糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)骨質(zhì)疏松發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展

周于琳 馮正平

重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院內(nèi)分泌科，重慶 400016

骨質(zhì)疏松癥是一種常見(jiàn)的全身性骨骼疾病，導(dǎo)致骨量減少、骨骼脆性增高，高血漿皮質(zhì)醇水平、絕經(jīng)后婦女、高齡等人群有更高的骨折風(fēng)險(xiǎn)。糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)骨質(zhì)疏松(glucocorticoid-induced osteoporosis，GIOP)是常見(jiàn)的繼發(fā)性骨質(zhì)疏松癥之一，表現(xiàn)為骨形成減少、骨吸收增加。當(dāng)皮質(zhì)醇增多的原發(fā)性疾病治愈或停止使用糖皮質(zhì)激素后，骨折風(fēng)險(xiǎn)迅速降低[1]。本文對(duì)近年來(lái)糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)骨質(zhì)疏松的分子機(jī)制作一綜述，旨在為臨床更好地防治GIOP提供參考。

1 糖皮質(zhì)激素對(duì)成骨細(xì)胞的影響

成骨細(xì)胞主要由內(nèi)外骨膜和骨髓基質(zhì)內(nèi)的間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells，MSC)分化而來(lái)，起著促進(jìn)骨形成的作用。迄今研究表明，糖皮質(zhì)激素可影響成骨細(xì)胞分化、增殖及凋亡。

1.1 Wnt/β-catenin信號(hào)通路

Wnt蛋白與細(xì)胞表面受體結(jié)合，信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)入胞內(nèi)抑制糖原合成激酶3β(GSK3β)，使β-catenin向細(xì)胞核移動(dòng)，與轉(zhuǎn)錄因子TCG/LEF結(jié)合啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄，正向調(diào)控成骨細(xì)胞分化。研究顯示[2-4]，生理量糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)下，小鼠成骨細(xì)胞內(nèi)Wnt9a、Wnt10b表達(dá)上調(diào)，激活Runx2和Osx，促進(jìn)成骨細(xì)胞分化。超生理量糖皮質(zhì)激素顯著降低了小鼠成骨細(xì)胞內(nèi)Wnt16水平，同時(shí)增強(qiáng)Wnt信號(hào)通路的拮抗蛋白(如Sost、Dkk1、sFRP-1)及負(fù)性調(diào)節(jié)因子Axin-2的表達(dá)，抑制成骨細(xì)胞分化。

1.2 BMP/Smads信號(hào)通路

骨形成蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)是誘導(dǎo)骨形成的主要因子。BMP與細(xì)胞表面跨膜受體結(jié)合并募集Smad1/5/8，轉(zhuǎn)至核內(nèi)調(diào)節(jié)下游基因表達(dá)，誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化。Huang等[5]證實(shí)，糖皮質(zhì)激素通過(guò)降低成骨細(xì)胞內(nèi)BMP2/6/7、Smad1/5/8的水平，抑制BMP/Smads信號(hào)通路傳導(dǎo)，阻礙成骨細(xì)胞分化。

1.3 Notch信號(hào)通路

Notch信號(hào)的傳遞主要需要Notch受體(Notch1/2/3/4)、配體(如Jagged1/2、DLL1/3/4)及細(xì)胞內(nèi)效應(yīng)器的共同作用。Notch受體與配體結(jié)合，Notch受體胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域自細(xì)胞膜易位至細(xì)胞核，與免疫球蛋白κJ區(qū)的重組信號(hào)結(jié)合蛋白相結(jié)合，激活編碼抑制性轉(zhuǎn)錄因子的Hes/Hey家族表達(dá)，抑制成骨細(xì)胞分化。Zanotti等[6]證實(shí)，超生理量的糖皮質(zhì)激素刺激小鼠成骨細(xì)胞內(nèi)Notch受體(主要指Notch1/2)過(guò)度表達(dá)，Hes1、Hey1等活化增強(qiáng)，阻礙成骨細(xì)胞分化；生理量糖皮質(zhì)激素作用下，Hey1/L等表達(dá)受抑制，則有利于成骨細(xì)胞分化。這說(shuō)明Notch信號(hào)通路受糖皮質(zhì)激素影響，一旦超過(guò)生理量，則過(guò)度激活該信號(hào)，減少成骨細(xì)胞分化，抑制骨重塑。

1.4 PI3K/Akt信號(hào)通路

磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)是一種脂質(zhì)激酶，可激活軟骨內(nèi)骨化調(diào)節(jié)因子蛋白激酶B(Protein Kinase B，Akt)與BMP2共同調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞分化。Chen等[7]觀察到，PI3K/Akt通路激活后，BMP2、ALP等骨形成標(biāo)志物表達(dá)上調(diào)，促進(jìn)成骨細(xì)胞分化和增殖。而地塞米松處理后的小鼠，成骨細(xì)胞內(nèi)PI3K、Akt磷酸化及抗凋亡蛋白Bcl2減少，GSK3β上調(diào)，成骨細(xì)胞凋亡增多[8]。

1.5 成骨細(xì)胞鐵死亡

鐵死亡是依賴于鐵介導(dǎo)的氧化損傷的一種新型細(xì)胞死亡形式，其發(fā)生與谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)受抑制密切相關(guān)。近年來(lái)，大量研究探索了鐵死亡與骨穩(wěn)態(tài)的關(guān)系，證實(shí)了鐵死亡參與了糖尿病性骨質(zhì)疏松、癌性骨病、骨關(guān)節(jié)病等的發(fā)生，并認(rèn)為調(diào)控鐵死亡是骨病治療潛在方向。目前研究表明，糖皮質(zhì)激素可能通過(guò)誘導(dǎo)成骨細(xì)胞發(fā)生鐵死亡參與骨質(zhì)疏松的發(fā)生發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)[9-10]，暴露于地塞米松的MC3T3-E1細(xì)胞中鐵蛋白重鏈、GPX4及具有抗氧化作用的胱氨酸/谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SLC7A11減少，環(huán)氧合酶2增加，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)活性氧(reactive oxidative species，ROS)含量增高，促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)鐵死亡，成骨細(xì)胞凋亡增加，但使用鐵死亡抑制劑Fer-1后，成骨細(xì)胞凋亡顯著減少，證明了鐵死亡在GIOP中的重要作用。

1.6 成骨細(xì)胞自噬

自噬是細(xì)胞實(shí)現(xiàn)細(xì)胞自身代謝及細(xì)胞器更新的進(jìn)程。近年研究證實(shí)，自噬影響骨代謝，在絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松、骨硬化癥等骨骼疾病中有重大意義，在GIOP中也發(fā)揮重要作用。

自噬空泡具有分泌磷灰石晶體的載體作用，參與成骨細(xì)胞礦化。在GIOP中，糖皮質(zhì)激素過(guò)度激活自噬，導(dǎo)致了成骨細(xì)胞凋亡增加，成骨細(xì)胞礦化減少[11]。陳俊名等[12]發(fā)現(xiàn)，隨著地塞米松濃度增高，MC3T3-E1細(xì)胞增殖能力逐漸減弱，凋亡增多，并且胞內(nèi)自噬小體及自噬調(diào)控蛋白Beclin-1、LC-3B、NCOA增多，p62減少。使用自噬抑制劑3-MA后[13-14]，Liu等[13]發(fā)現(xiàn)MC3T3-E1細(xì)胞凋亡減少；Han等[14]則觀察到MC3T3-E1細(xì)胞凋亡反而增加，這可能表明一定強(qiáng)度的自噬對(duì)于骨骼具有保護(hù)作用，自噬過(guò)度增強(qiáng)或減弱都不利于成骨細(xì)胞分化、增殖。

1.7 外泌體與成骨細(xì)胞

外泌體是胞內(nèi)體與細(xì)胞膜融合釋放到細(xì)胞外基質(zhì)的膜性囊泡，含有大量的蛋白分子、DNA、RNA、mRNA、miRNA，吞入細(xì)胞后可介導(dǎo)細(xì)胞間信號(hào)傳遞。近年來(lái)，外泌體對(duì)骨代謝影響的研究逐漸深入。

既往研究發(fā)現(xiàn)，在糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)下，成骨細(xì)胞中miR-199a-5p顯著增多，并通過(guò)靶向Wnt信號(hào)，抑制成骨細(xì)胞分化；近期臨床研究也發(fā)現(xiàn)[15]，糖皮質(zhì)激素治療后類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者血清內(nèi)miR-199a-5p水平明顯增高，進(jìn)一步證實(shí)了糖皮質(zhì)激素促進(jìn)miR-199a-5p表達(dá)。Garcia等[16]研究中，成骨細(xì)胞來(lái)源的miR-433-3p具有靶向減少11β-羥基類固醇脫氫酶1(11β-hydroxysteroid dehydrogenase，11β-HSD1)的作用，但在糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)下，miR-433-3p減少，11β-HSD1增多，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)活化糖皮質(zhì)激素的水平增高，骨質(zhì)破壞加重。以上研究證實(shí)，糖皮質(zhì)激素可能通過(guò)調(diào)控不同類型外泌體表達(dá)水平，促進(jìn)GIOP發(fā)生發(fā)展。

2 糖皮質(zhì)激素對(duì)MSC分化的影響

MSC是成骨細(xì)胞及脂肪細(xì)胞的共同祖細(xì)胞，研究發(fā)現(xiàn)，糖皮質(zhì)激素可能通過(guò)外泌體及FoxO通路等影響其分化[17]。

2.1 FoxO-β-catenin-PPARγ信號(hào)軸

氧化應(yīng)激介導(dǎo)的FoxO-β-catenin-PPARγ信號(hào)軸的平衡對(duì)MSC分化具有重要作用，糖皮質(zhì)激素促進(jìn)氧化應(yīng)激，抑制Wnt信號(hào)通路，同時(shí)也上調(diào)PPARγ及KLF15、C/EBPα、aP2等脂肪細(xì)胞生成相關(guān)蛋白的表達(dá)[18-19]，使MSC分化的“天秤”向脂肪細(xì)胞傾斜，導(dǎo)致成骨細(xì)胞分化相對(duì)減少。

2.2 外泌體與MSC

研究顯示[20-21]，在GIOP模型小鼠中，MSC來(lái)源的miR-708高表達(dá)并靶向作用于Smad3，Let-7f-5p表達(dá)則受抑制，并伴有成骨相轉(zhuǎn)錄因子Runx2、Osx及骨形成標(biāo)志物ALP、OCN、PINP等的降低，均提示MSC的成骨細(xì)胞分化減少，表明糖皮質(zhì)激素可能通過(guò)調(diào)控外泌體表達(dá)抑制MSC的成骨細(xì)胞分化。

綜上所述，糖皮質(zhì)激素通過(guò)多種信號(hào)通路、細(xì)胞自噬、外泌體等分子機(jī)制調(diào)控成骨細(xì)胞分化、增殖、凋亡，從而抑制骨形成。

3 糖皮質(zhì)激素對(duì)破骨細(xì)胞的影響

破骨細(xì)胞是來(lái)源于造血干細(xì)胞的組織特異性巨噬細(xì)胞，其增殖與活化是GIOP早期骨吸收明顯增強(qiáng)的原因。

3.1 RANK/RANKL/OPG信號(hào)通路

早在20世紀(jì)90年代末，核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL)及其受體RANK在調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞形成和活性方面的重要性就已經(jīng)在RANKL缺失小鼠中得到證實(shí)。骨保護(hù)素(osteoprotegerin，OPG)作為RANKL的誘餌受體，可阻止RANK與RANKL結(jié)合，維持骨量[22]。糖皮質(zhì)激素通過(guò)刺激成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞分泌RANKL，抑制OPG分泌，促進(jìn)破骨細(xì)胞分化，增強(qiáng)骨吸收[23-24]。

3.2 MAPK信號(hào)通路

絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)信號(hào)通路是RANK/RANKL信號(hào)通路的下游通路，MAPK的亞家族成員包括ERK、JNK、p38。Zhu等[25]證明，地塞米松處理后，小鼠破骨細(xì)胞內(nèi)磷酸化的ERK、JNK、p38明顯增多，破骨細(xì)胞活性增強(qiáng)。也有研究認(rèn)為[26]，ERK在糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)下活化受到抑制，通過(guò)影響成骨細(xì)胞間接調(diào)控破骨細(xì)胞分化，在超生理量糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)下，PI3K/AKT信號(hào)通路、Wnt/β-catenin信號(hào)傳遞被抑制，間隙連接蛋白-43去磷酸化增強(qiáng)，ERK1/2活化受阻，成骨細(xì)胞內(nèi)活化的ERK1/2減少，一方面，無(wú)法介導(dǎo)活化下游成骨相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子，抑制成骨細(xì)胞分化；另一方面，去磷酸化的ERK1/2刺激成骨細(xì)胞分泌RANKL，促進(jìn)破骨細(xì)胞分化，最終導(dǎo)致骨質(zhì)疏松發(fā)生。

3.3 氧化應(yīng)激

ROS在細(xì)胞傳導(dǎo)及機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定中具有重要作用。糖尿病性骨質(zhì)疏松、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等骨病中均發(fā)現(xiàn)了ROS的過(guò)度表達(dá)。Hua等[27]發(fā)現(xiàn)，糖皮質(zhì)激素增強(qiáng)促凋亡蛋白Bim、Bak表達(dá)，促進(jìn)鈣內(nèi)流，誘導(dǎo)富含脯氨酸的酪氨酸激酶2(proline-rich tyrosine kinase 2，pyk2)、JNK活化，進(jìn)而激活p66Shc激酶，導(dǎo)致ROS累積，增加成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞及破骨細(xì)胞凋亡，但凋亡的細(xì)胞釋放更多的細(xì)胞因子，誘導(dǎo)破骨細(xì)胞募集。但Sato等[28]指出，pyk2具有抑制破骨細(xì)胞凋亡的作用，并在pyk2基因缺失的小鼠中觀察到，糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)下的骨量丟失減少。以上研究表明，糖皮質(zhì)激素促進(jìn)氧化應(yīng)激，對(duì)成骨細(xì)胞及破骨細(xì)胞均有一定促凋亡作用，但其通過(guò)誘導(dǎo)pyk2活化延長(zhǎng)破骨細(xì)胞壽命，以凋亡細(xì)胞所釋放細(xì)胞因子促進(jìn)破骨細(xì)胞募集，最終表現(xiàn)出對(duì)破骨細(xì)胞功能維持的正向作用，促進(jìn)骨吸收，破壞骨穩(wěn)態(tài)。

3.4 破骨細(xì)胞自噬

部分研究探索了糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)下自噬在破骨細(xì)胞分化中的作用，Lin等[29]選擇性刪除破骨細(xì)胞前體中的自噬相關(guān)基因7后，糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)的小鼠骨吸收減輕，由此推測(cè)糖皮質(zhì)激素具有誘導(dǎo)自噬以促進(jìn)破骨細(xì)胞分化的作用。

3.5 破骨細(xì)胞與外泌體

除了對(duì)成骨細(xì)胞及MSC來(lái)源外泌體影響外，也有研究表明[30]，RANKL誘導(dǎo)分化的破骨細(xì)胞前體細(xì)胞RAW 264.7的外泌體中miR-23a-5p表達(dá)水平增高，參與抑制成骨細(xì)胞活性，并證明了其靶基因?yàn)镽unx2。既往研究已肯定，隨著體內(nèi)皮質(zhì)醇水平升高，RANKL增多，由此推斷，miR-23a-5p也增多，最終抑制骨形成。

綜上所述，糖皮質(zhì)激素對(duì)于骨骼健康有重要影響。長(zhǎng)期暴露于超生理量糖皮質(zhì)激素會(huì)導(dǎo)致骨形成減少，骨吸收增強(qiáng)，骨折風(fēng)險(xiǎn)顯著升高，其具體分子機(jī)制可能與糖皮質(zhì)激素影響Wnt、BMP、Notch等信號(hào)通路相關(guān)。近年的研究發(fā)現(xiàn)，GIOP也可能與糖皮質(zhì)激素影響細(xì)胞自噬、外泌體、鐵死亡以調(diào)控成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞的分化、增殖、凋亡密切相關(guān)，未來(lái)可通過(guò)分子生物學(xué)技術(shù)進(jìn)一步明確其主要分子機(jī)制，為GIOP的防治打下基礎(chǔ)。