5-羥色胺對骨骼代謝的調(diào)控機制研究進展

張芮浩 張曉勃 袁文歡 胡一村 陳祥義 于得臣 齊進 周海宇

1.蘭州大學(xué)第二醫(yī)院骨科，甘肅 蘭州 730030 2.甘肅省骨關(guān)節(jié)疾病研究重點實驗室，甘肅 蘭州 730030 3.蘭州市西固區(qū)人民醫(yī)院，甘肅 蘭州 730000；4.內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭一附院，內(nèi)蒙古 包頭014000

骨重塑是一個不斷改建的復(fù)雜過程，破骨細胞參與骨吸收從而清除死骨，維持骨的形態(tài)，成骨細胞則主要參與骨形成，促進骨沉積。骨形成和骨吸收之間的平衡維持了骨組織的健康，它們之間的平衡被打破將會出現(xiàn)骨質(zhì)疏松(osteoporosis, OP)、骨硬化癥和骨折等疾病[1]。多種因素可影響骨重塑，如鈣、磷、鎂等礦物質(zhì)[2]；影響成骨細胞、破骨細胞增殖和分化的細胞因子以及多種內(nèi)分泌激素：雌激素、雄激素和瘦素等[3]。由于5-HT不能通過血腦屏障，學(xué)者們多認為中樞5-HT和外周5-HT各自獨立調(diào)控骨代謝[36]。近期研究發(fā)現(xiàn)，交感神經(jīng)活性增強可增強破骨細胞活性，促進骨吸收，抑制骨生成[37-38]；而感覺神經(jīng)可促進骨生成，促進骨折愈合[5-6]。5-羥色胺(5-hydroxytryptamine, 5-HT)也可參與骨重建，且中樞和外周來源的5-HT對骨組織的調(diào)控作用相反。中樞5-HT促進骨生成，抑制骨吸收，外周5-HT抑制骨生成。此外，5-HT的多種受體也參與了骨組織的調(diào)控[7-8]。本文將通過回顧大量文獻對這一現(xiàn)象進行解釋并對相關(guān)機制的臨床前景進行展望。

1 5-HT簡介

5-HT是一種單胺類神經(jīng)遞質(zhì)，根據(jù)其產(chǎn)生部位不同，可分為中樞5-HT和外周5-HT。中樞5-HT主要由腦干中縫核的5-羥色胺能神經(jīng)元產(chǎn)生，亦稱之為腦源性5-HT，色氨酸羥化酶2(tryptophan hydroxylase2，Tph2)為其產(chǎn)生過程中的限速酶。外周5-HT主要由十二指腸嗜鉻細胞產(chǎn)生，亦稱之為腸源性5-HT，色氨酸羥化酶1(tryptophan hydroxylase2，Tph1)為其限速酶[9-10]。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，5-HT可參與疼痛、情緒和睡眠等生理功能的調(diào)節(jié)。在外周組織中，5-HT是一種強血管收縮刺激劑和平滑肌收縮刺激劑[11]。中樞5-HT和外周5-HT均通過作用于5-HT受體發(fā)揮生理功能，5-HT受體分為7個亞家族，每個亞家族可進一步細分為若干亞型，除5-HT3受體是離子通道受體外，其余受體均屬于G蛋白偶聯(lián)受體[12]。

2 外周5-HT對骨組織的調(diào)控

近年來，多項研究證實了外周5-HT對骨生成的負性作用，即促進骨吸收，抑制骨生成[13-16]。然而，早年對外周5-HT的研究多集中于其對血管張力、止血、胃腸道炎癥和呼吸功能等方面的影響[17]；直到骨質(zhì)疏松癥-假性膠質(zhì)瘤綜合征(osteoporosis-pseudoglioma syndrome, OPPG)的發(fā)病機制有了突破性進展。OPPG是一種以O(shè)P和失明為特征的疾病，Gong等[18]研究發(fā)現(xiàn)，OPPG是低密度脂蛋白相關(guān)蛋白5(LDL-receptor related protein 5, Lrp5)基因的功能喪失所引起。同樣的，Lrp5過表達會引起高骨量綜合征[19]；雖然這兩種疾病導(dǎo)致的是截然相反的骨骼表型，但都提示了Lrp5在骨代謝調(diào)控中的重要地位。同時，Yadav等[13]的研究結(jié)果表明Lrp5對骨重塑的影響依賴外周血清素介導(dǎo)的相關(guān)信號通路。

2.1 外周5-HT對骨組織的直接調(diào)控

Yadav等[13]研究發(fā)現(xiàn)，OPPG患者的血清素水平明顯高于正常人。動物實驗的研究結(jié)果證實了Lrp5功能喪失引起的OP是外周5-HT升高所導(dǎo)致。在敲除了小鼠Lrp5的2個等位基因后，小鼠腸道組織中的Tph1表達明顯增高，外周血5-HT水平明顯增高，骨密度降低，骨微結(jié)構(gòu)被破壞；且小鼠原代成骨細胞在外周5-HT的干預(yù)下增殖和分化速度明顯受限。由此推測，外周5-HT可能直接作用于骨組織上的相關(guān)受體，抑制骨生成，促進骨吸收。分別敲除小鼠成骨細胞上5-HT1b、5-HT2b和5-HT2a三種受體，結(jié)果只有敲除了5-HT1b受體的成骨細胞增殖和分化程度明顯增高，這說明外周5-HT主要通過成骨細胞上的5-HT1b受體抑制骨生成。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，外周5-HT與成骨細胞上的5-HT1b受體結(jié)合后，可抑制細胞周期基因CycD1、D2和E1的表達，從而抑制成骨細胞增殖[13]。

2.2 外周血清素可被Lrp5調(diào)控

Lrp5功能喪失可引起OP，Lrp5過表達引起高骨量綜合征。研究發(fā)現(xiàn)，Lrp5調(diào)控外周5-HT的作用是通過環(huán)腺苷酸反應(yīng)原件結(jié)合蛋白(cyclic AMP response element-binding protein，CREB)進行的。相比于對照組，敲減了一個Lrp5等位基因和骨組織的一個CREB等位基因的小鼠成骨細胞數(shù)目減少，骨形成率明顯降低，而只敲減了CREB等位基因的小鼠成骨細胞數(shù)量無明顯變化。只敲減Lrp5基因的小鼠表現(xiàn)出低骨表型，表明CREB與Lrp5共同調(diào)節(jié)外周5-HT的水平，間接影響骨重塑[13]。若能通過藥物或其他方式增加體內(nèi)Lrp5的生成來治療OP，將豐富臨床治療OP的選擇。

2.3 外周5-HT對骨組織的間接調(diào)控

Kode等[20]發(fā)現(xiàn)叉頭轉(zhuǎn)錄因子O亞型1(FOXO1)與CREB以及轉(zhuǎn)錄激活因子4(ATF4)相互平衡促進成骨細胞增殖，5-HT與5-HTR1b結(jié)合后可以調(diào)控胞內(nèi)的FOXO1的轉(zhuǎn)錄活性；FOXO1與ATF4結(jié)合后抑制成骨細胞增殖，F(xiàn)OXO1與CREB結(jié)合則促進成骨細胞增殖。生理情況下，血清5-HT水平正常，使得FOXO1與ATF4對成骨細胞的抑制作用和FOXO1與CREB對成骨細胞的促進作用保持平衡；而血清中5-HT增加則抑制了FOXO1與CREB的結(jié)合，增加了FOXO1與ATF4的結(jié)合，抑制了細胞周期基因的表達，使得成骨細胞增殖減少，進而導(dǎo)致骨量減少[20]。

綜上所述，外周5-HT調(diào)控骨代謝的機制可總結(jié)為，外周5-HT直接作用于成骨細胞的5-HT1b受體，抑制FOXO1和CREB結(jié)合，促進FOXO1與ATF4結(jié)合為復(fù)合體，增強了轉(zhuǎn)錄活性并抑制成骨細胞內(nèi)的細胞周期基因CYCD1、D2和E1基因，抑制成骨細胞的增殖。腸組織中的Lrp5可抑制Tph1的表達和外周血清素的水平，增強成骨細胞內(nèi)的CREB信號，從而促進骨生成。

3 中樞5-HT對骨組織的調(diào)控

中樞5-HT作為一種神經(jīng)遞質(zhì)，參與情緒、疼痛和睡眠的調(diào)節(jié)，并影響抑郁癥的發(fā)生發(fā)展[21]。不同于外周5-HT，中樞5-HT對骨組織的調(diào)控與瘦素和交感神經(jīng)相關(guān)，它可抑制交感神經(jīng)活性，間接抑制骨吸收，促進骨生成，而瘦素可以抑制中樞5-HT，同時促進交感神經(jīng)活性，負性調(diào)控骨形成[22]。

3.1 交感神經(jīng)對骨組織的調(diào)控

傳統(tǒng)的觀點多認為骨重塑主要與骨生成和骨吸收有關(guān)，近年來發(fā)現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)也可以調(diào)控骨代謝。其中，交感神經(jīng)在調(diào)控骨重塑中扮演重要角色。交感神經(jīng)系統(tǒng)可釋放兒茶酚胺類物質(zhì)，作用于成骨細胞和骨細胞上的β2受體(Adrβ2)，抑制骨形成，并導(dǎo)致破骨細胞分化因子RANKL表達增加，進而增強破骨細胞的骨吸收作用，加快骨量丟失[23]。

3.2 中樞5-HT對骨組織的間接調(diào)控需要交感神經(jīng)和下丘腦參與

中樞5-HT對骨組織的調(diào)控作用為促進骨生成和抑制骨吸收。Yadav等[22]研究發(fā)現(xiàn)，敲除小鼠腦干Tph2等位基因后，小鼠表現(xiàn)為低骨表型，且腦干5-HT的水平明顯降低，而外周血清素的水平?jīng)]有受到明顯影響。同時，敲除Tph2等位基因的小鼠的血清腎上腺素水平遠遠高出對照組小鼠；且(Tph2-/-;Adr2-/-)小鼠的成骨細胞數(shù)和骨形成率明顯高于Tph2-/-小鼠。由此推斷腦源性5-HT促進骨生成，抑制骨吸收的作用是通過抑制交感神經(jīng)活性實現(xiàn)的。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，來自于腦干中縫核的5-羥色胺能神經(jīng)纖維投射至下丘腦腹內(nèi)側(cè)核(ventromedial hypothalamic, VMH)神經(jīng)元，釋放中樞5-HT，作用于VMH神經(jīng)元的5-HT2c受體，抑制交感神經(jīng)的活性，抑制RANKL表達。另一項研究[24]發(fā)現(xiàn)，中樞5-HT是通過VMH神經(jīng)元中的CAM/CREB信號級聯(lián)調(diào)控骨代謝：中樞5-HT從腦干的血清素能神經(jīng)元釋放后，與下丘腦腹內(nèi)側(cè)核神經(jīng)元的5-HT2c受體結(jié)合，激活CAM通路并通過磷酸化激活CREB，進一步抑制交感神經(jīng)元的活動促進骨量增加。

3.3 瘦素對中樞5-HT的調(diào)控

瘦素是一種由脂肪組織產(chǎn)生的激素，當(dāng)其作用于下丘腦弓狀核的瘦素受體時，可以調(diào)控食欲和能量代謝，當(dāng)其作用于血清素能神經(jīng)元上的瘦素受體時，可對骨生成產(chǎn)生抑制作用[25]。瘦素可通過抑制中樞5-HT的合成、抑制中樞血清素能神經(jīng)元的活動和增強交感神經(jīng)的活性等三種方式抑制骨形成[22]。

3.3.1抑制中樞5-HT的合成：Yadav等[22]發(fā)現(xiàn)敲除了瘦素受體的雌性小鼠的腦組織Tph2表達明顯升高，腦干的5-HT水平升高。由此證明瘦素可作用于血清素能神經(jīng)元的瘦素受體，抑制中樞5-HT的生成，間接抑制骨生成。

3.3.2抑制中樞血清素能神經(jīng)元的活動：瘦素不僅可以減少中樞5-HT的合成，也可以抑制中樞血清素能神經(jīng)元活動。通過對小鼠腦干切片中的血清素能神經(jīng)元的動作電位(AP)頻率進行分析，發(fā)現(xiàn)瘦素可顯著減少小鼠血清素能神經(jīng)元的動作電位頻率，從而間接減少中樞5-HT的合成，抑制骨生成[22]。

3.3.3增加交感神經(jīng)的活性：交感神經(jīng)可以調(diào)控骨重塑，而瘦素也可以調(diào)控交感神經(jīng)。瘦素對交感神經(jīng)的調(diào)節(jié)是瘦素作用于下丘腦的瘦素受體實現(xiàn)的，通過激活成骨細胞上的Adrβ 2受體，增強RANKL表達，從而促進破骨細胞介導(dǎo)的骨吸收作用[26-27]。

綜上，中樞5-HT對骨組織的調(diào)控作用可總結(jié)為腦干中縫核5-羥色胺能神經(jīng)元生成的5-HT作用于下丘腦腹內(nèi)側(cè)核的5-HT2c受體，激活CAM信號通路，促進CREB的磷酸化，抑制交感神經(jīng)活性，從而抑制RANKL的表達，抑制骨吸收，促進骨生成。而瘦素可作用于血清素能神經(jīng)元上的瘦素受體，抑制血清素能神經(jīng)元的活性，抑制中樞5-HT的合成，增強交感神經(jīng)的活性來抑制骨生成，促進骨吸收。

4 其他5-HT受體對骨組織的調(diào)控作用

4.1 5-HT6受體

最近的研究發(fā)現(xiàn)5-HT6受體可抑制骨生成。在體外，5-HT6受體可通過抑制Jab1介導(dǎo)的BMP-2信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，抑制成骨細胞的分化。在體內(nèi)，5-HT6受體的激活抑制了顱骨缺損小鼠的骨再生，同時延緩了新生小鼠的骨發(fā)育[16]。此外，Park等[28]發(fā)現(xiàn)，在體外，5-HT6受體可誘導(dǎo)破骨細胞定向分化，并通過RhoAGTPase途徑促進RANKL誘導(dǎo)破骨細胞生成。在體內(nèi)，5-HT6受體介導(dǎo)RhoAGTPase信號轉(zhuǎn)導(dǎo)促進小鼠骨吸收。以上結(jié)果表明，5-HT6受體在外周5-HT中抑制骨形成過程中起關(guān)鍵作用，將5-HT6受體抑制劑應(yīng)用于臨床可能會有效減少骨量流失。然而，目前對5-HT6受體的研究仍停留在基礎(chǔ)水平，要將5-HT6受體抑制劑應(yīng)用于臨床，是我們有待研究的新課題。

4.2 5-HT2a受體

2015年，Tanaka等[29]發(fā)現(xiàn)5-HT2a受體信號過表達會抑制OSX基因的表達從而抑制成骨細胞分化。Nam等[15]則發(fā)現(xiàn)使用5-HT2a受體阻滯劑LY215840后，成骨細胞的增殖、分化能力顯著提高，由此推斷5-HT2a受體參與抑制骨形成。然而，5-HT2a受體是否與抑制成骨細胞增殖有關(guān)，以及具體分子通路還需要進一步研究證實。

4.3 5-HT2b受體

不同于其他受體，5-HT2b可以促進骨生成，也可以促進骨吸收。Locker等[30]發(fā)現(xiàn)5-HT2b受體信號通過促進一氧化氮，花生四烯酸和前列腺素的釋放促進礦化，對骨形成起到積極作用。同樣的，5-HT2b受體也可以促進成骨細胞的募集和增殖[31]。Chabbi-Achengli等[32]則發(fā)現(xiàn)5-HT2b受體的缺失導(dǎo)致前列環(huán)素過量生成，從而引起PPAR-β/δ依賴的靶調(diào)控以及細胞-細胞黏附和基質(zhì)礦化的缺陷，最終導(dǎo)致成骨細胞減少，間接說明了5-HT2b受體對骨形成的積極作用。而Li等[33]發(fā)現(xiàn)5-HT2b受體和ERK1/2信號通路的激活可以使骨細胞的分泌白介素6增多，激活破骨細胞，促進骨吸收，增加骨量流失。這與之前的研究結(jié)果不符，還需要更多的研究探究其原因。

5 外周5-HT阻斷劑在治療OP中的應(yīng)用

OP是一種以骨量低，骨組織微結(jié)構(gòu)損壞，骨脆性增加，易發(fā)生骨折為特征的全身性骨病。OP的發(fā)生與骨生成和骨吸收的平衡失調(diào)密切相關(guān)[34]。前期的研究已經(jīng)證實，中樞5-HT可以促進骨形成，而外周5-HT可以抑制骨生成。這為我們治療OP提供了以下思路：通過提高中樞5-HT的水平和降低外周5-HT的水平來治療OP。目前已發(fā)現(xiàn)Tph1抑制劑LP533401在動物實驗中可改善各種病理情況下的骨量流失，將LP533401應(yīng)用于臨床治療OP具有一定的前景[35]。同時，能否合成中樞中的Tph2激活劑治療OP，以及能否通過其他受體信號和通路開發(fā)相關(guān)藥物治療OP和其他疾病都將會成為未來研究的熱點。

6 小結(jié)

在外周，5-HT類似于激素，對骨形成起負性調(diào)控作用；在中樞，5-HT則作為一種神經(jīng)遞質(zhì)，不僅對骨形成產(chǎn)生積極作用，也積極參與其他生理功能的調(diào)節(jié)。機體可能通過神經(jīng)-內(nèi)分泌調(diào)節(jié)途徑維持骨生成和骨吸收的平衡，這種調(diào)節(jié)方式對未來臨床治療OP可能具有重要的指導(dǎo)意義。在臨床和新藥研究方面，已有研究發(fā)現(xiàn)Tph1阻斷劑可以增加去卵巢小鼠的骨密度，減少骨量流失[39-41]。以Tph1或5-HT1b受體為靶點，尋找相關(guān)藥物，將極大的豐富OP的治療。總之，以上的研究將極大改善OP的致殘率和死亡率，提高人類的健康水平和人均壽命。