PM2.5通過ER/RANK通路調節(jié)骨代謝的研究進展

林妹珠，倪清麗綜述，黃惠娟審校

0 引 言

大多數代謝性骨病是由于骨吸收過度，超過骨形成的速度，導致骨量損失。成骨細胞主要負責骨形成過程，破骨細胞主要負責骨吸收過程，兩者共同調節(jié)骨重建過程。當破骨細胞完成骨吸收后，成骨細胞的骨形成機制隨之啟動，補充骨吸收的消耗，以保證骨骼的完整性以及強度[1]。護骨素(osteoprotegerin，OPG)/核因子κβ受體活化因子(receptor activator of NF-κβ，RANK)/核因子κβ受體活化因子配體(receptor activator of NF-κβ ligand，RANKL)信號系統(tǒng)對破骨細胞和生物學至關重要，研究表明許多臨床相關的人類代謝性骨病，包括炎癥性骨病(如類風濕關節(jié)炎)、炎性骨腫瘤(如骨髓瘤或溶骨性轉移)和不同形式的骨質疏松癥與OPG/RANKL/RANK系統(tǒng)的改變有關[2]。環(huán)境顆粒物(particulate matter 2.5,PM2.5)是大氣污染物的主要組成部分之一，可吸收多種污染物多環(huán)芳烴和金屬，損害呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)以及骨骼系統(tǒng)[3]等。本文就PM2.5對骨代謝的影響與雌激素受體途以及OPG/RANKL/RANK途徑的相關性作一綜述。

1 ER/RANK通路和PM2.5概述

1.1 OPG-RANKL-RANK信號通路的組成骨處于不斷的重塑狀態(tài)，這對于維持正常的骨骼結構和功能十分重要，破骨細胞對骨吸收有再生作用，成骨細胞則主要負責新骨的形成[4]。在生理條件下，破骨細胞的形成和吸收是保持平穩(wěn)的。然而，當兩者平衡受到干擾時，骨骼功能或結構就會發(fā)生異常。OPG-RANKL-RANK信號通路是成骨細胞與破骨細胞之間通訊的重要信號通路[5]，許多研究均支持RANKL/OPG比值是骨質量的主要決定因素的觀點。RANKL/RANK信號調控多核破骨細胞的形成及其在正常骨重塑和多種病理條件下的活化和存活，OPG通過與RANKL結合并阻止其與受體RANK結合，保護骨骼免受過度骨吸收[6]。RANK/ RANKL信號由OPG的誘騙受體控制，該受體與RANKL相互作用。已有研究表明，在RANK或RANKL缺陷小鼠中，破骨細胞完全缺失，導致骨質疏松，而OPG缺陷小鼠表現出過度的骨吸收和嚴重的骨質疏松癥[7]。RANK/RANKL信號通路對骨吸收破骨細胞的分化至關重要，絕經后骨質疏松癥或癌癥引起的骨破壞等病理過程中，其信號通路被解除[8]。隨著OPG/RANKL/RANK系統(tǒng)在正常骨骼生理中作用不斷積累的證據增加，不難發(fā)現，人類中許多臨床相關的代謝性骨病，包括炎癥性骨病(如類風濕性關節(jié)炎)，惡性骨腫瘤(如骨髓瘤或溶骨性轉移瘤)和不同形式的骨質疏松癥均與OPG/RANKL/RANK系統(tǒng)的改變有關[9]。

1.2雌激素和雌激素受體雌激素是一種由芳香化酶催化雄激素合成的18個碳類固醇類激素，主要存在形式為雌酮(E1)、雌二醇(E2)、雌三醇(E3)等[10]，卵巢是女性循環(huán)雌激素的主要來源。雌激素受體(ER)主要包括雌激素α受體(ERα)和雌激素β受體(ERβ),兩者皆屬于甾體/甲狀腺激素核受體超家族，其成員具有共同的結構[11]。骨是雌激素發(fā)揮作用的重要靶組織，雌激素受體α和β在骨和骨髓細胞中廣泛表達，雌激素是男性和女性骨骼代謝的主要激素調節(jié)因子[12]。雌激素可通過成骨細胞增加OPG的mRNA和蛋白表達，從而中和細胞結合或可溶性RANKL的作用[13],可能通過抑制IL-1和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-alpha，TNF-α)的產生而降低RANKL和M-CSF的表達，最終使骨吸收減少[14]。雌激素損失的主要后果是骨吸收的增加，其在細胞水平上對維持骨形成也很重要。由于雌激素的減少，女性在絕經后的前4～8年經歷了快速的減少期，除在月經停止后的早期骨質流失更快外，女性在生長過程中積累的骨骼質量也較男性少[15]。因此，女性發(fā)生骨質疏松、骨折等骨代謝相關疾病的概率較男性高。骨質疏松癥相關疾病嚴重影響老年人的生活質量，增加醫(yī)療費用負擔[16]。

1.3PM2.5的概述近年來，霧霾問題廣受關注，大氣污染主要成分之一PM 2.5也成為了研究熱點。PM2.5指的是空氣動力學直徑≤2.5μm的顆粒物，其表面積大，可吸附空氣中多種有毒有害物質，已有大量臨床流行病學調查以及動物或細胞實驗證明PM 2.5對健康有害[17]。Liu等[18]收集24個國家或地區(qū)的652個城市空氣污染與死亡率每日數據，評估了PM10和PM2.5與多個國家或地區(qū)的心血管和呼吸系統(tǒng)死亡率的關系，指出短期暴露于PM10和PM2.5與心血管和呼吸系統(tǒng)死亡率之間存在獨立關系并且可能存在劑量效應關系。Cui等[19]研究表明，PM2.5可增加活性氧簇的形成、降低磷酸化-Akt的水平，從而抑制骨髓間充質干細胞的增殖。PM 2.5已被國際癌癥協(xié)會認定為一級致癌物。Duan等[20]檢測3053名研究對象的(來自2005-2014年全國健康和營養(yǎng)檢查調查數據)8種多環(huán)芳烴代謝物以估計多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)與骨質疏松的相關性，得出2-羥基芴與骨質疏松癥的幾率增加有關而3-羥基芴與骨質疏松癥的發(fā)病率降低有關的結論。關于兒童和老年人的研究報告指示，空氣污染物的濃度，特別是PM(PM 2.5和PM 10)的濃度與骨密度呈負相關[21-22]。長期暴露于高水平的空氣污染物，在世界許多地區(qū)是一個日益嚴重的問題。

2 PM2.5通過ER/RANK通路調節(jié)骨代謝作用

2.1 PM2.5進入體內代謝過程與ER/RANK通路的相關性長期的PM2.5暴露可誘發(fā)多種炎癥因子高表達，如IL-1、IL-6、TNF-α等[23]，這些炎癥因子可促進骨髓細胞分化、淋巴細胞生長，從而引起一系列的骨代謝紊亂。PM2.5的組成較為復雜，包括有機和無機成分。其不僅含有大量的有機物質，如苯并芘、多環(huán)芳烴、硝基和含氧多環(huán)芳烴，而且還富含無機化學物質，如硫酸鹽、硝酸鹽和金屬[24]。PM的生物效應與PAHs以及硝基和氧化型PAHs直接相關，雖然PAHs對PM質量的貢獻最小(<0.1%),卻是PM的主要毒性成分[25]。芳香烴受體(aromatic hydrocarbon receptor，AhR)是一種最早被發(fā)現的多環(huán)芳烴類環(huán)境污染物的配體，存在于大多數細胞胞質內[26]。骨質的完整性依賴于成骨細胞和破骨細胞分別調節(jié)骨形成與骨吸收的動態(tài)平衡，而細胞因子、激素、AhR等其他蛋白因素共同參與成骨細胞和破骨細胞的調節(jié)，最終精細調控骨代謝的過程[27]。PAHs進入體內可激活AhR[28]，在有雌激素存在的情況下，通過活化 AhR 影響ER的促轉錄活性、干擾類固醇激素信號，使 ER 與E2結合降低，從而干擾骨代謝調節(jié)過程；在無雌激素存在的情況下，結合配體的AHR則表現出了抗雌激素作用，其主要是通過抑制與雌激素結合ESR介導的DNA的結合來實現的[29]。Rogers等[30]針對絕經后婦女的研究發(fā)現循環(huán)中的OPG水平與血清雌二醇之間存在顯著的弱正相關，血清OPG水平與骨轉換標志物之間存在弱的負相關，而OPG血清水平與全身、全髖和股骨頸的BMD之間存在顯著的正相關。而且前期的動物模型和臨床研究也表明OPG給藥可防止與雌激素缺乏相關的骨丟失?？梢奜PG/RANKL/RANK通路在雌二醇缺乏引起的骨丟失疾病中發(fā)揮重要作用，而PM2.5可干擾此途徑，進一步引起骨代謝紊亂。

2.2PAHs通過干擾ER途徑調節(jié)骨代謝雌激素是絕經后發(fā)生骨質疏松的主要原因，雌激素在調節(jié)骨吸收、通過刺激破骨細胞的形成(破骨細胞發(fā)生)，增強破骨細胞的活性、抑制其凋亡等方面發(fā)揮重要作用[31]。我們的前期實驗研究證明，切除雙側卵巢去勢后的SD 大鼠血清IL-1、IL-6值顯著升高，給予類雌激素可降低炎癥因子并升高骨密度，有逆轉骨質疏松的效果[32]。Shevde等[33]通過大鼠實驗證明，雌激素可通過受體結合途徑直接抑制去勢大鼠的破骨細胞前體形成細胞的募集與分化，進而抑制破骨細胞活性。過去十年中，已有多項研究表明PM2.5暴露可影響雌激素的生成，同時干擾雌激素受體的蛋白及mRNA表達，Dang等[34]通過動物實驗表明孕期暴露于空氣中PM2.5污染后，可誘發(fā)高水平的甲基化，ERa水平明顯下降，暴露于PM2.5可使子宮收縮宮內胎鼠發(fā)育過程中的血流量導致新生兒體重下降。有研究表明，AhR基因敲除的小鼠骨量增加、骨吸收減少，逆轉由雌激素缺乏導致的骨丟失[35]。AhR通過2種途徑調控雌激素的作用：①通過誘導外源化學物代謝酶的表達進而增加雌二醇的氧化代謝；②通過配體激活蛋白酶體并下調ERa的表達[36]。骨組織中富含ER，AhR與ER之間存在交互作用：AhR激活可降低ER的表達，ERα可促進AhR下游靶基因轉錄而與自身靶基因的結合減弱[37]。PAHs進入體內即通過AhR途徑干擾 ER與雌激素的結合，引起雌激素缺乏而導致的骨丟失。

2.3PM2.5通過 ER/RANK信號通路影響骨代謝PM2.5中的許多物質，包括PAHs、重金屬、多氯化聯苯同源物等可誘發(fā)癌變，腫瘤細胞通過刺激破骨細胞增殖，導致骨形成和骨吸收動態(tài)失衡，引發(fā)骨質疏松[38]。RANKL和OPG代表成骨細胞來源的旁分泌細胞因子，這些細胞因子對破骨細胞功能至關重要，RANKL/OPG比值升高時，這兩個因子的失衡有利于破骨細胞的分化和活化，促進骨丟失[39]。雌激素缺乏可增加RANKL/OPG的比率，從而促進破骨細胞生成，加速骨吸收，誘導骨丟失[40]。輔助T(Th)細胞分泌的IL-1、IL-6和TNF-α等可誘導破骨細胞增殖，引發(fā)骨質疏松。Abplanalp等[41]通過動物細胞實驗證明骨髓是PM2.5遠端毒性靶點之一，暴露于PM2.5會影響人類和小鼠骨髓中的內皮祖細胞，限制其固有功能，并使其進入外周循環(huán)，吸入PM2.5會降低骨髓中造血干細胞的水平。Saha等[42]對暴露于室內空氣污染的139名絕經后婦女檢測其血清可溶性RANKL和OPG的水平并實時監(jiān)測室內空氣中PM2.5和PM10的水平，發(fā)現PM10和PM2.5水平與血清RANKL水平呈正相關，與血清OPG呈負相關；從而證明長期暴露于空氣污染會增加膜結合性和可溶性RANKL循環(huán)破骨細胞前體，但OPG降低，提示骨吸收風險增加，并隨之增加骨質疏松癥的風險。

3 結 語

綜上所述，空氣中污染物中的細顆粒PM2.5可通過ER/RANK通路影響骨代謝過程，導致骨重塑平衡破壞，引起骨代謝相關疾病。PM2.5對于骨骼系統(tǒng)的危害及機制有待通過進一步的流行病學調查和動物實驗及細胞實驗加以驗證，進而有效防治其危害。