成骨細胞調(diào)節(jié)破骨細胞功能的機制及途徑研究進展

王瑞，楊諦

1中國醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院附屬口腔醫(yī)院，遼寧沈陽 110002；2遼寧省口腔疾病重點實驗室；3中國醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院中心實驗室

骨組織在微觀結(jié)構(gòu)上由骨細胞、膠原纖維和骨基質(zhì)組成，其作用是為人體提供機械支持、物理保護及為全身礦物穩(wěn)態(tài)提供儲存場所等。骨在人的一生中都進行著重塑及修復(fù)過程，主要包括三個階段：破骨細胞激活并介導(dǎo)骨吸收、破骨細胞功能抑制和成骨細胞激活、骨形成[1]。骨組織中細胞主要是成骨細胞及破骨細胞等。成骨細胞主要負責骨形成，還能合成M-CSF、MCP-1、RANKL等細胞因子調(diào)節(jié)破骨細胞功能[2]，破骨細胞則介導(dǎo)骨吸收，兩者間的作用是骨重塑及骨修復(fù)的關(guān)鍵。由于破骨細胞是人體內(nèi)惟一介導(dǎo)骨吸收的細胞[3]。因此，成骨細胞調(diào)節(jié)破骨細胞生成及功能可能成為治療骨相關(guān)疾病新的方向。成骨細胞主要調(diào)節(jié)破骨細胞在骨面的附著、分化、凋亡及在骨重塑逆轉(zhuǎn)階段，抑制破骨細胞骨吸收等[4]。成骨細胞調(diào)節(jié)破骨細胞的途徑包括旁分泌途徑、近分泌途徑及旁分泌、近分泌兩途徑協(xié)同[2]?，F(xiàn)就成骨細胞調(diào)節(jié)破骨細胞的機制及途徑研究進展情況綜述如下。

1 成骨細胞調(diào)節(jié)破骨細胞功能的機制

Rodan和Martin在1981年首次提出成骨細胞參與破骨細胞骨吸收功能調(diào)節(jié)的理論[4]。成骨細胞可以調(diào)節(jié)破骨細胞在骨表面的附著、分化和凋亡，還可以抑制骨重塑逆轉(zhuǎn)階段破骨細胞骨吸收。

1.1 成骨細胞調(diào)節(jié)破骨細胞在骨表面的附著 成熟的骨質(zhì)表面被覆一層扁平的成骨細胞—骨襯里細胞。研究表明，骨襯里細胞(成骨細胞的亞群)與附著在骨上的破骨細胞密切接觸[5]。如果將破骨細胞與被覆有骨襯里細胞的骨組織相接觸，不能發(fā)生骨吸收現(xiàn)象。破骨細胞生成啟動主要取決于覆蓋在骨表面的成骨細胞受到骨代謝調(diào)節(jié)因子的作用，胞體變圓，從礦化的骨表面移開，同時分泌蛋白酶，消化骨表面的類骨質(zhì)，暴露礦化的骨面，為破骨細胞的附著提供條件[3,5]。在成骨細胞合成的非膠原蛋白中，骨唾酸蛋白及骨橋蛋白等物質(zhì)含有Ary-Gly-Asp氨基酸序列，該序列可與破骨細胞膜上的整合素結(jié)合，從而提供破骨細胞與骨基質(zhì)附著的位置。

1.2 成骨細胞調(diào)節(jié)破骨細胞分化 Everts等發(fā)現(xiàn)，骨襯里細胞(成骨細胞的亞群)與附著在骨上的破骨細胞密切接觸。破骨細胞生成的啟動主要取決于這兩個細胞之間的相互作用[5]。成骨細胞能夠分泌巨噬細胞集落刺激因子(M-CSF),可與破骨細胞表達的c-FMS受體結(jié)合，進而促進破骨細胞的分化[2]。成骨細胞還能夠產(chǎn)生單核細胞趨化蛋白-1(MCP-1)，可與破骨細胞前體細胞表達的受體結(jié)合，進而促進破骨細胞分化[2]。成骨細胞分泌的基質(zhì)細胞衍生因子(SDF-1，也稱為CXCL12)也是破骨細胞前體候選招募者[2]。

研究發(fā)現(xiàn)，OPG/RANKL在破骨細胞形成中起著關(guān)鍵作用。RANKL被稱為破骨細胞分化因子，可由成骨細胞分泌,并且成骨細胞的外泌體內(nèi)也檢測到RANKL[6]。RANK是TNF受體超家族的Ⅰ型跨膜蛋白成員，在破骨細胞祖細胞膜上高表達，RANK與RANKL結(jié)合后，激活TNF受體相關(guān)因子家族。RANK/TRAF通過JNK/AP-1、κK/NF-κB、c-myc和鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶/NFATC1信號通路調(diào)節(jié)破骨細胞的分化。成骨細胞也可以產(chǎn)生骨保護素(OPG),與RANK結(jié)合，抑制破骨細胞分化。成骨細胞還能夠表達NFATC1,其是破骨細胞分化及發(fā)揮功能過程中重要的轉(zhuǎn)錄因子[7]。有研究表明，富含亮氨酸的G蛋白偶聯(lián)受體4(LGR4，又稱GPR 48)也是RANKL受體，成骨細胞表達RANKL后，RANKL可與LGR4結(jié)合，進而調(diào)節(jié)破骨細胞分化[8]。在承受疲勞負荷的骨骼中，凋亡細胞附近的活骨細胞除了高RANKL/OPG比外，還表達增加的血管內(nèi)皮生長因子和單核細胞趨化蛋白1，從而促進局部破骨細胞增多[2]。成骨細胞還表達另一種轉(zhuǎn)錄因子，早期B細胞因子2，與β-catenin-TCF/LEF協(xié)同結(jié)合并激活OPG啟動子，進而抑制破骨細胞分化。近年來，還發(fā)現(xiàn)成骨細胞還可通過EphB4抑制破骨細胞的分化[9]。HAYASHI等發(fā)現(xiàn)，成骨細胞分泌的Sema3A呈劑量依賴性的抑制破骨細胞生成[10]。SIMS等發(fā)現(xiàn)，溶血磷脂酸(LPA)可由成骨細胞產(chǎn)生，其可以調(diào)節(jié)破骨細胞中鈣的信號傳導(dǎo)，并誘導(dǎo)NFATc1的核積累[11]，而這個信號通路是破骨細胞生成的重要信號通路。目前還發(fā)現(xiàn)，分化的成骨細胞的Wnt信號誘導(dǎo)RANKL受體骨保護蛋白的表達，抑制破骨細胞分化[12]。研究表明，成骨細胞分泌Galectin-3可通過干擾RANKL信號通路抑制破骨細胞分化[13]。文獻證實，成骨細胞表達游離脂肪酸受體4(FFAR4)，F(xiàn)FAR4通過抑制NK-κβ，從而抑制破骨細胞分化[14]。成骨細胞特定的Notch1缺失導(dǎo)致OPG生成減少，從而導(dǎo)致破骨細胞數(shù)量增加[15]。實驗證實，神經(jīng)調(diào)節(jié)素(NMB)可由成骨細胞產(chǎn)生[16]，沉默破骨細胞神經(jīng)調(diào)節(jié)素受體(NMBR)可抑制破骨細胞分化。有研究表明，IDH2缺乏癥通過限制成骨細胞中RANKL的表達來增加骨質(zhì)，減少破骨細胞生成[17]。

1.3 成骨細胞誘導(dǎo)破骨細胞凋亡 KRUM等發(fā)現(xiàn)，雌激素通過上調(diào)成骨細胞FasL的表達而誘導(dǎo)前破骨細胞凋亡[18]，他莫昔芬和雷洛昔芬也通過相同的成骨細胞依賴性機制誘導(dǎo)前破骨細胞凋亡。GARCIA等認為，17b-雌二醇通過使成骨細胞表達的FasL裂解和溶解，介導(dǎo)破骨細胞凋亡[19]。Wang等發(fā)現(xiàn)，成骨細胞通過FAS配體(FASL)/FAS信號傳導(dǎo)誘導(dǎo)破骨細胞凋亡[2]，成骨細胞中條件性敲除FasL可導(dǎo)致破骨細胞數(shù)量、活性增加。研究表明，NMB可由成骨細胞產(chǎn)生，沉默NMBR可促進破骨細胞凋亡[16]。成骨細胞還可以產(chǎn)生FFAR4(GPR120),誘導(dǎo)破骨細胞凋亡[20]。

1.4 成骨細胞抑制破骨細胞骨吸收 在骨重塑逆轉(zhuǎn)階段，當成熟破骨細胞不與成骨細胞接觸時，破骨細胞介導(dǎo)骨吸收。但當破骨細胞與成骨細胞接觸時，骨吸收會被抑制[21]。

2 成骨細胞調(diào)節(jié)破骨細胞功能的途徑

成骨細胞調(diào)節(jié)破骨細胞功能的具體途徑主要包括旁分泌途徑、近分泌途徑以及旁分泌、近分泌兩途徑協(xié)同作用。

2.1 旁分泌途徑 主要為成骨細胞分泌一些細胞因子對破骨細胞進行間接的調(diào)節(jié)作用。

2.1.1 細胞產(chǎn)生細胞因子等作用于破骨細胞 外泌體是承載細胞因子的主要介質(zhì)之一。成骨細胞能夠通過分泌核因子κB受體活化因子配體(RANKL)來調(diào)控破骨細胞的分化和功能。RANKL是腫瘤壞死因子家族的成員之一，可由跨膜蛋白的形式存在于成骨細胞，也可以可溶性的形式(sRANKL)由成骨細胞分泌至胞外，與破骨細胞表面受體RANK相結(jié)合，啟動其下游信號，促進破骨生成。RANKL/RANK及sRANKL/RANK激活活化NFATc1，促進NFATc1去磷酸化及核內(nèi)轉(zhuǎn)移，調(diào)節(jié)其下游破骨細胞特有基因cathepsin K、破骨細胞相關(guān)受體、抗酒石酸酸性磷酸酶表達，從而調(diào)節(jié)破骨細胞分化，也可以調(diào)節(jié)破骨細胞的凋亡[7]。成骨細胞還產(chǎn)生骨保護素(OPG)，作為RANKL的誘餌受體，阻止RANKL結(jié)合到RANK，從而抑制破骨細胞分化。RANKL與OPG的比例關(guān)系是成骨細胞影響破骨細胞形成、調(diào)控其及活性、調(diào)節(jié)骨重塑過程重要因素，其可作為評估骨改建過程處于不同階段或狀態(tài)的指標。單核細胞趨化因子1(MCP-1)是骨改建過程中成骨細胞對破骨細胞形成、活性調(diào)節(jié)起重要調(diào)控作用的細胞因子之一。由成骨細胞分泌的MCP-1等趨化因子可刺激破骨細胞前體的遷移及募集，調(diào)節(jié)破骨細胞分化。成骨細胞也產(chǎn)生LPA，LPA通過作用于成熟破骨細胞的多個受體亞型誘導(dǎo)細胞收縮和提升細胞胞質(zhì)中Ca2+濃度，激活轉(zhuǎn)錄因子NFATc1，進而促進破骨細胞分化。LPA還促進破骨細胞融合，導(dǎo)致形成較大的細胞[12]；M-CSF也是成骨細胞調(diào)節(jié)破骨細胞重要的細胞因子。孫俊認為，高糖環(huán)境下成骨細胞通過MCP-1/c-fos/NFATC1通路促進破骨細胞分化[22]。研究表明，NO是成骨細胞與破骨細胞間重要的偶聯(lián)因子，細胞因子作用于成骨細胞，刺激成骨細胞可以產(chǎn)生NO，進而抑制破骨細胞分化，及促進破骨祖細胞的凋亡[23]。成骨細胞在骨組織中產(chǎn)生Lm-332，在通過抑制破骨細胞形成來控制正常骨重塑中起關(guān)鍵作用[24]。

2.1.2 破骨細胞骨吸收釋放基質(zhì)中細胞因子 成骨細胞的主要生物學(xué)功能是分泌和形成骨基質(zhì)，在發(fā)揮基礎(chǔ)功能的同時，成骨細胞還會分泌一些細胞因子，包埋在骨基質(zhì)中，在發(fā)生生理及病理性的骨吸收過程時，包埋在骨基質(zhì)中的細胞因子，會被釋放出來，進一步調(diào)節(jié)骨代謝過程，這包括調(diào)節(jié)成骨細胞的分化和功能，也能間接調(diào)節(jié)破骨細胞的分化和功能[25]。

2.2 近分泌途徑 主要包括細胞直接接觸、細胞間縫隙連接。

2.2.1 直接接觸 成骨細胞膜表面與破骨細胞膜表面配體和受體相結(jié)合，啟動破骨細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，進而調(diào)節(jié)破骨細胞的分化。EphB4受體和其配體ephrinB2是細胞之間近分泌調(diào)控的重要位點，二者均為跨膜蛋白，通過酪氨酸殘基的磷酸化，介導(dǎo)雙向的信號傳遞。EphB4表達在成骨細胞膜上，其配體ephrinB2可同時表達于成骨細胞和破骨細胞膜上。成骨細胞和破骨細胞相接觸后，正向信號傳遞為ephrinB2-EphB4，EphB4調(diào)控下游的Osx及RunX2來促進成骨細胞分化，負向信號傳遞為EphB4-ephrinB2，ephrinb2抑制c-Fos和NFATC1介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄級聯(lián)反應(yīng)來抑制破骨細胞的分化[9]。激活EphB4/ephrinb2介導(dǎo)的雙向信號轉(zhuǎn)導(dǎo)可通過調(diào)控成、破骨細胞的功能，從而維持骨組織穩(wěn)態(tài)。經(jīng)由EphB4/ephrin b2介導(dǎo)的雙向信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，調(diào)控骨改建中骨吸收向骨生成的轉(zhuǎn)化不受RANKL、CSF-1及OPG等因子的調(diào)控。Ephrinb2介導(dǎo)的雙向信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，也可通過與其他信號傳導(dǎo)系統(tǒng)的相互協(xié)調(diào)發(fā)揮作用。

2.2.2 縫隙連接 縫隙連接是由連接蛋白(CX)組成的，是相鄰細胞之間的通道結(jié)構(gòu)，通道內(nèi)可以通過鈣離子、激素、氨基酸、IP3及環(huán)磷酸腺苷等一些小分子物質(zhì)，從而實現(xiàn)細胞間通訊的功能。透射電子顯微鏡照片顯示成熟破骨細胞和成骨細胞之間存在縫隙連接[2,26]。研究表明，成骨細胞與破骨細胞之間存在縫隙連接，且染料的擴散被縫隙連接的抑制劑辛醇抑制[27]。也有研究表明，骨襯里細胞(成骨細胞的亞群)與附著在骨上的破骨細胞密切接觸，兩者之間相互作用，最終促進破骨細胞分化[5]。CX43、CX37已被證明在成骨細胞及破骨細胞中表達[28]；此外通過使用油酸酰胺預(yù)處理抑制縫隙連接介導(dǎo)的細胞間通訊，能夠降低破骨細胞的骨吸收活性，ILVERSARO等也證實，抑制縫隙連接將會導(dǎo)致破骨細胞的凋亡變化[29]。

2.3 旁分泌與近分泌協(xié)同作用 有研究表明，當成骨細胞表達EphB4下降時，RANKL的表達反而升高。EphB4與其他所有的酪氨酸激酶受體一樣，是一種跨膜蛋白，其胞外區(qū)域與ephrinB2相結(jié)合，胞質(zhì)區(qū)部分含有高度保守具有催化蛋白底物酪氨酸磷酸化的激酶區(qū)。DOKs是存在于胞質(zhì)中與酪氨酸激酶相關(guān)的信號分子，可以作為Eph的底物而被磷酸化[30]。DOK3是DOK家族中的一員，與骨組織發(fā)育密切相關(guān)。來源于DOK3敲除鼠的成骨細胞表達RANKL下降，DOK3-/-成骨細胞與破骨細胞前體共培養(yǎng)后，破骨生成能力下降[31]。DOK3作為銜接蛋白，與5′肌醇特異性脂質(zhì)磷酸酶-SHIP1形成復(fù)合物，抑制JNK通路的激活[32]。在成骨細胞中，RANKL的表達受到JNK通路的正向調(diào)控[32]。

綜上所述，成骨細胞可以調(diào)節(jié)破骨細胞在骨表面的附著、調(diào)節(jié)破骨細胞分化，調(diào)節(jié)破骨細胞的凋亡及骨重塑逆轉(zhuǎn)階段抑制破骨細胞骨吸收，主要通過旁分泌、近分泌及旁分泌、近分泌協(xié)同作用等途徑發(fā)揮作用，這種調(diào)節(jié)在骨重塑及骨修復(fù)的過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)有特殊的基因給藥方法可以實現(xiàn)特異性靶向骨表面，從而準確使成骨細胞細胞因子或者具有重要作用的蛋白穩(wěn)定的表達，從而實現(xiàn)治療作用，是一種具有前景的方法[33]。雖然這種治療方法仍有一些不良反應(yīng)未明，仍需大型動物相關(guān)實驗檢驗不良反應(yīng)，但其優(yōu)勢也是極其明顯的，臨床前景廣闊，具有較強探索及研究價值。相信未來，基因療法的攻克，就可以通過調(diào)節(jié)成骨細胞內(nèi)細胞因子的表達，從而調(diào)節(jié)破骨細胞生成及功能，最終實現(xiàn)骨重塑和骨重建。