骨髓脂肪組織調(diào)節(jié)調(diào)控骨量研究進(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(zhǎng)海醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，上海 200433

骨髓脂肪組織(MAT)是由脂肪細(xì)胞在骨髓腔內(nèi)累積所形成。在正常生理?xiàng)l件下，出生時(shí)幾乎所有的骨髓都是造血紅骨髓[1]，但到了成年期，50%的骨髓被脂肪黃骨髓填充，也稱為骨髓脂肪組織[2]。骨髓脂肪細(xì)胞主要由骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSC)分化生成，其過(guò)程經(jīng)歷了間充質(zhì)干細(xì)胞、成脂肪細(xì)胞、前體脂肪細(xì)胞、不成熟脂肪細(xì)胞和成熟脂肪細(xì)胞等幾個(gè)階段，并且認(rèn)為其優(yōu)先于成骨細(xì)胞生成[3]。骨髓脂肪細(xì)胞的發(fā)育始于骨的遠(yuǎn)端區(qū)域并隨著時(shí)間向近端移動(dòng)[4]。遠(yuǎn)端MAT由密集的脂肪細(xì)胞組成，主要含不飽和脂肪酸，稱為組成型MAT(cMAT)，而近端MAT，主要含有飽和脂肪酸，被稱為調(diào)節(jié)型MAT(rMAT)。cMAT和rMAT主要成分不同，表明其功能不同，例如在寒冷環(huán)境下，小鼠脛骨骨骺和脛骨近端rMAT減少56%～71%，而脛骨遠(yuǎn)端cMAT沒(méi)有減少，這表明rMAT可能對(duì)環(huán)境更敏感[5]。其功能差異仍有很多爭(zhēng)論，需要進(jìn)一步的探索。以往認(rèn)為MAT的功能主要在于填充骨髓腔起機(jī)械性支撐作用。但隨著近年來(lái)深入研究，發(fā)現(xiàn)MAT可能是一個(gè)新的內(nèi)分泌“器官”。骨髓脂肪細(xì)胞(BMA)通過(guò)自分泌和旁分泌的方式，分泌脂聯(lián)素、瘦素以及白細(xì)胞介素6等一系列細(xì)胞因子，在骨髓局部和全身整體代謝中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。MAT在低骨量狀態(tài)下增加，如骨質(zhì)疏松癥、神經(jīng)性厭食癥、抗糖尿病藥物治療等。目前有較多研究認(rèn)為MAT與骨量、成骨細(xì)胞分化、破骨細(xì)胞分化關(guān)系密切，在骨骼疾病中發(fā)揮重要的作用。

1 骨髓脂肪組織與成骨分化

1.1 MAT與BMSC分化

在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的分化命運(yùn)中，脂肪細(xì)胞形成和成骨細(xì)胞形成是最密切相關(guān)的，并且調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子(例如，PPARγ、脂聯(lián)素)和成骨細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子(例如，Runx2和Osterix)的表達(dá)在調(diào)節(jié)骨量穩(wěn)態(tài)中起著重要作用[6]。所以骨髓脂肪細(xì)胞與成骨細(xì)胞呈現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)性關(guān)系，在低骨量狀態(tài)下可以明顯觀察到骨髓脂肪組織的聚集，反之亦然。目前，有關(guān)研究致力于通過(guò)抑制骨髓脂肪組織生成，從而達(dá)到增加骨量的效果。

過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator-activated receptors，PPARs)是核激素受體家族中受配體激活的核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子[7]。PPARγ是PPARs家族中最具有脂肪專一性的一員，活化的PPARγ通過(guò)調(diào)控脂肪細(xì)胞相關(guān)基因的表達(dá)，促進(jìn)脂肪細(xì)胞分化、增加脂肪細(xì)胞的數(shù)量，對(duì)脂肪的生成、轉(zhuǎn)運(yùn)、脂肪的儲(chǔ)存和氧化等起著重要的作用[8]。目前有研究使用PPARγ拮抗劑來(lái)抑制脂肪生成，此類(lèi)藥物包括雙酚-A-二縮水甘油醚(BADGE)、SR10171和橄欖苦苷等[9]。用BADGE處理正常C57小鼠后可以減少M(fèi)AT體積，增加骨量，同時(shí)血清中骨生成標(biāo)志物OCN、骨橋蛋白(OPN)和RUNX2等的水平也有所提高[10]。SR10171和橄欖苦苷也具有相似的作用，能抑制人BMSCs中PPARγ的表達(dá)和脂肪細(xì)胞生成，并增強(qiáng)其向成骨細(xì)胞的分化[9]。類(lèi)似地，PPARγ的選擇性調(diào)節(jié)劑促進(jìn) Ser112去磷酸化后，對(duì)骨量有積極作用。然而，使Ser112磷酸化的噻唑烷二酮(TZD)等會(huì)使骨量降低[11]。實(shí)驗(yàn)證明，抗糖尿病藥物TZDs，羅格列酮或吡格列酮的使用會(huì)抑制成骨細(xì)胞分化，促進(jìn)脂肪細(xì)胞生成，導(dǎo)致骨質(zhì)流失[12-13]。以上研究表明，骨髓脂肪組織生成在骨量調(diào)節(jié)中起到了負(fù)調(diào)節(jié)作用，在骨質(zhì)疏松癥等骨代謝失衡疾病的治療過(guò)程中，也要注重抑制BMSC向脂肪分化，從而促進(jìn)其成骨分化，增加骨量。

1.2 MAT調(diào)控成骨活性

FoxC2屬于winged轉(zhuǎn)錄因子家族，通過(guò)增加脂肪細(xì)胞對(duì)β-腎上腺素能cAMP蛋白激酶A通路的敏感性和線粒體代謝促進(jìn)棕色脂肪和白色脂肪的生成[14]。通過(guò)脂肪細(xì)胞特異性增強(qiáng)子控制aP2/Fabp4基因，從而導(dǎo)致敲除FoxC2的小鼠MAT含量下降，骨量上升，并且對(duì)肥胖和葡萄糖耐受不良具有抗性。此外，前脂肪細(xì)胞分泌卷曲相關(guān)蛋白1(sFRP-1)，一種WNT抑制劑，指導(dǎo)BMSC向成脂分化，并抑制Wnt/β-catenin通路，從而抑制骨形成[15]。隨著MAT的形成，通過(guò)分泌一種半胱氨酸蛋白酶Legumain，抑制成骨細(xì)胞的定位和成熟。深入研究發(fā)現(xiàn)，Legumain能夠促進(jìn)纖連蛋白的降解，從而防止骨生成所必需的細(xì)胞外基質(zhì)的生成，并且提供更適合骨髓脂肪細(xì)胞產(chǎn)生的微環(huán)境[16]。這表明Legumain可以作為治療骨質(zhì)疏松癥等疾病的潛在靶點(diǎn)。但是，也有研究發(fā)現(xiàn)MAT分泌的WNT10b、IGF-1和IGFBP2等蛋白，在共培養(yǎng)條件下具有促進(jìn)成骨活性的作用[17]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)其Ucp1、Dio2和Prdm16等成骨相關(guān)基因的表達(dá)有所增加[18]。以上研究表明，MAT分泌的因子對(duì)成骨細(xì)胞有抑制作用，但是也不排除有積極影響，目前尚無(wú)定論，需進(jìn)一步研究。

2 骨髓脂肪組織與破骨分化

脂肪細(xì)胞分泌的因子在調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞生成及其功能方面也發(fā)揮著重要的作用。目前主要認(rèn)為MAT分泌的因子對(duì)破骨細(xì)胞的分化有促進(jìn)作用，例如PPARγ、RANKL等。

RANKL在骨骼穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮著重要的作用，可以促進(jìn)破骨細(xì)胞的生成，從而加速骨破壞和骨侵蝕，是骨穩(wěn)態(tài)中重要的一環(huán)。研究表明，衰老和絕經(jīng)過(guò)程中，骨髓MAT含量增加，在前脂肪細(xì)胞生成過(guò)程中，通過(guò)激活C/EBPβ和C/EBPδ，促進(jìn)RANKL的分泌[19]，增強(qiáng)破骨細(xì)胞的生成，促進(jìn)骨質(zhì)吸收，降低骨量[20]。在以往的研究中表明，促進(jìn)破骨細(xì)胞生成的RANKL主要來(lái)自骨基質(zhì)中的骨細(xì)胞[21]，但是深入骨內(nèi)的骨細(xì)胞如何與破骨前體細(xì)胞接觸仍然不明確。該研究證明了被骨髓包圍的脂肪細(xì)胞也能分泌RANKL，從而促進(jìn)破骨細(xì)胞的生成。目前對(duì)骨細(xì)胞和骨髓脂肪細(xì)胞分泌的RANKL哪個(gè)對(duì)破骨細(xì)胞的生成發(fā)揮主要作用沒(méi)有定論，需要進(jìn)一步研究。

此外，研究表明PPARγ活化后對(duì)破骨細(xì)胞具有調(diào)節(jié)作用。據(jù)報(bào)道PPARγ活化后激活造血干細(xì)胞(HSC)中c-fos啟動(dòng)子，從而通過(guò)誘導(dǎo)c-fos促進(jìn)破骨細(xì)胞生成。敲除PPARγ后能降低小鼠骨吸收水平，增加小鼠骨量[22]。通過(guò)這種非成骨細(xì)胞依賴性的方式誘導(dǎo)破骨細(xì)胞生成，導(dǎo)致了成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的解偶聯(lián)，破壞了正常的骨穩(wěn)態(tài)。

3 討論

除上述因子外，MAT也分泌其他因子，但這些因子對(duì)骨量的影響沒(méi)有明確的定論。脂肪細(xì)胞分泌的因子脂聯(lián)素對(duì)MSC向成骨細(xì)胞分化具有抑制作用[23]。據(jù)報(bào)道，成骨細(xì)胞與脂肪細(xì)胞共培養(yǎng)可降低成骨細(xì)胞生成轉(zhuǎn)錄因子runx2的表達(dá)，當(dāng)脂肪細(xì)胞的脂聯(lián)素受體被敲除時(shí)成骨細(xì)胞分化又會(huì)增加[23]。但是也有研究得到了相反的結(jié)果，表明脂聯(lián)素可以促進(jìn)成骨細(xì)胞的形成[24]。此外，脂聯(lián)素對(duì)于破骨細(xì)胞生成也有影響。有研究報(bào)道，脂聯(lián)素可以直接作用于HSC并抑制其分化為成熟的破骨細(xì)胞[25]，但也有研究稱脂聯(lián)素通過(guò)誘導(dǎo)RANKL表達(dá)和抑制成骨細(xì)胞中的OPG表達(dá)間接促進(jìn)破骨細(xì)胞生成[26]。此外，一些研究報(bào)道了老年和絕經(jīng)后婦女血清脂聯(lián)素水平與骨密度(BMD)呈負(fù)相關(guān)[27]。然而，2型糖尿病患者中血清脂聯(lián)素水平與的BMD呈正相關(guān)，提示脂聯(lián)素對(duì)這些患者的骨質(zhì)流失具有保護(hù)作用[28]。所以目前對(duì)脂聯(lián)素和骨量的關(guān)系并不明確。

其他脂肪因子包括Omentin-1，抵抗素和內(nèi)脂素也被證明可以調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞分化[29-31]。Omentin-1促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖[32]并誘導(dǎo)其產(chǎn)生OPG，同時(shí)通過(guò)抑制RANKL間接抑制破骨細(xì)胞分化[29]。卵巢切除小鼠體內(nèi)過(guò)表達(dá)Omentin-1后可以緩解由雌激素缺乏引起的骨質(zhì)流失[29]。據(jù)報(bào)道，抵抗素可促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖[31]。然而也有研究稱抵抗素通過(guò)激活NF-κB信號(hào)傳導(dǎo)促進(jìn)破骨細(xì)胞生成，所以抵抗素對(duì)骨重建的總體影響尚不清楚[31]。內(nèi)脂素以胰島素受體介導(dǎo)的通路促進(jìn)膠原分泌[33]，并通過(guò)抑制RANKL，NFATc1和組織蛋白酶K的表達(dá)來(lái)阻斷破骨細(xì)胞的分化[30]。然而，在患有炎癥性腸病的患者中，血清內(nèi)脂素水平與BMD呈負(fù)相關(guān)，這表明需要進(jìn)一步研究以了解內(nèi)脂素在骨代謝中的作用[30]。

雖然從一個(gè)多世紀(jì)以前就認(rèn)識(shí)到了骨髓脂肪組織的存在，但目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)MAT的研究卻不多。研究人員一直認(rèn)為MAT在骨髓腔中僅僅起到填充物的作用，然而隨著2014年MAT能表達(dá)RANKL的研究發(fā)表以來(lái)，越來(lái)越多的研究報(bào)道了MAT在調(diào)節(jié)骨代謝過(guò)程中的作用。在衰老過(guò)程中，MAT的含量越來(lái)越多。研究表明，這些變化與很多疾病的發(fā)生發(fā)展有密切聯(lián)系，例如骨質(zhì)疏松癥。然而真正有關(guān)于MAT的起源，其分化對(duì)成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞的影響以及其分泌的因子對(duì)其他細(xì)胞的影響知之甚少，包括脂聯(lián)素、內(nèi)脂素、抵抗素等對(duì)骨量的影響目前沒(méi)有統(tǒng)一的結(jié)論。未來(lái)在關(guān)于MAT與骨量調(diào)節(jié)研究方面，可以考慮兩種選擇。第一種方向遵循“脂肪減少導(dǎo)致骨骼增加”的觀點(diǎn)，降低骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成脂方向分化，誘導(dǎo)其向成骨方向分化，從而增加骨量。第二種方向?yàn)檫M(jìn)一步挖掘MAT分泌的因子，鑒定其對(duì)成骨細(xì)胞以及破骨細(xì)胞的影響。隨著近幾年來(lái)研究人員對(duì)骨髓脂肪組織的關(guān)注，有關(guān)MAT與成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞以及骨量的研究越來(lái)越多，但是還伴隨著諸多問(wèn)題，有待進(jìn)一步研究。