高膽固醇對骨代謝影響的研究進展

喬銘薪 朱舟 萬乾炳

四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院，四川 成都 610041

隨著人們生活水平的提高及人口老齡化，脂代謝異常及骨代謝異常發(fā)病率逐年上升，且常合并發(fā)生。研究表明脂質(zhì)代謝和骨代謝關(guān)系密切[1]，骨密度(bone mineral density，BMD)及骨量與低密度脂蛋白膽固醇(low-density lipoprotein cholesterol，LDL-C)、高密度脂蛋白膽固醇(high density liptein cholesterol，HDL-C)等膽固醇之間存在顯著關(guān)系[2-4]。臨床研究顯示血脂異常與低骨密度間正相關(guān)[5-6]，特別是絕經(jīng)女性[7]，對其行激素替代治療可減少骨質(zhì)流失，降低血清總膽固醇(TC)和LDL-C水平[2,8]，可見高脂血癥極可能破壞骨代謝平衡[9]。膽固醇作為脂代謝的重要部分，其血液濃度超量是導(dǎo)致高脂血癥發(fā)生的主要危險因素。據(jù)此，本文從膽固醇對骨代謝細(xì)胞的影響和對骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone mesenchymal stem cells，BMSC)分化的調(diào)控及相關(guān)機制等方面展開闡述，以期為脂代謝紊亂相關(guān)的骨代謝疾病的防治提供理論依據(jù)。

1 膽固醇與成骨細(xì)胞

1.1 高脂血癥對成骨細(xì)胞的影響

成骨細(xì)胞是起源于BMSC，參與骨代謝的單核細(xì)胞。據(jù)報道，高脂血癥/高膽固醇血癥對成骨細(xì)胞的活性會產(chǎn)生負(fù)面影響[10-11](圖1)。高膽固醇(HCD)喂養(yǎng)的大鼠血清骨吸收標(biāo)志物水平顯著升高；停止HCD骨形成標(biāo)志物(BGP、ALPL、PINP)升高[6]。高膽固醇血癥也會引起成骨相關(guān)基因及通路的下調(diào)：如Runx2、TGF-β/BMP和Wnt通路等[10]。對大鼠原代成骨細(xì)胞體外研究表明，高劑量膽固醇對成骨細(xì)胞具有明顯毒性，而治療劑量的膽固醇依濃度不同作用效果也不一致[6]。綜上，血清總膽固醇水平升高會抑制成骨細(xì)胞活性及骨形成。但最近有研究顯示膽固醇對成骨細(xì)胞活動并非只有負(fù)面影響。如低于20 μg/mL膽固醇在體外可直接增加成骨功能基因的表達[6]。外源性膽固醇抑制成骨細(xì)胞分化，生理水平的內(nèi)源性膽固醇是Hedgehog信號介導(dǎo)骨髓基質(zhì)細(xì)胞成骨反應(yīng)所必需的，這表明膽固醇在調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞分化和對Hedgehog途徑激活具有雙重作用[12]。

1.2 膽固醇種類及產(chǎn)物對成骨細(xì)胞的影響

不同類型膽固醇對成骨細(xì)胞的作用并不同(表1)。研究報道BMD和低密度脂蛋白(LDL)間通常存在負(fù)相關(guān)關(guān)系[3]。載脂蛋白E(ApoE)可促進LDL的細(xì)胞攝取及清除，ApoE-/-小鼠會出現(xiàn)骨量丟失，原因可能是氧化型LDL(oxLDL)激活了炎癥反應(yīng)，促進了單核/巨噬細(xì)胞增多以及IL-1β、IL-6和TNF的表達增加，最終導(dǎo)致成骨細(xì)胞凋亡[3]。同樣ApoE-/-導(dǎo)致的LDL堆積也會抑制Wnt/β-catenin通路，使成骨基因及相關(guān)配體表達下調(diào)。而高密度脂蛋白(HDL)的濃度與骨量及BMD呈正相關(guān)[4,13]。HDL可實現(xiàn)膽固醇的逆轉(zhuǎn)運，減少oxLDL引起的成骨細(xì)胞凋亡。研究發(fā)現(xiàn)載脂蛋白A1(ApoA1-/-HDL主要成分)缺陷小鼠骨量明顯減少，成骨細(xì)胞相關(guān)因子(Runx2、Osterix、Col1a1)表達下降，分析其原因可能是ApoA1缺陷使HDL合成受損所導(dǎo)致[4]?？梢奌DL對成骨細(xì)胞功能活性有正調(diào)節(jié)作用，但也有認(rèn)為兩者間為負(fù)相關(guān)，這可能與遺傳、年齡、飲食和代謝狀態(tài)等因素有關(guān)[14]。研究顯示20(S)-羥基膽固醇和辛伐他汀通過Raf/MEK/ERK通路協(xié)同促進MSC成骨分化[15]。此外，部分羥膽固醇也能促進BMSC成骨基因表達且與BMP2協(xié)同誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化和增殖[16]，其中Hedgehog通路可能參與羥膽固醇介導(dǎo)的成骨過程[17]。

2 膽固醇與破骨細(xì)胞

2.1 高脂血癥對破骨細(xì)胞的影響

破骨細(xì)胞起源于血系單核巨噬細(xì)胞系統(tǒng)，其分化需要巨噬細(xì)胞集落刺激因子(M-CSF)和核因子κB受體活化因子配體(RANKL)[18]。高脂血癥/高膽固醇血癥通常會增加破骨細(xì)胞的活性，導(dǎo)致骨量丟失[10-11,19](圖1)。小鼠高脂飲食會升高其血清膽固醇水平，導(dǎo)致破骨細(xì)胞數(shù)量增加，最終降低小鼠BMD，提示破骨細(xì)胞在膽固醇誘導(dǎo)的骨丟失中起重要作用[19]?；蜓芯匡@示，高脂血癥小鼠破骨相關(guān)基因c-Fos、TRAP等表達較高[10]。此外，一種參與脂肪因子分泌和成骨/破骨細(xì)胞分化的肌動蛋白——虹膜蛋白的缺失會誘導(dǎo)機體出現(xiàn)高脂血癥，同時檢測到破骨細(xì)胞數(shù)量增加和RANKL的高表達[20]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激是由多種代謝因子如膽固醇引起的，用特異性抑制劑抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可減弱破骨細(xì)胞相關(guān)基因的表達和CREBH(內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)破骨細(xì)胞分化的下游效應(yīng)器)的激活[21]。以上表明，高膽固醇可刺激機體產(chǎn)生破骨細(xì)胞因子，激活RANKL/RANK/OPG通路，上調(diào)破骨基因表達來增加破骨細(xì)胞的分化成熟。

2.2 膽固醇種類及產(chǎn)物對破骨細(xì)胞的影響

不同類型膽固醇及產(chǎn)物對破骨細(xì)胞的作用并不單一(表1)。比如oxLDL上調(diào)破骨細(xì)胞活性，oxLDL不僅能直接刺激成骨細(xì)胞RANKL、CD36和肝X受體的表達，還能誘發(fā)炎性反應(yīng)，來增強破骨細(xì)胞分化[19]。另有研究發(fā)現(xiàn)，Toll樣受體2亦可通過誘導(dǎo)骨髓細(xì)胞Lox-1(oxLDL的受體)表達上調(diào)，模擬oxLDL的激活促進破骨細(xì)胞形成[22]。然而，尚有研究者認(rèn)為LDL和oxLDL可能會抑制破骨細(xì)胞分化成熟[23-24]。HDL則誘導(dǎo)破骨細(xì)胞凋亡，HDL處理破骨細(xì)胞后，核固縮細(xì)胞增加，這可能因為HDL上調(diào)了ABCG1(ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運體G1)的表達，促進了破骨細(xì)胞內(nèi)的膽固醇外流，破壞了細(xì)胞膽固醇穩(wěn)態(tài)，從而促進了破骨細(xì)胞的凋亡[25]。HDL亦可通過調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)抑制破骨細(xì)胞的功能：HDL可抑制T淋巴細(xì)胞與巨噬細(xì)胞的相互作用，降低炎癥反應(yīng)，從而減弱炎癥對RANK/RANKL的活化，削弱破骨細(xì)胞前體細(xì)胞的激活，最終抑制破骨細(xì)胞的活性[14]。27-羥基膽固醇(27-HC)可觸發(fā)巨噬細(xì)胞分泌TNFα和IL-8，最終通過多途徑刺激破骨細(xì)胞生成，該機制可能是27-HC通過抑制miR-139的表達和激活STAT3/c-Fos/NFATc1而導(dǎo)致的[26]。

表1 膽固醇及產(chǎn)物對成骨/破骨細(xì)胞的影響Table 1 The effect of cholesterol and its products on the activity of osteoblasts and osteoclasts

3 膽固醇對BMSC分化的調(diào)控

3.1 脂/骨代謝通路

脂肪細(xì)胞與成骨細(xì)胞均源自共同的祖細(xì)胞即BMSC。BMSC是聯(lián)系脂骨代謝的核心，骨髓脂肪量和骨量緊密相關(guān)且相互制約。脂代謝與骨代謝之間具有多條調(diào)控通路，包括無翼型MMTV整合位點通路(Wnt/β-catenin)、過氧化物酶體增殖物激活受體γ通路(PPARγ)、瘦素調(diào)節(jié)通路、骨形態(tài)發(fā)生蛋白通路、低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白5(LRP5)通路、固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白通路、氧化應(yīng)激通路等[32]。其中PPARγ、Wnt/β-catenin是兩者相互影響的重要分子基礎(chǔ)。Wnt/β-catenin通路已被證明可促進BMSC向成骨細(xì)胞分化，阻礙脂肪細(xì)胞分化[33-34]。部分Wnt蛋白激活了不針對β-catenin的非經(jīng)典途徑[34-35]。在成骨過程中，能夠激活非經(jīng)典途徑的Wnt5a和Wnt11的mRNA水平隨著ARL4C(GTP結(jié)合蛋白的ADP核糖基化因子)的敲低而降低[35]。PPARγ是促進脂肪細(xì)胞分化增殖的主要轉(zhuǎn)錄因子。脂肪酸長鏈和氧化衍生物可以結(jié)合并活化PPARγ[28]，Wnt也可通過PPARγ影響脂肪細(xì)胞的分化[36]?？梢奧nt通路與PPARγ在BMSC分化過程具有相互拮抗作用。

3.2 膽固醇對BMSC分化的影響

血清總膽固醇升高會促進BMSC向脂肪細(xì)胞分化，干擾成骨細(xì)胞分化。據(jù)報道，高膽固醇血癥患者體內(nèi)產(chǎn)生的氧化脂質(zhì)一方面可以直接激活 PPARγ，使BMSC分化向脂肪細(xì)胞傾斜[29]。同時過多的氧化脂質(zhì)還會誘發(fā)炎癥反應(yīng)，刺激破骨細(xì)胞成熟，誘導(dǎo)成骨細(xì)胞凋亡。然而不同類型膽固醇對BMSC分化的影響不同，部分氧固醇如25-羥基膽固醇在BMSC分化過程中有促成骨和抗脂肪的作用，它對脂肪生成的抑制可能與PPARγ低表達有關(guān)[37]。ApoA1-/-小鼠的BMSC表現(xiàn)出成脂細(xì)胞調(diào)節(jié)因子PPARγ和CEBPα表達的升高[4]，而成骨相關(guān)通路受損。膽固醇對BMSC的調(diào)節(jié)與Wnt信號通路也有關(guān)，LRP5作為LDL受體可抑制成骨細(xì)胞凋亡，其機制可能是LRP5上調(diào)β-catenin和LEF/TCF轉(zhuǎn)錄因子水平，從而增加成骨相關(guān)基因表達[38]。并且非經(jīng)典Wnt信號通路中Wnt-5a能刺激成骨細(xì)胞生成，通過CaMKII-TAK1/TAB2-NLK途徑抑制PPARγ誘導(dǎo)的脂肪生成[27]。ABCG1作為脂肪生成調(diào)節(jié)因子和膽固醇轉(zhuǎn)運蛋白，可通過Wnt/β-catenin和AMPK通路在成骨過程中發(fā)揮重要作用[39]，其高表達抑制成骨，促進成脂。近年部分研究顯示，氧化應(yīng)激介導(dǎo)的 FoxO-β-catenin-PPARγ信號軸的平衡，對 BMSCs分化的調(diào)控至關(guān)重要[36]。高膽固醇等因素會下調(diào)Wnt/β-catenin，增高核因子 κB 水平，最終刺激破骨細(xì)胞分化[32]。使用PPARγ拮抗劑的大鼠因PPARγ低表達阻滯了c-Fos表達，導(dǎo)致破骨細(xì)胞合成缺陷性骨硬化病[40]。綜上，Wnt通路及PPARγ在調(diào)節(jié)BMSC平衡分化及破骨細(xì)胞活性方面均發(fā)揮重要作用(圖1)。

圖1 脂代謝與骨代謝疾病作用機制示意圖Fig.1 Schematic diagram of the mechanism of the relationship between lipid metabolism and bone metabolic diseases注：“→ ”代表促進作用；“-| ”代表抑制作用

4 他汀類藥物與脂骨代謝

4.1 他汀類藥物的多效性能

他汀類藥物作為HMG-CoA還原酶的特異性抑制劑，是經(jīng)典有效的降膽固醇藥物[31]。研究者將他汀類藥物通過改性或聯(lián)合其他材料制備成新型生物復(fù)合材料，以期達到降脂、成骨、成血管等多效性能。Huang等[15]將20(S)-羥基膽固醇和辛伐他汀聯(lián)合應(yīng)用協(xié)同增強BMSC的成骨分化；另有研究將磷灰石(HAP)包裹的阿托伐他汀(AT)負(fù)載于PLGA微粒，形成PLGA-AT-HAP可注射復(fù)合材料用于骨組織工程[41]；二者均是利用他汀類藥物促進了骨骼的再生。Zhou等[42]得出辛伐他汀通過調(diào)節(jié)自噬流量改善高膽固醇飲食所致的大鼠頜骨微結(jié)構(gòu)缺損，說明他汀類藥物可修復(fù)高脂血癥引起的骨缺損。以上研究肯定了他汀類藥物對骨代謝的作用，但其療效取決于細(xì)胞類型、藥物種類、劑量及給藥途徑和治療時間等多種因素。

4.2 他汀類藥物對脂骨代謝的作用機制

他汀類藥物可以通過激活Wnt通路和抑制PPARγ[43-44]，來促進BMSC向成骨細(xì)胞分化。同時他汀類藥物可通過上調(diào)BMP-2和Runx2基因、抑制FPP和GGPP合成并調(diào)節(jié)Wnt/β-catenin及TGFβ/Smad3信號通路來激活成骨細(xì)胞分化，抑制其凋亡[31,43,45-46]。其次，他汀類藥物直接調(diào)節(jié)RANKL/RANK/OPG通路來抑制破骨細(xì)胞分化，從而發(fā)揮骨保護作用[42]；此外，他汀類藥物可通過刺激雌激素受體(ER)表達間接影響破骨細(xì)胞活性[47]?？傮w來說(圖2)，他汀類藥物主要通過調(diào)節(jié)BMSC選擇性分化、促進成骨、抑制破骨等方面發(fā)揮多效性骨保護機制。

圖2 他汀類藥物影響脂骨代謝的信號通路Fig.2 Signal pathways of statins affecting lipid-bone metabolism注：“→ ”代表促進作用；“-| ”代表抑制作用

5 總結(jié)及展望

高膽固醇血癥/高脂血癥作為脂代謝疾病，對骨代謝影響通常是負(fù)面的。然而不同膽固醇類型對骨代謝影響不盡相同，如LDL為骨形成負(fù)調(diào)節(jié)因子而HDL卻有骨保護作用。因此，膽固醇對骨代謝的影響取決于疾病狀況，機體復(fù)雜的調(diào)控機制，膽固醇的類型、水平、來源及靶細(xì)胞類型等多個因素，不能一概而論。膽固醇還參與早期BMSC分化的調(diào)控，其中Wnt/β-catenin通路及PPARγ是較為重要的兩條彼此拮抗通路。對脂骨代謝分子機制深入了解不僅可以為治療骨代謝疾病提供新靶點，而且可以研制針對高脂血癥的骨缺損修復(fù)材料(如他汀類藥物)，以達到降脂與成骨的雙重作用。綜上所述，膽固醇對骨代謝影響的研究已取得一定進展，進一步了解彼此間的相關(guān)性及分子機制，將有助于為骨代謝疾病開發(fā)新的防治措施。