信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路促發(fā)絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的機(jī)制

賈志標(biāo) 綜述 付昆，崔紅旺 審校

海南醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院關(guān)節(jié)創(chuàng)傷外科，海南 海口 570100

絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥(postmenopausal osteoporosis，PMOP)屬于原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)類型[1]，除此之外，原發(fā)性O(shè)P還有老年骨質(zhì)疏松癥(Ⅱ型)及特發(fā)性骨質(zhì)疏松癥[1]。PMOP作為Ⅰ型骨質(zhì)疏松癥是一種漸進(jìn)性的骨老化疾病，其已經(jīng)被認(rèn)為是世界各地的主要公共衛(wèi)生問題，特別是在人口老齡化嚴(yán)重的國家。骨是一種動態(tài)組織，舊骨被破骨細(xì)胞去除，新骨由成骨細(xì)胞不斷形成，成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞和骨細(xì)胞在骨的生成、維持和愈合復(fù)雜過程中發(fā)揮重要作用[2]。多種因素可導(dǎo)致骨量的丟失，包括骨轉(zhuǎn)換增加，導(dǎo)致破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞在骨重塑過程中的失衡；各種刺激變化或微損傷，可通過微管系統(tǒng)，上調(diào)相關(guān)骨細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路(signal transduction pathway，STP)，使破骨細(xì)胞作用大于成骨細(xì)胞，導(dǎo)致骨溶解吸收增加。細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥中的作用機(jī)理成為近年來的研究方向，大量研究表明，通過下調(diào)相關(guān)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，可能成為一種新的延緩絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥發(fā)生的方法。

1 骨細(xì)胞來源

骨細(xì)胞作為骨組織的主要細(xì)胞成分之一，是骨中含量最豐富且存活時間最長的細(xì)胞類型。其來源于間充質(zhì)干細(xì)胞衍生的成骨細(xì)胞，可以通過分泌Wnt信號通路的刺激因子，如一氧化氮和ATP來協(xié)調(diào)骨形成，并可抑制Wnt/β-catenin信號和降低Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子-2(runt-related transcription factor 2，Runx2)表達(dá)，可使成骨細(xì)胞功能受到損害[3]。骨細(xì)胞可以通過分別表達(dá)巨噬細(xì)胞集落刺激因子(macrophage colony stimulatory factor，M-CSF)和護(hù)骨素(osteoprotegerin，OPG)來調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的功能[4]。雖然骨細(xì)胞是由成骨細(xì)胞衍生的終末分化細(xì)胞，但骨中含有的骨細(xì)胞比成骨細(xì)胞多十倍，骨細(xì)胞是骨穩(wěn)態(tài)的主要調(diào)節(jié)因子，可直接調(diào)節(jié)礦化中的局部鈣豐度，并通過分泌重要的調(diào)節(jié)因子間接控制骨骼其他細(xì)胞的活性。此外，骨細(xì)胞是調(diào)節(jié)多種器官磷酸鹽代謝的內(nèi)分泌細(xì)胞，最重要的是，骨細(xì)胞是骨機(jī)械感覺和機(jī)械傳導(dǎo)的主要調(diào)節(jié)因子，可以機(jī)械刺激誘導(dǎo)和調(diào)節(jié)各種細(xì)胞功能[5]，如基因轉(zhuǎn)錄翻譯過程、細(xì)胞增殖和分化。

2 成骨細(xì)胞來源

在骨重塑周期中，成骨細(xì)胞前體細(xì)胞被細(xì)胞因子和生長因子從骨髓中招募到骨表面，如轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)和胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factors-1，ΙGF-1)[6]，它們在吸收階段從骨基質(zhì)中釋放出來，隨后，前體細(xì)胞經(jīng)歷幾輪增殖到成熟階段，在活躍的骨形成部位合成成骨細(xì)胞。在分化過程中成骨細(xì)胞首先達(dá)到極化表型，從而使細(xì)胞能夠定向分泌骨基質(zhì)，最初的骨基質(zhì)由Ⅰ型膠原和非膠原基質(zhì)蛋白組成，構(gòu)成骨的有機(jī)部分。隨著進(jìn)一步的分化，成骨細(xì)胞分泌鈣和磷酸鹽離子，以啟動鈣化過程。一旦成骨細(xì)胞取代了被破骨細(xì)胞吸收的骨包，大多數(shù)成骨細(xì)胞就會發(fā)生凋亡。成骨細(xì)胞的去分化形成一個靜止的骨內(nèi)襯細(xì)胞群體，作為快速激活的成骨細(xì)胞的來源，保護(hù)其免受重塑周期的重新啟動。Runx2通過骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)和Wnt的刺激[7]，激活脂蛋白受體相關(guān)蛋白受體，增加Runx2的水平，在成骨細(xì)胞形成中起關(guān)鍵作用[8]，導(dǎo)致成骨細(xì)胞發(fā)生，促進(jìn)骨形成。

3 破骨細(xì)胞來源

破骨細(xì)胞是由多個單核細(xì)胞融合而成，附著在骨上并吸收它，破骨細(xì)胞在功能上被視為主要的骨吸收細(xì)胞，其表面表達(dá)抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate resistant acid phosphatase，TRAP)，被認(rèn)為是生物標(biāo)記之一。破骨細(xì)胞是高度遷移的細(xì)胞，其遷移取決于肌動蛋白細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)的快速變化。在生理條件下，破骨細(xì)胞吸收骨然后形成成骨細(xì)胞，并保持血液鈣水平和骨穩(wěn)態(tài)。核因子-κB受體活化體配體(receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL)和護(hù)骨素(osteoproteger，OPG)可調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的分化[9]，兩者都是由成骨細(xì)胞譜系細(xì)胞產(chǎn)生的，RANKL與其受體RANK結(jié)合并誘導(dǎo)破骨細(xì)胞發(fā)育[10]，另一方面，OPG可競爭性地阻斷RANKL-RANK相互結(jié)合，最終抑制破骨細(xì)胞分化。臨床研究報道，一種抗RANKL抗體denosumab可抑制絕經(jīng)后婦女的骨轉(zhuǎn)換，因此在骨重構(gòu)期間，骨形成與骨吸收結(jié)合[11]。

4 絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥經(jīng)典信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

4.1 NF-κB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路 骨的再生與吸收平衡是由成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞共同調(diào)節(jié)的，對于成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞，它們可以通過直接細(xì)胞接觸或通過其他機(jī)制彼此嚴(yán)格影響和調(diào)節(jié)。20世紀(jì)90年代，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)OPG-RANKL-RANK軸對于骨骼重塑至關(guān)重要，OPG是(tumor necrosisfactor，TNF)受體家族的一員，可作為可溶性誘餌受體來抑制破骨細(xì)胞形成[12]。它可以通過隔離RANKL與破骨細(xì)胞表面的RANK結(jié)合來抑制破骨細(xì)胞的活性和存活[13]。另外，最近發(fā)現(xiàn)OPG在患有骨轉(zhuǎn)移的晚期前列腺癌患者中高表達(dá)，證實了其在腫瘤進(jìn)展中的作用[14]。由于骨吸收增強(qiáng)，OPG的缺失會導(dǎo)致嚴(yán)重的骨質(zhì)疏松和血管鈣化。缺乏OPG的小鼠在早期由于破骨細(xì)胞活性的增加而發(fā)生骨量減少[15]，從而強(qiáng)調(diào)OPG在維持正常骨量中的生理作用，故而OPG的鑒定也被描述為破骨細(xì)胞生物學(xué)的“領(lǐng)域的里程碑事件”[16]。OPG作為RANK與RANKL相互作用的拮抗劑，可通過抑制破骨細(xì)胞向細(xì)胞外室分泌質(zhì)子來消化骨基質(zhì)，從而導(dǎo)致骨溶解減少，骨量增加。

4.2 RANKL/RANK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路 RANKL可由成熟的成骨細(xì)胞及其前體細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和活化的T淋巴細(xì)胞產(chǎn)生[17]。破骨細(xì)胞形成的最重要步驟是結(jié)合RANKL錨定在破骨細(xì)胞膜上；另一方面，OPG是由活化的成骨細(xì)胞合成和分泌的細(xì)胞因子，該蛋白充當(dāng)RANKL的誘餌受體，并防止RANKL與RANK結(jié)合[18]。RANKL與OPG的結(jié)合導(dǎo)致骨吸收的抑制并刺激骨量的增加。RANKL和OPG濃度之間的動態(tài)平衡對于正常的骨代謝至關(guān)重要，另外，RANKL/OPG比例的不平衡可導(dǎo)致不受控制的骨質(zhì)流失。RANKL誘導(dǎo)破骨細(xì)胞祖細(xì)胞上RANK的激活，導(dǎo)致TRAF6的募集[19]，激活了下游信號傳導(dǎo)分子，進(jìn)而激活經(jīng)典NF-κB途徑。BAEK等[20]的實驗研究驗證了這一通路，通過阻斷RANKL-RANK結(jié)合，抑制了Ca2+內(nèi)流。Ca2+信號是RANKL/RANK通路的關(guān)鍵下游過程之一[21]，在破骨細(xì)胞分化和功能中起著關(guān)鍵作用。采用定量RT-PCR方法檢測破骨細(xì)胞分化過程[22]，發(fā)現(xiàn)破骨細(xì)胞相關(guān)受體及mRNA表達(dá)水平降低，說明對破骨細(xì)胞的形成產(chǎn)生了抑制作用。LΙANG等[23]的研究表明淫羊藿苷治療后可以增加骨質(zhì)疏松癥患者OPGm-RNA和RANKLmRNA表達(dá)，并且由于其對OPGm-RNA表達(dá)的刺激作用強(qiáng)于RANKLmRNA表達(dá)，因此使OPG/RANKL比值增加，促進(jìn)骨形成。

5 絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥其他信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

5.1 p38 MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路 其是骨質(zhì)疏松癥骨代謝異常的重要調(diào)節(jié)因子[24]，p38 MAPK已被證明可以在細(xì)胞對炎性細(xì)胞因子、環(huán)境壓力以及生長因子的反應(yīng)中發(fā)揮作用[25]，激活這一通路可促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化，最終加重骨質(zhì)疏松癥。在骨髓前體細(xì)胞分化的早期，RANKL誘導(dǎo)了p38信號通路分子，從而增強(qiáng)了p38信號傳導(dǎo)能力。在絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥模型大鼠中[26]，MAPK信號通路在骨組織中被異常激活，抑制MAPK信號通路，可增加骨密度，減輕絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生。

5.2 PΙ3k/Akt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路 絲氨酸/蘇氨酸激酶Akt是成骨細(xì)胞PΙ3k的下游靶標(biāo)，并通過多種刺激以PΙ3K依賴的方式被激活[27]，Akt的磷酸化已被廣泛接受為PΙ3K/Akt途徑激活的指標(biāo)之一。該信號通路與細(xì)胞生長、凋亡和自噬等功能有關(guān)[28]。最近的文獻(xiàn)表明，miR-210通過該信號通路促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化，并在緩解雌激素缺乏引起的PMOP方面發(fā)揮積極的調(diào)節(jié)作用[29]。來自多項研究的數(shù)據(jù)表明，雌激素受體α通過PΙ3k/Akt信號通路抑制miR-148a可防止卵巢切除引起的骨質(zhì)疏松癥[30]。

5.3 JAK/STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路 成纖維細(xì)胞生長因子-23(fibroblast growth factor 23，F(xiàn)GF23)主要通過JAK/STAT途徑參與骨質(zhì)疏松癥的進(jìn)展，建立卵巢切除(OVX)大鼠骨質(zhì)疏松模型實驗表明，OVX誘導(dǎo)FGF23和不同F(xiàn)GF受體表達(dá)水平的下調(diào)，從而使骨代謝生物標(biāo)志物如骨鈣素、骨堿性磷酸酶等表達(dá)下調(diào)[31]。同樣地，抗FGF23治療則可加速OVX誘導(dǎo)的骨代謝生物標(biāo)志物的上調(diào)[32]，F(xiàn)GF23在骨質(zhì)疏松癥中主要通過影響下游信號通路的磷酸化水平而使相應(yīng)蛋白表達(dá)降低。

5.4 Wnt/β-catenin信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路 由于維持骨完整性需要間充質(zhì)干細(xì)胞致力于成骨細(xì)胞譜系，當(dāng)Wnt活躍時，脂肪生成轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)受到抑制，從而使前體脂肪細(xì)胞保持在未分化狀態(tài)[33]。激活Wnt的下游效應(yīng)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子β-catenin，在骨重塑和微損傷修復(fù)的不同階段起著不同的作用[3]。PMOP骨中有缺陷的Wnt信號可能損害組織對功能或機(jī)械需求的反應(yīng)，從而增加骨折風(fēng)險。

6 小結(jié)

絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥是最常見的骨骼疾病之一，目前的治療策略主要包括藥物干預(yù)和住院治療，全世界每年的治療費用估計達(dá)數(shù)十億美元。骨吸收和形成過程之間的不平衡是骨質(zhì)疏松癥的主要原因。雖然存在許多治療方法，但目前可用的姑息藥物尚存在一定的不良副作用和長期療效不滿意。此外，由于對潛在機(jī)制的了解有限，特別是關(guān)于轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在骨發(fā)育過程中是如何在遺傳水平上緊密協(xié)調(diào)的，因此阻礙了治療性絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥治療學(xué)的發(fā)展。由于已知有許多因素會導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生，而病理進(jìn)展的分子基礎(chǔ)在不同的骨質(zhì)疏松癥條件下可能有很大的不同，因此尚需進(jìn)行更多的實驗研究進(jìn)一步探討絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥發(fā)生的分子學(xué)機(jī)制。