PPARγ 介導(dǎo)的信號(hào)通路在骨質(zhì)疏松癥中作用的研究進(jìn)展

李立，趙澤玉，楊榮，趙剛

（昆明醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院創(chuàng)傷外科，云南 昆明）

0 引言

骨質(zhì)疏松癥（ osteoporosis，OP）是一種以骨量低，骨組織微結(jié)構(gòu)損壞，導(dǎo)致骨脆性增加，易發(fā)生骨折為特征，并嚴(yán)重威脅中老年人健康的全身性骨病。世界衛(wèi)生組織將其與糖尿病、心血管病共同列為影響中老年人身體健康的三大殺手之一。由于易發(fā)生骨折使患者致畸、致殘、甚至死亡，已嚴(yán)重影響了廣大中老年女性生理健康及生活質(zhì)量。根據(jù)2018 年《中國(guó)老年骨質(zhì)疏松診療指南》，將骨質(zhì)疏松癥分為了原發(fā)性和繼發(fā)性兩大類[1]。本文主要針對(duì)原發(fā)性骨質(zhì)疏松展開。

1 骨重塑生理過程

骨重塑是一個(gè)周期性的骨代謝過程，其發(fā)生在基本多細(xì)胞單位的微環(huán)境里[2]。在人的整個(gè)生命過程中，激素信號(hào)，免疫變化，氧化狀態(tài)和骨細(xì)胞對(duì)機(jī)械負(fù)荷的反應(yīng)性改變，或獨(dú)立作用，或聯(lián)合起作用，調(diào)控著骨組織不斷地進(jìn)行重塑[3]。骨重塑以骨溶解和骨吸收為開端，以骨形成為結(jié)束，是骨骼局部舊骨代之以形成新骨的過程，是成熟骨組織的一種重要替換機(jī)制。破骨細(xì)胞是影響骨吸收的主要細(xì)胞；成骨細(xì)胞是促進(jìn)骨形成的細(xì)胞，能特異性分泌多種生物活性物質(zhì)，調(diào)節(jié)并影響骨的形成和重建過程。骨吸收速率與骨形成速率構(gòu)成骨轉(zhuǎn)換率[4]。骨質(zhì)疏松是由于骨形成和骨吸收代謝紊亂所致。骨質(zhì)疏松的發(fā)生和發(fā)展與間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cells， MSCs）向成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞等分化障礙密切相關(guān)，現(xiàn)代研究表明，在MSCs 成骨分化及骨代謝過程中存在包括但不限于RANKL /RANK/OPG 信號(hào)通路、過氧化物酶增殖物激活受體（Peroxisome proliferator-activated receptors γ， PPARγ）信號(hào)通路、Wnt /β-catenin 信號(hào)通路、PTH 信號(hào)通路等，各個(gè)通路間還存在交叉影響[5]。其中PPARγ 信號(hào)通路對(duì)調(diào)節(jié)MSCs 成骨分化作用尤為關(guān)鍵，該信號(hào)通路調(diào)節(jié)紊亂將導(dǎo)致MSCs 成骨分化障礙，從而導(dǎo)致OP。

2 PPARγ 介導(dǎo)的信號(hào)通路在骨質(zhì)疏松癥中作用

2.1 間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化障礙與OP 的發(fā)生密切相關(guān)

在人體的骨骼中成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞三種主要類型的細(xì)胞共同參與了人體骨形成與吸收的相互平衡。成骨細(xì)胞由間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cells， MSCs）分化而來，這一過程需要經(jīng)歷多個(gè)階段的轉(zhuǎn)化，并受到雌激素、細(xì)胞因子和基因表達(dá)等多方面的調(diào)控。骨髓原始間充質(zhì)干細(xì)胞是骨髓基質(zhì)干細(xì)胞，是在哺乳動(dòng)物的骨髓基質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的一種具有分化形成骨、軟骨、脂肪等細(xì)胞的多種分化潛能的干細(xì)胞。在骨骼發(fā)育的過程中一部分成骨細(xì)胞經(jīng)過劇烈的形態(tài)轉(zhuǎn)化后分化成為骨細(xì)胞并埋于骨礦化的基質(zhì)中[6]。MSCs 數(shù)量的減少及向成骨細(xì)胞分化障礙直接導(dǎo)致了骨形成的減少，打破平衡關(guān)系誘發(fā)了OP 的形成。因此MSCs 成骨分化障礙是OP 形成的關(guān)鍵性因素之一。

MSCs 是一種存在骨髓中的成體細(xì)胞，能夠在體內(nèi)和體外誘導(dǎo)分化為骨、軟骨、肌肉、神經(jīng)等組織，可自體移植，無致腫瘤性、免疫排斥，且骨髓MSCs 的來源廣泛，其在出生后保持多譜系分化和自我更新的能力[7]。MSCs 在體外分離和擴(kuò)增的特征容易使其成為再生醫(yī)學(xué)中有前途的治療方式，同時(shí)也成為研究成骨分化機(jī)制的最佳選擇。

在卵巢切除的OP 動(dòng)物模型和人類衰老引發(fā)的老年性O(shè)P 中，研究者均觀察到了骨密度的降低同時(shí)伴隨著骨髓脂肪化[8]。目前對(duì)于這種病理變化，更多學(xué)者的觀點(diǎn)認(rèn)為是MSCs 成骨分化能力降低，同時(shí)MSCs 分化為脂肪細(xì)胞的能力增加[9]。這一觀察結(jié)果可能表明成骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞的分化途徑是共同調(diào)節(jié)的，并且這兩個(gè)譜系在分化過程中可能存在相互影響[10]。也有研究指出MSCs 向成骨細(xì)胞分化受到多種信號(hào)的調(diào)節(jié)，而信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的失活更有助于MSCs 向脂肪細(xì)胞分化[11]。脂肪細(xì)胞和成骨細(xì)胞均具有共同的間充質(zhì)祖先，過度的脂肪生成和骨骼自我更新之間是否存在反比關(guān)系？MSCs 過度的脂肪分化是否是原發(fā)性O(shè)P 發(fā)病機(jī)制之一？在MSCs 分化調(diào)節(jié)中成脂與成骨之間平衡的分子機(jī)制尚不十分明確，仍需進(jìn)一步研究。

2.2 核因子信號(hào)途徑在MSCs 成骨分化中的作用

目前的研究認(rèn)為，MSCs 的分化是一種多機(jī)制調(diào)節(jié)的共同結(jié)果。MSCs 成骨分化過程中通過對(duì)多種細(xì)胞因子、酶活性的激活或抑制以及上調(diào)或下調(diào)受體配體的表達(dá)等調(diào)控多條信號(hào)通 路，如Wnt/β-catenin[12]BMPs 及TGF-β[8；13]，核 因 子NFκB[14]和microRNAs[15]參與的等眾多信號(hào)通路最終影響核內(nèi)基因表達(dá)。Wnt 信號(hào)傳導(dǎo)是控制MSCs 成骨分化的關(guān)鍵性途徑[16]。Huh[10]等認(rèn)為Wnt 信號(hào)在MSCs 中進(jìn)一步激活并促進(jìn)向成骨細(xì)胞方向分化，該途徑能夠控制骨形成和脂肪形成之間的平衡。趙芳英等[17]研究發(fā)現(xiàn)Wnt 能夠通過激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路，提高RUNX2、β-catenin 及BSPmRNA 和蛋白的表達(dá)水平以達(dá)到調(diào)控人MSCs 成骨分化。非經(jīng)典途徑Wnt5a 可以增強(qiáng)Wnt/β-聯(lián)蛋白信號(hào)傳導(dǎo)，促進(jìn)成骨細(xì)胞發(fā)生[18]。BMPs 主要通過Smad 途徑引發(fā)細(xì)胞反應(yīng)，具有絲氨酸/蘇氨酸激酶活性的I 型、II 型受體和細(xì)胞內(nèi)Smad 蛋白將信號(hào)從細(xì)胞表面?zhèn)鬟f至細(xì)胞核并誘導(dǎo)MSCs 成骨[19]。microRNAs 作為非編碼小分子物質(zhì)在成骨分化的各信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)上起到了轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的作用[15]。

2.3 PPARγ 信號(hào)通路介導(dǎo)BMSCs 向脂肪細(xì)胞分化

過氧化物酶增殖物激活受體（Peroxisome proliferator-activated receptors， PPARs）是核激素受體家族中的配體激活受體，其三個(gè)主要亞型分別是PPARα、PPARβ/δ、PPARγ，由于其基因編碼、分布位置、功能以及配體不同而具有不同的特性[20]。MSCs 分化為脂肪細(xì)胞是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及誘導(dǎo)基因表達(dá)并產(chǎn)生脂肪細(xì)胞發(fā)育的轉(zhuǎn)錄因子[21]。PPARγ 在脂肪細(xì)胞中表達(dá)最高，并且在MSCs 協(xié)調(diào)成脂分化和成骨分化中起到了關(guān)鍵的作用[22]。

目前的研究發(fā)現(xiàn)MSCs 在分化為脂肪細(xì)胞前，首先分化為前脂肪細(xì)胞，并與祖細(xì)胞表現(xiàn)出相似的形態(tài)，而不能再次轉(zhuǎn)化為成骨細(xì)胞或軟骨細(xì)胞[23]。Titorencu 等[24]的研究證實(shí)了缺乏PPARγ的細(xì)胞不能促進(jìn)脂肪形成信號(hào)傳導(dǎo)，將導(dǎo)致進(jìn)一步發(fā)生脂肪營(yíng)養(yǎng)不良。Cao 等[25]發(fā)現(xiàn)在MSCs 中表達(dá)的PPARγ 是脂肪細(xì)胞分化的主要轉(zhuǎn)錄因子，并且是MSCs 分化為成骨細(xì)胞或脂肪細(xì)胞的雙轉(zhuǎn)換必不可少的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子。Wang 等[26]的研究表明PPARγ 上調(diào)可以促進(jìn)脂肪分化，同時(shí)抑制軟骨和成骨細(xì)胞的生成。當(dāng)PPARγ 的表達(dá)減少時(shí)，可以抑制脂肪細(xì)胞分化，并且增強(qiáng)成骨細(xì)胞分化并在空間和時(shí)間上控制MSCs 向軟骨細(xì)胞分化的過程[27]。這些研究結(jié)果均強(qiáng)調(diào)了PPARγ 在調(diào)節(jié)MSCs 多向分化潛能中的重要性。PPARγ 的表達(dá)與OP 的發(fā)病相關(guān)性因素，如性激素水平降低、氧化應(yīng)激升高、成骨細(xì)胞系細(xì)胞衰老等，存在直接或間接的聯(lián)系。雌激素作為一種保護(hù)性激素通過廣譜分子機(jī)制影響了PPARγ 的表達(dá)，減少過多的脂肪生成[28]。一些抗氧化劑（如褪黑素）在MSCs 中通過減少活性氧含量并使 ERK / GSK-3β 位點(diǎn)磷酸化，進(jìn)一步阻斷了PPARγ 的活化[29]。而相比幼年大鼠的MSCs，老年大鼠MSCs 表現(xiàn)出了更低的成骨能力和更高的PPARγ表達(dá)情況，表明了衰老引起的成骨和脂肪生成之間的不平衡可能是降低成骨細(xì)胞數(shù)量的因素之一[30]。

而且，現(xiàn)有的更多證據(jù)指出了PPARγ 激動(dòng)劑存在潛在的引發(fā)骨質(zhì)流失和骨折風(fēng)險(xiǎn)增加的風(fēng)險(xiǎn)。噻唑烷二酮（thiazolidinediones，TZDs）是PPAR 的合成配體，作為PPARγ 激動(dòng)劑和胰島素增敏劑廣泛應(yīng)用于糖尿病的臨床治療[31,32]。TZDs 對(duì)PPARγ 的激活以促進(jìn)脂肪生成而減少成骨細(xì)胞形成為代價(jià)，導(dǎo)致了對(duì)骨骼的相關(guān)副作用[33]。Yau 等[34]發(fā)現(xiàn)在2 型糖尿病患者中接受6 個(gè)月的TZDs治療可降低MSCs 對(duì)成骨細(xì)胞生成的作用，并刺激脂肪形成和脂肪細(xì)胞前體的形成。TZDs 的使用還會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致老年女性進(jìn)行性骨質(zhì)流失和循環(huán)骨形成標(biāo)志物水平降低[35]。在間充質(zhì)細(xì)胞系中，TZDs 激活PPARγ 從而促進(jìn)脂肪細(xì)胞分化和抑制成骨細(xì)胞形成，并進(jìn)一步造成了骨形成減少和骨吸收增加的發(fā)生[36]。T0070907是一種使用最廣泛的PPARγ 選擇性抑制劑，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道當(dāng)其濃度在10μM 時(shí)能夠有效抑制 MSCs 的成脂分化[11,37]，同時(shí)通過上調(diào)堿性磷酸酶活性促進(jìn)骨膜來源細(xì)胞的成骨細(xì)胞分化[38,39]。然而T0070907 在OP 的治療作用尚未見報(bào)道。

3 通過調(diào)節(jié)PPARγ 信號(hào)通路治療骨質(zhì)疏松

通過調(diào)節(jié)PPARγ 信號(hào)通路，調(diào)節(jié)骨量代謝，從而治療骨質(zhì)疏松，是一種潛在的有效方式。一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將白藜蘆醇添加到成骨培養(yǎng)基中時(shí)，Runx2 表達(dá)和基質(zhì)礦化增加，從而促進(jìn)成骨，白藜蘆醇還可抑制PPARγ 基因的表達(dá)，進(jìn)而抑制CyclinD1 基因的表達(dá)，細(xì)胞周期停留在G1 期，脂肪細(xì)胞的增殖受到抑制[40]，PPARγ的拮抗劑雙酚A 二縮水甘油醚（BADGE）在體外和體內(nèi)均可抑制脂肪形成，使用其治療可導(dǎo)致骨髓脂肪形成減少，并伴隨成骨細(xì)胞生成增加，此外，BADGE 治療可改善類固醇相關(guān)性骨壞死的骨形成，并減少骨髓脂肪沉積[41]。Staines K 等認(rèn)為PPARγ 是骨骼間充質(zhì)細(xì)胞譜系分配的調(diào)節(jié)劑（即成骨細(xì)胞對(duì)脂肪細(xì)胞），且PPARγ拮抗劑劑量依賴性地上骨調(diào)礦化作用，從而促進(jìn)成骨[42]。Smith B J 等發(fā)現(xiàn)PPARγ 表達(dá)下降與Phex 表達(dá)增加同時(shí)發(fā)生，這一事實(shí)支持酸櫻桃可通過增強(qiáng)類骨質(zhì)礦化來增加骨量[3]。T007 是一種PPAARγ 拮抗劑，Xiang Li 等通過切除卵巢小鼠模型發(fā)現(xiàn)，它可抑制PPARγ 活化，促進(jìn)成骨細(xì)胞分化為骨細(xì)胞，并抑制RANKL 誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞生成，并通過增加Runx2 表達(dá)促進(jìn)BMSCs 生長(zhǎng)，從而增加骨骼形成[43]。

4 總結(jié)與展望

骨質(zhì)疏松癥是一種常見的、多發(fā)的并且嚴(yán)重危害中老年人的一種骨病，隨著對(duì)此疾病的研究和認(rèn)識(shí)的深入，已經(jīng)到達(dá)了分子水平，RANKL /RANK/OPG 信號(hào)通路、PPARγ 信號(hào)通路、Wnt /β-catenin 信號(hào)通路、PTH 信號(hào)通路等，或單獨(dú)或共同調(diào)節(jié)骨質(zhì)代謝，維持了骨質(zhì)和骨量的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。Wnt 信號(hào)通路被認(rèn)為是調(diào)節(jié)BMSCs 向成骨細(xì)胞分化的關(guān)鍵信號(hào)途徑，而PPARγ 信號(hào)途徑則被認(rèn)為是調(diào)節(jié)BMSCs 向脂肪細(xì)胞分化的關(guān)鍵信號(hào)途徑?？梢詮姆肿铀秸J(rèn)識(shí)骨質(zhì)疏松發(fā)生發(fā)展的機(jī)制，為治療骨質(zhì)疏松提供重要的理論依據(jù)。