成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞相互調(diào)節(jié)作用的研究進(jìn)展

任明詩(shī),丁 羽,李子涵,劉 波

(江西中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院,江西省中醫(yī)藥管理局中藥防治老年性疾病重點(diǎn)研究室，江西 南昌 330004)

破骨細(xì)胞骨吸收和成骨細(xì)胞骨形成之間的相對(duì)平衡對(duì)維持骨穩(wěn)態(tài)起至關(guān)重要的作用。骨重塑階段,成骨細(xì)胞能招募破骨前體細(xì)胞進(jìn)入骨單位區(qū)域并兩兩接觸,細(xì)胞間的信號(hào)從破骨前體細(xì)胞傳遞到成骨細(xì)胞,誘導(dǎo)成骨細(xì)胞從骨表面撤離,形成無(wú)細(xì)胞區(qū)。在成骨細(xì)胞的調(diào)控下,單核破骨前體細(xì)胞逐漸融合為多核成熟破骨細(xì)胞,分泌酸性物質(zhì)和蛋白酶，分別溶解礦物質(zhì)和消化骨基質(zhì)的膠原纖維來(lái)進(jìn)行骨吸收,并形成骨吸收陷窩。舊骨吸收后,破骨細(xì)胞產(chǎn)生一系列活性物質(zhì),促進(jìn)成骨前體細(xì)胞遷移并募集于骨吸收處,分化為成熟成骨細(xì)胞,介導(dǎo)骨吸收朝骨形成的轉(zhuǎn)換。在多重因子的刺激下,活化的成骨細(xì)胞在骨吸收的凹陷處大量增殖,分泌多種骨形成相關(guān)蛋白,與細(xì)胞外結(jié)晶的羥磷灰石等無(wú)機(jī)成分結(jié)合為成熟的骨基質(zhì),并逐漸礦化形成新骨。

成骨細(xì)胞能調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的增殖和分化,而破骨細(xì)胞也能調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的活性和功能。骨微環(huán)境內(nèi),成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞不同分化階段產(chǎn)生不同活性物質(zhì),包括生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子、趨化因子和微小RNA等,通過(guò)細(xì)胞與細(xì)胞直接接觸或旁分泌方式,把兩種細(xì)胞功能和作用緊密聯(lián)系起來(lái),協(xié)同進(jìn)行平穩(wěn)的骨重建活動(dòng)，以維持正常的骨骼結(jié)構(gòu)。近年來(lái),局部分子信號(hào)在調(diào)節(jié)骨形成和骨吸收的作用得到廣泛研究,成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞間的關(guān)系也引起人們的重視。本文主要介紹成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞產(chǎn)生的活性物質(zhì)在細(xì)胞間相互調(diào)節(jié)的作用。

1 成骨細(xì)胞分泌的活性物質(zhì)對(duì)破骨細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)作用

成骨細(xì)胞參與破骨細(xì)胞骨吸收的功能調(diào)節(jié)。成骨細(xì)胞分泌的活性物質(zhì),如核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor-κB ligand, RANKL)、巨噬細(xì)胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor, M-CSF)、白介素-6(interleukin-6,IL-6)、趨化因子CX3C配體1(chemokine CX3C ligand 1, CX3CL1)、單核細(xì)胞趨化蛋白l(monocyte chemoattractant protein-1, MCP-1)、胰島素樣生長(zhǎng)因子(insulin-like growth factor, IGF)、溶血磷脂酸(lysophosphatidic acid, LPA)和miR-34c等,可以調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞在骨表面附著、增殖、分化和成熟等,促進(jìn)骨吸收。與此相反,成骨細(xì)胞來(lái)源的骨保護(hù)素(osteoprotegerin, OPG)、前列腺素E2(prostaglandin E2, PGE2)、IL-18、IL-33、信號(hào)素Sema3A(Semaphorin3A)、miR-125b和miR-503等活性物質(zhì),可以抑制破骨細(xì)胞骨吸收(Tab 1)。

Tab 1 The active substances produced by osteoblasts and their effects

1.1 正向調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的活性物質(zhì)

1.1.1RANKL RANKL是跨膜結(jié)合蛋白或游離型多肽。成骨細(xì)胞在骨吸收因子的刺激下能分泌RANKL,并與破骨前體細(xì)胞的核因子κB受體活化因子(receptor activator of nuclear factor-κB,RANK)結(jié)合,從而促使破骨前體細(xì)胞分化為成熟的破骨細(xì)胞。在酸性環(huán)境下,破骨細(xì)胞的骨吸收活性增強(qiáng)。Okito等[1]發(fā)現(xiàn)酸性培養(yǎng)條件下成骨細(xì)胞RANKL表達(dá)水平上調(diào)。酸性環(huán)境中的成骨細(xì)胞主要功能是支持破骨細(xì)胞的形成和分化,而不是礦化。同時(shí)RANKL誘導(dǎo)分化的破骨細(xì)胞中存在多種趨化因子自分泌環(huán),強(qiáng)化抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatase,TRAP)陽(yáng)性多核細(xì)胞的形成。

1.1.2M-CSF M-CSF是鏈間二硫鍵連接而成的二聚體糖蛋白。經(jīng)骨吸收刺激因子作用,成骨細(xì)胞能分泌M-CSF。M-CSF受體c-Fms的表達(dá)僅限于巨噬細(xì)胞譜系。M-CSF與破骨前體細(xì)胞表面受體c-Fms結(jié)合,可以調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的增殖、分化及成熟。在破骨細(xì)胞分化的早期階段,M-CSF可以誘導(dǎo)破骨前體細(xì)胞表達(dá)RANK,并通過(guò)RANKL/RANK途徑促進(jìn)破骨前體細(xì)胞的分化成熟,從而增強(qiáng)骨吸收作用。

1.1.3IL-6 白介素是糖蛋白類(lèi)細(xì)胞因子。IL-4和IL-13協(xié)同IL-1能誘導(dǎo)成骨樣細(xì)胞表達(dá)具有生物活性的IL-6。在含有IL-6培養(yǎng)條件下,破骨細(xì)胞的數(shù)量顯著增多,成骨樣細(xì)胞的堿性磷酸酶 (alkaline phosphatase, ALP)活性和膠原合成被輕微抑制。IL-6和IL-6受體(IL-6R)結(jié)合促進(jìn)破骨前體細(xì)胞在骨吸收處的招募,而抗IL-6R的中和抗體抑制IL-6誘導(dǎo)的多核破骨細(xì)胞的形成,說(shuō)明成骨樣細(xì)胞產(chǎn)生的IL-6能促進(jìn)破骨細(xì)胞骨吸收。

1.1.4趨化因子 趨化因子是一類(lèi)具有誘導(dǎo)反應(yīng)細(xì)胞定向遷移作用的小分子蛋白質(zhì),主要有CXC、CC、CX3C和XC 4個(gè)亞家族。在IL-1的作用下,成骨細(xì)胞CX3CL1的表達(dá)增加,破骨細(xì)胞前體表達(dá)CX3C趨化因子受體1(CX3C chemokine receptor 1,CX3CR1),這是CX3CL1的唯一受體[2]。CX3CL1能劑量依賴性地增加破骨細(xì)胞數(shù)量和破骨細(xì)胞的形成,促進(jìn)破骨細(xì)胞前體細(xì)胞向骨重構(gòu)表面的歸巢。敲除CX3CR1并使用特異性中和抗體對(duì)CX3CL1進(jìn)行功能抑制,可減少破骨細(xì)胞生成,防止骨丟失[3]。MCP-1也是趨化因子CC亞家族中的一員。金黃色葡萄球菌感染下的人成骨細(xì)胞會(huì)分泌較高水平的MCP-1。趨化因子受體2(CC chemokine receptor 2, CCR2)在人破骨前體細(xì)胞中有明顯表達(dá),MCP-1與CCR2高選擇性結(jié)合。持續(xù)的MCP-1作用將使破骨細(xì)胞過(guò)度活躍,而缺乏CCR2會(huì)導(dǎo)致更高的骨量。MCP-1可以誘導(dǎo)破骨前體細(xì)胞趨向骨重建部位,也可以促進(jìn)單核破骨前體細(xì)胞募集、融合并生成破骨細(xì)胞。MCP-1基因的破壞也會(huì)導(dǎo)致單核破骨前體細(xì)胞在體外的遷移和募集過(guò)程受阻[4]。

1.1.5IGF IGF是一種能調(diào)控細(xì)胞增殖的多功能細(xì)胞因子,與胰島素原的化學(xué)結(jié)構(gòu)相近。在骨組織中IGF主要由成骨細(xì)胞分泌,并儲(chǔ)存在骨基質(zhì)中。IGF隨著骨基質(zhì)被吸收逐漸釋放出來(lái)并與破骨細(xì)胞表達(dá)的IGF受體(insulin-like growth factor receptor,IGFR)結(jié)合,可以增加破骨細(xì)胞的數(shù)目和骨吸收面積。IGF-I和IGF-II是骨基質(zhì)中最豐富的生長(zhǎng)因子之一,成骨細(xì)胞產(chǎn)生的IGF-II比IGF-I更多,但I(xiàn)GF-I對(duì)破骨細(xì)胞的影響較強(qiáng)。在IGF-I刺激下,破骨細(xì)胞分化和功能活性迅速加強(qiáng),破骨細(xì)胞形成標(biāo)志物也廣泛增加[5]。IGF-I基因敲除小鼠表現(xiàn)為較小的破骨細(xì)胞和骨吸收面積,較少破骨細(xì)胞數(shù)目和細(xì)胞核融合數(shù),同時(shí)也促使破骨細(xì)胞成熟相關(guān)的RANKL、RANK、M-CSF和c-Fms表達(dá)水平顯著下降。IGF-I一方面可能通過(guò)間接調(diào)節(jié)RANKL和RANK表達(dá)促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化,另一方面與IGFR結(jié)合直接支持單核破骨前體細(xì)胞向成熟破骨細(xì)胞的形成。

1.1.6LPA和miR-34c 成骨細(xì)胞來(lái)源的非蛋白質(zhì)類(lèi)的活性物質(zhì)也可以促進(jìn)破骨細(xì)胞骨吸收功能。LPA是一種具有強(qiáng)生物活性的磷脂。成骨細(xì)胞本身也能產(chǎn)生LPA,LPAR是破骨細(xì)胞中LPA的受體。LPA通過(guò)LPAR增強(qiáng)破骨細(xì)胞前體的分化,促進(jìn)破骨細(xì)胞存活和融合,導(dǎo)致更大的破骨細(xì)胞形成[6]。miRNA是一種短小的非編碼單鏈RNA。在BMP2刺激的成骨分化過(guò)程中,成骨前體細(xì)胞中miR-34c的表達(dá)顯著升高。miR-34c轉(zhuǎn)基因小鼠表現(xiàn)出成骨細(xì)胞增殖分化減少,破骨細(xì)胞增多。miR-34c可以使成骨細(xì)胞的OPG水平降低以增加RANKL/OPG比值,從而導(dǎo)致破骨細(xì)胞分化增加。過(guò)表達(dá)的miR-34c促進(jìn)破骨細(xì)胞分化,而下調(diào)miR-34c表達(dá)可以抑制破骨細(xì)胞分化。miR-34c也可以通過(guò)靶向RANKL的受體LGR4,激活Gαq/GSK3-β/NFATc1信號(hào)通路促進(jìn)破骨細(xì)胞分化和骨吸收[7]。

1.2 反向調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的活性物質(zhì)

1.2.1OPG OPG屬于TNF受體超家族,是肝素結(jié)合分泌型糖蛋白。成骨細(xì)胞可以分泌OPG,RANKL與OPG的親和力比RANK更強(qiáng),OPG競(jìng)爭(zhēng)性與RANKL結(jié)合,阻止了RANKL/RANK的信號(hào)傳導(dǎo),抑制了破骨前體細(xì)胞的分化成熟。OPG/RANKL/RANK是成骨細(xì)胞調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞形成和分化的經(jīng)典通路。OPG缺陷小鼠破骨細(xì)胞數(shù)量增加,牙槽骨吸收嚴(yán)重,OPG的表達(dá)在抑制骨吸收中起重要作用。

1.2.2IL-18和IL-33 IL-18和IL-33同屬于IL-1家族。內(nèi)皮素-1可以誘導(dǎo)人成骨細(xì)胞IL-18的表達(dá),IL-18可以和IL-18R結(jié)合抑制破骨細(xì)胞的形成,從而抑制破骨細(xì)胞性骨吸收。甲狀旁腺激素可以誘導(dǎo)成骨細(xì)胞IL-33表達(dá)增加,IL-33通過(guò)IL-33R結(jié)合，發(fā)揮強(qiáng)烈抑制破骨細(xì)胞的形成作用,而IL-33R敲除可導(dǎo)致破骨細(xì)胞數(shù)量的增加,IL-33阻斷抗體可以解除IL-33對(duì)破骨細(xì)胞形成的抑制作用。IL-33可以通過(guò)弱化RANKL或M-CSF刺激減少破骨細(xì)胞形成。M-CSF可以抑制IL-33的作用,而M-CSF中和抗體可以恢復(fù)IL-33對(duì)破骨細(xì)胞形成的抑制作用[8]。

1.2.3Sema3A Sema3A是一類(lèi)重要的軸突誘向因子,是一種分泌型蛋白。成骨細(xì)胞分泌的Sema3A呈劑量依賴性的抑制破骨細(xì)胞生成。Sema3A是成骨細(xì)胞產(chǎn)生的一種有效的骨保護(hù)因子,可以與破骨前體細(xì)胞Plexin-A和Nrp1形成的復(fù)合物受體結(jié)合,抑制破骨細(xì)胞分化,促進(jìn)成骨細(xì)胞骨形成。RANKL信號(hào)能顯著下調(diào)Nrp1的表達(dá)促進(jìn)破骨細(xì)胞生成,只有在RANKL刺激前加入Sema3A才能觀察到破骨形成的抑制現(xiàn)象。所以RANKL調(diào)控的Nrp1表達(dá)緊密控制sema3A的抗破骨細(xì)胞生成功能。sema3A與Nrp1結(jié)合通過(guò)抑制ITAM和RhoA信號(hào)通路從而減弱破骨細(xì)胞分化。破壞Nrp1基因的小鼠出現(xiàn)骨質(zhì)減少表型,而靜脈注射sema3A可以加速小鼠骨再生[9]。

1.2.4PGE2前列腺素是一類(lèi)具有廣泛生理活性的不飽和脂肪酸,骨組織中的PGE2主要由成骨細(xì)胞分泌。PGE2通過(guò)受體EP可以抑制破骨細(xì)胞骨吸收陷窩的面積擴(kuò)大和數(shù)量的增加,對(duì)分離的破骨細(xì)胞骨吸收功能有抑制作用。但也有研究表明PGE2可以促進(jìn)破骨細(xì)胞形成,PGE2對(duì)成熟破骨細(xì)胞的直接作用還存在爭(zhēng)議。

1.2.5miR-125b和miR-503 成骨細(xì)胞分泌的外泌體中含有miR-125b和miR-503。miR-125b在骨基質(zhì)中儲(chǔ)存并積累,成熟的破骨細(xì)胞骨吸收時(shí)釋放骨基質(zhì)中的miR-125b。miR-125b可以靶向并降解破骨前體細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄因子Prdm1來(lái)抑制其朝成熟破骨細(xì)胞方向分化。成骨細(xì)胞中過(guò)表達(dá)miR-125b的轉(zhuǎn)基因小鼠表現(xiàn)為破骨細(xì)胞的數(shù)量減少,骨小梁骨量增加。過(guò)表達(dá)miR-125b還可以減少去卵巢或脂多糖誘導(dǎo)的模型小鼠骨丟失[10]。RANK是miR-503的功能靶點(diǎn),miR-503可以通過(guò)抑制RANK表達(dá)阻礙破骨細(xì)胞分化。使用agomir過(guò)表達(dá)miR-503抑制了RANKL誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞形成,抑制骨吸收,防止骨丟失,而使用特異性的antagomir沉默miR-503可促進(jìn)破骨細(xì)胞的形成,促進(jìn)骨吸收,減少骨量[11]。

2 破骨細(xì)胞分泌的活性物質(zhì)對(duì)成骨細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)作用

破骨細(xì)胞參與成骨細(xì)胞骨形成功能調(diào)節(jié)。在破骨細(xì)胞來(lái)源的活性物質(zhì)中,轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(transforming growth factor-β, TGF-β)、骨形態(tài)發(fā)生蛋白2(bone morphogenetic protein-2, BMP-2)、Wnt10b、肝配蛋白B2(erythropoietin-producing human hepatocellular receptors ligand B2, ephrinB2)、基質(zhì)細(xì)胞衍生因子1(stromal cell derived factor-1, SDF-1)和1-磷酸鞘氨醇(sphingosine 1-phosphate, S1P)等可以正向調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的生理活動(dòng),包括促進(jìn)成骨細(xì)胞的募集、成熟、分化和礦化等。相反地,肝配蛋白A2(erythropoietin-producing human hepatocellular receptors ligand A2, ephrinA2)、信號(hào)素Sema4D(Semaphorin4D)、絲氨酸蛋白酶1(high temperature requirement A1, HtrA1)、骨硬化蛋白 (sclerostin)、miR-214-3p和miR-23a-5p等可以反向調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的活性和功能(Tab 2)。

Tab 2 The active substances produced by osteoclasts and their effects

2.1 正向調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的活性物質(zhì)

2.1.1TGF-β 參與骨重建的破骨細(xì)胞可以分泌TGF-β,TGF-β最初以無(wú)活性形式儲(chǔ)存于骨基質(zhì)中。當(dāng)破骨細(xì)胞積極參與骨吸收時(shí),破骨細(xì)胞分泌組織蛋白酶,從而釋放并激活骨基質(zhì)中的TGF-β。TGF-β可與成骨細(xì)胞膜上各個(gè)亞型的TGF-β受體(TGF-βR)結(jié)合發(fā)揮作用。TGF-β信號(hào)可以誘導(dǎo)成骨細(xì)胞前體細(xì)胞遷移和成熟,促使成骨細(xì)胞合成各型膠原蛋白、骨黏連蛋白和骨橋蛋白等細(xì)胞外骨基質(zhì)的有機(jī)成分,并促進(jìn)骨基質(zhì)礦化。同時(shí)TGF-β也增強(qiáng)成骨細(xì)胞RANKL的表達(dá),從而促進(jìn)破骨前體細(xì)胞的募集。TGF-β對(duì)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞分化具有雙向作用,突出了其對(duì)骨代謝的復(fù)雜影響[12]。

2.1.2BMP BMP屬于TGF-β超家族成員,是從骨基質(zhì)中分離的一種活性蛋白質(zhì),BMP通過(guò)與細(xì)胞骨形態(tài)發(fā)生蛋白受體(bone morphogenetic protein receptor,BMPR)結(jié)合來(lái)發(fā)揮作用。IL-23可促使破骨細(xì)胞中成骨因子BMP2的表達(dá)。BMP2顯著增加骨鈣素表達(dá),促進(jìn)成熟成骨細(xì)胞的生成。BMP2/4基因敲除小鼠表現(xiàn)為成骨細(xì)胞的形態(tài)較小且生長(zhǎng)緩慢,ALP活性和成骨相關(guān)基因表達(dá)減弱,礦化能力降低和嚴(yán)重的成骨損傷。而外源性添加的BMP2或BMP4可以使成骨細(xì)胞分化和礦化能力恢復(fù)[13]。BMP6也是破骨細(xì)胞分泌產(chǎn)物之一,其能增加去勢(shì)大鼠的骨體積和改變骨組織力學(xué)特性,上調(diào)成骨細(xì)胞表面骨保護(hù)素、ALP和Ⅰ型膠原水平,從而恢復(fù)骨微結(jié)構(gòu)和骨骼質(zhì)量。

2.1.3Wnt10b Wnt10b是一種分泌型糖蛋白,也是Wnt膜蛋白受體的配體?；罨腡GF-β可以刺激破骨細(xì)胞生成和分泌Wnt10b,促進(jìn)成骨細(xì)胞礦化。用Wnt信號(hào)抑制劑dickkophrelated protein 1阻斷Wnt10b活性,可抑制TGF-β處理的破骨細(xì)胞條件培養(yǎng)基促進(jìn)成骨細(xì)胞礦化的能力[14]。Wnt10b的缺失小鼠導(dǎo)致骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)自我維持和更新的缺陷,BMSCs來(lái)源的成骨細(xì)胞活性降低,并引發(fā)后續(xù)的成骨細(xì)胞分化標(biāo)志物ALP和骨鈣素的表達(dá)降低以及骨小梁的骨損失[15]。

2.1.4EphrinB2 Ephrin是Eph樣受體酪氨酸蛋白激酶的配體,也是膜結(jié)合型信號(hào)傳遞蛋白質(zhì)。破骨細(xì)胞表達(dá)的ephrinB2能與成骨細(xì)胞表達(dá)的受體EphB4結(jié)合,向成骨細(xì)胞傳遞正向信號(hào)增強(qiáng)成骨分化。成骨細(xì)胞過(guò)表達(dá)EphB4可以增強(qiáng)小鼠成骨細(xì)胞功能,而siRNA敲低EphB4導(dǎo)致成骨細(xì)胞分化減少。RANKL能刺激破骨細(xì)胞ephrinB2的表達(dá),并通過(guò)EphB4激活ERK1/2通路和減弱RhoA活性,促進(jìn)下游成骨細(xì)胞成骨相關(guān)因子Runx 2和Osterix的轉(zhuǎn)錄,強(qiáng)化成骨細(xì)胞骨形成作用[16]。

2.1.5SDF-1 SDF-1也稱CXCL12,屬于CXC類(lèi)趨化因子。破骨細(xì)胞分化或骨吸收過(guò)程中,破骨細(xì)胞向胞外分泌SDF-1 因子。BMSCs表達(dá)SDF-1的特異性受體CXCR4,SDF-1因子具有引導(dǎo)BMSCs遷移,分化為成熟的成骨細(xì)胞作用[17]。CXCR4在未成熟成骨細(xì)胞中表達(dá)比在成熟成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞的表達(dá)更多。SDF-1與成骨細(xì)胞受體CXCR4結(jié)合,參與成骨細(xì)胞成骨相關(guān)蛋白表達(dá)和骨形成。CXCR4敲除小鼠表現(xiàn)為骨質(zhì)減少,礦物附著速率減慢,成骨相關(guān)的I型膠原和骨鈣素表達(dá)減少。通過(guò)siRNA、抗SDF-1的中和抗體或CXCR4拮抗劑阻斷SDF-1/CXCR4通路會(huì)抑制成骨細(xì)胞分化。表明SDF-1/CXCR4信號(hào)通路通過(guò)影響成骨細(xì)胞的發(fā)育而在骨形成中發(fā)揮作用[18]。

2.1.6S1P S1P是一種具有生物活性的鞘氨醇骨架脂類(lèi)分子。在成熟的多核破骨細(xì)胞中,升高的鞘氨醇激酶1能催化S1P的形成并分泌到細(xì)胞外。S1P與S1P受體(sphingosine 1-phosphate receptor,S1PR)結(jié)合誘導(dǎo)成骨細(xì)胞前體遷移到骨重塑位點(diǎn),增強(qiáng)成骨細(xì)胞的存活和刺激骨形成。而S1P拮抗劑能減弱人間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化能力,降低S1P對(duì)成骨細(xì)胞礦化結(jié)節(jié)的形成和趨化作用[19]。同時(shí)，S1P 還能夠刺激成骨細(xì)胞分泌RANKL,也能間接調(diào)控破骨前體細(xì)胞的分化。

2.2 反向調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的活性物質(zhì)

2.2.1EphrinA2 破骨細(xì)胞源外泌體表達(dá)EphrinA2,通過(guò)靶向成骨細(xì)胞膜表面的受體EphA2,引導(dǎo)外泌體與成骨細(xì)胞融合并釋放內(nèi)容物miR-214,從而發(fā)揮抑制成骨作用。EphrinA2/EphA2途徑的抑制成骨分化作用可被EphrinA2蛋白的Efna2 siRNA或EphA2 siRNA緩解。抑制破骨細(xì)胞源外泌體的形成和釋放，也可減弱miR-214對(duì)成骨細(xì)胞活性降低作用。nSMase和Rab27a是破骨細(xì)胞生成外泌體的兩個(gè)關(guān)鍵蛋白,nSMase的拮抗劑GW4869和Rab27a siRNA通過(guò)減少破骨細(xì)胞源外泌體的形成和釋放,可以達(dá)到減弱成骨細(xì)胞活性抑制效果[20]。

2.2.2Sema4D Sema4D是一種免疫信號(hào)素,參與多種重要生理功能的跨膜蛋白分子。破骨細(xì)胞分泌的sema4D能與成骨細(xì)胞Plexin-B1受體結(jié)合,干預(yù)IGF-1信號(hào)通路,抑制成骨細(xì)胞分化,促進(jìn)骨形成向骨吸收的轉(zhuǎn)化。sema4D敲除小鼠和Plexin-B1敲除小鼠的骨形成增多,出現(xiàn)骨硬化表型,而抗sema4D的特異性抗體能防止骨質(zhì)疏松癥模型小鼠的骨丟失[21]。在骨重建過(guò)程中,破骨細(xì)胞通過(guò)sema4D與Plexin-B1的結(jié)合來(lái)調(diào)控成骨細(xì)胞的遷移。sema4D誘導(dǎo)的接觸排斥現(xiàn)象解釋了成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞之間存在的空間間距,而Plexin-B1基因敲除消除了兩種細(xì)胞的間距。破骨細(xì)胞可能利用sema4D介導(dǎo)的接觸排斥作用,從而排斥成骨細(xì)胞獲得骨基質(zhì)來(lái)進(jìn)行骨吸收[22]。

2.2.3HtrA1和Sclerostin 破骨細(xì)胞來(lái)源的HtrA1和Sclerostin都能通過(guò)拮抗BMP對(duì)成骨細(xì)胞發(fā)揮作用。HtrA屬于絲氨酸蛋白酶家族,是一種分泌蛋白。HtrA1由破骨細(xì)胞分泌,作為外源性因子負(fù)調(diào)控成骨細(xì)胞分化和礦化過(guò)程,但不影響破骨細(xì)胞。HtrA1通過(guò)結(jié)合BMP2并使其失活,減少BMP2介導(dǎo)的成骨細(xì)胞Smad、ERK和p38磷酸化以及ALP、Runx2、骨鈣素和骨橋蛋白的基因表達(dá),從而抑制成骨細(xì)胞分化[23]。而HtrA1過(guò)表達(dá)延遲了細(xì)胞礦化進(jìn)程,降低了Cbfa1和I型膠原的表達(dá),并阻止BMP2誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞礦化,siRNA沉默HtrA1的表達(dá)可以促進(jìn)成骨細(xì)胞礦物沉積。Sclerostin是一種分泌型蛋白信號(hào)肽,且僅限于破骨細(xì)胞表達(dá)。Sclerostin因與BMP6和BMP7的結(jié)合具有較高的親和力,可作為BMP的拮抗劑。Sclerostin通過(guò)抑制BMP6和BMP7活性,負(fù)調(diào)控成骨細(xì)胞的分化、功能以及骨形成,而抑制Sclerostin可能導(dǎo)致骨密度增加的骨硬化癥。Sclerostin在破骨細(xì)胞骨吸收和成骨細(xì)胞骨附著功能中起到鏈接作用[24]。

2.2.4miR-214-3p和miR-23a-5p 破骨細(xì)胞源外泌體內(nèi)含的miRNA是實(shí)現(xiàn)破骨細(xì)胞與成骨細(xì)胞之間通信的物質(zhì)基礎(chǔ)。Li等[25]發(fā)現(xiàn)，破骨細(xì)胞來(lái)源外泌體miR-214-3p可以轉(zhuǎn)移到成骨細(xì)胞內(nèi)抑制骨形成。miR-214-3p的過(guò)表達(dá)能加強(qiáng)對(duì)成骨細(xì)胞的活性降低作用,而阻斷miR-214-3p對(duì)成骨細(xì)胞的信號(hào)傳遞,可以促進(jìn)骨形成。miR-214-3p可以靶向ATF4成骨轉(zhuǎn)錄因子抑制骨形成,從而調(diào)控下游成骨相關(guān)基因表達(dá)。Yang等[26]發(fā)現(xiàn)，miR-23a-5p在破骨細(xì)胞的外泌體中高表達(dá),miR-23a-5p可以抑制成骨細(xì)胞活性,可以降低成骨細(xì)胞Runx2和ALP的表達(dá)。miR-23a-5p過(guò)表達(dá)能使早期成骨減少,而miR-23a-5p抑制劑使早期成骨增加。miR-23a-5p通過(guò)調(diào)控下游通路Runx2/MT1DP影響成骨細(xì)胞分化。阻礙破骨細(xì)胞源外泌體釋放，也可以減弱miR-23a-5p介導(dǎo)的破骨細(xì)胞對(duì)成骨細(xì)胞分化的抑制作用。

3 小結(jié)與展望

目前，這些活性物質(zhì)大多屬于蛋白質(zhì)類(lèi),隨著細(xì)胞外泌體研究領(lǐng)域的興起,越來(lái)越多的miRNA類(lèi)核酸物質(zhì)已被證實(shí)參與成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞之間的交流。脂類(lèi)活性成分在兩種細(xì)胞之間的調(diào)控作用也引起人們的關(guān)注。趙銳等[27]總結(jié)了Runx2及其下游Osterix成骨特異性轉(zhuǎn)錄因子與主要成骨分化相關(guān)基因的表達(dá)密切相關(guān),在成骨細(xì)胞分化中起關(guān)鍵調(diào)控作用。與成骨分化有關(guān)的重要信號(hào)通路,如BMP/Smad、Wnt/β-catenin和PI3K/AKT等,通過(guò)直接或間接方式作用于Runx2或Osterix 等關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。在破骨細(xì)胞分泌的活性物質(zhì)中,TGF、BMP、wnt106、HtrA1或Sclerostin等可以通過(guò)上述信號(hào)通路間接影響Runx2的表達(dá),而miR-23a-5p可以直接靶向Runx2發(fā)揮抑制成骨作用。SDF-1、S1P或Sema4D等可能傾向于影響成骨細(xì)胞的募集或撤離來(lái)調(diào)控骨形成的起始和終止過(guò)程。任莉榮等[28]總結(jié)了RANKL/RANK/OPG、M-CSF/C-FMS和ITAM等是破骨細(xì)胞形成和分化的經(jīng)典通路,經(jīng)典通路所形成的破骨細(xì)胞體積大、細(xì)胞核數(shù)量多和骨吸收凹陷深。成骨細(xì)胞來(lái)源的活性物質(zhì),如RANKL、RANK、OPG、M-CSF、Sema3A和miR-503等與上述經(jīng)典通路密切相關(guān),也存在直接作用和間接作用的區(qū)別。根據(jù)Knowles等[29]總結(jié)的破骨細(xì)胞分化的非經(jīng)典通路,成骨細(xì)胞分泌的IL-6可作為RANKL的替代品,但作用弱于RANKL,而PGE2、IL-18、IL-33等炎癥因子也可能通過(guò)非經(jīng)典通路來(lái)發(fā)揮作用。CX3CL1和MCP-1等趨化因子主要與破骨前體細(xì)胞的定向遷移活動(dòng)有關(guān)。

生理或病理?xiàng)l件下,成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞受不同刺激,產(chǎn)生的活性物質(zhì)種類(lèi)及含量也相應(yīng)變化。如組織缺氧條件下,成骨細(xì)胞分泌的OPG含量顯著升高,而甲狀旁腺素和異丙腎上腺素刺激下,成骨細(xì)胞的RANKL和MCP-1表達(dá)上調(diào)。當(dāng)然,骨疾病相關(guān)防治藥物也對(duì)人體內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生影響,如pH、滲透壓、激素和細(xì)胞因子水平的改變等,從而間接調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞或破骨細(xì)胞產(chǎn)生的活性物質(zhì)。近年來(lái),越來(lái)越多的單體藥物可以雙向調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞活性,如淫羊藿苷、仙茅酚苷和葛根素等,經(jīng)典中藥及復(fù)方亦是如此,如補(bǔ)骨脂、女貞子、燈盞花和二仙湯、二至丸、強(qiáng)骨飲等。研究發(fā)現(xiàn)部分藥物能影響成骨細(xì)胞分泌OPG、RANKL和M-CSF等活性物質(zhì),甚至外泌體的產(chǎn)生及其內(nèi)容物miRNAs的改變。因此,藥物通過(guò)調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞間偶聯(lián)因子方式,來(lái)達(dá)到維持骨形成和骨吸收動(dòng)態(tài)平衡目的,這引起了人們極大的研究興趣。