Wnt信號通路在骨修復(fù)和骨重塑中作用的研究進展

趙澤玉，邱俊杰，王偉舟，袁勇

（昆明醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院，云南 昆明）

0 引言

與人體中的大多數(shù)組織不同，骨骼在整個成年生活中都能夠自發(fā)地進行無疤痕修復(fù)，通過產(chǎn)生具有幾何結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)完整性的新骨，骨骼組織在損傷愈合后與周圍的骨無明顯區(qū)別[1]。成人骨骼中骨折愈合是一個復(fù)雜的代謝過程，這種高度協(xié)調(diào)的過程被破壞可導(dǎo)致愈合延遲或不愈合。許多術(shù)前、術(shù)中和術(shù)后因素與骨愈合受損有關(guān)，然而，骨折延遲愈合的確切分子機制尚不清楚。

1 骨修復(fù)和骨重塑機制

骨是一個動態(tài)變化以鈣化的基質(zhì)為框架的多功能器官，在胚胎發(fā)育的早期階段，骨骼由纖維膜和透明軟骨組成，到胚胎的第六周或第七周開始骨化[2]。成骨方式可分為軟骨內(nèi)成骨或者膜內(nèi)成骨機制形成：作為膜內(nèi)成骨的一部分，間充質(zhì)干細(xì)胞可直接分化為成骨細(xì)胞并產(chǎn)生骨組織；軟骨細(xì)胞從間充質(zhì)干細(xì)胞分化，通過軟骨內(nèi)成骨形成中間軟骨，再礦化細(xì)胞外基質(zhì)，經(jīng)歷細(xì)胞凋亡并引導(dǎo)血管的生成，使軟骨細(xì)胞增大、成熟[3]。

骨架的主要功能是結(jié)構(gòu)性的；損傷后的骨修復(fù)是一種復(fù)雜且組織良好的骨重塑過程，其隨著損傷而啟動，并有效地恢復(fù)了骨骼功能。骨折修復(fù)受多種生長因子的調(diào)節(jié)，Wnt信號傳導(dǎo)途徑在骨發(fā)育，體內(nèi)平衡以及損傷后的骨修復(fù)和骨重塑中具有重要作用。骨折部位的骨祖細(xì)胞、成骨細(xì)胞和未分化的間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）都可以促進骨形成[4]。在間接（二期）愈合過程中，骨形成類似于軟骨內(nèi)成骨，這是長骨最先開始的生長方式，骨受傷后，形成由大部分炎性細(xì)胞組成的軟骨痂，該愈傷組織發(fā)育成中間軟骨，隨后經(jīng)過鈣化，通過幾個月的重塑形成層狀骨，最終被編織骨替代[5]。通過手術(shù)固定，臨時固定或兩者兼而有之，大多數(shù)骨折在數(shù)月后愈合。然而，3%至10%的骨折最終不愈合[6]。若通過在斷裂處誘導(dǎo)骨形成的療法，則可以增加骨折愈合率，并且愈合時間減少。

2 Wnt信號通路

2.1 Wnt簡介

Wnt信號傳導(dǎo)是一種在進化過程中得以保留的信號通路，它調(diào)節(jié)細(xì)胞極性，細(xì)胞遷移，參與器官發(fā)生和胚胎發(fā)育過程中干細(xì)胞更新等。過氧化物酶體增殖物激活受體（PPAR）已被公認(rèn)是脂肪形成的主要誘導(dǎo)劑，而Wnt途徑被認(rèn)為是成骨的主要調(diào)節(jié)劑[7]。Wnt 信號通路可通過多個方面對骨生長和重塑等過程產(chǎn)生影響，這與骨質(zhì)疏松等骨疾病的發(fā)生和發(fā)展息息相關(guān)[8]。Wnt蛋白是一種分泌型糖蛋白家族，是調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞分化及其活性的關(guān)鍵因子，它們通過自分泌或旁分泌發(fā)揮作用[9]。Wnt配體通過觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)信號級聯(lián)來結(jié)合受體細(xì)胞表面受體以激活Wnt信號通路[10]。共同受體和配體成功結(jié)合的下游效應(yīng)，啟動非經(jīng)典或經(jīng)典途徑，并且Wnt蛋白及其拮抗劑的表達在嚴(yán)格的時間和空間調(diào)節(jié)下發(fā)生。

細(xì)胞內(nèi)Wnt信號通路分為至少三種主要途徑：（1）β連環(huán)蛋白依賴性途徑（也稱為“經(jīng)典Wnt途徑”）；（2）平面細(xì)胞極性（PCP）通路；（3）Wnt/Ca 途徑[11]。

2.2 經(jīng)典Wnt信號通路

現(xiàn)在對經(jīng)典Wnt途徑的研究，改進了經(jīng)典Wnt信號傳導(dǎo)如何被調(diào)節(jié)的模型[12]。19種Wnt蛋白中的至少7種（Wnt 1,2,3a，3b，4,8和10b）可以激活Wnt信號途徑，經(jīng)典Wnt信號傳導(dǎo)導(dǎo)致β連環(huán)蛋白的積累和易位進入細(xì)胞核[13]。β連環(huán)蛋白是一種粘附連接相關(guān)蛋白，其作用是：使細(xì)胞粘附和介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)Wnt信號傳導(dǎo)。經(jīng)典的Wnt途徑通過特異性Wnt 配體與LRP-5/6共同受體的結(jié)合而被激活[14]。Dickkopf（Dkk）家族是分泌蛋白質(zhì)，以高親和力結(jié)合LRP5或LRP6，因此可以直接拮抗經(jīng)典Wnt與LRP5或LRP6結(jié)合[15]。Wnt信號級聯(lián)中的突變導(dǎo)致過度的骨生長或過度的再吸收：共同受體LRP5的功能缺失突變導(dǎo)致以低骨量為特征的綜合征，從而易頻繁發(fā)生骨折[16]。LRP5和β連環(huán)蛋白基因表達在骨折愈傷組織中存在的細(xì)胞中上調(diào)，β連環(huán)蛋白也在增殖的骨膜骨祖細(xì)胞、軟骨細(xì)胞以及成骨細(xì)胞中表達，這表明經(jīng)典的Wnt信號通路在軟骨內(nèi)和膜內(nèi)骨化中均有活性[17]。Wnt、LRP5相互作用調(diào)節(jié)了骨修復(fù)期間生物力學(xué)完整性重建，并且經(jīng)典Wnt途徑，特別是LRP5輔助受體是骨折修復(fù)的關(guān)鍵組成部分。

2.3 Wnt信號在骨修復(fù)及骨重塑平衡中的作用

間充質(zhì)干細(xì)胞是多能祖細(xì)胞，具有分化為多種組織類型的潛能，包括骨、軟骨、脂肪、肌腱和肌肉[18]。促進MSCs成骨分化的能力可以作為骨缺損區(qū)骨形成的有效療法，MSCs對某一細(xì)胞譜系的分化受到一系列生長因子的控制，它可通過分化為成骨細(xì)胞以及分泌成骨生長因子和抗炎細(xì)胞因子來增強骨再生和重塑[19]。Granero-Moltó[20]等研究表明MSCs通過CXCR4受體向骨折部位遷移，然后通過增加骨痂的軟骨和骨含量促進骨折愈合。Wnt信號通路在促進MSCs的成骨分化中具有關(guān)鍵作用，此外，Wnt配體可刺激成骨細(xì)胞增殖和成骨細(xì)胞的成熟[21]。

Minear等[22]使用小鼠模型證明通過傳遞含有純化的Wnt3a蛋白的脂質(zhì)體囊泡，可通過增強Wnt信號傳導(dǎo)促進骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞增殖和早期分化而加速的骨折愈合。Ullah等[23]研究證明β連環(huán)蛋白可以促進MSCs從成骨細(xì)胞前體細(xì)胞發(fā)育為更成熟的成骨細(xì)胞，并且還可以抑制MSCs分化為脂肪和軟骨細(xì)胞譜系。Kang等研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)典Wnt途徑還抑制脂肪形成誘導(dǎo)物PPARγ和CCAAT/增強子結(jié)合蛋白α的表達，以抑制脂肪形成分化，同時上調(diào)成骨調(diào)節(jié)因子 Runx2，Dlx5和 Osterix[24]。骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP），主要是BMP2,6和9，是刺激MSC分化為成骨細(xì)胞的有效生長因子[25]。JIANCHENG XI等發(fā)現(xiàn)沒食子兒茶素3-沒食子酸酯可通過Wnt/β連環(huán)蛋白信號通路預(yù)防小鼠模型繼發(fā)性骨質(zhì)疏松[26]。羥基磷灰石涂層中二氧化鈰含量的增加可提高細(xì)胞活力，并通過Wnt/β連環(huán)蛋白信號的上調(diào)來更好地保護BMSCs免受H2O2損害，以促進成骨分化；此外，二氧化鈰修飾的羥基磷灰石涂層抑制了H2O2導(dǎo)致的BMSC向破骨細(xì)胞生成，這通過增加OPG/RANKL的比例來作用，這是由涂層中CeO2的抗氧化性能介導(dǎo)的[27]。Notch途徑的激活抑制Wnt/β連環(huán)蛋白誘導(dǎo)的成骨分化，在體內(nèi)和體外實驗中過表達Notch與Wnt信號傳導(dǎo)降低和成骨細(xì)胞生成受損有關(guān)[28]。鴨蛋清延生肽VSEE （Val-Ser-Glu-Glu） 可通過調(diào)節(jié)腸道菌群組成和Wnt/β-catenin信號通路來促進卵巢切除動物模型的骨骼生長并抑制異常脂質(zhì)代謝[29]。趙芳英等發(fā)現(xiàn)Wnt3a是通過激活Wnt/β連環(huán)蛋白信號通路調(diào)節(jié)人BMSCs的成骨分化[30]。越來越多的證據(jù)表明miRNA通過骨形態(tài)發(fā)生蛋白、轉(zhuǎn)化生長因子-β和Wnt信號通路將間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化和骨形成[31]。Kureel等發(fā)現(xiàn)Wnt信號可通過改變MicroRNA（miRNA）誘導(dǎo)成骨分化[32]，許多不同的miRNA分子可以促進或抑制MSC介導(dǎo)的成骨分化。MicroRNA-9-5p在骨質(zhì)疏松患者的外周血中表達較低，且Mi-croRNA-9-5p通過抑制成骨作用和通過靶向Wnt3a促進成脂來導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的發(fā)生和發(fā)展[33]；miR-27抑制APC，從而促進經(jīng)典Wnt信號傳導(dǎo)并促進骨形成，miR-335-5p下調(diào)Dkk-1，從而促進成骨分化[34]。

3 治療用途

如果能控制骨骼干細(xì)胞自我更新、增殖和分化，將能增加成體骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞數(shù)量，并在相應(yīng)的時間誘導(dǎo)其分化，以補充骨骼和軟骨組織[35]。Wnt信號通路在骨骼發(fā)生中的作用以及Wnt信號傳導(dǎo)對干細(xì)胞和骨骼細(xì)胞的調(diào)節(jié)功能，是骨修復(fù)和維持骨重塑穩(wěn)態(tài)有吸引力的治療方法[36]。Kim等[37]在骨關(guān)節(jié)炎的動物模型的骨和軟骨中觀察到Wnt/β連環(huán)蛋白信號異常，這表明β連環(huán)蛋白途徑可能是骨關(guān)節(jié)炎的治療靶標(biāo)。最近在研究Wnt/β連環(huán)蛋白信號傳導(dǎo)在骨骼細(xì)胞發(fā)育和成熟中的作用方面取得了進展，這為開發(fā)治療促進骨折修復(fù)的藥物提供了新的理論基礎(chǔ)。

4 結(jié)論和展望

骨修復(fù)和重塑期間的Wnt信號傳導(dǎo)涉及各種細(xì)胞和調(diào)節(jié)因子之間的相互作用。Wnt信號傳導(dǎo)在骨和軟骨的胚胎發(fā)育過程中起著至關(guān)重要作用，并且在成人骨骼中，調(diào)節(jié)骨穩(wěn)態(tài)、修復(fù)和重塑；Wnt途徑影響干細(xì)胞增殖、分化等。但到目前為止，Wnt和Wnt拮抗劑在骨骼生理學(xué)和骨修復(fù)、骨重塑方面的作用仍有待完全闡明。進一步研究可能會發(fā)現(xiàn)還有其他分子，能夠增強Wnt信號通路傳導(dǎo)，以增強骨修復(fù)和骨重塑作用。