破骨細(xì)胞研究新進(jìn)展

智信 陳曉 蘇佳燦*

1.海軍軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，上海 200433 2.海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長海醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，上海 200433

破骨細(xì)胞是起源于骨髓單核細(xì)胞的多核細(xì)胞，破骨前體細(xì)胞在趨化因子的作用下進(jìn)入血循環(huán)[1]，到達(dá)處于吸收狀態(tài)的骨組織部位，在M-CSF和RANKL的作用下分化成破骨細(xì)胞[2]。骨組織穩(wěn)態(tài)受成骨細(xì)胞產(chǎn)生的骨形成和破骨細(xì)胞引起的骨吸收之間的平衡調(diào)節(jié)[3]。然而在病理狀態(tài)下，多種因素，包括腫瘤壞死因子(TNF)超家族配體和炎性蛋白質(zhì)等都促進(jìn)破骨細(xì)胞的形成，使骨代謝失去平衡，導(dǎo)致骨組織過度吸收和過度形成[2]。破骨細(xì)胞過度活化常見于惡性骨腫瘤，骨質(zhì)疏松癥，自身免疫性關(guān)節(jié)炎等骨代謝疾病。破骨細(xì)胞功能障礙同樣會導(dǎo)致如石骨癥等疾病[4-5]。因此，破骨細(xì)胞是骨代謝疾病預(yù)防和治療方面的重要靶點(diǎn)[6]。

1 破骨細(xì)胞調(diào)控新靶點(diǎn)

1.1 盤狀結(jié)構(gòu)域受體2

盤狀結(jié)構(gòu)域受體2(DDR2)是盤狀結(jié)構(gòu)域受體家族成員之一，是一種與腫瘤發(fā)展進(jìn)程密切相關(guān)的酪氨酸激酶受體[7]。研究表明DDR2在多數(shù)腫瘤細(xì)胞和組織中高表達(dá)，能夠促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移，其高表達(dá)往往作為不良預(yù)后的標(biāo)志[8]。2015年，Zhang等[9]發(fā)現(xiàn)在骨基質(zhì)的培養(yǎng)模型中，DDR2的過表達(dá)抑制破骨細(xì)胞生成，破骨細(xì)胞成熟和破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收。相反，通過RNA干擾敲低DDR2加速了小鼠中的破骨細(xì)胞分化和骨吸收。此外，研究人員將受體Neuropilin-1(Nrp1)鑒定為DDR2相互作用蛋白，并發(fā)現(xiàn)DDR2通過形成DDR2-Nrp1-PlexinA1復(fù)合物促進(jìn)Nrp1和共同受體PlexinA1的結(jié)合，阻斷PlexinA1介導(dǎo)的破骨細(xì)胞生成刺激。同時DDR2阻止PlexinA1與受體TREM2和銜接子DAP12相互作用。Nrp1能顯著增強(qiáng)DDR2在促進(jìn)小鼠成骨細(xì)胞分化和骨形成中的功能。最后體內(nèi)實驗表明，腺病毒介導(dǎo)的DDR2能緩解骨質(zhì)疏松模型小鼠骨質(zhì)流失，表明DDR2作為破骨細(xì)胞生成的抑制劑，以及成骨細(xì)胞生成的啟動子，可能對骨質(zhì)疏松癥患者有治療作用。

1.2 蛋白磷酸酶2 A

蛋白磷酸酶2 A(PP2A)是一種主要的絲氨酸-蘇氨酸磷酸酶[10]。PP2A存在于很多組織中，其底物都是信號傳導(dǎo)級聯(lián)反應(yīng)中的癌蛋白，如AKT、Raf和MKK[11]。2018年， Wang等[12]發(fā)現(xiàn)PP2A在人類假體周圍界面中高度表達(dá)，是造成無菌性假體松動的主要原因。研究人員根據(jù)此現(xiàn)象，建立了鈦顆粒刺激誘導(dǎo)的小鼠骨溶解模型，并發(fā)現(xiàn)PP2A高表達(dá)。使用PP2A抑制劑有效地緩解了溶骨部位的鈦顆粒誘導(dǎo)的骨破壞。此外，與模型組動物相比，PP2A抑制劑干預(yù)組導(dǎo)致的PP2A下調(diào)顯著降低了小鼠股骨破骨細(xì)胞數(shù)量和RANKL表達(dá)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，PP2A選擇性抑制劑通過抑制RANKL介導(dǎo)的NF-κB和c-Jun N-末端激酶信號傳導(dǎo)途徑來抑制破骨細(xì)胞生成并減輕破骨細(xì)胞的骨吸收。抑制PP2A或敲減同樣也抑制了下游NFATc1和c-Fos的表達(dá)。該研究結(jié)果表明了PP2A在破骨細(xì)胞生成過程中的重要性，未來有望將PP2A鑒定為治療假體誘導(dǎo)或其他破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收疾病的新靶點(diǎn)。

1.3 黏膜相關(guān)淋巴組織淋巴瘤易位1因子

黏膜相關(guān)淋巴組織淋巴瘤易位1因子(MALT1)是炎癥性疾病的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[13]。它在激活轉(zhuǎn)錄因子NF-κB、產(chǎn)生IL-2以及T和B淋巴細(xì)胞增殖中發(fā)揮重要作用[14]。2018年，Lee等[15]發(fā)現(xiàn)MALT1選擇性抑制劑強(qiáng)烈抑制小鼠體內(nèi)單核細(xì)胞分化為破骨細(xì)胞，能夠顯著改善關(guān)節(jié)炎模型小鼠體內(nèi)病理性骨侵蝕。進(jìn)一步研究表明，MALT1選擇性抑制劑通過結(jié)合MALT1，抑制NF-κB，從而強(qiáng)烈抑制破骨細(xì)胞調(diào)節(jié)因子NFATc1的表達(dá)，減少破骨細(xì)胞分化。這項研究結(jié)果突出了MALT1在破骨細(xì)胞生成過程中對NF-κB-NFATc1信號軸的重要調(diào)節(jié)作用，并提示靶向MALT1是抑制破骨細(xì)胞的一種有前景的治療方案。

1.4 LGR4

腫瘤壞死因子(TNF)超家族成員11(TNFSF11，也稱為RANKL)調(diào)節(jié)多種生理或病理功能，包括破骨細(xì)胞分化和骨質(zhì)疏松癥。以往研究人員認(rèn)為，RANK是RANKL的唯一受體。在最近的一項研究中， Luo等[16]證明富含亮氨酸重復(fù)序列的G蛋白偶聯(lián)受體4(LGR4)是RANKL的另一種受體。他們發(fā)現(xiàn)LGR4能夠與RANK競爭性的結(jié)合RANKL，并抑制破骨細(xì)胞分化期間經(jīng)典的RANKL信號傳導(dǎo)。RANKL與LGR4結(jié)合后激活Gαq和GSK3-β信號通路，抑制NFATc1的表達(dá)和活性，導(dǎo)致破骨細(xì)胞生成減少。而LGR4條件敲除小鼠和全身敲除小鼠由于破骨細(xì)胞過度激活而骨量減少。此外，可溶性LGR4細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域(ECD)結(jié)合RANKL并在體內(nèi)抑制破骨細(xì)胞分化。因此該研究表明LGR4是抑制破骨細(xì)胞生成的RANKL的第二種受體。

2 破骨細(xì)胞調(diào)控新機(jī)制

2.1 骨髓脂肪組織調(diào)控破骨細(xì)胞生成

在骨髓腔中，有多種細(xì)胞如骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、骨細(xì)胞等均可以分泌RANKL促進(jìn)破骨細(xì)胞分化。2011年，Xiong等[21]聲明來自于肥大軟骨細(xì)胞的RANKL是初級骨小梁的破骨細(xì)胞生成及骨吸收的重要來源。骨細(xì)胞分泌的RANKL是松質(zhì)骨中骨吸收及骨重建的重要來源。與傳統(tǒng)認(rèn)知相悖的是，該團(tuán)隊證明成骨細(xì)胞及其祖細(xì)胞產(chǎn)生的RANKL在正常生理性骨重建過程中不發(fā)揮作用，僅在病理條件下如鈣缺乏等情況下會促進(jìn)破骨細(xì)胞分化。

近年來，有關(guān)脂肪與骨量之間關(guān)系的研究越來越多，最經(jīng)典的為瘦素相關(guān)研究。2013年， Kajimura等[17]表明，脂聯(lián)素，一種脂肪細(xì)胞因子，能夠抑制成骨細(xì)胞增殖，促進(jìn)其凋亡。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，脂聯(lián)素通過PI3激酶依賴的方式降低FoxO1的活性，從而調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞活性，調(diào)節(jié)骨量。另一方面，脂聯(lián)素通過FoxO1在神經(jīng)元中發(fā)揮作用，減少交感神經(jīng)張力，從而增加骨量并降低能量消耗。2017年，F(xiàn)an等[18]研究證明，骨髓脂肪組織在從骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化向前脂肪細(xì)胞時，分泌RANKL，從而增加骨髓內(nèi)破骨細(xì)胞的表達(dá)。并且其余部位的脂肪組織不能分泌RANKL，說明骨髓脂肪組織是一種特別的脂肪組織，這種脂肪細(xì)胞的生成對骨髓破骨細(xì)胞的生成有顯著的促進(jìn)作用，從而降低骨量。以上研究顛覆了以往的認(rèn)知，提出了脂肪調(diào)節(jié)成骨和破骨的新機(jī)制。

2.2 骨化三醇調(diào)控破骨細(xì)胞影響骨峰值

天然維生素D分子從飲食中攝入或通過皮膚合成，然后在肝臟和腎臟中活化為1,25-(OH)2D3。骨化三醇是維生素D的活性形式，也是體內(nèi)的一種激素，在調(diào)節(jié)血鈣與血磷水平方面有著重要作用[19]，但在前期研究中維生素D如何發(fā)揮其功能仍不得而知。2017年， Li等[20]證明骨化三醇在健康小鼠體內(nèi)通過增加Smad1轉(zhuǎn)錄激活BMP-Smad1通路，強(qiáng)烈抑制破骨細(xì)胞分化。另一方面Smad1與IκBα結(jié)合，調(diào)控RANKL-NF-κB-NFATc1信號通路，調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞生成及成熟破骨細(xì)胞的骨吸收，從而增加骨量峰值。健康機(jī)體內(nèi)骨量峰值提高有助于改善骨骼健康，有效減緩絕經(jīng)以及衰老帶來的骨量下降的影響。

2.3 CD200-CD200受體通路

CD200是I型膜糖蛋白，在包括間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)的各種類型的細(xì)胞上表達(dá)的免疫球蛋白超家族成員[22]。CD200受體(CD200R)在骨髓細(xì)胞如單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞上表達(dá)，并包括介導(dǎo)下游信號傳導(dǎo)的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域，通常傳遞抑制信號[23]。2013年，Varin等[24]發(fā)現(xiàn)可溶性CD200在體外抑制破骨細(xì)胞前體的分化。體內(nèi)實驗發(fā)現(xiàn)，CD200與骨髓巨噬細(xì)胞上的CD200R結(jié)合后抑制破骨細(xì)胞前體分化以及成熟破骨細(xì)胞的骨吸收。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，CD200-CD200R抑制了RANKL介導(dǎo)的NF-κB和MAPK通路，從而降低破骨細(xì)胞相關(guān)標(biāo)志物的生成。此外，MSCs抑制破骨細(xì)胞生成，依賴于細(xì)胞-細(xì)胞接觸及MSC表面上的CD200表達(dá)有關(guān)。該項研究進(jìn)一步揭示了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在調(diào)節(jié)骨吸收和骨穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著重要的作用，并表明CD200-CD200R在未來可能成為控制骨疾病的新靶標(biāo)。

2.4 RANK-RNF146通路

目前研究人員認(rèn)為RANKL主要通過活化T細(xì)胞c1(NFATc1)和NF-κB(2,3,7,8)的2個轉(zhuǎn)錄因子核因子發(fā)出信號[25]。2016年，Matsumoto等[26]認(rèn)為RANKL能調(diào)節(jié) 3BP2的表達(dá)。3BP2是激活SRC酪氨酸激酶所需的銜接蛋白，同時能協(xié)調(diào)β-catenin的衰減，這兩者都是誘導(dǎo)破骨細(xì)胞發(fā)育所必需的。RANKL激活NF-κB 后通過誘導(dǎo)E3泛素連接酶RNF-146的轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)3BP2的活化，抑制β-catenin，激活SRC通路，導(dǎo)致破骨細(xì)胞過度生成。該研究還表明RNF-146負(fù)調(diào)節(jié)LPS誘導(dǎo)的TNF-α的產(chǎn)生，有助于類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的治療。這些研究表明，RNF146充當(dāng)RANKL的負(fù)調(diào)節(jié)開關(guān)，抑制破骨細(xì)胞生成和細(xì)胞因子產(chǎn)生。

2.5 microRNA調(diào)控

MicroRNA (miRNA) 是一類由內(nèi)源基因編碼的長度約為22 個核苷酸的非編碼單鏈RNA 分子，它們在動植物中參與基因的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控。近年來，有眾多研究表明miRNA能調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞分化。2017年，Yin等[27]表明，miR-30a通過抑制DC-STAMP-c-Fos-NFATc1信號通路的激活，抑制破骨細(xì)胞生成。2018年，Cai等[28]表明，miRNA124通過調(diào)節(jié)IL-1的水平，抑制破骨細(xì)胞生成，抑制乳腺癌骨轉(zhuǎn)移。Sang等[29]表明，miRNA-16-5p通過抑制RANKL介導(dǎo)的下游通路的激活抑制破骨細(xì)胞形成，緩解骨巨細(xì)胞瘤骨侵蝕。此外，最新研究表明，還有miRNA376c、miRNA-302a-3p、miRNA21、miRNA182等均可以調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的分化。

3 總結(jié)與展望

近年來，研究人員對破骨細(xì)胞生成及其功能提出了新靶點(diǎn)、新機(jī)制、新通路。在破骨細(xì)胞生成過程中盤狀結(jié)構(gòu)域受體2、蛋白磷酸酶2 A、黏膜相關(guān)淋巴組織淋巴瘤易位1因子等新靶點(diǎn)發(fā)揮著重要的作用。經(jīng)典研究認(rèn)為骨代謝中成骨和破骨相互耦聯(lián)，而最新研究認(rèn)為，脂肪細(xì)胞也與破骨細(xì)胞相互耦聯(lián)，通過分泌RANKL調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的生成，說明骨髓中的脂肪可能是破骨細(xì)胞激活RANKL的重要來源。此外，研究人員在經(jīng)典RANKL-RANK通路中找到了新的受體，即RANKL也能與LGR4相互結(jié)合，發(fā)揮與經(jīng)典RANKL-RANK通路相反的作用，能夠抑制破骨細(xì)胞生成?？傊?，破骨細(xì)胞功能及其機(jī)制研究已初步明了，但是還伴隨著諸多問題，有待進(jìn)一步研究。