08

2015-07-28)