前列腺素E2對(duì)骨改建作用的研究進(jìn)展

劉 蕓，和紅兵

（昆明醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院牙周病科 云南 昆明 650500）

骨代謝生物學(xué)過(guò)程的特征是不斷進(jìn)行骨的改建，去除舊骨并形成新的骨組織，維持骨的動(dòng)態(tài)平衡，其中成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞是主要的參與者[1]。成骨細(xì)胞來(lái)自局部骨祖細(xì)胞，并負(fù)責(zé)骨基質(zhì)的產(chǎn)生。破骨細(xì)胞起源于造血組織，是破壞吸收骨組織的多核細(xì)胞。

脂質(zhì)炎癥介質(zhì)主要包括前列腺（prostaglandin，PG）、白三烯（leukotriene，LT）和血栓素（thromboxane，TX）以及血小板活化因子。其中 PG 是花生四烯酸的酶促代謝產(chǎn)物，在骨改建過(guò)程中具有重要意義[1]。在骨改建周期中，破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收與成骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨形成密切相關(guān)。PGE2作為PG家族成員之一，通過(guò)4種G蛋白偶聯(lián)受體亞型（EP1、EP2、EP3、EP4）參與調(diào)控各種炎癥和骨改建[1]。研究發(fā)現(xiàn)低濃度的PGE2可促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖，從而促進(jìn)小鼠顱骨骨形成，而較高濃度PGE2則使破骨細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)變化并促進(jìn)骨吸收[2]。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，連續(xù)給予PGE2可顯著刺激骨吸收，而間歇性給予PGE2則可激活骨形成并增加骨量和厚度。這些變化取決于給予的劑量[3]。骨形態(tài)學(xué)分析結(jié)果顯示出，EP4激動(dòng)劑不僅促使了骨形成還提升了破骨細(xì)胞數(shù)目。骨形成是PGE2-EP4通過(guò)誘導(dǎo)成骨細(xì)胞前體分化而形成成骨細(xì)胞產(chǎn)生的，然后該信號(hào)可再作用于成熟的成骨細(xì)胞，并在新生骨上誘導(dǎo)破骨細(xì)胞形成[4]。鑒于PGE2作用的特殊性，本文就其來(lái)源及對(duì)骨改建與炎癥性骨疾病的影響作用作如下綜述。

1 PGE2的合成和相關(guān)調(diào)控通路

1.1 PGE2的合成

PG是一種普遍存在的脂肪酸衍生物，可分為A、B、C、D、E、F、G、H、I等類型，其中PGE2是PG家族中主要的一員，在人體內(nèi)廣泛存在。PGE2可產(chǎn)生于人體所有細(xì)胞，主要通過(guò)磷脂酶A2（phospholipase A2，PLA2）裂解膜磷脂釋放花生四烯酸（arachidonic acid，AA），AA再經(jīng)由環(huán)氧合酶（cyclooxygenase，COX）作用轉(zhuǎn)化為PGH2，最終通過(guò)PGE異構(gòu)酶的轉(zhuǎn)換形成PGE2[5]。

COX是一種膜結(jié)合蛋白，目前可分為3類：COX-1、COX-2以及COX-3。COX-1在大多數(shù)組織中呈持續(xù)穩(wěn)定中低表達(dá)，并支持維持器官和組織動(dòng)態(tài)平衡所需的PG生物合成。在炎癥狀態(tài)下，PG的合成主要通過(guò)COX-2來(lái)實(shí)現(xiàn)。COX-3則是COX-1的另一種新型剪接異構(gòu)體，一些止痛藥和退燒藥（如對(duì)乙酰氨基酚、安乃近等）能抑制COX-3，從而在疼痛和發(fā)燒時(shí)發(fā)揮作用[6]。

1.2 COX-2/PGE2相關(guān)調(diào)控通路

COX-2/PGE2通路作為一條經(jīng)典的促炎通路，可介導(dǎo)不同的上下游通路，組成復(fù)雜的信號(hào)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，調(diào)控牙周炎、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、腫瘤等多種疾病的進(jìn)展。目前認(rèn)為，COX-2/PGE2通過(guò)與磷脂酰肌醇3激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶 B（protein kinase B，AKT/PKB）之間的相互作用，以維持癌細(xì)胞的存活和炎癥狀態(tài)；還可通過(guò)上調(diào)細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶（extracellular regulated protein kinase，ERK）和膜蛋白酶促使癌細(xì)胞得以侵入；并增加調(diào)節(jié)性T細(xì)胞活性和原腫瘤M2細(xì)胞活性來(lái)調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)[7]。Paulissen等[8]研究表明，COX-2/ PGE2途徑在以IL-23和單核細(xì)胞獨(dú)立的方式驅(qū)動(dòng)Th17介導(dǎo)的類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎滑膜炎癥中起著關(guān)鍵作用。另外，COX-2/PGE2通路還通過(guò)PI3K/AKT的激活，調(diào)控牙齦成纖維細(xì)胞處于炎癥狀態(tài)[9]。同時(shí)，研究也表明PI3K/AKT、有絲分裂原活性蛋白激酶/細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶激酶（MAPK/ERK，MEK）、c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，c-JNK）、p38和核因子κB（nuclear factor kappa B，NF-кB)信號(hào)傳導(dǎo)，都可介導(dǎo)活化COX-2/PGE2通路[10]。

此外，口腔微生物也是COX-2/PGE2通路活化的重要誘導(dǎo)因素。研究顯示，用紫外線滅活的輕型鏈球菌（streptococcus mitis，S.mitis）可刺激單核細(xì)胞和口腔角質(zhì)細(xì)胞表達(dá)PGE2[11-12]。金黃色葡萄球菌也可誘導(dǎo)COX-2的表達(dá)，并增加HOK細(xì)胞（HOK口腔上皮角質(zhì)細(xì)胞）中PGE2的產(chǎn)生。PGE2會(huì)促進(jìn)金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng)以及與纖連蛋白的結(jié)合，促使金黃色葡萄球菌與口腔上皮細(xì)胞的黏附[13]。

2 PGE2與骨改建的關(guān)系

骨代謝生物學(xué)過(guò)程的特征是不斷進(jìn)行骨的改建，而骨代謝平衡的維持主要取決于成骨細(xì)胞主導(dǎo)的骨形成與破骨細(xì)胞主導(dǎo)的骨吸收之間的動(dòng)態(tài)平衡，任一因素導(dǎo)致它們之間的失衡都可能導(dǎo)致骨沉積過(guò)多（骨硬化癥）或骨破壞為主（牙周炎）等骨疾病的發(fā)生[14]。

2.1 PGE2與成骨細(xì)胞

成骨細(xì)胞是成熟的骨形成細(xì)胞，來(lái)自局部的骨祖細(xì)胞，通過(guò)產(chǎn)生骨基質(zhì)蛋白來(lái)負(fù)責(zé)骨形成。成骨細(xì)胞表達(dá)幾種對(duì)激素敏感的受體，主要包括甲狀旁腺激素（parathyroid hormone，PTH）和雌激素以及1，25-二羥基維生素D3（1，25-dihydroxy vitamin D3，1，25（OH）2維生素D3）和其他局部因子如細(xì)胞因子和前列腺素。通過(guò)這些激素受體及相應(yīng)激素的激活下，成骨細(xì)胞分泌相關(guān)的蛋白和蛋白聚糖來(lái)促進(jìn)骨改建[1]。

研究顯示，PGE2可通過(guò)激活EP4刺激小鼠顱骨成骨細(xì)胞的分化[15]。EP4缺陷小鼠盡管體重和骨大小正常，但其骨質(zhì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和骨小梁體積降低[16]。缺乏EP2的小鼠骨也十分脆弱[17]。然而，EP4缺陷小鼠的骨骼對(duì)外源性PGE2作用無(wú)效[18]。此外，EP4激動(dòng)劑ONO-4 819可預(yù)防卵巢切除后穩(wěn)定的大鼠的骨質(zhì)流失[18]。EP2受體選擇性激動(dòng)劑CP-533，536刺激大鼠骨小梁，皮質(zhì)內(nèi)膜和骨膜表面的局部骨形成[19]。PGE2也可通過(guò)蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）和ERK信號(hào)傳導(dǎo)途徑誘導(dǎo)COX-2表達(dá)和PGE2的產(chǎn)生，并增加原代小鼠成骨細(xì)胞中的細(xì)胞外鈣濃度[20]。核心結(jié)合因子α1（Runx2/Cbfa1）是成骨細(xì)胞分化過(guò)程中缺一不可的轉(zhuǎn)錄因子。研究表明，PGE2通過(guò)EP4受體誘導(dǎo)小鼠成骨細(xì)胞Runx2/Cbfa1的表達(dá)，從而導(dǎo)致礦化結(jié)節(jié)形成的增強(qiáng)[18]，促進(jìn)人間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化[21]。另外，成骨細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)成分（包括I型膠原，纖連蛋白和骨唾液蛋白）之間的粘附作用對(duì)于成骨細(xì)胞的存活，增殖和分化很重要。研究顯示，PGE2可增強(qiáng)小鼠成骨細(xì)胞中膠原的合成[22]以及大鼠成骨細(xì)胞中纖連蛋白的產(chǎn)生[23]。并且PGE2還能刺激大鼠成骨細(xì)胞中骨唾液蛋白mRNA的轉(zhuǎn)錄[24]。

PGE2增加不僅促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化，還可以促進(jìn)其增殖，減少凋亡。但PGE2對(duì)成骨細(xì)胞增殖的影響的研究結(jié)果常出現(xiàn)相反結(jié)論，有研究顯示了增殖增加[25]，又有研究顯示了增殖降低[26]，以及雙相效應(yīng)[27]。許多因素可能會(huì)使此類研究復(fù)雜化，包括通過(guò)PGE2誘導(dǎo)COX-2來(lái)自動(dòng)增強(qiáng)PGE2效應(yīng)[28]以及在不同成骨細(xì)胞類型或不同分化階段的不同EP受體的表達(dá)[29]。在2項(xiàng)顯示PGE2抑制增殖的研究中，抑制作用與MC3T3-E1細(xì)胞中的cAMP途徑有關(guān)[30]。Xu等人[30]的研究表明，COX-2相關(guān)的PGE2對(duì)成骨細(xì)胞前體的早期細(xì)胞生長(zhǎng)具有刺激作用，而對(duì)較晚成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)具有抑制作用。而生長(zhǎng)的增加是由于增殖的增加，并未降低細(xì)胞凋亡。PGE2和EP1特異性激動(dòng)劑17-PT-PGE2激活EP1受體可有效激活EP1/ PKC信號(hào)通路，同時(shí)促進(jìn)MG63細(xì)胞的體外增殖。在體內(nèi)和體外，特異性拮抗劑SC51089引起的EP1受體失活和siRNA引起的EP1沉默均降低PKC活性，促進(jìn)MG63細(xì)胞的凋亡[31]。

2.2 PGE2與破骨細(xì)胞

破骨細(xì)胞起源于造血干細(xì)胞，是由單核細(xì)胞融合分化而成的唯一具有骨吸收功能的多核細(xì)胞，其可分泌出降解骨基質(zhì)的重要蛋白水解酶：組織蛋白酶 K（cathepsin K，CK）和基質(zhì)金屬蛋白酶-9（matrix metalloproteinase-9，MMP-9）[32]。

研究顯示，PGE2與RANKL協(xié)同增強(qiáng)了小鼠骨髓巨噬細(xì)胞向破骨細(xì)胞的分化[33]。然而，PGE2對(duì)人破骨細(xì)胞的直接作用存在爭(zhēng)議。Lader等[34]報(bào)道PGE2增加了巨噬細(xì)胞集落刺激因子（macrophage colony stimulating factor，M-CSF），IL-1和TNF-α刺激形成的破骨細(xì)胞，而Chenu等[35]研究表明，PGE2抑制了用1α，25-（OH）2維生素D3處理的人骨髓細(xì)胞中破骨細(xì)胞的形成。因此，有可能不同的細(xì)胞外刺激導(dǎo)致破骨細(xì)胞中EP受體亞型的不同表達(dá)譜。Kobayashi等[36]研究顯示在小鼠骨髓來(lái)源的巨噬細(xì)胞分化為破骨細(xì)胞的過(guò)程中，EP2和EP4受體被下調(diào)。

RANKL-RANK-OPG系統(tǒng)最初是在1990年代后期發(fā)現(xiàn)的，RANK/RANKL/OPG對(duì)破骨細(xì)胞分化起著重要的調(diào)控作用。RANKL是破骨細(xì)胞生成所需的配體，RANK是RANKL的受體，而骨保護(hù)素（osteoprotegerin，OPG）與RANKL競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合。該系統(tǒng)主要通過(guò)調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞對(duì)骨穩(wěn)態(tài)具有重要意義[37]。研究顯示，PGE2可以cAMP依賴的方式刺激RANKL在成骨細(xì)胞中的表達(dá)[38]，并抑制OPG表達(dá)[39]。PGE2也可通過(guò)cAMP-PKA依賴途徑促進(jìn)IL-6和IL-1β表達(dá)誘導(dǎo)破骨細(xì)胞的形成[40]，而IL-6和IL-1β還可增加COX-2表達(dá)和PGE2產(chǎn)生[41-42]。同時(shí)，PGE2通過(guò)自分泌方式可抑制成骨細(xì)胞中OPG的產(chǎn)生[42]。

3 PGE2對(duì)炎癥性骨疾病的影響作用

3.1 類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎

類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的特征是慢性關(guān)節(jié)發(fā)炎，自身反應(yīng)性T細(xì)胞和巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)[43]。T細(xì)胞激活滑膜巨噬細(xì)胞，釋放出多種細(xì)胞因子，導(dǎo)致滑膜炎癥放大并破壞軟骨和骨骼。巨噬細(xì)胞源性細(xì)胞因子，例如IL-1β和TNF-α誘導(dǎo)人關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞和滑膜成纖維細(xì)胞中COX-2的表達(dá)[44]。由活化的CD4+T細(xì)胞產(chǎn)生的IL-17刺激滑膜組織中小鼠原代成骨細(xì)胞中COX-2依賴性PGE2的合成[45]。類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者滑膜成纖維細(xì)胞中mPGES-1的表達(dá)隨TNF-α和IL-1β的升高而升高[46]。抗TNF-α療法可抑制類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者滑膜組織中mPGES-1的表達(dá)和PGE2的產(chǎn)生[47]。滑液中存在的PGE2通過(guò)EP2和EP4誘導(dǎo)成骨細(xì)胞中RANKL表達(dá)[48]，產(chǎn)生的破骨細(xì)胞可能促進(jìn)關(guān)節(jié)破壞。

Zhou等[49]利用CIA 動(dòng)物模型證明miR-143-3p低表達(dá)可能會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)其靶基因（Ptgs2，Mrgpre，TNF）來(lái)調(diào)節(jié)促炎介質(zhì)（PGE2和TNF-α）的水平，從而影響了RA的慢性炎性疼痛和神經(jīng)性疼痛。Fan等[50]研究發(fā)現(xiàn)，1，25-（OH）2D3下調(diào)miR-22以抑制成纖維樣滑膜細(xì)胞的增殖促進(jìn)其凋亡，并降低Cox-2的mRNA表達(dá)和PGE2的產(chǎn)生。

3.2 骨關(guān)節(jié)炎

骨關(guān)節(jié)炎是最常見(jiàn)的關(guān)節(jié)炎疾病，由于基質(zhì)降解和肥大的骨變化，包括骨贅的形成和軟骨下板的增厚[51]。在骨關(guān)節(jié)炎的軟骨降解過(guò)程中，PGE2和促炎細(xì)胞因子TNF-α和IL-1由滑膜細(xì)胞產(chǎn)生，滑膜細(xì)胞主要由成纖維樣和巨噬細(xì)胞樣滑膜細(xì)胞組成[52]。內(nèi)源性PGE2通過(guò)IL-1β刺激的人成纖維細(xì)胞樣滑膜細(xì)胞中EP2和EP4調(diào)節(jié)IL-6，M-CSF和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGF）的產(chǎn)生[53]。骨關(guān)節(jié)炎成骨細(xì)胞比正常成骨細(xì)胞產(chǎn)生更多的PGE2[54]，而骨關(guān)節(jié)炎軟骨比正常軟骨具有更多的凋亡軟骨細(xì)胞[55]。這些結(jié)果表明，關(guān)節(jié)軟骨中PGE2與骨關(guān)節(jié)炎的癥狀密切相關(guān)。

Park等[56]研究表明，人骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞中IL-1β誘導(dǎo)的MAPK和NF-κB的激活降低了miR-558的表達(dá)并誘導(dǎo)了COX-2的表達(dá)。Rasheed等[57]發(fā)現(xiàn)，茶多酚兒茶素（EGCG）通過(guò)上調(diào)人OA軟骨細(xì)胞中microRNA hsa-miR-199a-3p的表達(dá)來(lái)抑制IL-1β誘導(dǎo)的COX-2表達(dá)或PGE2的產(chǎn)生來(lái)抑制骨關(guān)節(jié)炎。另有研究表明，OA軟骨細(xì)胞中IL-1β誘導(dǎo)p38-MAPK的激活下調(diào)了miR-199a的表達(dá)并誘導(dǎo)了mPGEs和COX-2的表達(dá)以及PGE2的產(chǎn)生。抗miR-101-3處理可增加IL-1β刺激的軟骨細(xì)胞中COX-2的表達(dá)，但miR-101-3的過(guò)表達(dá)對(duì)COX-2的蛋白表達(dá)無(wú)明顯影響。說(shuō)明miR-199a的水平與IL-1β刺激的人軟骨細(xì)胞中的COX-2 mRNA和蛋白質(zhì)水平呈負(fù)相關(guān)[58]。這些結(jié)果表明，miRNA-558、microRNA hsa-miR-199a-3p、miR-199a以及可能的miR-101-3的表達(dá)可用于治療OA的新型治療策略中。

3.3 牙周炎

牙周炎是一種慢性炎性疾病，其主要特征為牙齒支持組織的破壞—牙周袋形成和炎癥，進(jìn)行性的附著喪失和牙槽骨吸收并最終導(dǎo)致牙齒脫落[59]。牙齦卟啉單胞菌被認(rèn)為是牙周病的主要病原體，但是宿主對(duì)病原體的反應(yīng)會(huì)誘導(dǎo)牙周病的發(fā)生和發(fā)展，從而引起包括細(xì)胞因子和前列腺素在內(nèi)的炎癥分子的產(chǎn)生[60]。大量研究表明，類前列腺素，特別是前列腺素E2參與牙周疾病的發(fā)病機(jī)理。與牙周健康受試者相比，在牙周疾病患者的牙齦和齦溝液中檢出的前列腺素E2水平升高[61]。LPS是牙齦成纖維細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的有效刺激劑，并誘導(dǎo)骨吸收性細(xì)胞因子TNF-α 和IL-1 的產(chǎn)生[62]。IL-1誘導(dǎo)牙周膜成纖維結(jié)締組織細(xì)胞中PGE2的產(chǎn)生和COX-2 mRNA的表達(dá)[63]。此外，LPS直接上調(diào)牙周膜成纖維細(xì)胞，成牙骨質(zhì)細(xì)胞和成骨細(xì)胞中COX-2的表達(dá)[64]。由于COX-2上調(diào)引起的PGE2產(chǎn)量增加可能與牙槽骨吸收有關(guān)。此外，LPS誘導(dǎo)的骨吸收在cPLA2α-，mPGES-1和EP4缺陷小鼠中受損[65]。盡管PGE2可能不是影響牙槽骨破壞的唯一因素，但NSAID在牙周炎中可有效抑制牙槽骨損失。一些報(bào)道表明PGE2刺激牙周組織中的骨形成[66]，但更有力的證據(jù)支持PGE2在牙周炎的骨破壞中的作用。

miR-302-3p的水平會(huì)影響人下頜骨成骨樣細(xì)胞（HMOBs）中RANKL的mRNA和蛋白表達(dá)。PGE2通過(guò)PKA信號(hào)的PRKACB途徑刺激RANKL表達(dá)。當(dāng)PGE2刺激HMOB中的RANKL時(shí)，miR-302a-3p低于基線水平，miRNA-302a-3p有望靶向cAMP/PKA信號(hào)的PRKACB。HMOB釋放的RANKL可能會(huì)影響炎癥過(guò)程中破骨細(xì)胞的分化和牙槽骨吸收[67]。

4 小結(jié)

不同EP受體在成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞中表達(dá)有差異，在炎癥狀態(tài)下受體表達(dá)也有不同，最終體現(xiàn)了PGE2對(duì)骨改建調(diào)控的兩面性。PGE2作為骨改建中的重要調(diào)控因子，對(duì)骨改建發(fā)揮雙向調(diào)控作用，這種雙向調(diào)控作用可能與PGE2的四個(gè)特異性受體、組織特異性、細(xì)胞來(lái)源、miRNA等相關(guān)。因此，進(jìn)一步闡明其作用機(jī)理及不同方向性，對(duì)于開發(fā)出治療甚至預(yù)防炎癥性骨疾病指導(dǎo)臨床工作具有重要意義。