探討PM2.5暴露的肺外毒理效應(yīng)對絕經(jīng)后骨代謝的影響機制

劉宗玉 黃惠娟 楊帆 曾小娟

廈門大學(xué)附屬東方醫(yī)院婦產(chǎn)科，福建 福州 350025

絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥(postmenopausal osteoporosis, PMOP)是衰老相關(guān)性低雌激素效應(yīng)，導(dǎo)致高效骨重塑向骨吸收方向進行致骨脆性增加、易于骨折的全身性骨病，是骨質(zhì)丟失中最常見的一種類型[1]。我國人口基數(shù)大，人口老齡化嚴峻，上海部分地區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，骨質(zhì)疏松造成髖部骨折中，中老年女性是男性3倍多，人均住院費用高達3萬余元，平均住院天數(shù)近18 d[2]。骨質(zhì)疏松的高發(fā)病率及其并發(fā)癥的高致殘率、高致死率及高消耗醫(yī)療、經(jīng)濟資源問題，使得PMOP成為我國醫(yī)療衛(wèi)生面臨的重大挑戰(zhàn)。PM2.5易吸附大量氧化還原特性的過渡金屬、持久的自由基、多環(huán)芳烴(PAHs)等有害物質(zhì)，并具有極強的穿透力，極易破壞肺泡毛細血管屏障隨血液作用于全身臟器，改變機體多種生物活性，包括炎癥細胞的招募，釋放大量炎性因子和活性氧(ROS)等，對人體毒害最強[3-5]。我國京津冀、長三角，珠三角年平均PM2.5分別為70、72、53μg/m3[6]均高于我國規(guī)定的二級年均水平限值35μg/m3，提示我國環(huán)境污染嚴峻。環(huán)境污染對破骨/成骨細胞的殺傷作用與氧化應(yīng)激及活性氧等相關(guān)，其可使RANK/RANKL/OPG比值失衡和下調(diào)抗氧化酶, 引起骨質(zhì)丟失[7]?，F(xiàn)就氧化應(yīng)激、炎癥因子、雌激素及相關(guān)受體(如AhR)等對骨質(zhì)疏松的影響進行綜述。

1 PM2.5暴露的毒性效應(yīng)與絕經(jīng)后骨代謝密切相關(guān)

1.1氧化應(yīng)激及活性氧

PM2.5參與機體生物活性轉(zhuǎn)化過程，可誘導(dǎo)炎癥和氧化損傷產(chǎn)生具有協(xié)同效應(yīng)的活性氧或氮(如ROS、RNS)和炎癥介質(zhì)[8]。氧化應(yīng)激及活性氧被廣泛認為是許多病理條件下的致病因素，包括骨質(zhì)疏松。缺氧可使骨髓基質(zhì)細胞中的線粒體產(chǎn)生大量活性氧，其在低雌激素水平能強有力促進骨吸收[9-11]。此外，雌激素缺乏可致相關(guān)組織主要抗氧化劑、抗氧化酶水平顯著下降，活性氧(如H2O2)水平升高，降低骨的抗氧化防御能力，運用抗氧化劑可阻止卵巢切除后引起的骨質(zhì)疏松[11-14]。Altindag等[15]通過測定血漿TAS、TOS水平獲得OSI時，發(fā)現(xiàn)血漿中TOS和OSI值在絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥患者中明顯升高，血漿TAS水平明顯降低，而腰椎和股骨頸部位骨密度與OSI呈顯著負相關(guān)。Baek等[16]通過測定血清DNA氧化損傷的標志物8-羥基-2O-脫氧鳥苷(8-OH-DG)水平，同樣發(fā)現(xiàn)8-OH-DG水平與腰椎、全髖關(guān)節(jié)、股骨頸和粗隆部的骨密度水平呈負相關(guān)。

另外，職業(yè)性暴露于低水平PM2.5(12.4±6.9 μg/m3)和BaP(1.0±0.6 ng/m3)的出租車司機血清炎癥生物標志物水平明顯升高，活性氧和相關(guān)氧化損傷標志物增加，抗氧化酶和抗炎介質(zhì)(IL-10)下降[17]。反過來，升高的活性氧又可增加吸收性炎癥因子的表達間接刺激破骨細胞[18-19]。雌激素缺乏致骨髓微環(huán)境中負調(diào)控炎癥因子、氧化物等系統(tǒng)地和局部地增加，并通過TGF-β的表達延緩破骨細胞的凋亡，誘導(dǎo)破骨細胞分化，引發(fā)骨質(zhì)疏松[20]。促炎細胞因子被證明能提高不同類型細胞內(nèi)的ROS水平[21]。而外源性ROS或內(nèi)源性ROS均可刺激破骨細胞的形成和吸收活動，但其細節(jié)尚不清楚。PM2.5可促進細胞內(nèi)活性氧生成和NF-κB磷酸化，ROS(主要H2O2)可刺激M-CSF和RANKL的表達，提高RANKL/OPG的比值，使低雌激素水平婦女骨吸收增加和骨量降低[15-16,22]。最新研究指出，RANKL能參與Bach 1的核易位，抑制Nrf 2依賴的抗氧化酶的表達，并通過與Bach 1核蓄積競爭，從而增強破骨細胞內(nèi)的ROS信號[23]。應(yīng)用抗氧化劑能減少RANKL誘導(dǎo)的Akt、NF-kB和ERK活化，顯著降低RANKL誘導(dǎo)的骨吸收活性和破骨細胞存活率，促進破骨發(fā)生[22]。此外，ROS還可通過MAPK和Ca2+介導(dǎo)的信號通路參與骨代謝[21]。

1.2炎癥細胞因子

目前國內(nèi)關(guān)于PM2.5誘發(fā)促炎因子直接或間接引發(fā)絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松的相關(guān)研究并不多見。Zheng等[24]發(fā)現(xiàn)絕經(jīng)后婦女腰椎骨密度與血清炎癥細胞因子IL-1、IL-6和TNF-α呈負相關(guān)性，提示雌激素可調(diào)節(jié)各種細胞因子的分泌或釋放阻止骨質(zhì)丟失。Terauchi等[25]指出骨髓中Th細胞分泌的IL-1、IL-6和TNF-α等均可促進骨髓破骨細胞的發(fā)生、增殖，引發(fā)骨質(zhì)疏松。PM2.5在肺中的沉積可引起全身炎癥反應(yīng)，并能刺激骨髓產(chǎn)生廣譜的促炎細胞因子，且顆粒直徑越小，血清中產(chǎn)生的炎癥細胞因子越多，引發(fā)相應(yīng)臟器病理損害越嚴重[26]。研究發(fā)現(xiàn)慢性暴露于PM2.5可使血清中的TNF-α、IL-1、IL-6、IFN-γ等炎癥生物標記物水平明顯升高，導(dǎo)致血清RANKL值增加41%，OPG下降22%，引起該群體骨量減少[17,27-28]。

炎癥細胞因子在缺氧、感染和炎癥期間對骨破壞發(fā)揮著關(guān)鍵作用。雌激素缺乏可通過抗原提呈細胞和細胞因子IFN-γ、IL-7和TGF-β介導(dǎo)的復(fù)雜細胞機制誘導(dǎo)系統(tǒng)地和局部地增加炎癥細胞因子分泌或釋放[25]。強效骨吸收因子(TNF-α、IL-1、IL-6)能通過分布在破骨細胞前體上相應(yīng)的受體(如TNFR、IL-1 R和IL-6R)發(fā)揮其生物學(xué)效應(yīng)，在對其相應(yīng)受體缺陷小鼠的分析表明，TNFR 1、IL-1 RI、sIL-6R促進破骨細胞分化，而TNFR 2、IL-1 RII抑制破骨細胞分化，TNF-α、IL-1、IL-6能增強TNFR 1、IL-1 RI、sIL-6R破骨發(fā)生，降低TNFR 2、IL-1 RII功能，促進破骨發(fā)生[29-31]。研究發(fā)現(xiàn)敲除TNF-α、IL-1 R、IL-6基因的動物可抑制卵巢切除后骨質(zhì)丟失，證實細胞因子對絕經(jīng)后骨代謝的影響是必不可少的、多途徑的[32-34]。

最后，炎癥介質(zhì)直接或間接通過激活共同信號通路OPG/RANKL/RANK調(diào)節(jié)骨代謝。這些細胞因子可提高RANKL mRNA的表達和RANKL/OPG的比值，激活下游信號磷酸化(如JNK、p38、MAPK、JAK2、ERK和Akt)促進成骨細胞介導(dǎo)的破骨細胞分化、成熟；還可直接強烈激活NF-κB、p38、ERK和應(yīng)激激活蛋白激酶/c-Jun NH2-末端激酶活性，并顯著降低ALP活性及成骨細胞基因(RunX 2、Osterix和骨鈣素)的表達，且呈劑量依賴性抑制骨礦化和成骨細胞分化，從而導(dǎo)致女性骨質(zhì)丟失加重[34-38]。炎癥因子還能強烈抑制成骨細胞的生成，這種抑制成骨細胞活性的途徑是通過影響細胞因子下游信號通路，諸如MAPK、Stats、SMURF 1/2、PGE2等[36,38-43]，使新骨形成無法代償骨吸收。

圖1 PM2.5在低雌激素水平中對骨代謝影響的機制(具體機制詳見文中參考文獻)。Fig.1 The mechanism of PM2.5 affecting bone metabolism at low estrogen levels

1.3芳香烴受體(AhR)

芳香烴受體(AhR)廣泛分布于人體組織器官中(如骨)，與ER以復(fù)雜的方式相互起干擾作用，且具有類雌激素或抗雌激素樣作用。TCDD、PAHs、BaP等是典型芳基烴受體(AhR)激動劑和CYP1A1誘導(dǎo)劑，并通過AHR與ERα之間相互干擾來共同競爭激活A(yù)rnt核蛋白，干擾雌激素信號傳導(dǎo)，促進破骨細胞基因表達[44]。多環(huán)芳烴(PAHs)介導(dǎo) NF-kB誘導(dǎo)巨噬細胞和破骨細胞表達CYP1B1(一種雌激素代謝酶)增加，使骨中雌激素水平降低，導(dǎo)致骨成積率降低，影響骨重塑[45]。Iqbal等[46]指出，破骨細胞作用在Cyp1a1/1a2/1b1-/-三重KO小鼠骨吸收減少，并且在AhR-/-的小鼠，骨量顯著增加。H?d′alová等[47]利用雌激素敏感的人乳腺癌MCF-7細胞的AhR基因敲除變異體，觀察到芳香烴化合物及代謝物在MCF-7 AhRKO細胞中的雌激素樣作用減弱，而CYP1A1和CYP1B1酶的異位表達部分恢復(fù)了BAP代謝及其對細胞增殖的影響。另外，在對敲除AhR(RANKΔOc/ΔOc)的骨髓巨噬細胞培養(yǎng)中，也發(fā)現(xiàn)B淋巴細胞誘導(dǎo)CYP1B1、CYP1A2表達下調(diào)，呈現(xiàn)破骨功能受損和分化抑制[48]。

此外，芳香烴化合物通過激活A(yù)hR來抑制SMAD依賴的信號通路TGF-β1/Smad4和SMAD非依賴的TGF-β1/ERK/AKT信號通路，使其下游相應(yīng)蛋白磷酸化降低，成骨細胞基因Runx2和OPN明顯降低，導(dǎo)致成骨分化和成熟均受抑制，骨生成減少[49]。同時，激活A(yù)hR還能通過RANK/c-Fos信號軸調(diào)控髓系前體向破骨細胞的分化，在AhR過表達的BMMS中，骨吸收面積和CTX-1的釋放均明顯升高，促進破骨作用[50]。激活A(yù)hR還可介導(dǎo)影響NF-κB、Wnt、MAPK等信號通路蛋白的轉(zhuǎn)錄促進破骨作用[51]。

2 其他介導(dǎo)途徑

垂體-骨軸具有內(nèi)分泌骨重塑調(diào)節(jié)的功能。垂體激素(FSH)能通過破骨細胞及其前體物上的Gi 2α偶聯(lián)FSH受體(FSHR)來增強ERK、Akt、 IκBα(核因子κB-輕鏈增強子)的磷酸化，從而增強ERK/c-Fos和NF-κB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，介導(dǎo)RANKL的促骨吸收作用[52]。另外，F(xiàn)SH可直接刺激骨髓微環(huán)境產(chǎn)生TNFα、IL-1β、IL-6，而FSHβ基因缺陷小鼠骨髓巨噬細胞產(chǎn)生炎癥因子減少，即使雌激素缺乏，仍可免于骨量丟失[53-54]。PM2.5暴露誘導(dǎo)下丘腦炎癥因子釋放，從而抑制下丘腦-垂體-性腺軸，影響垂體LH和FSH釋放，影響相應(yīng)功能[55]。應(yīng)用FSH特異性抗體可增加骨量[56]。

3 結(jié)語

PM2.5可通過多途徑、多通路促進雌激素缺乏癥的骨質(zhì)丟失。近年來，國內(nèi)有關(guān)學(xué)者越來越注意到環(huán)境污染對骨侵蝕的作用。筆者有望通過在體水平或細胞水平建模探討PM2.5暴露對年齡相關(guān)性雌激素缺乏介導(dǎo)骨質(zhì)丟失發(fā)生、發(fā)展的研究。