PCBs對(duì)骨代謝影響的相關(guān)機(jī)制研究進(jìn)展

王慧 郭曉英

中國醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，遼寧 沈陽 110122

骨是一種內(nèi)分泌器官[1]，由鈣化的細(xì)胞外基質(zhì)和多種細(xì)胞組成。間充質(zhì)干細(xì)胞可分化為成骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞等細(xì)胞，其中成骨細(xì)胞分泌多種蛋白質(zhì)構(gòu)成骨基質(zhì)并礦化參與骨形成。破骨細(xì)胞由多個(gè)單核細(xì)胞融合而成，將骨分解成礦物質(zhì)和膠原成分進(jìn)行骨吸收[2]。骨內(nèi)穩(wěn)態(tài)是通過成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞對(duì)骨重塑和骨吸收的動(dòng)態(tài)平衡來維持的[3]。

多氯聯(lián)苯(polychlorinated biphenyls，PCBs)是普遍存在的持久性有機(jī)污染物[4]。PCBs具有很高的親脂性和穩(wěn)定性，很容易在食物鏈中積累，并集中在脂肪組織中[5]。20世紀(jì)80年代大部分國家禁止了PCBs的生產(chǎn)和使用，但由于其疏水特性和非常穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征，PCBs在土壤和沉積物中仍然存在，依然對(duì)環(huán)境健康構(gòu)成威脅[6]。目前仍在使用的含有PCBs的產(chǎn)品和設(shè)備有油漆、粘合劑、阻燃劑、液壓系統(tǒng)和變壓器等[7]。PCBs可引起各種不良影響包括內(nèi)分泌紊亂、致癌性以及免疫、神經(jīng)、發(fā)育和生殖毒性[5]。暴露于PCBs還可導(dǎo)致骨骼損害，影響成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞活性，降低血清標(biāo)志物水平和骨鈣水平。本文就PCBs暴露對(duì)骨代謝的影響以及相關(guān)機(jī)制作以綜述。

1 PCBs暴露與骨質(zhì)疏松

骨質(zhì)疏松癥是一種全身骨骼疾病，其特征是骨量低、骨組織微結(jié)構(gòu)惡化，導(dǎo)致骨脆性增加，易患骨折[8]。眾多實(shí)驗(yàn)和隊(duì)列研究表明PCBs暴露可導(dǎo)致骨骼不同程度的改變，尤其在骨密度(bone mineral density，BMD)上更為明顯，且骨密度的改變與暴露濃度的變化有一定的相關(guān)性。Holliday等[7]發(fā)現(xiàn)經(jīng)PCBs暴露的海龜股骨與未暴露組相比骨密度和體積較小，空隙面積更大。Daugaard- Petersen等[9]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，東格陵蘭島北極熊的陰莖骨骨密度低于加拿大北極熊，這可能是由于東格陵蘭島北極熊體內(nèi)PCBs含量較高所致。骨密度與PCBs的回歸分析結(jié)果表明，在8個(gè)北極熊亞群體中，陰莖骨的BMD隨PCBs濃度的增加而顯著降低[10]。而1999-2014年東格陵蘭北極熊骨密度與持久性有機(jī)污染物的統(tǒng)計(jì)模型顯示，骨密度與ΣPCB、ΣHCH、ΣHCB和ΣPBDE呈顯著正相關(guān)[9,11]。在隊(duì)列研究中也發(fā)現(xiàn)PCBs暴露與骨密度呈相關(guān)性但結(jié)論并不一致。在瑞典115名男性普通隊(duì)列中，血清PCB 167濃度與骨密度呈正相關(guān)，而基于單因素分析一組瑞典漁民及其妻子的隊(duì)列可見其血清PCB 153濃度與BMD呈負(fù)相關(guān)，但經(jīng)年齡和體重指數(shù)調(diào)整后，兩者之間的相關(guān)性不顯著[12]。上述研究結(jié)果均可作為PCBs暴露對(duì)骨密度影響的佐證，骨密度可能隨PCBs的濃度增加而增加，也可能隨PCBs濃度的增加而減少，其結(jié)果的差異也許與物種、年齡、性別、地理位置、暴露時(shí)間及同系物的種類不同有關(guān)。

PCBs可通過內(nèi)分泌干擾造成骨質(zhì)疏松[9]。以西部哈德遜北極熊為參照組計(jì)算東格陵蘭島北極熊亞群骨質(zhì)疏松癥的T評(píng)分指數(shù)為-1.44，提示存在骨質(zhì)減少的風(fēng)險(xiǎn)[9]。暴露于內(nèi)分泌干擾物的北極熊的風(fēng)險(xiǎn)商數(shù)估計(jì)和T評(píng)分表明PCBs可能在一個(gè)導(dǎo)致骨密度降低和骨折風(fēng)險(xiǎn)增加的進(jìn)展的范圍[10]。Daugaard-Petersen等[11]在計(jì)算T分時(shí)發(fā)現(xiàn)東格陵蘭北極熊雄性在持久性有機(jī)污染物污染期間有發(fā)生骨量減少的危險(xiǎn)(-2.5

從上述骨密度和T評(píng)分分析可知，PCBs暴露可影響骨密度和骨彎曲強(qiáng)度，引起骨量減少，增加骨質(zhì)疏松的風(fēng)險(xiǎn)。以上結(jié)果也提示PCBs能夠通過影響骨骼的骨密度等物理特性造成骨骼結(jié)構(gòu)和完整性的破壞，引起骨骼生長異常，因此PCBs暴露對(duì)骨的危害值得深入探討。目前關(guān)于PCBs暴露影響骨密度等物理特性及與骨質(zhì)疏松關(guān)系的內(nèi)在機(jī)制的研究較少，需要更多的研究來進(jìn)一步解釋兩者之間的關(guān)系。

2 PCBs暴露影響骨代謝的作用機(jī)制

2.1 PCBs與成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞活性

2.1.1PCBs與相關(guān)標(biāo)記基因的表達(dá)：Aroclor 1254是一種多氯聯(lián)苯合劑，包含二英樣和非二英樣同系物，已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)Aroclor 1254對(duì)成骨細(xì)胞分化的抑制作用主要是由類似二英的同系物驅(qū)動(dòng)。Herlin等[13]研究發(fā)現(xiàn)Aroclor 1254降低了標(biāo)記基因堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)和骨鈣蛋白(osteocalcin，OCN)的表達(dá)，在最高濃度時(shí)PCB 52增加ALP的表達(dá)，也增加OCN的表達(dá)且OCN表達(dá)程度與PCB 52濃度相關(guān)。此外，PCB 19也增加了OCN的表達(dá)，但其表達(dá)程度低于PCB 52。已有體內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高濃度PCB 118可提高成骨細(xì)胞的活性[14]。PCBs通過降低或增加ALP和OCN等標(biāo)記基因的表達(dá)來提高或降低成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞活性，且二英類和非二英類同系物對(duì)成骨細(xì)胞分化的作用可能相反。目前PCBs影響破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞活性的研究較少，同時(shí)介導(dǎo)其干擾成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞活性的機(jī)制仍有待進(jìn)一步探索。

2.1.2PCBs與microRNAs：MicroRNAs(miRNAs)是由19～24個(gè)核苷酸組成的進(jìn)化保守的單鏈非編碼RNA分子，它們主要通過與靶mRNAs的3′-非翻譯區(qū)(UTR)結(jié)合，在轉(zhuǎn)錄后水平上來抑制靶基因的表達(dá)，從而抑制翻譯[15]。研究發(fā)現(xiàn)miR-338-3p、miR-185和miR-217等microRNAs參與了骨重塑與骨吸收的動(dòng)態(tài)平衡。Sun等[16]采用M-CSF和RANKL誘導(dǎo)小鼠RAW264.7細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)過量表達(dá)miR-338-3p可促進(jìn)破骨細(xì)胞形成。Cui等[17]的研究結(jié)果表明阻斷miR-185的表達(dá)可增加骨質(zhì)疏松癥患者的骨形成。Yang等[18]報(bào)告miR-217可降解Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(Runx2)從而抑制成骨分化。Ju等[5]將斑馬魚胚胎暴露于PCB 1254，結(jié)果顯示miR-21表達(dá)上調(diào)，敲除miR-21可減輕PCB 1254對(duì)骨成型蛋白受體Ⅱ(BMPRⅡ)的抑制作用。miRNA可抑制破骨細(xì)胞的骨吸收和成骨細(xì)胞的骨形成，而PCBs暴露可上調(diào)相關(guān)miRNA的表達(dá)，從而干擾破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的分化，導(dǎo)致骨吸收及重建過程受損，造成骨內(nèi)穩(wěn)態(tài)失衡進(jìn)而引起骨骼發(fā)育異常。PCBs通過microRNAs抑制骨發(fā)育相關(guān)蛋白和成骨及破骨細(xì)胞表達(dá)的研究還不夠深入，關(guān)于其影響骨生長發(fā)育和重塑的內(nèi)在機(jī)制有待進(jìn)一步闡明。

2.1.3PCBs與細(xì)胞凋亡：細(xì)胞凋亡是為維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，在基因調(diào)控下進(jìn)行的細(xì)胞自主性死亡過程。細(xì)胞凋亡的途徑主要有3條：線粒體途徑、死亡受體途徑和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑。成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的異常凋亡是引起骨質(zhì)疏松的重要致病機(jī)制。成骨細(xì)胞可通過磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3- kinase，PI3k)/Akt、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)及Ca2+/CaM等信號(hào)通路經(jīng)線粒體途徑凋亡[19]。由于細(xì)胞系統(tǒng)和PCB同系物的不同，PCBs可促進(jìn)或減少細(xì)胞凋亡[20]。李敏超等[21]通過研究發(fā)現(xiàn)PCB 118可誘導(dǎo)胰腺β腫瘤細(xì)胞(INS-1細(xì)胞)凋亡，同時(shí)PCB 118處理后凋亡相關(guān)蛋白Cleaved Caspase-3表達(dá)上調(diào)。路趙碩等[22]報(bào)告PCB 118、PCB 138、PCB 153及PCB 180均可抑制細(xì)胞活性，且隨著劑量的增加，細(xì)胞存活率降低，凋亡率增加。目前尚沒有PCBs誘導(dǎo)或抑制成骨和破骨細(xì)胞凋亡的相關(guān)實(shí)驗(yàn)的報(bào)道，但上述研究提示PCBs可能通過PI3k/Akt、MAPK及Ca2+/CaM等信號(hào)通路經(jīng)線粒體途徑促進(jìn)或減少成骨細(xì)胞凋亡，從而影響骨重塑和骨骼發(fā)育，甚至引起骨質(zhì)疏松，但PCBs是否影響成骨和破骨細(xì)胞凋亡及相關(guān)機(jī)制仍需要深入研究。

2.2 PCBs與模擬雌激素效應(yīng)以及抗雌激素和抗雄激素效應(yīng)

雌激素、孕酮和雄激素等性激素是骨代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，雌激素主要通過與雌激素受體(ER)結(jié)合影響破骨細(xì)胞的骨吸收和成骨細(xì)胞的骨形成[3,23]。雄激素屬類固醇激素，通過雄激素受體在骨骼的生長發(fā)育中也發(fā)揮重要作用，雄激素缺乏可引起骨質(zhì)疏松[24]。

2.2.1PCBs模擬雌激素效應(yīng)與RANK-RANKL通路：雌激素可通過ER依賴的信號(hào)通路發(fā)揮雌激素效應(yīng)[25]，經(jīng)典的雌激素受體包括雌激素α和雌激素β受體，兩種受體都存在于成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞中，雌激素受體對(duì)骨的主要作用是通過間接調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞功能來減少骨吸收[3,23]。研究表明PCB 153和PCB 126均有雌激素活性，PCB 126通過誘導(dǎo)雌激素受體α(ERα)的表達(dá)且進(jìn)一步促進(jìn)ERα中心的轉(zhuǎn)錄表現(xiàn)出強(qiáng)烈的雌激素樣作用，PCB 153也被證明具有類似但較弱的激活ER信號(hào)的能力[25]。大量研究證實(shí)了PCBs可以發(fā)揮模擬雌激素效應(yīng)但研究結(jié)果并不一致，這些差異可能是由不同的暴露濃度、實(shí)驗(yàn)策略和不同研究中使用的細(xì)胞類型[25]和同系物平面結(jié)構(gòu)造成的，確切的原因還需要繼續(xù)探索。OPG/RANK/RANKL是調(diào)控骨代謝的經(jīng)典通路，成骨細(xì)胞產(chǎn)生RANKL激活信號(hào)轉(zhuǎn)接器分子，如腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子-κB配體6(TNF receptor-associated factor-κB ligand 6，TRAF6)。TRAF6與RANK結(jié)合從而使下游信號(hào)通路NF-κB和激活蛋白1(activator protein 1，AP-1)活化并誘導(dǎo)破骨細(xì)胞關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子NFAT-c1的表達(dá)，干擾這些信號(hào)通路會(huì)導(dǎo)致過多的破骨細(xì)胞過度形成和病理性骨丟失[3]。RANKL是破骨細(xì)胞形成的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素之一，性激素減少引起的骨吸收增加與RANKL的表達(dá)有關(guān)。雌激素可以通過抑制RANKL誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞的表達(dá)和形成來干擾骨代謝。Yachiguchi等[14]用PCB 118處理金魚，結(jié)果顯示其可促進(jìn)金魚成骨細(xì)胞RANKL mRNA的表達(dá)，由此認(rèn)為PCB 118可能通過RANK-RANKL通路促進(jìn)破骨細(xì)胞的發(fā)生。PCBs通過ER依賴的信號(hào)通路和RANKL通路模擬雌激素效應(yīng)來抑制骨相關(guān)蛋白的表達(dá)和促進(jìn)破骨細(xì)胞的過度形成使骨吸收增加，從而破壞骨內(nèi)穩(wěn)態(tài)引起骨重塑和骨的發(fā)育異常，但其模擬雌激素效應(yīng)的具體機(jī)制和信號(hào)通路有待進(jìn)一步研究。

2.2.2PCBs抗雌激素和抗雄激素效應(yīng)：目前關(guān)于PCBs的抗雌激素效應(yīng)和抗雄激素效應(yīng)研究較少，PCB 180體外毒性數(shù)據(jù)顯示其具有弱抗雌激素的能力和溫和抗雄激素效力。閆月明等[26]將食蚊魚暴露于0.4 μg/L PCBs，結(jié)果顯示食蚊魚第15椎體脈棘的長度顯著降低且出現(xiàn)骨骼形態(tài)雄性化，表明一定濃度的PCBs暴露會(huì)誘發(fā)抗雌激素效應(yīng)。目前尚無研究闡述PCBs引起抗雌和抗雄激素效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制，PCBs是否通過ER依賴的信號(hào)通路或者RANK-RANKL通路或者其他途徑發(fā)揮抗雌激素和抗雄激素效應(yīng)從而干擾骨骼發(fā)育仍有待深入探索。

3 小結(jié)