雌激素影響絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松分子機(jī)制研究進(jìn)展

孫偉明 劉 爽

(天津中醫(yī)藥大學(xué)，天津 300193)

雌激素影響絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松分子機(jī)制研究進(jìn)展

孫偉明 劉 爽1

(天津中醫(yī)藥大學(xué)，天津 300193)

雌激素；絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松；破骨細(xì)胞；成骨細(xì)胞

骨質(zhì)疏松是以骨量減少、骨的微觀結(jié)構(gòu)退化為特征的，致使骨的脆性增加以及易于發(fā)生骨折的一種全身性骨骼疾病，可分為三大類即原發(fā)性骨質(zhì)疏松、繼發(fā)性骨質(zhì)疏松、特發(fā)性骨質(zhì)疏松。絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松(PMOP)為Ⅰ型原發(fā)性骨質(zhì)疏松，由絕經(jīng)后機(jī)體雌激素水平下降而引發(fā)，年齡通常界定在50～70歲。雌激素的缺乏被認(rèn)為是PMOP的主要原因，其中具體的分子機(jī)制仍未達(dá)成共識，本文結(jié)合近些年研究雌激素對PMOP發(fā)病機(jī)制的影響進(jìn)行分析。

1 骨重建

骨重建過程的穩(wěn)定進(jìn)行依賴于骨形成和骨吸收的平衡〔1〕，成骨細(xì)胞(OB)和破骨細(xì)胞(OC)在其間發(fā)揮著主導(dǎo)作用。OB來自于成纖維細(xì)胞間質(zhì)細(xì)胞系(MSC)，OC由造血干細(xì)胞分化形成，是唯一具有骨吸收能力的細(xì)胞〔2〕。當(dāng)骨由于各種因素出現(xiàn)損傷時，兩者可以和位于骨細(xì)胞表面的骨襯細(xì)胞聯(lián)系，開始骨的重建過程。骨細(xì)胞被甲狀旁腺激素(PTH)、白細(xì)胞介素(IL)、雌激素不足或者其他一些激素刺激后激活，骨髓基質(zhì)細(xì)胞(BMSC)或OB合成釋放巨噬細(xì)胞集落刺激因子(M-CSF)和受體激活核因子κB配體(RANKL)，兩者可以誘導(dǎo)OC前體細(xì)胞(pre-OC)募集和分化，之后便開始了骨吸收。骨吸收過程中OC可以釋放多種生長因子如轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)-β，TGF-β可以將OB募集至骨基質(zhì)從而進(jìn)行骨形成過程，最后完成骨的重建。骨丟失正是由于骨吸收大于骨形成從而出現(xiàn)了骨質(zhì)疏松癥。在絕經(jīng)最初一段時間里，由于雌激素的缺乏，成熟OC數(shù)量增加，骨吸收活躍，骨量迅速丟失。雌激素在此過程中不僅影響pre-OC的分化，也影響到了成熟OC的骨吸收過程和凋亡，同時對OB的分化增殖凋亡也有一定的調(diào)節(jié)作用。

2 雌激素影響OC分化的機(jī)制

Pre-OC分化形成OC的過程中，M-CSF和RANKL這兩種因子是必不可少的。兩者作用于pre-OC促進(jìn)其核融合形成多核細(xì)胞，后者細(xì)胞膜表面的RANK可以繼續(xù)與RANKL結(jié)合形成成熟OC。體內(nèi)雌激素缺乏時，BMSC和OB分泌更多的M-CSF和RANKL，同時OB分泌IL-7增加，促進(jìn)T細(xì)胞增殖并合成分泌RANKL和其他腫瘤壞死因子(TNF)，TNF刺激OB使RANKL合成進(jìn)一步增加；TNF也可以直接作用于pre-OC，和RANKL一起共同促進(jìn)成熟OC的形成〔3〕。Roggia等〔4〕發(fā)現(xiàn)卵巢切除小鼠內(nèi)的TNFα顯著升高，并直接導(dǎo)致RANKL的升高；D'Amelio等〔5〕在絕經(jīng)后女性外周血的培養(yǎng)中也發(fā)現(xiàn)RANKL和TNF含量的增加。雌激素可以促進(jìn)OB合成分泌骨保護(hù)素(OPG)〔6〕，OPG與RANKL同屬于TNF家族因子，兩者競爭結(jié)合pre-OC和OC表面的RANK，因此OPG可以抑制OC的生成。

此外在pre-OC和OC中存在著雌激素受體(ER)〔7〕。Takada等〔8〕通過改良技術(shù)在成熟OC細(xì)胞核提取物中發(fā)現(xiàn)多種ERα相關(guān)的共調(diào)因子，如分解產(chǎn)物激活劃位(CAP)-H，蛋白子相關(guān)蛋白(TRAP)240，并且檢測到了相應(yīng)的蛋白其中就包括ERα，說明成熟OC內(nèi)有特異性的共調(diào)因子幫助完成ERα相關(guān)功能。Martin-Millan等〔9〕敲除ERαLysM-/-小鼠單核和巨噬細(xì)胞的ERα的基因后，發(fā)現(xiàn)骨基質(zhì)中pre-OC和松質(zhì)骨中OC的數(shù)量增加約2倍，同時還出現(xiàn)了松質(zhì)骨骨量的丟失；而用ERα等位基因替換的ERαf/f小鼠中并未出現(xiàn)相應(yīng)的變化。這說明雌激素對pre-OC和OC可以通過ERα可以直接發(fā)生作用?？墒?，Michael等〔10〕用含有RANKL、M-CSF、TNFα等因子的培養(yǎng)基培育pre-OC，在雌激素干預(yù)后未發(fā)現(xiàn)OC的生成未受到明顯抑制，而與OB共培養(yǎng)的pre-OC在相同的條件下OC的生成受到了抑制。這說明雌激素對OC分化的影響可能來自其對OB的調(diào)節(jié)而間接發(fā)揮作用。

3 雌激素影響OC骨吸收和凋亡的機(jī)制

成熟OC位于骨基質(zhì)表面，通過αvβ3整合素與基質(zhì)進(jìn)行信號的傳導(dǎo)，OC形成豎起膜稱為皺褶緣，其可以包裹周邊骨基質(zhì)，形成一個個微環(huán)境——封區(qū)(Sealing zone)。OC通過質(zhì)子泵外排H+使封區(qū)環(huán)境酸化溶解骨礦物，同時分泌組織蛋白酶(Cat)K降解蛋白機(jī)制。而細(xì)胞內(nèi)pH值主要通過OC與抗骨吸收細(xì)胞表面的碳酸氫根和氯離子的交換維持，氯離子可再次穿過細(xì)胞膜的陰離子通道進(jìn)入骨吸收的微環(huán)境，從而使其pH值保持在4.5左右，這種酸性環(huán)境可以調(diào)動骨礦物和提供Cat K降解骨基質(zhì)蛋白最佳環(huán)境，從而實現(xiàn)骨吸收〔11〕。由此可見封區(qū)是OC發(fā)揮骨吸收功能的主要環(huán)境。Song等〔12〕用含有M-CSF、RANKL、胎牛血清等物質(zhì)的α-MEM培養(yǎng)基培育小鼠巨噬細(xì)胞樣(RAW264.7)細(xì)胞，用不同濃度的OPG干預(yù)，5 d后通過顯微鏡觀測封區(qū)皺褶情況，發(fā)現(xiàn)對照組在細(xì)胞邊緣有皮帶樣突起，細(xì)胞核分散分布；而20 ng/ml OPG干預(yù)組封區(qū)數(shù)量減少，伴隨有骨陷窩的出現(xiàn)，提示有骨吸收現(xiàn)象；40、80 ng/ml干預(yù)組封區(qū)結(jié)構(gòu)缺失，而OPG可在雌激素刺激下由OB合成分泌，并且該過程可以被雌激素的拮抗劑(ICI182780)阻斷〔6〕。缺氧誘導(dǎo)因子(HIF)1α是又一個在PMOP中引起的骨丟失重要因子〔13〕。OC和pre-OC中存在編碼合成HIF1α的mRNA，但是雌激素可以削弱HIF1α蛋白在這些細(xì)胞中的表達(dá)。絕經(jīng)后雌激素缺乏可以使HIF1α在OC中積累，激活OC導(dǎo)致骨丟失。實驗證明OC的HIF1α特定激活抑制劑可以使雌激素缺乏大鼠免于骨丟失〔14〕。

雌激素可以誘導(dǎo)OC凋亡。Faloni等〔15〕用雌激素和玉米油分別干預(yù)卵巢切除術(shù)后大鼠，發(fā)現(xiàn)雌激素組OC數(shù)量明顯下降，出現(xiàn)OC細(xì)胞的凋亡。OC凋亡過程和多種因子相關(guān)〔16〕。Xiong等〔17〕通過蛋白組學(xué)和信息組學(xué)分析比較雌激素存在與否對OC凋亡分化和多種蛋白因子表達(dá)的影響，發(fā)現(xiàn)雌激素可以影響77條細(xì)胞內(nèi)通路，影響6 403種蛋白中的355種，證實了雌激素可以促進(jìn)OC凋亡。Hughes等〔18〕證實雌激素可以誘導(dǎo)OC的凋亡可以被TGF-β的抗體所抑制，而TGF-β可由OB經(jīng)雌激素刺激后合成釋放〔19〕。雌激素可以通過ERα作用于pre-OC和OC，引起Fas配體(FasL)上調(diào)，與OC表面的Fas結(jié)合后觸發(fā)受體凋亡通路，進(jìn)而依次激活起始半胱氨酸蛋白酶(Caspase-8)，效應(yīng)Caspase-3與相應(yīng)底物蛋白結(jié)合后導(dǎo)致OC凋亡；相反，當(dāng)雌激素缺乏時，F(xiàn)asL下調(diào)，OC的壽命延長〔3〕。同時，Shao等〔20〕研究發(fā)現(xiàn)雌激素與OC的凋亡和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMMSc)密切相關(guān)。雌激素可以下調(diào)BBMSc中miR-181a的表達(dá)，后者是靶向于FasL信使RNA 3'-UTR的FasL合成抑制因子，因此在雌激素充足的情況下，BBMSc可以表達(dá)更多的FasL與OC表面Fas結(jié)合，進(jìn)而激活受體凋亡通路。Nakamura等〔21〕通過實驗證明雌激素通過ERα激活Fas/FasL系統(tǒng)調(diào)節(jié)OC的壽命。Martin-Millan等〔9〕也通過動物實驗證明了FasL對于促進(jìn)OC凋亡具有重要作用。Krum等〔22〕通過用雌激素上調(diào)OB的FasL而誘導(dǎo)pre-OC的凋亡。FasL介導(dǎo)的受體凋亡通路成為了OC凋亡的主要方式。

4 雌激素影響OB分化增殖凋亡的機(jī)制

OB源于MSC。轉(zhuǎn)錄因子Cbfa1/Runx2，Osterix，多種生長因子如骨形態(tài)發(fā)生蛋白質(zhì)(BMPs)對MSC分化、OB增殖起著關(guān)鍵作用。雌激素對OB同樣有著一定的影響：Tyagi等〔23〕認(rèn)為雌激素缺乏誘導(dǎo)輔助T細(xì)胞(Th17)分泌的IL-17增加，后者誘導(dǎo)OB合成分泌TNF-α,IL-6和RANKL從而促進(jìn)OC合成。Chen等〔24〕培養(yǎng)PMOP患者的髂骨中的MSC，與對照組比較，用雌激素干預(yù)后的ERα和堿性磷酸酶信使RNA表達(dá)量明顯增高，而ERβ的含量并沒有出現(xiàn)顯著性差異，認(rèn)為雌激素對MSC分化的影響主要是通過影響ERα的活性實現(xiàn)的。然而，Yin等〔25〕發(fā)現(xiàn)雌二醇可以通過磷酸化GSK3β進(jìn)而顯著提高OB前體細(xì)胞(pre-OB)β-catenin的表達(dá)，此過程中ERβ發(fā)揮著重要作用。雌激素干預(yù)pre-OB 后，與OB分化相關(guān)的基因(BGP,ALP,OPN)和增殖相關(guān)的基因(cyclin D1)表達(dá)顯著提高，而用ERβ干擾RNA預(yù)處理的pre-OB并未出現(xiàn)明顯的改變，說明雌二醇可以通過ERβ激活Wnt/β-catenin信號通路促進(jìn)OC增殖分化。Fan等〔26〕分別培養(yǎng)健康人群和PMOP患者的人BMSCs(hBMSCs)，發(fā)現(xiàn)雌激素干預(yù)PMOP組的hBMSCs分化增殖增強(qiáng)，同時伴有Notch信號通路的上調(diào)，并驗證雌激素是通過增強(qiáng)Jagged1蛋白的表達(dá)激活Notch信號通路，從促進(jìn)OB的生成和骨量的維持。然而，雌激素不僅僅是促進(jìn)OB的增殖和分化，骨代謝穩(wěn)定在于骨吸收與重建之間的動態(tài)平衡。Almeida等〔27〕通過實驗證明雌二醇可以通過減弱BMP-2誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄來抑制OB系分化與增殖，從而減緩OB的生成，這種現(xiàn)象是通過ERα介導(dǎo)細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(ERKs)活化和ERKs連接區(qū)域Smad1磷酸化實現(xiàn)，最終導(dǎo)致蛋白酶體的降解和BMP-2信號的抑制；同時發(fā)現(xiàn)雌二醇可以通過ERα而抑制OB的凋亡。Yang等〔28〕體外培養(yǎng)小鼠OB株MC3T3-E1，發(fā)現(xiàn)血清剝奪可以通過激活效應(yīng)Caspases3導(dǎo)致OB凋亡，通過抑制雷帕霉素靶蛋白(mTOM)的磷酸化誘導(dǎo)自噬發(fā)生，而雌二醇通過ERK-mTOM信號軸和ER顯著擴(kuò)大自噬效應(yīng)，借此可以抑制OB的凋亡。Bradford等〔29〕體外培養(yǎng)人類肉瘤細(xì)胞G-292，發(fā)現(xiàn)雌二醇可以抑制依托泊苷激活的線粒體凋亡通路和TNFα激活的受體凋亡通路，并通過ERβ抑制G-292細(xì)胞凋亡基因ITPR1的轉(zhuǎn)錄從而實現(xiàn)對OB凋亡的抑制。

此外，雌激素可以提高1α經(jīng)化酶的活性，使1,25(OH)2D3的合成增加，進(jìn)而促進(jìn)腸鈣吸收和骨形成；促進(jìn)降鈣素分泌，從而抑制骨吸收；調(diào)節(jié)骨對PTH敏感性，減少低鈣對PTH的刺激，抑制PTH分泌，減少骨吸收。雌激素能夠抑制促炎性細(xì)胞因子如IL-1，IL-6，IL-7和TNF的分泌。當(dāng)雌激素缺乏，TNF和BMSC/OB增加，并且后者對IL-1更敏感，之后IL-1和TNF刺激BMSC/OB釋放多種細(xì)胞因子如IL-6，IL-11、TGF、M-CSF、RANKL和粒細(xì)胞巨噬細(xì)胞集落刺激因子(GM-CSF)。這些因子均參與到了pre-OC的分化過程。

5 結(jié) 語

雌激素影響POMP的機(jī)制是復(fù)雜多樣的，針對PMOP的發(fā)病機(jī)制治療手段也圍繞在抗pre-OC分化如狄諾塞麥；抗骨吸收藥物如雙膦酸鹽類，Cat K抑制劑〔11,30 〕；雌激素受體調(diào)節(jié)劑如雷洛昔芬；還有PTH的類似物、鈣離子的替代物等。近些年隨著雌激素參與介導(dǎo)的細(xì)胞信號傳導(dǎo)研究的深入，ERα介導(dǎo)FasL凋亡通路、H IF1α因子、ERKs等相繼被引入到PMOP發(fā)病機(jī)制中，為其治療也可提供新的思路與方法。

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〔2016-02-22修回〕

(編輯 袁左鳴)

國家自然科學(xué)基金項目(No.81202652)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃基金項目(No.13JCQNJC11700)

劉 爽(1984-)，女，博士，主治醫(yī)師，主要從事中醫(yī)腦病臨床與基礎(chǔ)研究。

孫偉明(1989-)，男，在讀博士，主要從事中醫(yī)腦病臨床與基礎(chǔ)研究。

R336

A

1005-9202(2017)02-0499-04；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.02.108

1 天津中醫(yī)藥大學(xué)第二附屬醫(yī)院