脂肪因子調(diào)控骨代謝作用研究進(jìn)展

韓升龍 孔令俊 鄧葉龍 李萬潭 李想 張金磊

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué),甘肅 蘭州 730000 2.甘肅省中醫(yī)院,甘肅 蘭州 730050

肥胖已成為全球突出的健康問題,并與骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis,OP)等許多慢性骨代謝異常疾病密切相關(guān)[1-2]。人體內(nèi)能量攝入超過能量消耗導(dǎo)致脂肪組織(adipose tissue,AT)過度積累就會發(fā)生肥胖。當(dāng)AT達(dá)到其能量最大儲存能力時,就會釋放脂肪因子如內(nèi)脂素、網(wǎng)膜素-1(Omentin-1)、趨化素(Chemerin)、脂鈣素-2(lipocalin 2,LCN2)、Vaspin、視黃醇結(jié)合蛋白-4(RBP-4)、奈斯法汀-1(Nesfatin-1)、Apelin和脂聯(lián)素(APN)等,導(dǎo)致異位脂質(zhì)沉積在肝臟、骨骼肌等組織中,影響骨代謝相關(guān)疾病的發(fā)展[3-5]。而成骨細(xì)胞(osteoblast,OB)介導(dǎo)的骨形成和破骨細(xì)胞(osteoclast,OC)介導(dǎo)的骨吸收之間的平衡是骨代謝保持穩(wěn)態(tài)的原因。但目前關(guān)于脂肪因子與骨代謝疾病之間聯(lián)系的分子機(jī)制還不清楚,因此,深入研究脂肪因子作用于骨骼細(xì)胞的分子機(jī)制意義重大,可以為骨代謝疾病提供新的治療靶點(diǎn)。本研究通過查閱大量國內(nèi)外研究文獻(xiàn),就脂肪因子與骨代謝疾病作用機(jī)制做一總結(jié),以期為后續(xù)臨床治療骨代謝疾病提供新思路與基礎(chǔ)。

1 脂肪因子同時調(diào)控OB、OC影響骨代謝

1.1 內(nèi)脂素同時調(diào)控OB、OC影響骨代謝

內(nèi)脂素也稱為前B細(xì)胞集落增強(qiáng)因子(pre-B cell colony-enhancing factor,PBEF)或煙酰胺磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶(nicotinamide phosphoribosyltransferase,NAMPT),主要由內(nèi)臟脂肪組織合成[6]。內(nèi)脂素具有促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞生長[7]、抑制細(xì)胞凋亡[8]的作用。其對于骨穩(wěn)態(tài)作用主要通過靶向抑制OC介導(dǎo)的骨吸收和OB介導(dǎo)的骨形成來影響骨代謝。研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)脂素通過抑制核因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)受體激活蛋白(receptor activator of NF-κB,RANK)、活化T細(xì)胞-c1(nuclear factor of activated T cells-c1,NFATc1)、組織蛋白酶-K(Cathepsin-K)和核因子標(biāo)志物的產(chǎn)生,抑制OC前體分化為酒石酸鹽抗酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatase,TRAP)陽性多核細(xì)胞,從而抑制OC形成[9]。內(nèi)脂素誘導(dǎo)胰島素受體底物1(insulin receptor substrate 1,IRS1)和胰島素受體底物2(insulin receptor substrate 2,IRS2)以及人OB中胰島素受體的酪氨酸磷酸化來促進(jìn)OB增殖,當(dāng)敲低小鼠骨髓基質(zhì)細(xì)胞內(nèi)脂素水平會抑制OB形成[10],這與降低關(guān)鍵OB標(biāo)志物堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)和Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(Runx2)的礦化和表達(dá)活性有關(guān)。國外一項(xiàng)臨床研究表明,絕經(jīng)后骨質(zhì)減少和OP婦女的血清內(nèi)脂素水平低于非OP婦女,提示內(nèi)脂素是腰椎和髖部骨密度(bone mineral density,BMD)的獨(dú)立陽性預(yù)測因子[11]。

1.2 Omentin-1同時調(diào)控OB、OC細(xì)胞影響骨代謝

Omentin-1也稱intelectin-1,其主要在脂肪組織的基質(zhì)血管細(xì)胞中表達(dá)。已發(fā)現(xiàn)Omentin-1具有重要的抗炎、抗氧化、抗凋亡和保護(hù)骨穩(wěn)態(tài)的作用[12]。Omentin-1與促炎因子白細(xì)胞介素6(interleukin-6,IL-6)和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor α,TNF-α)等的水平呈負(fù)相關(guān),當(dāng)促炎因子IL-6、TNF-α異常升高,OC形成和骨組織破壞增加、成骨活性受損。靜脈注射腺病毒遞送的Omentin-1給卵巢切除術(shù)(OVX)誘導(dǎo)的OP小鼠后,小鼠骨強(qiáng)度明顯增強(qiáng)[13],深入研究發(fā)現(xiàn)Omentin-1通過下調(diào)促炎因子IL-6、TNF-α刺激骨保護(hù)素(osteoprotegerin,OPG)的產(chǎn)生和減少OB中核因子κB配體(Receptor activator of NF-κB ligand,RANKL)受體激活劑的分泌抑制OC分化保護(hù)骨骼。另一項(xiàng)研究表明,Omentin-1通過增加與骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)、Runt相關(guān)因子1(Runx1)、膠原蛋白1、骨橋蛋白(osteopontin,OPN)、骨鈣素(osteocalcin,OCN)和骨質(zhì)mRNA蛋白表達(dá),使MC1T2-E1中的轉(zhuǎn)化生長因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)/信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白(Smad)信號通路激活促進(jìn)OB分化保護(hù)骨骼[14]。動物實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),敲除小鼠體內(nèi)Omentin-1后,小鼠骨折愈合延遲,同時炎癥和OC形成增加,血管生成減少[15]。臨床試驗(yàn)也證實(shí),Omentin-1與絕經(jīng)后女性的BMD呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,并且也是髖部BMD的強(qiáng)預(yù)測因子[5]。

1.3 Chemerin同時調(diào)控OB、OC影響骨代謝

Chemerin也稱為視黃酸受體應(yīng)答因子2(Rarres2)或他扎羅汀誘導(dǎo)基因2(TIG2),于1997年由Nagpal等在研究銀屑病時發(fā)現(xiàn)[16]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),Chemerin是一種由脂肪組織和肝臟分泌的14-kDa蛋白[17],其主要通過與其受體趨化因子樣受體1(Chemokine-like receptor 1,CMKLR1)結(jié)合發(fā)揮生物學(xué)功能[18]。Chemerin對于骨細(xì)胞作用是通過抑制Wnt/β-連環(huán)蛋白(Wnt/β-catenin)信號傳導(dǎo)來影響重塑周期,減少OB分化,并通過激活RANK信號刺激OC分化和增殖[19]。深入研究表明,在體內(nèi)Chemerin與CMKLR1結(jié)合影響關(guān)鍵成脂和成骨轉(zhuǎn)錄因子趨化因子樣受體5(Chemokine-like receptor 5,CMKLR5)和組織蛋白酶K mRNA表達(dá)水平升高,限制OB Wnt信號傳導(dǎo),導(dǎo)致骨質(zhì)流失增加;在體外Chemerin通過細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶63(extracellular signal-regulated kinase-63,ERK63)磷酸化誘導(dǎo)成熟OC的骨吸收活性增加加速骨破壞。最近國外一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),敲低小鼠Chemerin可導(dǎo)致MC64T3-E3和Raw1.264細(xì)胞中成骨形成相關(guān)基因表達(dá)增強(qiáng)和破骨形成相關(guān)基因表達(dá)抑制,使小鼠BMD、骨小梁厚度增加[20]。另一項(xiàng)國內(nèi)研究表明,當(dāng)血清Chemerin增高后,導(dǎo)致OC活性增加,加速OP進(jìn)展[21]。

1.4 LCN2同時調(diào)控OB、OC影響骨代謝

LCN2是一種OB衍生的新型脂肪因子,由198個氨基酸組成,也被稱為中性粒細(xì)胞明膠酶相關(guān)脂質(zhì)運(yùn)載蛋白(neutrophil gelatinase-associated lipocalin,NGAL)[22],可參與包括細(xì)胞凋亡、細(xì)胞分化、代謝穩(wěn)態(tài)等多種生理功能[23]。LCN2的過度表達(dá)會損害OB的分化并增加OC形成,最終導(dǎo)致骨骼脆性。研究發(fā)現(xiàn),LCN2對骨代謝的調(diào)節(jié)可能與成纖維細(xì)胞生長因子23(function of fibroblast growth factor 23,FGF23)的表達(dá)相關(guān),FGF23是一種重要的骨因子,主要來源于骨骼和骨髓。FGF23刺激骨細(xì)胞中環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)信號傳導(dǎo)激活,使腎臟中產(chǎn)生過量LCN2[24],同時LCN2過表達(dá)刺激RANKL和IL-6的產(chǎn)生,導(dǎo)致OC形成增加和OB分化減少[25],加重骨骼疾病進(jìn)展。因此,通過抑制FGF23降低LCN2水平可作為改善慢性骨代謝疾病結(jié)局的治療方法。Cervellati 等[27]進(jìn)行動物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),與野生型(WT)小鼠相比,LCN2缺失小鼠全身骨質(zhì)明顯減少,表現(xiàn)出較低的小梁骨體積、較少的小梁數(shù)目,骨表面的OB數(shù)量較低,骨形成率顯著降低,而OC數(shù)量改變不明顯。國外一項(xiàng)臨床研究也證實(shí)[26],LCN2與絕經(jīng)后婦女的BMD呈負(fù)相關(guān),并且這種作用受到IL-6水平的影響。

2 脂肪因子調(diào)控OB影響骨代謝

2.1 Vaspin調(diào)控OB影響骨代謝

Vaspin是一種新型脂肪因子,來源于內(nèi)臟脂肪組織,是絲氨酸蛋白酶抑制劑家族的成員,具有抗炎、抗細(xì)胞凋亡、促細(xì)胞自噬活性的作用[28-29]。近年來關(guān)于Vaspin調(diào)節(jié)骨代謝的研究越來越多,研究認(rèn)為Vaspin對人OB影響可通過激活絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)/ERK信號通路上調(diào)Bcl-2和下調(diào)Bax來抑制OB凋亡來實(shí)現(xiàn)[4]。Ma等[30]在研究Vaspin緩解長鏈非編碼RNA淋巴增強(qiáng)因子1-反義RNA1(LncRNA LEF1-AS1)誘導(dǎo)血管平滑肌細(xì)胞(VSMCs)成骨分化作用中發(fā)現(xiàn),Vaspin能消除LEF1-AS1介導(dǎo)的VSMCs成骨表型轉(zhuǎn)換調(diào)控Hippo/YAP通路加速VSMCs的成骨分化,加速骨形成。在體內(nèi),用Vaspin治療喂食高脂肪飲食(HFD)的小鼠時發(fā)現(xiàn),Vaspin能明顯改善小鼠全身代謝狀態(tài)、減輕小鼠體重、增強(qiáng)小鼠骨強(qiáng)度,同時還上調(diào)成骨相關(guān)基因Runx2、Osx、Colla1的mRNA表達(dá)及Runx2、Smad2/3、p-Smad2/3的蛋白表達(dá)[31]。一項(xiàng)橫斷面臨床研究證實(shí),Vaspin與絕經(jīng)后婦女BMD之間存在正相關(guān)性[32]。

2.2 RBP-4調(diào)控OB影響骨代謝

RBP-4作為新型脂肪因子,有抗炎、促進(jìn)VSMC增殖的作用[33]。研究發(fā)現(xiàn)RBP-4可促進(jìn)OB分化影響骨代謝[4]。動物實(shí)驗(yàn)表明RBP-4參與小鼠長骨生長,特別是肢體繼發(fā)性骨化中心的形成[34]。國外一項(xiàng)臨床試驗(yàn)證實(shí),原發(fā)性O(shè)P患者RBP-4與不同部位BMD呈正相關(guān)性,是OP的顯著預(yù)測因子[35]。

3 脂肪因子Nesfatin-1調(diào)控OC影響骨代謝

Nesfatin-1是一種源自前體蛋白核苷蛋白-2(NUCB2)的氨基酸多肽,于2006年在大鼠下丘腦中首次發(fā)現(xiàn)[36]。已知Nesfatin-1有抗炎、抗氧化、抗凋亡的作用[37-38]。而骨代謝異常常與OC過度增殖有關(guān)。研究表明,Nesfatin-1可刺激骨礦化并抑制OC形成,經(jīng)Nesfatin-1治療可使已確診骨質(zhì)減少的雌性O(shè)VX大鼠骨強(qiáng)度明顯增加[39],這可能與Nesfatin-1調(diào)節(jié)了RANKL與OPG之間的關(guān)系抑制了OC的活性有關(guān)。當(dāng)通過腹腔內(nèi)注射給予OVX誘導(dǎo)骨質(zhì)減少大鼠持續(xù)8周的Nesfatin-1治療,可減輕大鼠脛骨和股骨雙能X線吸收法(dual energy X-ray absorptiometry,DXA)參數(shù)的不良變化,增強(qiáng)骨密度[40]。另一項(xiàng)評價(jià)Nesfatin-1對大鼠肱骨力學(xué)影響的研究發(fā)現(xiàn),給予Nesfatin-1后,在各種機(jī)械負(fù)荷刺激下測得的大鼠骨強(qiáng)度參數(shù)增加[41]。但目前尚缺乏其影響骨代謝的臨床研究,臨床研究者或可加強(qiáng)這方面研究尋求靶向藥的研發(fā)。

4 脂肪因子調(diào)控骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow stem cells,BMSCs)影響骨代謝

4.1 Apelin調(diào)控BMSCs影響骨代謝

Apelin是一種內(nèi)源性的脂肪因子,在包括骨髓組織在內(nèi)的多種組織中表達(dá),參與骨穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)[42]。其對骨穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)是通過影響B(tài)MSCs分化增強(qiáng)OB生成和抑制OB凋亡來實(shí)現(xiàn)。Apelin在BMSCs的成骨過程中不斷表達(dá),通過激活Wnt/β-catenin信號通路表達(dá),誘導(dǎo)BMSCs的成骨分化促進(jìn)骨形成發(fā)生[43],Wnt/β-catenin信號通路是介導(dǎo)Apelin參與骨形成的關(guān)鍵途徑。Apelin-13是Apelin的一種異構(gòu)體,據(jù)報(bào)道,經(jīng)局部注射Apelin-13處理大鼠脛骨截骨模型后,發(fā)現(xiàn)缺損大鼠脛骨骨愈合明顯加強(qiáng)[44],其作用機(jī)制就是Apelin-13促進(jìn)Wnt/β-catenin信號通路表達(dá)顯著上調(diào)了BMSCs中成骨特異性基因和蛋白質(zhì)的表達(dá),增強(qiáng)了成骨細(xì)胞分化加速了骨表面礦物質(zhì)沉積。在Apelin-13缺陷小鼠中,觀察到Wnt/β-catenin信號通路相關(guān)分子和膠原成熟相關(guān)基因loxl3和loxl4的表達(dá)明顯降低[45]。臨床試驗(yàn)也表明[46],Apelin-13與OP患者BMD呈正相關(guān)性。另有研究表明,Apelin通過與其內(nèi)源性配體G蛋白偶聯(lián)受體APJ相結(jié)合,形成Apelin/APJ系統(tǒng),激活PI3K/Akt信號通路,加強(qiáng)c-Jun N端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)磷酸化后,促進(jìn)OB增殖維護(hù)骨穩(wěn)態(tài)[47]。

4.2 APN調(diào)控BMSCs影響骨代謝

APN是主要的脂肪因子之一,在骨骼肌重塑[48]、上皮細(xì)胞修復(fù)[49]、造血干細(xì)胞分化[50]等方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。APN信號傳導(dǎo)在骨穩(wěn)態(tài)中的作用復(fù)雜,通過與其具有酶活性的兩種受體AdipoR1和AdipoR2結(jié)合發(fā)揮促進(jìn)骨形成、抑制骨吸收的作用。研究發(fā)現(xiàn),APN缺乏小鼠骨量明顯減少,當(dāng)APN與其受體AdipoR1、AdipoR2結(jié)合體激活可促進(jìn)小鼠前OB增殖和BMSCs的成骨作用,并通過抑制骨髓微環(huán)境中RANKL/OPG比率及NF-kB和p38信號通路來抑制OC形成[51-52],發(fā)揮維持骨穩(wěn)態(tài)的作用。但另一項(xiàng)臨床研究發(fā)現(xiàn)[53],OP患者的APN水平較低,OP合并骨質(zhì)減少女性患者的APN與T評分呈極強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系,這與本研究內(nèi)容相反。

5 小結(jié)與展望

慢性骨代謝異常相關(guān)疾病(如OP)嚴(yán)重影響人民的生命健康,給當(dāng)今社會發(fā)展造成的負(fù)擔(dān)日益加重。由相關(guān)脂肪組織產(chǎn)生的脂肪因子被證實(shí)與骨代謝疾病的發(fā)展密切相關(guān),它們可通過促進(jìn)BMSCs分化為OB的能力、加強(qiáng)OB介導(dǎo)的骨形成、抑制OC介導(dǎo)的骨吸收保護(hù)骨穩(wěn)態(tài),發(fā)揮治療骨代謝異常疾病的作用。目前臨床上關(guān)于骨代謝異常疾病的治療也多從抗骨吸收與促骨形成入手,病情嚴(yán)重導(dǎo)致脆性骨折發(fā)生則通過手術(shù)配合藥物治療的方式達(dá)到治療目的。但目前臨床使用藥物缺少靶向促進(jìn)、抑制劑,而不同脂肪因子對于骨代謝異常疾病作用的靶點(diǎn)不同,可以針對不同靶點(diǎn)途徑發(fā)揮促進(jìn)骨形成、抑制骨吸收的作用,進(jìn)而治療OP等骨代謝異常疾病。因此,未來臨床藥物研發(fā)中或可結(jié)合現(xiàn)代新型科學(xué)技術(shù),如大數(shù)據(jù)和基因工程等配合循證醫(yī)學(xué)方法加強(qiáng)脂肪因子靶向藥物的研發(fā),為骨代謝異常患者治療提供新藥物,為臨床治病提供新思路和新方法。但這需要進(jìn)一步的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)來探索和臨床試驗(yàn)來驗(yàn)證。