2,3,7,8-四氯二苯并對(duì)二噁英對(duì)骨代謝的影響及機(jī)制的研究進(jìn)展

彭詩(shī)意 郭曉英

1.中國(guó)醫(yī)科大學(xué)第一臨床學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110122 2.中國(guó)醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110122

骨組織由骨祖細(xì)胞、成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞和骨細(xì)胞及骨基質(zhì)構(gòu)成，成骨細(xì)胞可通過分泌堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)等調(diào)節(jié)骨組織的生成，而破骨細(xì)胞能釋放多種有機(jī)酸、水解酶溶解和吸收骨組織，骨重建依賴于這兩種細(xì)胞之間的動(dòng)態(tài)平衡，從而保持正常的骨強(qiáng)度[1]。作為骨代謝的重要特征之一，骨重建受多種因素的調(diào)節(jié)，如甲狀旁腺素、骨形成蛋白(bone morphogenetic protein，BMPs)、環(huán)境污染物[2]等，內(nèi)分泌因子的缺乏以及內(nèi)分泌干擾物的毒性作用可造成骨量丟失，引發(fā)如類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、骨質(zhì)疏松等骨疾病[3]。

二噁英是一類內(nèi)分泌干擾物，主要來源于各種燃燒過程，如吸煙、城市和工業(yè)垃圾的焚燒等，廣泛存在日常環(huán)境中。TCDD被認(rèn)為是毒性最強(qiáng)的二噁英類化合物，研究發(fā)現(xiàn)，TCDD有肝毒性、致癌性、發(fā)育毒性、致畸性等[4]，其生殖內(nèi)分泌干擾毒性對(duì)調(diào)節(jié)骨的發(fā)育、礦化和重建也有重要意義[1]。本文將對(duì)TCDD對(duì)骨發(fā)育與代謝的影響及相關(guān)機(jī)制的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 TCDD對(duì)骨物理性質(zhì)的影響

不同時(shí)期暴露于不同劑量的TCDD，可導(dǎo)致骨組織不同程度的病理改變，影響骨的物理特性。Herlin等[5]發(fā)現(xiàn)，成年小鼠暴露于200 μg/kg TCDD導(dǎo)致可AhR(+/+)小鼠骨基質(zhì)變硬、皮質(zhì)骨變薄、骨骼機(jī)械性變?nèi)?，并且最顯著的是骨小梁骨化率增加。Fader等[6]證實(shí)，將產(chǎn)后25 d的幼鼠暴露于30 μg/kg TCDD 28 d，其股骨骨小梁體積分?jǐn)?shù)(bone volume fraction，BVF)增加，這是TCDD損害骨吸收而成骨活動(dòng)增強(qiáng)的結(jié)果。而Dobrzynski 等[9]的實(shí)驗(yàn)表明，5 μg/kg TCDD能增加骨吸收，同時(shí)伴隨著成骨作用增強(qiáng)，但由于礦化不全，導(dǎo)致骨硬化，而礦化的不足也將使骨的機(jī)械結(jié)構(gòu)性質(zhì)發(fā)生改變。Yun等[7]通過體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)TCDD能抑制ALP的活性與遷移能力以及骨基質(zhì)細(xì)胞的趨化作用，減弱骨基質(zhì)的礦化。Watson等[8]用0.15 nmol/L和0.3 nmol/L的TCDD對(duì)胚胎期的脊椎動(dòng)物青鳉染毒，發(fā)現(xiàn)TCDD可減少其椎體的骨化。

上述研究結(jié)果均為TCDD導(dǎo)致骨形態(tài)畸形的佐證，但TCDD對(duì)骨吸收作用研究結(jié)果有差異，這可能是由于TCDD染毒劑量、實(shí)驗(yàn)對(duì)象和染毒時(shí)間不同造成的，具體原因還需研究證實(shí)。此外還有大量研究提供了TCDD影響骨物理性質(zhì)的依據(jù)，相關(guān)參數(shù)和結(jié)果見表1。學(xué)者們還指出，AhR拮抗劑如α-萘黃酮、白藜蘆醇、生育酚等能減輕TCDD對(duì)骨的毒害作用，這些結(jié)果提示，TCDD影響骨代謝的主要機(jī)制可能與AhR有關(guān)[7-8]。近年來，低濃度TCDD對(duì)生命早期骨骼系統(tǒng)的危害備受關(guān)注，研究表明，TCDD對(duì)成年骨的損害，在一定程度上是可逆的，但生命早期的致畸作用是否也能通過藥物干預(yù)得到有效的控制，未來仍需更多的研究作進(jìn)一步探討。

表1 TCDD對(duì)骨物理及生化特性的影響Table 1 The effects of TCDD on bone physical and biochemical properties

注：CYP1A1，細(xì)胞色素P450 1A1；Cox-2，環(huán)氧化酶-2；Runx2，RUNT相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2；ALP，堿性磷酸酶。

2 TCDD影響骨代謝的機(jī)制

2.1 TCDD與AhR

TCDD對(duì)骨細(xì)胞有高親和力，是AhR的強(qiáng)效激活劑[6]。AhR是一種環(huán)境污染物相關(guān)受體，是具有螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)的配體激活轉(zhuǎn)錄因子，廣泛存在于全身臟器中[15]。活化的AhR可引起各種生物學(xué)效應(yīng)，如致毒性、免疫應(yīng)答、骨重建等[1]。TCDD可激活與AhR有關(guān)的RANKL、MAPK和Wnt等不同信號(hào)通路干擾骨代謝。

2.1.1AhR與RANKL信號(hào)通路

核因子κB 受體活化因子配體(RANKL)是一種II型跨膜蛋白，主要來源于骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞等[16]。當(dāng)成骨細(xì)胞表達(dá)的RANKL與破骨前體細(xì)胞上的核因子κB 受體活化因子(RANK)結(jié)合時(shí)，與破骨細(xì)胞形成有關(guān)的腫瘤壞死因子受體6(TRAF6)也與RANK結(jié)合，使核因子κB(NF-κB)活化并轉(zhuǎn)運(yùn)入核，核內(nèi)活化的NF-κB與c-Fos和T細(xì)胞核因子(NFATc1)等發(fā)生一系列反應(yīng)后，破骨細(xì)胞相關(guān)基因開始表達(dá)。Izawa等[15]發(fā)現(xiàn)，RANKL/AhR/c-Fos信號(hào)軸對(duì)破骨細(xì)胞的發(fā)生起關(guān)鍵作用。在破骨細(xì)胞生成的早期階段，RANKL可上調(diào)AhR的表達(dá)，進(jìn)而激活c-Fos，誘導(dǎo)破骨細(xì)胞終末分化調(diào)節(jié)因子NFATc1的表達(dá)，且AhR配體激動(dòng)劑也可激活A(yù)hR/c-Fos通路，促進(jìn)破骨細(xì)胞生成。而Yang等[17]證實(shí)，TCDD能上調(diào)RANKL的表達(dá)，而AhR拮抗劑能抑制此作用，說明TCDD對(duì)RANKL的調(diào)控與AhR有關(guān)，但具體機(jī)制尚不十分清楚。

此外，TCDD可激活細(xì)胞色素P450家族(cytochrome P450，CYP450)中的CYP1a/1b，CYP1是AhR的靶基因，其與AhR相互作用可誘導(dǎo)破骨細(xì)胞增生[17-18]。Iqba等[18]在野生型破骨細(xì)胞中觀察到，RANKL可顯著上調(diào)CYP1A1/2表達(dá)，但在AhR-/-的破骨細(xì)胞中無此變化，且在缺乏CYP1的細(xì)胞中，RANKL和TCDD對(duì)破骨細(xì)胞的誘導(dǎo)受到抑制，由此得知，TCDD-AhR可通過激活CYP1介導(dǎo)促進(jìn)破骨細(xì)胞生成。

綜上，TCDD與RANKL/AhR信號(hào)通路對(duì)骨重建的影響主要是通過調(diào)控破骨細(xì)胞的活動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，該信號(hào)通路可能對(duì)靶向AhR治療骨代謝相關(guān)疾病有一定意義。

2.1.2AhR與MAPK信號(hào)通路

絲裂原活化蛋白激酶(MAPKs)是動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)廣泛存在的介導(dǎo)細(xì)胞反應(yīng)的重要信號(hào)通路，主要包括ERK、JNK和P38。研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)皮一氧化氮合酶(eNOS)分泌的NO可抑制骨吸收，而活化的ERK 1/2可上調(diào)eNOS的表達(dá)，下調(diào)RANKL的表達(dá)，從而促進(jìn)骨形成，減少骨量丟失[19]。Ge等[20]稱ERK1/2可誘導(dǎo)增強(qiáng)成骨細(xì)胞分化的主要轉(zhuǎn)錄因子Runx2的活化，促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖和分化，但Yu等[14]發(fā)現(xiàn)膠原誘導(dǎo)性關(guān)節(jié)炎(collagen-induced arthritis，CIA)小鼠的骨組織中AhR高表達(dá)，TCDD能通過激活A(yù)hR活化ERK通路，抑制成骨細(xì)胞增殖和分化，加速骨量丟失，而在加入ERK抑制劑后，TCDD對(duì)成骨細(xì)胞的抑制作用被逆轉(zhuǎn)。學(xué)者還發(fā)現(xiàn)，TCDD激活MAPKs是誘導(dǎo)AhR依賴基因轉(zhuǎn)錄和CYP1A1表達(dá)的關(guān)鍵[22]，活化的AhR可通過增強(qiáng)MAPK/ERK磷酸化顯著抑制成骨細(xì)胞的增殖和分化[14]，但機(jī)制尚未明確。

目前研究證實(shí)，TCDD對(duì)骨代謝的影響與MAPK信號(hào)通路密切相關(guān)，但TCDD-AhR介導(dǎo)的ERK信號(hào)通路在成骨細(xì)胞作用存在一定的爭(zhēng)議，且具體的級(jí)聯(lián)信號(hào)及其生物意義還待進(jìn)一步探究。

2.1.3AhR與Wnt信號(hào)通路

Wnt信號(hào)通路可通過經(jīng)典和非經(jīng)典Wnt信號(hào)通路調(diào)控成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞分化[23]。Wnt3a是經(jīng)典Wnt信號(hào)通路的重要組成部分，能誘導(dǎo)ALP表達(dá)，還可間接激活能誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化的BMPs[24]。R-spondin家族是Wnt信號(hào)通路的激活蛋白，Rspo1可與Wnt3a協(xié)同激活經(jīng)典Wnt/β-catenin信號(hào)通路，誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化和骨保護(hù)素(osteoprotegerin，OPG)的表達(dá)，而后者可抑制破骨細(xì)胞的生成，但Rspo1單獨(dú)對(duì)Wnt信號(hào)通路激活作用不明顯[25]。早期研究稱過度表達(dá)的Rspo2可促進(jìn)成骨細(xì)胞生成[26]，但在近期研究中，學(xué)者發(fā)現(xiàn)Rsop2可抑制成骨細(xì)胞生成和骨礦化，導(dǎo)致骨量丟失[27]。Wnt5a作為非經(jīng)典Wnt通路的重要組成部分，可激活此通路，誘導(dǎo)RANK的表達(dá)，提高破骨細(xì)胞的活性[28]。Tong等[29]發(fā)現(xiàn)TCDD可通過激活A(yù)hR，下調(diào)CIA小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中的β-catenin表達(dá)，抑制成骨細(xì)胞生成，而Wnt3a激活Wnt/β-catenin通路可在部分減輕TCDD對(duì)成骨細(xì)胞的抑制作用。但也有研究稱，TCDD能增強(qiáng)β-catenin的表達(dá)[30]。此外，學(xué)者還證實(shí)，在小鼠腭發(fā)育過程中給予AhR激動(dòng)劑TCDD，能抑制Wnt5a的活性，干擾腭骨發(fā)育，但是Wnt5a是否由TCDD-AhR途徑發(fā)揮作用還有待研究[31]。

上述結(jié)果在一定程度上反映了TCDD激活A(yù)hR后可介導(dǎo)Wnts信號(hào)通路，調(diào)控成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞生成，但具體效應(yīng)和作用機(jī)制還未明確。近年有報(bào)道稱c-Myc可作為β-catenin靶點(diǎn)，以NFATc1依賴或非依賴方式參與RANKL/RANK信號(hào)通路對(duì)破骨細(xì)胞的調(diào)控[32]，但是否與TCDD-AhR有關(guān)還有待探究。

2.2 TCDD的抗雌激素作用

雌激素可通過雌激素受體(estrogen receptor，ER)介導(dǎo)破骨細(xì)胞凋亡和成骨細(xì)胞增殖分化，從而調(diào)控骨代謝，其水平的下降是導(dǎo)致絕經(jīng)婦女骨質(zhì)疏松癥的主要原因[33]。有研究指出，TCDD能介導(dǎo)CuL4BAhR復(fù)合物的形成，泛素化修飾ER，促進(jìn)其降解[34]。另外，胰島素樣生長(zhǎng)因子(IGFs)也受到雌激素調(diào)控。IGF-II在骨中含量豐富，能促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，而胰島素樣生長(zhǎng)因子結(jié)合蛋白6(IGFBP6)能抑制IGF-II表達(dá)。郭磊等[35]發(fā)現(xiàn)雌激素可抑制MC-3T3-E1細(xì)胞中IGFBP-6的表達(dá)，上調(diào)IGF-II的表達(dá)，而TCDD可激活A(yù)hR干擾ER與IGFBP-6啟動(dòng)子區(qū)中雌激素受體作用元件ERE的結(jié)合，產(chǎn)生抗雌激素效應(yīng)，抑制成骨細(xì)胞的增殖和分化。目前，有關(guān)TCDD對(duì)骨的抗雌激素作用報(bào)道尚少，且也有研究證實(shí)TCDD有類雌激素效應(yīng)[36]，但兩者對(duì)骨代謝的影響和機(jī)制，以及其相互交叉作用還未十分清楚，希望今后的研究能進(jìn)一步闡明。

3 結(jié)語(yǔ)

流行病學(xué)研究表明，TCDD有嚴(yán)重的致畸作用，長(zhǎng)期暴露于TCDD的人群，其后代脊柱裂、腭裂等先天性缺陷病發(fā)病率增高[4]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及體外試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，TCDD可通過激活A(yù)hR介導(dǎo)不同的信號(hào)通路，對(duì)骨形態(tài)和代謝產(chǎn)生干擾作用，且MAPK、WnT與RANKL/RANK通路之間也有相互作用，具體機(jī)制見圖1，但其中涉及到的信號(hào)級(jí)聯(lián)及分子機(jī)制未來還需大量研究闡明。

圖1 TCDD介導(dǎo)骨代謝的機(jī)制Fig.1 Proposed mechanisms of TCDD-mediated bone metabolism

相關(guān)臨床研究還發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期吸煙者骨折和患骨質(zhì)疏松的概率大大增加[18]，即使是暴露于低濃度TCDD，也可能增加罹患骨腫瘤的風(fēng)險(xiǎn)[17]。由于TCDD可呈劑量依賴性地干擾骨代謝，因此，不同性別的個(gè)體在不同生命階段暴露于不同劑量的TCDD對(duì)骨產(chǎn)生的影響仍待研究。明確相關(guān)疾病發(fā)生的機(jī)制，可為未來靶向AhR療法和利用AhR拮抗劑治療骨代謝相關(guān)疾病提供正確且有效的理論依據(jù)。