骨質(zhì)疏松進程中破骨細(xì)胞能量代謝重編程研究進展

張宗瑞 尹恒,2 張強 李紹爍 胡卓儀 馬勇 郭楊 張亞峰,2*

1．南京中醫(yī)藥大學(xué)，江蘇 南京 210023 2．南京中醫(yī)藥大學(xué)無錫附屬醫(yī)院，江蘇 無錫 214000

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)是一種骨微結(jié)構(gòu)改變、骨骼強度下降并引起骨折風(fēng)險上升的全身代謝性骨病。隨著人口老齡化程度的不斷加深，OP已成為全球公共衛(wèi)生健康的沉重負(fù)擔(dān)[1]。成年人的骨骼處于不斷重建的過程，每年替換約占骨骼總質(zhì)量的10 %以確保其結(jié)構(gòu)和功能的完整性[2]。該過程首先由破骨細(xì)胞吸收舊骨，然后由成骨細(xì)胞形成相同數(shù)量的新骨保持動態(tài)平衡。破骨細(xì)胞主導(dǎo)的骨吸收活動強于骨形成活動時，造成骨形成與骨吸收之間的穩(wěn)態(tài)失衡，是骨質(zhì)減少及骨質(zhì)疏松癥發(fā)生的根本原因[3]。破骨細(xì)胞是由來源于造血干細(xì)胞的單核巨噬細(xì)胞融合而成的大型多核運動細(xì)胞[4]，通過對小鼠系統(tǒng)中破骨細(xì)胞的來源研究得知，體外利用基質(zhì)細(xì)胞與脾細(xì)胞或骨髓細(xì)胞共培養(yǎng)能夠形成破骨細(xì)胞[5]。破骨細(xì)胞的前體細(xì)胞通過生物能量的支持，來產(chǎn)生多種蛋白誘導(dǎo)融合，并促進破骨細(xì)胞的分化[6]。完成分化后的破骨細(xì)胞則黏附于骨表面，形成封閉的區(qū)域，骨組織被H+、Cl-和催化酶降解。骨的無機成分在鹽酸建立的酸性環(huán)境下被再吸收。有機成分則被各種酶降解，包括CtsK和MMP-9[7-8]。因此，破骨細(xì)胞的形成和骨吸收都經(jīng)歷復(fù)雜的能量代謝步驟，需要積極的代謝重編程。

越來越多的數(shù)據(jù)強調(diào)細(xì)胞代謝過程和先天免疫細(xì)胞及適應(yīng)性免疫細(xì)胞的功能特性的相互影響。促炎巨噬細(xì)胞增加糖酵解活性并關(guān)閉線粒體呼吸，而抗炎巨噬細(xì)胞則顯示增加線粒體呼吸。這些不同巨噬細(xì)胞亞群的代謝適應(yīng)似乎支持不同的激活和分化程序，從而促進炎癥的發(fā)生或解決[9]。代謝重編程最早于癌細(xì)胞中被發(fā)現(xiàn)，是指當(dāng)癌細(xì)胞即使在供氧充足的情況下，依舊大量攝取細(xì)胞外葡萄糖利用糖酵解方式作為主要的能量代謝途徑為自身供能，這一現(xiàn)象稱為有氧糖酵解(Warburg effect)[10]。通過近年來對不同疾病領(lǐng)域的相關(guān)研究，有氧糖酵解相關(guān)的代謝物及酶類不斷被挖掘，證明代謝重編程具有重要的研究價值。但目前關(guān)于破骨細(xì)胞的代謝重編程的認(rèn)知較淺，深入探索細(xì)胞能量代謝如何調(diào)控破骨細(xì)胞分化活動，對破骨細(xì)胞代謝重編程精準(zhǔn)靶向干預(yù)，具有重要的科研價值，也是代謝手段調(diào)節(jié)骨質(zhì)疏松癥治療的新策略。在本綜述中，我們總結(jié)了在破骨細(xì)胞發(fā)生和骨吸收過程中關(guān)于代謝重編程的最新見解，研究細(xì)胞代謝如何塑造破骨細(xì)胞，從糖代謝、脂肪酸代謝、相關(guān)信號通路對骨質(zhì)疏松癥中破骨細(xì)胞能量代謝重編程進行綜述。

1 OP進程中的糖代謝轉(zhuǎn)變

葡萄糖是骨組織進行新陳代謝重要的能量底物，為維持骨形成與骨吸收之間內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)提供重要的作用[11]。對糖尿病骨質(zhì)疏松癥患者研究[12]結(jié)果顯示，糖代謝失調(diào)可導(dǎo)致骨脆弱及增加骨質(zhì)疏松性骨折的風(fēng)險。因此，無論是正?；虿±頎顟B(tài)下，糖代謝對骨代謝的調(diào)節(jié)起著重要的作用。

葡萄糖的分解方式取決于不同細(xì)胞類型的代謝特點及供氧狀況。糖分解供能的主要方式是有氧氧化，當(dāng)機體絕大多數(shù)組織供氧充足時，葡萄糖在果糖-6-磷酸激酶-1、丙酮酸激酶、己糖激酶等酶的作用下，利用氧通過糖酵解從而生成丙酮酸，經(jīng)氧化脫羧后生成乙酰CoA，再經(jīng)三羧酸循環(huán)進行氧化磷酸化釋放能量為機體供能。而當(dāng)機體在不能利用氧或氧供應(yīng)不足時，糖通過無氧氧化經(jīng)糖酵解及乳酸生成為機體快速供能。

葡萄糖以存在于不同組織細(xì)胞中的葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白家族(glucose transporter，GLUT)為載體進入細(xì)胞內(nèi)進行能量代謝，調(diào)控破骨細(xì)胞的功能[13]。在破骨細(xì)胞形成過程中，葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白1 (Glut1)和糖酵解基因表達水平升高，而敲除低氧誘導(dǎo)因子1-α (HIF1-α)以及葡萄糖剝奪后，抑制了破骨細(xì)胞的骨吸收功能，同時抑制Glut1和糖酵解基因的表達[14]。一個氧調(diào)節(jié)亞基HIF1-α和一個穩(wěn)定亞基HIF1-β構(gòu)成轉(zhuǎn)錄因子HIF-1[15]。有氧狀態(tài)下，HIF1-α經(jīng)過一系列酶的催化作用快速降解。而在缺氧狀態(tài)下，HIF1-α與HIF1-β形成一個活躍的轉(zhuǎn)錄復(fù)合物，利用COMMD1/E2F1途徑使糖酵解活動增加，從而促進了破骨細(xì)胞的形成[16]。同時，在破骨分化過程中，RANKL可激活HIF1-α并誘導(dǎo)GLUT1及糖酵解酶的表達[17-18]。

Indo等[14]研究發(fā)現(xiàn)，用抑制糖酵解途徑或在培養(yǎng)基中添加葡萄糖耗盡的抑制劑治療可抑制破骨細(xì)胞的發(fā)生，這意味著破骨細(xì)胞分化中糖酵解起著重要的作用。在破骨細(xì)胞分化過程中，相對于靜止的前體細(xì)胞，糖酵解率沒有增加，但成熟的破骨細(xì)胞已經(jīng)被證明有更高的糖酵解率。目前認(rèn)為，糖酵解是成熟破骨細(xì)胞骨吸收的影響因素之一[19]。僅含有葡萄糖的培養(yǎng)基中成熟破骨細(xì)胞的分化過程中，I型膠原降解的活性增強，乳糖的糖酵解速率則降低。免疫組化檢測發(fā)現(xiàn)，與糖酵解相關(guān)途徑的酶PKM2和GAPDH位于成熟破骨細(xì)胞的肌動蛋白環(huán)附近，也就是骨吸收發(fā)生的位置[20-21]。同樣在破骨細(xì)胞的分化過程中，乳酸脫氫酶催化丙酮酸生成乳酸，而下調(diào)LDHA或LDHB則會降低破骨細(xì)胞分化[22]。上述證據(jù)表明，破骨細(xì)胞的分化過程與糖酵解途徑密切相關(guān)，破骨細(xì)胞骨吸收的過程中，糖酵解是其重要的能量驅(qū)動途徑[23]。

2 OP進程中的脂肪酸轉(zhuǎn)變

脂肪酸是人類飲食結(jié)構(gòu)中重要的組成部分，主要分為長鏈脂肪酸(LCFA)，包括不飽和脂肪酸(LCPUFAs)、單不飽和脂肪酸(LCMUFAs)、飽和脂肪酸(LCSFAs)，中/短鏈脂肪酸(MCFAs/SCFAs)及其代謝產(chǎn)物等[24]。脂肪酸活化形成脂酰CoA，提高其反應(yīng)活性并增加脂肪酸的水溶性。脂肪酸在線粒體中經(jīng)β-氧化，通過反復(fù)脫氫、加水、再脫氫及硫解過程，生成大量ATP為機體供能。

研究[25-26]表明，長鏈脂肪酸可以抑制破骨細(xì)胞的形成及其活性。飽和脂肪酸(SFA)通過TLR4依賴的方式組織細(xì)胞進行凋亡，從而促進破骨細(xì)胞的存活[27]。癸酸是一種中鏈游離脂肪酸[28]，通過對癸酸影響破骨細(xì)胞肌動蛋白細(xì)胞骨架形成及重組研究，發(fā)現(xiàn)癸酸可以阻礙破骨細(xì)胞骨架組織形成[29]，抑制RANKL引起的破骨細(xì)胞分化，并加速破骨細(xì)胞凋亡[30]。短鏈脂肪酸(SCFAs)，如乙酸、丁酸和丙酸，是腸道微生物發(fā)酵膳食纖維產(chǎn)生能量的重要來源，對宿主的能量代謝和炎癥反應(yīng)產(chǎn)生有益的作用[31]。在破骨細(xì)胞的分化過程中，成熟的破骨細(xì)胞是由破骨前體細(xì)胞經(jīng)過氧化磷酸化(OXPHOs)分化而來，依賴糖酵解完成骨吸收。丙酸(C3)和丁酸(C4)通過減少氧化磷酸化的方式增強破骨細(xì)胞糖酵解，下調(diào)破骨細(xì)胞分化的必要基因如TRAF6和NFATc1誘導(dǎo)破骨細(xì)胞代謝重編程。實驗[32]證明，對破骨細(xì)胞前體用C3和C4處理，可使代謝在分化的早期時間點 (24～48 h)向糖酵解轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致細(xì)胞應(yīng)激，阻止破骨細(xì)胞分化，使骨吸收顯著降低[33]，預(yù)防絕經(jīng)后骨量流失[34]。

骨細(xì)胞容易受到環(huán)境變化的影響。細(xì)胞的環(huán)境變化，如炎癥、飲食、運動和其他代謝性疾病或脂質(zhì)類代謝關(guān)鍵蛋白的基因突變，會改變細(xì)胞的代謝途徑，導(dǎo)致骨細(xì)胞的代謝適應(yīng)。高脂血癥會使骨吸收增加和破骨發(fā)生[35-36]。破骨前體細(xì)胞——巨噬細(xì)胞內(nèi)的低密度脂蛋白受體(LDLR)可以通過促進載脂蛋白內(nèi)化，提高細(xì)胞內(nèi)膽固醇的水平，當(dāng)膽固醇水平升高后，則下調(diào)LDLR表達以抑制膽固醇的攝入。低密度脂蛋白(LDL)通過誘導(dǎo)膽固醇的傳遞，顯著提高破骨細(xì)胞的活力，而低密度脂蛋白的消耗則抑制破骨細(xì)胞的形成[37]。使用高密度脂蛋白或環(huán)糊精處理去除破骨細(xì)胞中的膽固醇，可以導(dǎo)致肌動蛋白破壞、核濃縮和半胱氨酸蛋白酶-3活化，劑量依賴性地誘導(dǎo)破骨細(xì)胞凋亡。此外，環(huán)糊精顯著抑制了M-CSF和RANKL誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞Akt、mTOR和S6K的生存信號通路[38]。相反，添加膽固醇可挽救低密度脂蛋白缺陷導(dǎo)致的破骨細(xì)胞生成受損，提示巨噬細(xì)胞可能需要低密度脂蛋白介導(dǎo)的膽固醇攝取來實現(xiàn)破骨細(xì)胞生成。

3 相關(guān)信號通路

3.1 mTOR在骨代謝方面對骨質(zhì)疏松癥的作用

哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)作為進化保守的絲/蘇氨酸蛋白質(zhì)激酶，參與處理各種刺激因素如生長因子、能量、應(yīng)激、激素等，并調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)的起始翻譯、核糖體生成物合成、細(xì)胞自噬等過程。心血管類疾病、移植排斥及自體免疫紊亂、癌癥、糖尿病等疾病的病理過程均與mTOR信號失調(diào)相關(guān)[39]。mTOR在細(xì)胞內(nèi)以mTORC1及mTORC2兩種不同的復(fù)合物形式存在[40]。mTORC1由mTOR、Raptor、mLST8、PRAS40和Deptor組成[41]，通過促進核糖體生物發(fā)生、蛋白質(zhì)合成、脂質(zhì)與核苷酸合成以及抑制自噬在細(xì)胞生長中發(fā)揮關(guān)鍵作用[42-43]。mTORC2由mTOR、Rictor、mSIN1、mLST8和Deptor組成。mTORC2對肌動蛋白細(xì)胞的骨架組織及細(xì)胞形態(tài)起著調(diào)控作用，并充分激活A(yù)KT信號分子。與mTORC1不同，mTORC2對雷帕霉素不敏感。長期使用雷帕霉素可以阻止部分細(xì)胞類型中mTORC2的組裝，并間接抑制mTORC2表達[44]。

mTORC1的失調(diào)可導(dǎo)致各種骨骼疾病，包括骨關(guān)節(jié)炎和骨質(zhì)疏松癥等[45]。mTORC1在破骨細(xì)胞中有較高的活性，破骨細(xì)胞分化培養(yǎng)中mTORC1活性被RANKL降低。造血干細(xì)胞中早期Raptor缺失會鈍化破骨細(xì)胞的形成，而破骨細(xì)胞前體中晚期Raptor缺失反而會增強破骨細(xì)胞的形成[46]。但是所有由Raptor缺陷介導(dǎo)的效應(yīng)都可以通過過表達構(gòu)成性活性S6K1或者雷帕霉素治療得到挽救，這表明mTORC1作為營養(yǎng)傳感器在破骨細(xì)胞發(fā)育中起主導(dǎo)作用[14,47]。對結(jié)節(jié)性硬化癥合并TSC1/2突變患者的研究[48]表明，骨代謝和mTOR信號通路之間存在負(fù)相關(guān)。TSC1基因缺失小鼠骨量明顯高于對照組小鼠，在其破骨細(xì)胞或髓系細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)構(gòu)成性高的mTOR信號，支持mTOR激活在破骨細(xì)胞中的負(fù)作用[49]。mTOR的激活通過直接抑制破骨細(xì)胞分化以及活性，或通過與MSCs的耦合來促進骨礦物質(zhì)的增加。所以，mTOR以降低破骨細(xì)胞分解代謝的活性，調(diào)控破骨細(xì)胞分化和骨質(zhì)量。

mTORC1通過誘導(dǎo)及調(diào)節(jié)HIF1-α和Myc來促進糖酵解。在缺氧條件下，HIF1-α蛋白水平穩(wěn)定并積累，從而增強編碼糖酵解酶和效應(yīng)因子的基因的轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)，從而上調(diào)糖酵解[50]。mTORC2通過Akt依賴和獨立的機制控制糖酵解。Akt的激活足以增加葡萄糖代謝速率[51]和通過HIF1-α誘導(dǎo)糖酵解基因[52]。mTORC1對脂肪生成有正調(diào)節(jié)作用，而對脂肪分解有負(fù)調(diào)節(jié)作用[53]。研究[54]表明，肝臟中缺乏mTORC2會阻止Akt介導(dǎo)的脂肪生成。Akt激活不能促進肝特異性基因敲除小鼠的肝臟脂肪生成。破骨細(xì)胞能量代謝重編程過程中，mTOR通過糖脂代謝調(diào)控骨代謝。

3.2 HIF1-α在骨代謝及骨血管方面對骨質(zhì)疏松癥的作用

在骨質(zhì)疏松癥患者中，髓內(nèi)供血體系弱化使骨組織處于低氧的狀態(tài)，破骨細(xì)胞作為氧感應(yīng)細(xì)胞，對環(huán)境的變化十分敏感[55]。當(dāng)機體處于缺氧環(huán)境中時，缺氧誘導(dǎo)因子(HIF1-α)通過轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)改變基因的表達，促進無氧糖酵解和血管生成以適應(yīng)內(nèi)環(huán)境的變化。HIF1-α可通過OPG/RANK/RANKL等相關(guān)信號通路對破骨細(xì)胞的分化產(chǎn)生影響。Shao等[56]研究發(fā)現(xiàn)，破骨細(xì)胞活性的重要調(diào)節(jié)因子——骨保護素(OPG)可被HIF1-α上調(diào)，進而抑制破骨細(xì)胞的吸收活性。Kang等[57]發(fā)現(xiàn)HIF1-α可以上調(diào)骨保護素OPG及白介素33(IL-33)的表達，從而抑制破骨細(xì)胞生成。而朱杰等[58]研究則指出，缺氧環(huán)境中表達上調(diào)的HIF1-α增加了RANKL的表達，促進了破骨前體細(xì)胞向破骨細(xì)胞的轉(zhuǎn)化，在24 h效果最為顯著，之后RANKL的表達則隨著低氧時間的延長而逐漸下降。

同樣，骨組織具有龐大的血供系統(tǒng)，骨細(xì)胞的生長分化由血液提供著豐富的營養(yǎng)物質(zhì)及氧。骨組織因骨骼血液灌流不足而處于低氧環(huán)境，從而誘導(dǎo)HIF1-α的表達上調(diào)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激傳感器OASIS作為一種對骨形成具有重要作用的轉(zhuǎn)錄因子，使OASIS缺陷小鼠胚胎成纖維細(xì)胞中HIF1-α靶基因，如血管內(nèi)皮生長因子A (VEGFA)的表達水平下降，使血管生成受阻[59]。Costa等[60]的實驗表明，HIF-1α在低氧環(huán)境中使miRNA-675-5p 表達下降，從而促使血管的生成及恢復(fù)間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)的表型，調(diào)控骨代謝。因此，HIF1-α對破骨細(xì)胞的機制及相關(guān)因素仍需廣泛且深入的研究。

3.3 TGF-β對骨質(zhì)疏松癥的影響

TGF-β是一種具有多種生物學(xué)特性的因子，如細(xì)胞分化、增殖、遷移、凋亡、自噬或產(chǎn)生細(xì)胞外基質(zhì)[61]。在骨環(huán)境中，骨骼發(fā)育以及骨穩(wěn)態(tài)的維持中TGF-β起著重要的作用[62]。TGF-β可上調(diào)OPG的水平，促進OPG與RANKL兩者結(jié)合并拮抗RANK的作用，從而抑制破骨細(xì)胞的分化成熟。Karst等[63]通過研究發(fā)現(xiàn)，低濃度TGF-β通過影響RANKL/OPG比值來刺激破骨細(xì)胞分化，而高濃度TGF-β則通過多種途徑抑制破骨細(xì)胞分化。在破骨細(xì)胞分化過程中，TGF-β與其受體結(jié)合并形成一個活性Smad復(fù)合物，進入細(xì)胞核并誘導(dǎo)多個靶基因的轉(zhuǎn)錄，對RANKL/RANK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)起著非常重要的作用[64]。TGF-β1通過增加ALK5/TβR1的表達和激活R-Smad2/3復(fù)合物介導(dǎo)破骨細(xì)胞存活，從而激活成熟破骨細(xì)胞中的促生存因子Mcl-1[65]。

4 總結(jié)與展望

近年來破骨細(xì)胞的生理及病理條件下的生物能量變化引起了越來越多的關(guān)注，但代謝重編程仍是破骨細(xì)胞生物學(xué)中一個相對較新的領(lǐng)域。破骨細(xì)胞分化及骨吸收過程中的能量代謝變化，以及能量代謝重編程中相關(guān)信號通路及相關(guān)聯(lián)因子如何影響其代謝的研究較少，仍需廣泛且深入的探索。

原發(fā)或繼發(fā)性骨質(zhì)疏松癥發(fā)病進程中伴隨著內(nèi)環(huán)境的失調(diào)，衰老或代謝性疾病影響代謝物的供應(yīng)及骨骼健康。同樣，破骨細(xì)胞在不同疾病環(huán)境下的細(xì)胞代謝狀態(tài)需要特性分析，其代謝狀態(tài)也會因內(nèi)環(huán)境的改變而受到影響，進而影響染色質(zhì)或蛋白質(zhì)修飾的表觀遺傳調(diào)控。代謝物可以通過轉(zhuǎn)錄后修飾直接調(diào)控基因表達，進一步將代謝與轉(zhuǎn)錄組學(xué)相結(jié)合的綜合研究是必要的[66]。研究健康和疾病兩種不同的狀態(tài)下破骨細(xì)胞之間的代謝差異，抗吸收療法對破骨細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)的影響，以及破骨細(xì)胞對營養(yǎng)物質(zhì)變化的感知，可以為不同代謝環(huán)境中調(diào)控破骨細(xì)胞功能提供更多樣的治療辦法。

系統(tǒng)深入地對破骨細(xì)胞生成和分化代謝特征的研究，將為破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨疾病發(fā)病過程中發(fā)生的變化提供更加深刻的見解。能為研究骨量丟失相關(guān)疾病提供重要的科研價值，為臨床早期調(diào)控骨質(zhì)疏松癥提供新興治療方式。