基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1在骨質(zhì)疏松中的作用機(jī)制研究進(jìn)展

黃 瑋, 王 旭, 沈志梅, 崔 飛

(江蘇省蘇北人民醫(yī)院, 1. 健康管理中心, 2. 創(chuàng)傷中心, 江蘇 揚(yáng)州, 225001)

世界衛(wèi)生組織(WHO)將骨質(zhì)疏松(OP)定義為一種以骨量降低和骨組織微結(jié)構(gòu)破壞為特征而導(dǎo)致骨質(zhì)脆性增加和易于骨折的全身性骨代謝性疾病。OP好發(fā)于60歲以上老人及絕經(jīng)后婦女，骨折發(fā)生率分別為54%、41%, 全世界每年有超過(guò)890萬(wàn)例骨折病例是由OP引起的。中國(guó)最近的研究報(bào)告[1-3]顯示，在年齡50歲以上的人群中，女性O(shè)P患病率為29.1%, 男性為6.5%。目前，OP是許多國(guó)家的公共衛(wèi)生問(wèn)題，給社會(huì)和家庭帶來(lái)沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。OP的發(fā)病機(jī)制目前尚不清楚，各種干預(yù)效果也不甚理想，因此全面的認(rèn)識(shí)OP的發(fā)生機(jī)制對(duì)于預(yù)防和治療OP具有重大的實(shí)際意義。

基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1(SDF-1)是CXC類趨化因子亞家族的一名成員，又稱為趨化因子基質(zhì)衍生因子(CXCL12), 其是一種由89個(gè)氨基酸組成的小蛋白質(zhì)，帶有2個(gè)半胱氨酸殘基，中間有1個(gè)氨基酸，其編碼序列位于10q11.1, 開放編碼270 bp[17]。CXCL12是一種穩(wěn)態(tài)趨化因子，最初被發(fā)現(xiàn)為Pre-B細(xì)胞生長(zhǎng)因子(PBGF), 并且在淋巴細(xì)胞生成和胚胎發(fā)生等穩(wěn)態(tài)過(guò)程中不可或缺[4]。CXCL12在肝臟、大腦、垂體、腎臟、脾淋巴結(jié)(LN)、結(jié)腸、心臟和骨髓(BM)等許多器官和組織中高表達(dá)，但在血液中表達(dá)降低[5]。這些器官和組織中CXCL12表達(dá)的主要來(lái)源是間質(zhì)成纖維細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞和成骨細(xì)胞，其與相應(yīng)的受體結(jié)合，介導(dǎo)各種細(xì)胞過(guò)程，包括將干細(xì)胞募集到炎癥和損傷部位，同時(shí)在細(xì)胞增殖、免疫調(diào)節(jié)、遷移、侵襲、血管生成、免疫逃避和炎癥微環(huán)境中起著至關(guān)重要的作用。

目前已經(jīng)鑒定出7個(gè)CXCL12亞型，在體內(nèi)SDF-1有SDF-1α和SDF-1β這2種亞型，他們是由同一基因編碼的通過(guò)不同剪接方式產(chǎn)生的，在4個(gè)羧基端存在差異。CXCL12主要與CXC趨化因子受體4(CXCR4)結(jié)合，從而產(chǎn)生一系列的生物學(xué)效應(yīng)。CXCL12/CXCR4信號(hào)通路通過(guò)激活ERK、RAS、MAPK、JNK、P13K/mTOR、MEK/ERK等多種信號(hào)通路，表達(dá)于腫瘤內(nèi)缺氧和促血管生成環(huán)境并調(diào)控腫瘤干細(xì)胞, CXCL12可刺激多種腫瘤細(xì)胞系的增殖，包括膠質(zhì)瘤、卵巢癌、小細(xì)胞肺癌、胰腺癌等。CXCL12在炎癥時(shí)可減少單核細(xì)胞浸潤(rùn)及炎癥破壞，研究[6]發(fā)現(xiàn)CXCL12在子癇前期患者中高表達(dá)，可能與血管內(nèi)皮受損和炎癥免疫相關(guān)。CXCL12與受體結(jié)合常導(dǎo)致受體構(gòu)象的改變，從而影響紅細(xì)胞發(fā)育，研究[7-8]表明在誘導(dǎo)造血干細(xì)胞動(dòng)員的過(guò)程中，粒細(xì)胞集落刺激因子(G-CSF)下調(diào)CXCL12的表達(dá)。CXCL12基因敲除的小鼠表現(xiàn)出心臟發(fā)育缺陷，研究[9-10]還表明CXCL12的分泌參與了化療后的細(xì)胞損傷、心力衰竭、免疫疾病進(jìn)展等病理過(guò)程。OP的發(fā)生與衰老及炎癥因子的增加有關(guān), CXCL12對(duì)骨髓干細(xì)胞動(dòng)員、遷移以及成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞功能發(fā)揮都至關(guān)重要，能明顯提高骨質(zhì)缺損部位的骨再生修復(fù)。在骨髓中, CXCL12負(fù)責(zé)骨髓干細(xì)胞停留并維持其在骨髓中的定位和細(xì)胞周期狀態(tài)。

1 CXCL12對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞的影響

1.1 CXCL12/CXCR4軸影響間充質(zhì)干細(xì)胞分化

研究[11]發(fā)現(xiàn)，CXCL12/CXCR4信號(hào)通路在成骨分化、骨骼發(fā)育和骨折修復(fù)過(guò)程中發(fā)揮重要作用。CXCL12及其受體CXCR4參與小鼠骨髓干細(xì)胞的遷移和存活，同時(shí)還參與了骨折區(qū)的細(xì)胞遷移, SDF-1/CXCR4信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)對(duì)小鼠骨折后的修復(fù)有重要作用。研究[12]表明，干擾 CXCR4/CXCL12信號(hào)軸會(huì)抑制骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(BMP-2)誘導(dǎo)的人和小鼠骨髓來(lái)源的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSC)的成骨分化。研究[13]顯示, BMSC中阻斷CXCL12/CXCR4信號(hào)軸將會(huì)降低BMP-2誘導(dǎo)的堿性磷酸酶(ALP)活性，降低成骨指標(biāo)Runx2和OSX、OCN的表達(dá)，以及礦化結(jié)節(jié)的產(chǎn)生。其具體機(jī)制為: BMP成骨信號(hào)從細(xì)胞表面轉(zhuǎn)導(dǎo)至細(xì)胞核主要是通過(guò)細(xì)胞內(nèi)Smad和Erk通路控制, SDF-1/CXCR4信號(hào)軸的抑制明顯降低BMP-2誘導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)Smad和Erk磷酸化，從而抑制成骨。CXCL12通過(guò)增加基質(zhì)金屬蛋白酶-9(MMP-9), 從而增加破骨細(xì)胞的存活和遷移。

研究[14]認(rèn)為CXCL12/CXCR4軸在干細(xì)胞歸巢中發(fā)揮關(guān)鍵作用，骨細(xì)胞中CXCR4的數(shù)量是由其配體CXCL12控制的。SDF-1通過(guò)與CXCR4結(jié)合引起細(xì)胞遷移，損傷部位SDF-1分泌減少導(dǎo)致循環(huán)CXCR4陽(yáng)性干細(xì)胞歸巢的能力變差，并影響損傷部位的修復(fù)干細(xì)胞的聚集，進(jìn)而導(dǎo)致骨形成顯著減少，腹腔注射SDF-1中和抗體和局部注射SDF-1受體(CXCR4)拮抗劑AMD3100可抑制小鼠骨損傷誘導(dǎo)的骨髓干細(xì)胞數(shù)量增加。體外研究[15-16]也發(fā)現(xiàn)，超聲治療中可通過(guò)SDF-1/CXCR4途徑增強(qiáng)骨折部位的干細(xì)胞募集，從而促進(jìn)骨折愈合。受SDF-1趨化干細(xì)胞作用的啟發(fā)，由脂質(zhì)體和SDF-1組成的納米顆粒系統(tǒng)，可為骨折部位靶向提供SDF-1, 增強(qiáng)干細(xì)胞募集，促進(jìn)骨再生，且作用區(qū)域更大，能吸引更多的干細(xì)胞，并提高骨礦物質(zhì)的親和力，對(duì)治療OP有明顯的效果[17]。

在骨折急性期，骨折區(qū)SDF-1自分泌和旁分泌活性增強(qiáng), SDF-1信號(hào)刺激細(xì)胞表面CXCR4的表達(dá)，促進(jìn)BMSCs向骨折處聚集。SDF-1也可通過(guò)AKT信號(hào)通路參與誘導(dǎo)BMSC遷移的過(guò)程，且BMSC的遷移依賴于SDF-1的濃度。在卵巢切除鼠骨質(zhì)疏松模型(OVX)中發(fā)現(xiàn), BMSCs的成骨能力相對(duì)于未切除組明顯受損，這可能是因?yàn)镺VX-BMSCs對(duì)SDF-1的趨化活性降低，同時(shí)OVX-BMSCs成骨能力受損[18]。OVX-BMSCs與成年對(duì)照大鼠的BMSCs相比，年輕大鼠來(lái)源的BMSC在SDF-1的作用下遷移能力更強(qiáng)，且在OVX大鼠骨質(zhì)疏松性模型療效中局部應(yīng)用SDF-1, 可促進(jìn)干細(xì)胞募集，調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞向M2型極化，促進(jìn)成骨及OCN和Runx2的表達(dá)。因此，促進(jìn)SDF-1表達(dá)可達(dá)到治療OP和有效促進(jìn)骨折愈合的目的[19-20]。

1.2 SDF-1/STAT-3調(diào)節(jié)軸影響間充質(zhì)干細(xì)胞分化

研究[21]發(fā)現(xiàn)激活SDF-1可增強(qiáng)STAT-3磷酸化，繼而增強(qiáng)間充質(zhì)干細(xì)胞增殖、趨化和成骨分化，同時(shí)上調(diào)CXCR4的表達(dá)和活性, CXCR4敲除可顯著降低間充質(zhì)干細(xì)胞黏附，并伴隨BMP-2和Runx2蛋白的表達(dá)降低以及ALP活性和鈣沉積下降。

1.3 SDF-1與營(yíng)養(yǎng)信號(hào)通路相互作用影響間充質(zhì)干細(xì)胞分化

研究[22]證明營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)揮了重要的作用，而瘦素影響SDF-1及其受體CXCR4及CXCR7表達(dá)，從而影響骨形成和間充質(zhì)干細(xì)胞募集。表達(dá)CXCR4的MSCs全身移植可顯著改善OP小鼠的骨硬度和強(qiáng)度，且CXCR4轉(zhuǎn)染的間充質(zhì)干細(xì)胞經(jīng)靜脈注射后會(huì)向骨髓遷移，改善骨密度和骨結(jié)構(gòu); 同時(shí)，與靜脈注射安慰劑鹽水的大鼠相比，轉(zhuǎn)染CXCR4的間充質(zhì)干細(xì)胞可顯著增強(qiáng)骨密度和椎體強(qiáng)度[23]，進(jìn)一步證明SDF-1通過(guò)由mTOR或瘦素調(diào)控的營(yíng)養(yǎng)信號(hào)通路促進(jìn)骨形成，在衰老過(guò)程中對(duì)這些通路的操縱可能既可以解釋與年齡相關(guān)的肌肉骨骼疾病的病因，也可能在潛在的治療干預(yù)中發(fā)揮作用[24]。但也有研究[25]顯示，在OP模型中, CXCR4拮抗劑AMD3100可以直接阻斷骨髓中SDF-1與CXCR4相互作用而使間充質(zhì)干細(xì)胞有效動(dòng)員入血，減少骨髓中破骨細(xì)胞數(shù)量來(lái)改善卵巢切除小鼠模型的骨丟失，這種現(xiàn)象需要后續(xù)更深入的研究來(lái)探討。

1.4 CXCL12與miRNA相互作用影響間充質(zhì)干細(xì)胞分化

在卵巢切除鼠OP模型中，發(fā)現(xiàn)miR-10a-3p與CXCL12相互結(jié)合，促進(jìn)Runx2、Osterix表達(dá)，促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化[26]。與年輕小鼠BMSCs相比，老年小鼠BMSCs中miR-29b-1-5p水平顯著升高，還發(fā)現(xiàn)老年人類MSC中的miR-29b-1-5p水平顯著高于成年人。而miR29b-1-5p直接靶向CXCL12可進(jìn)一步降低CXCL12蛋白水平，從而抑制骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化，同時(shí)下調(diào)成骨基因Runx2的表達(dá)，從而抑制骨形成，這說(shuō)明CXCL12能促進(jìn)干細(xì)胞成骨分化。SDF-1可通過(guò)lncRNA-H19/miR-214-5p軸促進(jìn)hBMSC成骨分化; SDF-1促進(jìn)lncRNA-H19表達(dá)，而后lncRNA-H19與miR-214-5p結(jié)合并抑制miR-214-5p, 進(jìn)而促進(jìn)成骨，顯著上調(diào)成骨基因OCN、OSX、Runx2、ALP及促進(jìn)鈣離子沉積。研究[27]顯示miR-214-5p 抑制劑或lncRNA-H19過(guò)表達(dá)均可促進(jìn)hBMSCs成骨分化，這表明SDF-1在骨形成方面有巨大作用，這為臨床預(yù)防或治療骨質(zhì)疏松癥提供了新的潛在靶點(diǎn)。

2 CXCL12在成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞的平衡中發(fā)揮重要作用

2.1 OP的發(fā)生與成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞維持的骨平衡密切相關(guān)

一項(xiàng)臨床研究[28]顯示，絕經(jīng)后OP患者術(shù)后摘除股骨頭或股骨頸松質(zhì)骨，分離成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞，體外培養(yǎng)并檢測(cè)2組成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的增殖和凋亡情況，與健康對(duì)照組相比，骨質(zhì)疏松組成骨細(xì)胞增殖顯著受到抑制，凋亡率顯著升高，破骨細(xì)胞增殖顯著增強(qiáng)，凋亡率顯著降低。骨質(zhì)疏松組成骨細(xì)胞中CXCL12 表達(dá)水平顯著低于健康對(duì)照組，而破骨細(xì)胞中CXCL12 表達(dá)水平顯著高于健康對(duì)照組，這一機(jī)制可能是通過(guò)調(diào)節(jié)CXCL12基因表達(dá)抑制成骨細(xì)胞增殖和破骨細(xì)胞凋亡而實(shí)現(xiàn)的。另一項(xiàng)體內(nèi)研究[29]發(fā)現(xiàn)，與健康對(duì)照者相比，絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松女性(PMNOP)血漿CXCL12 水平顯著升高，且與疾病嚴(yán)重程度相關(guān)，而血漿CXCL12水平與腰椎、股骨頸和全髖骨密度也呈顯著負(fù)相關(guān)。在一項(xiàng)大于65歲老年男性研究[30]中發(fā)現(xiàn), SDF-1血漿水平與年齡顯著相關(guān)，年齡越大則CXCL12越高，但較高的CXCL12水平與較低的全髖關(guān)節(jié)骨密度相關(guān)，這可能是因?yàn)樵趶?fù)雜的人體環(huán)境中, CXCL12功能受到多種因素調(diào)控，對(duì)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞具有不同的影響[31]。

2.2 CXCL12與雌激素相互作用影響骨平衡

動(dòng)物研究[32]表明，雌激素通過(guò)減少破骨細(xì)胞數(shù)量和骨吸收來(lái)維持骨量, CXCL12缺乏引起皮質(zhì)骨量丟失，促進(jìn)破骨細(xì)胞生成，同時(shí)對(duì)成骨細(xì)胞發(fā)生和骨轉(zhuǎn)換具有強(qiáng)大的抑制作用，這表明雌激素缺乏引起OP模型中的破骨細(xì)胞數(shù)量增加可能是由CXCL12驅(qū)動(dòng)的。研究[33]證實(shí)，雌激素受體抑制間充質(zhì)干細(xì)胞中CXCL12的表達(dá)可對(duì)小鼠的皮質(zhì)內(nèi)骨吸收產(chǎn)生保護(hù)作用，中和性CXCL12抗體還降低了小鼠顱骨細(xì)胞破骨細(xì)胞數(shù)量。另一項(xiàng)研究[34]也發(fā)現(xiàn)雌激素降低了野生型C57BL/6小鼠骨髓細(xì)胞中CXCL12 mRNA的表達(dá), OVX或大鼠睪丸切除(ORX)均可提高骨髓血漿中CXCL12的水平，而OVX小鼠給予雌二醇(E2)可防止CXCL12的生成，這說(shuō)明CXCL12可引起破骨細(xì)胞表達(dá)升高; 進(jìn)一步研究顯示，在缺乏CXCL12基因的小鼠中，與CXCL12未敲除的小鼠相比, CXCL12缺陷小鼠的成骨細(xì)胞生成較高，并在一定程度上減輕OVX引起的皮質(zhì)骨丟失，表明CXCL12缺失可增加小鼠骨轉(zhuǎn)換，減輕雌激素缺乏引起的皮質(zhì)骨丟失。

2.3 CXCL12與miRNA相互作用影響骨平衡

已知miRNA可調(diào)節(jié)組織重塑。卵巢切除鼠OP模型與野生型小鼠相比，miR-29a表達(dá)降低，雌激素缺乏誘導(dǎo)miR-29a丟失，導(dǎo)致CXCL12過(guò)量產(chǎn)生，活化破骨細(xì)胞，最終引發(fā)骨質(zhì)疏松癥，成骨細(xì)胞中過(guò)表達(dá)miR-29a的小鼠表現(xiàn)出更高的骨密度和礦物質(zhì)沉積。在機(jī)制方面，miR-29a過(guò)表達(dá)降低了CXCL12啟動(dòng)子中H3K27ac的富集，使CXCL12的表達(dá)降低，進(jìn)而降低破骨細(xì)胞分化，以抵御雌激素缺乏誘導(dǎo)的過(guò)度破骨細(xì)胞活化和OP[35]。

2.4 CXCL12是控制破骨細(xì)胞分化的重要因素

在一些溶解性病變和OP為特征的病變中發(fā)現(xiàn)SDF-1發(fā)揮重要作用[36], 例如多發(fā)性骨髓瘤(MM), 激活SDF1/CXCR4信號(hào)通路誘導(dǎo)多發(fā)性骨髓瘤細(xì)胞發(fā)生趨化作用和CXCR4的下游信號(hào)通路傳導(dǎo)以及誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞向破骨細(xì)胞分化，這表明SDF1/CXCR4信號(hào)通路在MM破骨細(xì)胞的發(fā)生中起到重要作用[37]。

隨著人口老齡化的加劇，OP已經(jīng)成為一個(gè)重要的健康問(wèn)題。目前骨質(zhì)疏松癥的臨床研究主要集中在成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞方面，而其發(fā)病機(jī)制的研究尚未取得較大進(jìn)展[38]。CXCL12在細(xì)胞的生長(zhǎng)代謝方面發(fā)揮重要作用，參與轉(zhuǎn)錄因子或信號(hào)通路的調(diào)控，對(duì)干細(xì)胞、成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞具有不同的調(diào)控作用，并組成復(fù)雜的調(diào)控關(guān)系，維持骨代謝平衡。目前對(duì)CXCL12在OP的研究尚處于初步階段，還有很多的調(diào)控機(jī)制有待于進(jìn)一步探索。深入了解CXCL12調(diào)控成骨的分子機(jī)制可以進(jìn)一步明確OP的病因，為尋求新的分子診斷標(biāo)志物及靶向治療骨質(zhì)疏松癥提供理論依據(jù)。