從OPG/RANK/RANKL信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)探討老年性骨質(zhì)疏松的發(fā)病機制

王凱 宋敏,2* 文皓楠 海云翔 鞏彥龍

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，甘肅 蘭州 730000 2.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院，甘肅 蘭州 730020

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)是骨吸收與骨形成失衡造成骨量流失、內(nèi)部骨微結(jié)構(gòu)紊亂易并發(fā)疏松性骨折的全身代謝性骨病[1]，具有強烈遺傳影響性。OP屬于慢性、增齡性疾患，發(fā)病率與年齡增長呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)，隨著全球人口老齡化的日益嚴(yán)重，OP的發(fā)病率逐年上升。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計截至2016年，60歲以上人口在我國已超過2.1億，老年性骨質(zhì)疏松癥的患病率達36%，女性明顯高于男性[2]，嚴(yán)重影響老年群體身心健康和生活質(zhì)量，巨大的經(jīng)濟投入和沉重的家庭負擔(dān)，使老年性骨質(zhì)疏松成為我國目前面臨的重要公共衛(wèi)生問題。骨骼的健康依賴完整的結(jié)構(gòu)和充足的骨量，骨吸收與骨形成之間嚴(yán)格的調(diào)節(jié)機制是維持骨組織微環(huán)境穩(wěn)定的重要保證。老年人機體各器官功能發(fā)生老化、退變，內(nèi)環(huán)境也相應(yīng)地發(fā)生改變，各種不良因素作用疊加致使骨代謝紊亂、骨量流失加劇[3]，最終造成OP的發(fā)生。OPG/RANK/RANKL信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)在骨吸收與骨形成平衡狀態(tài)的維持中可通過多種方式發(fā)揮調(diào)控作用，本文根據(jù)近年來在OPG/RANK/RANKL信號通路與老年性骨質(zhì)疏松的關(guān)系及作用機制研究方面取得的進展作一綜述，探討OPG/RANK/RANKL信號通路與老年性骨質(zhì)疏松發(fā)生的分子學(xué)機制，以期為臨床防治該疾病提供新的思路。

1 老年性骨質(zhì)疏松癥

老年性骨質(zhì)疏松癥屬于原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥的Ⅱ型，與年齡密切相關(guān)，發(fā)病主要集中在65歲以上的人群，進入老年階段后，破骨細胞與成骨細胞脫偶聯(lián)且活性下降，骨代謝屬于低轉(zhuǎn)化型[4]。老年患者整體機能退化，身體協(xié)調(diào)性下降，更容易并發(fā)重要部位的骨折，隨著老齡化的加劇，預(yù)計到2050年我國可發(fā)生599萬次疏松性骨折，相應(yīng)的醫(yī)療投入高達1 745億元[5]，其高居不下的致殘、致死率，是我國當(dāng)下急需解決的公共性健康難題。近年來國內(nèi)外在分子生物學(xué)水平對其進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)除了BMP/Smads、Wnt/β-catenin等信號通路在骨代謝中具有重要的調(diào)控作用外，OPG/RANK/RANKL信號通路與老年性骨質(zhì)疏松的發(fā)生更是密切相關(guān)。

2 OPG/RANK/RANKL信號通路

核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of NF-кB ligand，RANKL)與破骨細胞或破骨細胞前體細胞表面的核因子-κB受體活化因子(receptor activator of nuclear factor Kappa B，RANK)相結(jié)合，RANK被激活后，刺激信號通過核轉(zhuǎn)錄因子NF-Kb呈遞轉(zhuǎn)運至細胞核內(nèi)[6]，使c-Fos的表達增強，活化的T細胞核因子和c-Fos結(jié)合后信號進一步傳導(dǎo)，使與破骨細胞生成相關(guān)的特異性基因開始發(fā)生轉(zhuǎn)錄，促進破骨細胞的分化、增殖并抑制其凋亡，最終增強骨吸收活性。骨保護素(osteoprotegerin，OPG)屬于腫瘤壞死因子受體超家族的成員蛋白，能夠競爭性地與破骨細胞膜表面的RANK相結(jié)合，且結(jié)合能力強于RANKL[7]，從而有效地阻止RANKL與RANK結(jié)合，明顯阻斷能夠引起破骨細胞鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的信號傳遞，抑制破骨細胞的形成，在破骨細胞的增殖分化、成熟過程中起著負性調(diào)節(jié)作用。OPG、RANK和RANKL三者共同組成了OPG/RANKL/RANK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，在破骨細胞的分化成熟中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。OPG/RANKL/RANK信號通路在誘導(dǎo)破骨細胞分化成熟、促進骨吸收的同時，骨髓基質(zhì)及成骨細胞分泌的OPG使OPG/RANK比例保持在適當(dāng)水平[8]，以防止骨吸收過度，從而維持骨代謝的平衡。

3 OPG/RANK/RANKL信號通路與老年性骨質(zhì)疏松發(fā)生的相關(guān)性

老年性骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病機制復(fù)雜，增齡造成的機體多臟器功能減退，免疫功能下降，內(nèi)分泌系統(tǒng)紊亂是其主要的發(fā)病因素；同時老年患者肌肉衰退，運動遲緩對骨骼的應(yīng)力刺激作用減低也是造成骨量丟失、骨微結(jié)構(gòu)破壞的重要方面。上述各種不良因素都可作用于OPG/RANK/RANKL信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，導(dǎo)致其調(diào)節(jié)功能異常，與OP的發(fā)生密切相關(guān)。

3.1 增齡性氧化應(yīng)激

年齡增長導(dǎo)致骨量減少和骨微結(jié)構(gòu)破壞是老年性骨質(zhì)疏松發(fā)生的本質(zhì)，越來越多的證據(jù)[9]表明氧化應(yīng)激是老年性疾病發(fā)生的危險因素。生理狀態(tài)下，人體骨量維持在穩(wěn)定水平，隨著年齡的增長，體內(nèi)干細胞的分化狀態(tài)不斷發(fā)生改變，大部分干細胞轉(zhuǎn)化為脂肪細胞，起初趨于向成骨細胞分化的部分也相應(yīng)減少。成骨細胞的成骨作用逐漸下降，破骨細胞在一些細胞因子的影響下溶骨作用異?；钴S，使骨吸收增加，骨代謝長期處于負平衡、低轉(zhuǎn)換狀態(tài)。正常條件下，人體中的氧化與抗氧化調(diào)節(jié)機制之間處于一種動態(tài)的平衡，各種不良因素作用后，這種平衡機制被打破，氧簇濃度反應(yīng)性地增高，組織細胞在氧化應(yīng)激狀態(tài)下容易發(fā)生損傷、變性[10]。在骨代謝過程中，腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)是氧化應(yīng)激中重要的炎性因子，能誘導(dǎo)巨噬細胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor，M-CSF) 和RANK的表達[11]，在骨吸收和骨基質(zhì)膠原的合成中有直接的促進作用；還能抑制細胞外基質(zhì)的沉積，使成骨細胞在維生素D轉(zhuǎn)錄反應(yīng)中的敏感性降低；還可以降解有機骨質(zhì)，這與細胞外基質(zhì)金屬蛋白酶的合成有關(guān)。在破骨細胞前體細胞中，TNF-α可以增加c-fms的表達，而c-fms又能在脊髓前體細胞表面表達生成M-CSF的受體，進一步調(diào)節(jié)破骨細胞前體細胞在骨髓中的充裕量[12]。另外，IFN-γ可以上調(diào)組織相容性復(fù)合物II類抗原(MHC-II)的表達水平，誘導(dǎo)T細胞的活化、增殖從而使RANKL和TNF-α大量表達[13]，促進破骨細胞在骨組織內(nèi)的分化?？傊?，氧化應(yīng)激與年齡密切相關(guān)，進入老齡化階段后人體處于氧化應(yīng)激狀態(tài)容易產(chǎn)生TNF-α、白介素(interleukin，IL)-1、IL-6、IL-7及前列腺素E2 (prostaglandin E2，PGE2) 等炎性物質(zhì)，作用于OPG/RANK/RANKL信號通路能夠刺激破骨細胞的分化，抑制成骨細胞的生成，最終誘發(fā)OP。

3.2 運動機能減退

運動在骨組織的發(fā)育與骨重建中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，運動過程中產(chǎn)生的機械應(yīng)力會直接影響OPG/RANK/RANKL信號通路信息的傳遞[14]，進一歩調(diào)節(jié)骨代謝。適度、適量的運動不僅可以提高成骨細胞表達OPG基因的水平，還能抑制RANKL的分泌及基因的表達，OPG/RANK比例升高[15]，從而使骨代謝處于一種正向平衡狀態(tài)，促進骨骼的生長。相反，高強度、長時間的運動能夠上調(diào)RANL基因表達，抑制OPG基因的表達水平，OPG/RANK比例降低，破骨細胞活性增強，相應(yīng)地促進骨吸收作用，使骨代謝呈負平衡狀態(tài)。在機體可以耐受的范圍內(nèi)，適宜的運動作用于骨骼屬于良性應(yīng)力刺激，對骨形成具有促進作用；還可以提高IL-2、IFN、IL-4等保護性因子的表達水平，在細胞因子的層面對機體進行調(diào)節(jié)，抑制骨吸收[16]，維持骨代謝的正向平衡。老年人運動系統(tǒng)發(fā)生退行性改變，運動遲緩，長時間處于靜息狀態(tài)，活動量減少造成骨骼負荷降低，OPG/RANK/RANKL信號通路受到的有效機械刺激也相應(yīng)地減少，使OPG/RANK比例降低，骨量進一步丟失。另一方面，肌肉和骨骼是運動系統(tǒng)的主要組成部分，相互協(xié)調(diào)，共同維持骨骼形態(tài)的健康與微環(huán)境的穩(wěn)定。在骨重塑過程中，附著于骨骼表面的肌肉收縮后產(chǎn)生機械應(yīng)力作用于骨骼，這種機械應(yīng)力刺激應(yīng)遵循Wolff定律，是作用于骨骼的最大生物應(yīng)力[17]，能通過OPG/RANK/RANKL信號通路的傳導(dǎo)作用使骨組織內(nèi)的力學(xué)敏感細胞受到刺激，進而直接或間接影響骨代謝，促進骨形成，抑制骨吸收。這一維持骨平衡的正向調(diào)節(jié)過程受到嚴(yán)格的力學(xué)系統(tǒng)控制，機體肌肉萎縮、收縮功能減退，肌肉收縮產(chǎn)生的機械應(yīng)力相應(yīng)地減弱[18]，導(dǎo)致骨微結(jié)構(gòu)破壞，骨量丟失加劇，骨代謝失衡。人體35歲以后開始發(fā)生肌肉的衰減，隨著年齡的不斷增長，全身骨骼肌萎縮、肌力下降、肌肉功能生理性減退，在老年階段尤甚，直接導(dǎo)致機械負荷降低[19]及OP的發(fā)生。

3.3 免疫系統(tǒng)低度活化

免疫系統(tǒng)也是維持骨微環(huán)境穩(wěn)定的重要因素，OP的發(fā)生與免疫功能異常密切相關(guān)[20]。一方面，腫瘤壞死因子TNF、IL-1、IL-6、IL-7及IL-17等免疫因子[21]可以上調(diào)RANKL的表達水平；另一方面，由Th1細胞和Th2細胞分泌的IL-12、IFN-γ以及IL-4、IL-13等保護性免疫細胞因子可以上調(diào)OPG的表達水平，OPG競爭性地阻滯RANKL信號的傳遞，進一步抑制破骨細胞的生成和活化，促進骨形成。免疫系統(tǒng)在骨代謝的調(diào)控中，無論是炎癥因子還是保護性免疫因子，都是通過OPG/ RANKL/RANK信號通路調(diào)節(jié)成骨細胞與破骨細胞的分化、增殖，使骨代謝維持在相對平衡[22]的狀態(tài)。增齡性老化使免疫系統(tǒng)功能持續(xù)低度活化，免疫機能失調(diào)會不同程度地影響T和B淋巴細胞系統(tǒng)，使這種平衡機制被打破。免疫系統(tǒng)在骨代謝中的調(diào)節(jié)機制可表現(xiàn)在活化T細胞與破骨細胞的相互作用協(xié)調(diào)之中[23]，正常免疫狀態(tài)下，成骨細胞表達的RANKL與破骨細胞前體細胞表面受體RANK結(jié)合后，促進破骨細胞的增殖、活化；一般炎癥刺激下免疫系統(tǒng)激活后，活化的T細胞也可以分泌RANKL蛋白，以同樣的方式作用于破骨細胞，但T細胞同時可表達INF-γ蛋白形成負反饋調(diào)節(jié)機制[24]抑制破骨細胞的分化和成熟，避免造成骨量的丟失。隨著年齡的增長，T細胞亞群及活化途徑發(fā)生了顯著改變，TH細胞與TS細胞增多，使得免疫因子調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)也發(fā)生了相應(yīng)的改變[25]。這一系列的變化使Th1型細胞因子大量轉(zhuǎn)換為Th2型細胞因子，炎性細胞因子的生成增多使機體長時間處于促炎性反應(yīng)狀態(tài)，老年人體內(nèi)大量表達的IL-1、IL-6和TNFα等細胞因子可誘導(dǎo)RANKL的表達[26]，RANKL濃度顯著升高后，OPG/RANKL/RANK信號通路被激活，作用于破骨細胞，成骨細胞活性也受到一定程度的抑制，骨吸收作用增強，骨形成相應(yīng)地減少。

3.4 激素水平降低

性激素在人體骨骼的生長發(fā)育中起著尤為關(guān)鍵的作用[27]，雌激素與雄激素作為人體最主要的內(nèi)源性類固醇激素，可通過各種調(diào)節(jié)機制來維持骨代謝中骨轉(zhuǎn)換的平衡以及骨微環(huán)境的穩(wěn)定。雌激素與雌激素受體(estrogen receptor，ER)特異性結(jié)合后產(chǎn)生一系列的生物效應(yīng)[28]，通過OPG/RANKL/RANK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路影響骨代謝。雌激素與破骨細胞及其前體細胞膜上的ERα結(jié)合后抑制RANKL的表達并降低前體細胞對其的反應(yīng)性[29]，抑制破骨細胞的分化成熟；在成骨細胞表面，雌激素與ERα結(jié)合后上調(diào)OPG的表達水平，增高OPG/RANKL比例[30]，加速破骨細胞的凋亡，進而保護組織。雄激素在骨代謝中也是影響OPG/RANKL/RANK信號通路的重要因素，雄激素與成骨細胞表面的雄激素受體(androgen receptor，AR)結(jié)合后可以上調(diào)OPG的基因表達水平，還可以影響甲狀旁腺激素的敏感性而直接促進成骨細胞的增殖分化；雄激素與破骨細胞表面的AR結(jié)合后，IL-1、IL-3和TNF等細胞因子的分泌減少，通過抑制RANKL的表達間接作用于破骨細胞[31]。另外，在成骨細胞局部芳香化酶的作用下雄激素可轉(zhuǎn)換為雌激素，與ER特異性結(jié)合后使破骨細胞的活性受到抑制[32]，從而抗骨吸收、阻止骨量的減少。老年人的性腺功能隨著年齡的增長逐漸減退，性激素的分泌水平和生物利用度也逐漸下降，尤其雄激素和雌激素生成的減少[33]，可通過上述途徑造成OPG/RANKL/RANK信號系統(tǒng)調(diào)控機制的紊亂，使機體骨代謝處于負平衡狀態(tài)，骨強度降低。此外，雌激素在骨代謝免疫系統(tǒng)中的作用不可忽視，老年人體內(nèi)雌激素水平下降后誘導(dǎo)Th17分泌大量的IL-17，IL-17通過誘導(dǎo)成骨細胞生成TNF-α、IL-6和RANKL[34]增加破骨細胞的活性。

4 結(jié)語

隨著年齡的增長，老年人的各器官功能發(fā)生生理性老化退變，長時間處于促炎性反應(yīng)狀態(tài)，主要表現(xiàn)為免疫功能低下、運動機能減退、激素水平降低等方面。凡此種種，各不良因素可通過刺激OPG/RANK/RANKL信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)進行信息的傳遞，使OPG/RANKL比值降低，破骨細胞活性增強，成骨細胞功能受到抑制，骨代謝失衡造成進行性骨量丟失、骨強度降低，最終導(dǎo)致OP的發(fā)生。針對老年性骨質(zhì)疏松癥特殊的發(fā)病機制，立足于OPG/RANK/RANKL信號通路進行積極干預(yù)在該疾的防治中具有重要意義。