破骨細胞及其分化調(diào)節(jié)機制的研究進展

蔣鵬 宋科官

. 綜述 Review .

破骨細胞及其分化調(diào)節(jié)機制的研究進展

蔣鵬 宋科官

破骨細胞；細胞分化；核因子 κB 受體活化因子配體；巨噬細胞集落刺激因子；信號傳導(dǎo)

人體骨骼是一個動態(tài)的、不斷更新的組織，據(jù)調(diào)查，成年人每年大約有 10% 的骨骼會發(fā)生骨重建[1]，骨重建主要涉及骨吸收和骨形成兩個方面，二者保持動態(tài)平衡維系著骨的正常代謝，如果二者失去平衡將會引起相應(yīng)的骨骼疾病[2-5]。骨質(zhì)疏松癥和關(guān)節(jié)假體周圍骨溶解均是常見的骨代謝性疾病，主要原因就是由骨吸收功能強于骨形成，二者失去平衡引起。破骨細胞是人體惟一的具有骨吸收功能的細胞，因此研究破骨細胞的分化機制具有重要意義。然而正常人體破骨細胞數(shù)量少，且生存時間短，難以從骨質(zhì)中分離出來，這使對于破骨細胞形成的研究在很長一段時間內(nèi)停滯不前。在過去的十幾年內(nèi)，隨著體外類破骨樣細胞模型的建立，人們對破骨細胞的研究取得了巨大的突破[6-7]，發(fā)現(xiàn)在破骨細胞分化過程中有眾多的細胞因子參與其中，而核因子 κB 受體活化因子配體 ( receptor activator for nuclear factor-κB ligand，RANKL ) 和巨噬細胞集落刺激因子 ( macrophage colony-stimulating factor，MCSF ) 是最關(guān)鍵的兩種因子[8-10]?，F(xiàn)就破骨細胞的生物學(xué)特點及其分化機制的研究進展作一綜述。

一、破骨細胞的生物學(xué)研究

破骨細胞的形成是骨重建的核心。在正常的骨代謝過程中，破骨細胞吸收舊骨在原部位形成一個骨吸收陷窩，然后成骨細胞發(fā)揮成骨作用，在陷窩內(nèi)形成新骨，將陷窩填平，從而保證骨骼的完整，這種骨吸收和骨形成在時空上的緊密偶聯(lián)維持著骨重建的正常進行，缺乏破骨細胞或者破骨細胞生成過多均將引起骨代謝的失衡。骨硬化病是一種以高骨密度為特點的先天性疾病，經(jīng)研究證明，這是由于體內(nèi)缺少有功能的破骨細胞[11-12]。破骨細胞前體細胞向破骨細胞的分化需要特定的微環(huán)境，需要細胞因子的參與，Yoshida 等[13]在研究中已經(jīng)證明，MCSF 是破骨細胞形成過程中的關(guān)鍵因子，先天骨石化癥小鼠正是因為缺少MCSF，導(dǎo)致破骨細胞合成受到影響，骨吸收功能減弱，進而表現(xiàn)為骨硬化癥。而骨溶解和骨質(zhì)疏松癥恰與骨硬化病相反，是由于體內(nèi)破骨細胞形成過多，導(dǎo)致骨吸收強于骨形成而引起的。

在 20 紀 80 年代，Takahashi 等[14]將骨髓細胞和成骨細胞在體外進行共培養(yǎng)，成功得到了成熟的多核破骨細胞，這為破骨細胞在體外的研究提供了實驗基礎(chǔ)。通過這個共培養(yǎng)體系，使破骨細胞前體細胞和成骨細胞之間的聯(lián)系逐漸被人們重視，在研究中發(fā)現(xiàn)，成骨細胞表達的細胞因子通過與破骨細胞前體細胞表面上的膜結(jié)合分子結(jié)合，細胞信號發(fā)生傳遞，來誘導(dǎo)破骨細胞的分化，其中，RANK / RANKL 信號通路是破骨細胞分化最重要的調(diào)節(jié)方式[15-16]。

二、破骨細胞分化信號通路：RANK / RANKL / OPG

核因子-κB 受體活化因子 ( RANK )，是腫瘤壞死因子( TNF ) 受體家族成員之一，屬于 I 型跨膜蛋白，由位于染色體 18q22.1 上的基因編碼，在破骨細胞前體細胞及成熟的破骨細胞表面均有高度的表達[17]。人的 RANK 蛋白有616 個氨基酸殘基，與小鼠有 70% 的同源性，其胞外結(jié)構(gòu)域為 N-末端，包含 208 個氨基酸，主要功能是與 RANKL的 C-端結(jié)合發(fā)生作用，產(chǎn)生并傳遞信號，在胞內(nèi)的區(qū)域有 383 個氨基酸，因為其缺乏內(nèi)在的活性激酶去磷酸化激活下游的信號分子，因此需要轉(zhuǎn)接分子 TRAFs ( 腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子 ) 的參與，來誘導(dǎo)激發(fā) NF-κB 和 c-Jun氨基端激酶 ( JNK ) 的活性[18-22]。NF-κB 途徑和 JNK 途徑是 RANK 和 RANKL 結(jié)合后介導(dǎo)破骨細胞分化的重要調(diào)節(jié)途徑[23]。

RANKL，是 TNF 超家族成員之一，屬于 II 型跨膜蛋白，由位于染色體 13q14 上的基因編碼，其啟動子區(qū)含有成骨細胞分化的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子核心結(jié)合因子-α1 ( Cbf-α1 )的結(jié)合位點，RANKL 的表達依賴于 Cbf-α1 的活性，因此 Cbf-α1 也被認為是聯(lián)系成骨細胞與破骨細胞的紐帶[24-25]。人的 RANKL 蛋白含有 317 個氨基酸，與小鼠有87% 的同源性。RANKL mRNA 在淋巴組織及骨組織中含量高，而在心、胎盤、骨骼肌等非淋巴樣組織中僅有低度表達[26-27]。在體內(nèi)，RANKL 主要以膜結(jié)合型和可溶型兩種形式存在[28]，膜結(jié)合型 RANKL 的生理功能較可溶型RANKL 更強[29-30]，關(guān)于 RANKL 的研究大多都是針對結(jié)合形式的 RANKL。RANKL 有三個亞型，分別是 RANKL1、RANKL2、RANKL3，在細胞內(nèi)，這三種亞型之間形成同源或異源三聚體，這種三聚體結(jié)構(gòu)對 RANKL 定位到膜上至關(guān)重要[31-32]，并且這三種亞型具有共同的羧基末端活性受體結(jié)合域，因此他們能與相同的受體結(jié)合發(fā)揮作用[33-34]。研究表明，RANKL 的主要作用就是與破骨細胞前體細胞表面上的 RANK 結(jié)合，啟動下游的一系列信號通路，誘導(dǎo)破骨細胞的分化[35-37]。

骨保護蛋白 ( OPG )，也屬于 TNF 受體超家族成員，是一種分泌型糖蛋白，含有 401 個氨基酸殘基[26,38-39]。在體內(nèi)，OPG 主要有兩種形式[40]，通常以單體形式在細胞內(nèi)合成，然后以二聚體的形式分泌到胞外，單體的半衰期要比二聚體更長，而二聚體則比單體有更強的肝素結(jié)合能力[41]，但是，二者的熱、酸穩(wěn)定性很相似，并且都具有抑制破骨細胞形成的能力。人體骨組織 OPG 主要在成骨細胞合成，淋巴組織中也可產(chǎn)生。OPG 主要功能是與RANKL 競爭性的結(jié)合，阻斷 RANKL / RANK 通路，抑制破骨細胞分化成熟[42-43]，另外，OPG 還可與腫瘤壞死因子相關(guān)性細胞凋亡誘導(dǎo)配體 ( TRAIL ) 結(jié)合，抑制 TRAIL 引導(dǎo)的細胞凋亡[44]。

RANK / RANKL / OPG 系統(tǒng)被廣泛認為是誘導(dǎo)破骨細胞分化過程中最重要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，大部分的細胞因子都通過這個通路來調(diào)控成骨細胞和破骨細胞之間的動態(tài)平衡[45-46]。成骨細胞表達并釋放 RANKL，和破骨細胞前體細胞表面的 RANK 結(jié)合后，募集 TNF 受體相關(guān)因子( TRAFs ) 結(jié)合到 RANK 的胞質(zhì)區(qū)，其中 TRAF2、TRAF5、TRAF6 都能與 RANK 結(jié)合，并通過 JNK 途徑、NF-κB 途徑和 Akt 途徑，啟動并傳遞破骨細胞的分化信號[47-48]。TRAF2、TRAF5 與 RANK 結(jié)合激活 c-Jun 氨基端激酶 ( JNK )，JNK 誘導(dǎo) c-Jun / Fos 活化蛋白 1 ( AP-1 )活化，調(diào)節(jié) c-Fos 的表達，促進破骨細胞前體發(fā)生增生、分化。TRAF6 與 RANK 結(jié)合激活磷脂酰肌醇 -3- 激酶( PI-3K )，繼而活化蛋白激酶 B ( PKB、Akt )，參與 NF-κB活化，使 c-Fos 的表達增加，c-Fos 與活化的 T 細胞核因子 ( NFAT-c1 ) 結(jié)合，啟動破骨細胞特異性基因的轉(zhuǎn)錄，誘導(dǎo)破骨細胞前體分化為成熟破骨細胞[49-50]。OPG 可與RANKL 競爭性結(jié)合，且結(jié)合能力要比 RANK 更強，從而能有效阻斷 RANK / RANKL 信號通路，抑制破骨細胞分化，防止破骨細胞過度增長[51]。RANKL / OPG 比值關(guān)系著破骨細胞分化的強弱，如果比值減小，成骨細胞表面的RANKL 全部被 OPG 競爭性結(jié)合，而不能與破骨細胞前體上的 RANK 結(jié)合產(chǎn)生轉(zhuǎn)錄信號，從而導(dǎo)致破骨細胞的分化受到抑制；如果比值過度增大，OPG 難以拮抗 RANKL 和RANK 的結(jié)合，使破骨細胞生成增多，骨吸收能力增強，因此 RANKL / OPG 保持一定的比值關(guān)系，對于維持破骨細胞分化和骨代謝平衡具有重要意義[52]。

巨噬細胞集落刺激因子 ( M-CSF ) 又稱為集落刺激因子-1 ( csf-1 )，是一種具有多種生物學(xué)功能的細胞因子，在臨床上應(yīng)用非常廣泛。M-CSF 可由巨噬細胞、內(nèi)皮細胞、成纖維細胞以及眾多腫瘤細胞產(chǎn)生，也可由成骨細胞與間充質(zhì)細胞產(chǎn)生，在微生物感染、炎癥及免疫應(yīng)答過程中，MCSF 的合成和分泌均有明顯增高。在對 op / op 小鼠的研究過程中發(fā)現(xiàn)，M-CSF 在破骨細胞的分化過程中也具有重要的作用[53]。M-CSF 基因缺陷的 op / op 小鼠表現(xiàn)為天生的骨硬化癥，小鼠體內(nèi)巨噬細胞少，缺乏破骨細胞，而在髓腔注入 M-CSF 后，破骨細胞數(shù)量明顯增多。M-CSF 對破骨細胞的作用是通過與其位于破骨細胞前體細胞膜上的受體 c-fms 的結(jié)合來實現(xiàn)的。M-CSF 與 c-fms結(jié)合后，可激活 c-fms 的酪氨酸激酶活性，導(dǎo)致其自身磷酸化，磷酸化后為磷脂酰肌醇 3-激酶 ( PI3K )、生長因子受體結(jié)合蛋白 2 ( Grb2 ) 提供了結(jié)合區(qū)[54-55]。隨后，與c-fms 結(jié)合的 Grb2 激活細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶 ( ERK )，而PI3K 則激活蛋白激酶 B ( Akt )，由此促進破骨細胞前體的存活[56-57]。此外，M-CSF 可誘導(dǎo)骨髓細胞表達 RANK受體，RANKL 與 RANK 發(fā)生結(jié)合，誘導(dǎo)破骨細胞分化[58-60]。并且，M-CSF 可通過激活 Akt 及 ERK 信號通路與 RANKL 相互作用，進而參與破骨細胞分化形成的晚期階段[56]。

三、RANK / RANKL / OPG 信號通路與骨質(zhì)疏松癥

骨質(zhì)疏松癥是一種全身性骨骼退化相關(guān)的代謝障礙性疾病，可由多種病因引起，RANK / RANKL / OPG 系統(tǒng)在其致病過程中發(fā)揮著重要的作用。雌激素缺乏相關(guān)性骨質(zhì)疏松癥也被稱為絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥，是女性常見的一種骨質(zhì)疏松癥。研究表明，雌激素一方面可以上調(diào) OPG mRNA 的表達和蛋白的分泌，另一方面抑制 MCSF 的表達，同時還可以下調(diào) JNK 途徑，抑制 RANKL 誘導(dǎo)破骨細胞分化[61-63]。雌激素缺乏導(dǎo)致 OPG 分泌減少，生物效應(yīng)降低，而 MCSF 和 RANKL 的生物學(xué)作用增強，破骨細胞分化增多，骨吸收功能增強。糖皮質(zhì)激素性骨質(zhì)疏松癥，糖皮質(zhì)激素可以直接上調(diào)成骨細胞中 RANKL 的表達，使RANKL / OPG 的比值增大，增加破骨細胞數(shù)量[64]。類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎，在患病關(guān)節(jié)中存在多種炎癥因子，這些炎癥因子同樣可以促進 RANKL 的表達，使 RANKL / OPG 比值上調(diào)[65-66]。

四、RANK / RANKL / OPG 信號通路與人工關(guān)節(jié)假體無菌性松動

人工關(guān)節(jié)置換術(shù)是目前治療嚴重關(guān)節(jié)疾患、重建關(guān)節(jié)功能的重要手段，但是假體松動問題嚴重影響著關(guān)節(jié)假體的使用質(zhì)量和壽命。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)[67]，引起關(guān)節(jié)假體松動的主要原因在于假體植入人體后隨關(guān)節(jié)活動過程中會產(chǎn)生大量的磨損顆粒，這些磨損顆粒在關(guān)節(jié)周圍引起機體反應(yīng)，使假體與人體骨之間形成一層界膜組織，而形成的界膜組織中含有大量的單核巨噬細胞，這些細胞在磨損顆粒的刺激下釋放大量的細胞因子，并通過 RANK / RANKL / OPG 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路發(fā)揮作用，誘導(dǎo)破骨細胞分化，使破骨細胞形成增多，骨吸收功能增強，進而導(dǎo)致關(guān)節(jié)假體周圍發(fā)生骨溶解[68-69]。Ramage 等[70]在關(guān)節(jié)假體周圍的界膜組織中發(fā)現(xiàn)了大量的 RANKL，Masui 等[71]同樣發(fā)現(xiàn)在松動的關(guān)節(jié)假體周圍，RANKL / OPG 比值明顯增高。這些均證明了磨損顆粒刺激 RANKL 釋放增多，導(dǎo)致了骨溶解的發(fā)生。目前人們正在積極尋找一種可以有效抑制磨損顆粒誘導(dǎo)的破骨細胞過度增長的方法，減少假體松動的發(fā)生。有學(xué)者在研究中[72]，以期過表達 OPG 蛋白，使 RANKL / OPG 比值下降，降低 RANKL 的作用，進而使破骨細胞分化減少，但在結(jié)果中發(fā)現(xiàn)破骨細胞并沒有顯著的變化。高坤等[73]利用 RNA 干擾技術(shù)，降低 RANKL mRNA 的水平，發(fā)現(xiàn)破骨細胞生成可明顯受到抑制，但是這種抑制作用在 2～3 天后逐漸下降。這說明單獨干擾 RANKL mRNA存在一定的缺陷，因為人體內(nèi)還存在另外一種促進破骨細胞分化的關(guān)鍵因子——MCSF。有研究[74]發(fā)現(xiàn)當(dāng)假體周圍磨損顆粒較多的情況下，MCSF 等炎性因子可不通過RANK / RANKL / OPG 系統(tǒng)，而是直接發(fā)揮作用來誘導(dǎo)破骨細胞的分化。目前，我們正致力于構(gòu)建一種慢病毒可以在抑制 RANKL 表達的同時還可以抑制 MCSF 的表達，使這兩種因子聯(lián)合沉默，并證實這種方法可以有效抑制磨損顆粒誘導(dǎo)的破骨細胞性骨溶解，從而為預(yù)防和治療假體無菌性松動提供新的手段。

五、問題與展望

在骨髓微環(huán)境中，存在眾多的細胞因子參與調(diào)解破骨細胞的分化與增殖，而在這些因子中，RANKL 和 M-CSF是最關(guān)鍵兩種因子[75]。在骨吸收過程中，成骨細胞在骨吸收刺激因子的作用下，分泌 RANKL 和 M-CSF，二者分別與破骨細胞前體細胞表面的 RANK 和 c-fms 結(jié)合，經(jīng)過下游一系列的復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，誘導(dǎo)破骨細胞分化。破骨細胞的增多使骨吸收功能增強，導(dǎo)致骨重建失衡，引起臨床上常見的骨質(zhì)疏松癥和人工關(guān)節(jié)假體無菌性松動。研究 RANKL 和 MCSF 兩種因子的生物特性，找到能夠抑制這兩種因子表達的有效可行的辦法，減少破骨細胞的生成，進而緩解和治療病癥。近年來，有關(guān) RANKL 和M-CSF 對破骨細胞分化的研究已取得巨大突出的成績，但尚沒有相關(guān)研究能夠證明二者在表達上存在何種相關(guān)關(guān)系，如果能證實這一點，將為預(yù)防和治療假體周圍骨溶解提供新的思路。

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( 本文編輯：裴艷宏 )

Research progress on osteoclast and its differentiation regulation mechanism

JIANG Peng, SONG Ke-guan. The

SONG Ke-guan, Email: songkeguan@sohu.com

Osteoclasts derive from mononuclear hematopoietic stem cells in the bone marrow, which are the major bone resorption cells in the human body and play an important role in the reconstruction of bone. The differentiation and maturation of osteoclasts are regulated by many factors, such as receptor activator for nuclear factor-κ B ligand ( RANKL ), macrophage colony-stimulating factor ( MCSF ), interleukin-1 ( IL-1 ), interleukin-6 ( IL-6 ) and tumor necrosis factor-alpha ( TNF-α ), which can promote osteoclast differentiation and increase osteoclast formation. And there are some other factors, such as osteoprotegerin ( OPG ) and interleukin-10 ( IL-10 ), which can inhibit osteoclast differentiation and thereby prevent excessive growth of osteoclasts. RANK / RANKL / OPG pathway is the hub of signal transduction in the process of osteoclast mobilization and differentiation. Most cytokines play roles in osteoclast differentiation through this transduction pathway. To explore its mechanism and make feasible and effective measures to prevent the impact which is caused by the increase or reduction of osteoclasts on the organism has become an important research fi eld in recent years.

Osteoclasts; Cell differentiation; Receptor activator for nuclear factor-κB ligand ( RANKL ); Macrophage colony-stimulating factor ( MCSF ); Signal transduction

10.3969/j.issn.2095-252X.2017.03.013

Q291

國家自然科學(xué)基金資助項目 ( 81270635 )

150001 黑龍江，哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院

宋科官，Email: songkeguan@sohu.comfi rst Aff i liated Hospital of Harbin Medical University, Harbin, Heilongjiang, 150001, China

2016-08-30 )