成骨細胞介導的相關信號通路在老年骨質(zhì)疏松癥中的研究進展

周坤 林劍 莫亞峰 湯樣華*

1.浙江中醫(yī)藥大學附屬江南醫(yī)院/杭州市蕭山區(qū)中醫(yī)院,浙江 杭州 311201

2.浙江康復醫(yī)療中心,浙江 杭州 310052

老年骨質(zhì)疏松癥(senile osteoporosis,SOP)是一種主要表現(xiàn)為骨量減少、骨小梁結(jié)構退化,導致骨的脆性增加,出現(xiàn)骨痛及腰背痛、駝背、易發(fā)骨折等癥狀的代謝性骨病[1]。并且隨著人口老齡化程度的加劇,骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生率也明顯上升。據(jù)統(tǒng)計[2],2050年我國骨質(zhì)疏松癥患者將從2019年的6 000萬增加到1.2億以上。因此,SOP病理機制的研究對SOP的有效防治具有重要的社會價值和意義。目前研究已證實,骨形成和骨吸收失衡導致的骨量減少是SOP的主要病理機制,其中骨形成過程中又與成骨細胞增殖、外基質(zhì)成熟、骨基質(zhì)礦化障礙密切相關,而且可能涉及成骨細胞與不同相關信號通路之間的相互關聯(lián),但具體作用機制尚不明確。本文就成骨細胞及其介導的相關信號通路在SOP中的作用機制進行總結(jié),以期為SOP的病理機制研究和治療提供新的思路。

1 成骨細胞介導的骨形成與SOP的相關性

成骨細胞介導的骨形成和破骨細胞介導的骨吸收是維持骨量動態(tài)平衡的關鍵因素。研究表明骨形成小于骨吸收,致使骨代謝處于負平衡狀態(tài)、導致骨量減少是OP主要的發(fā)病機制,其中骨形成障礙是老年骨質(zhì)疏松癥的重要原因[3]。骨形成包括成骨細胞增殖、外基質(zhì)成熟、骨基質(zhì)礦化3個過程。在整個成骨細胞骨形成過程中,Wnt/β-catenin、Hedgehog、BMP-2/Smad、PI3K/AKT等是骨形成過程中主要調(diào)控信號通路,骨形成蛋白(BMP)、骨特異性堿性磷酸酶(ALP)、骨鈣素(OCN)、I型膠原蛋白(COL-1)、骨橋蛋白(OPN)等相關因子是骨形成過程中的重要參與因子。在成骨細胞增殖過程中,各種原始細胞分化為成骨細胞,體內(nèi)BMP-2/smad信號通路是此過程的關鍵通路,BMP-2不僅能夠有效增加成骨細胞數(shù)量,還能與Wnt/β-catenin、Hedgehog通路產(chǎn)生協(xié)同作用以提高ALP的活性,而ALP活性的高低與下階段成骨細胞分化程度呈正相關[4]。另外Wnt/β-catenin通路抑制間充質(zhì)干細胞分化為脂肪細胞,從而增加成骨細胞數(shù)量。在外基質(zhì)形成與成熟過程則以Runx2為關鍵因子,Wnt/β-catenin、hedgehogBMP-2/Smad等通路通過下游因子Runx2調(diào)控成骨細胞增殖并分泌COL-1,大量累積的COL-1與其他細胞、因子共同作用,促進骨基質(zhì)的合成與骨雛形的形成,同時ALP和COL-1共同促使成骨細胞外基質(zhì)成熟,為其他基質(zhì)組分如羥基磷灰石的沉積提供有機支架[5]。在骨基質(zhì)礦化過程中,Runx2相關信號通路如Wnt/β-catenin、BMP-2/Smad、PI3K/AKT等參與成骨細胞分化成熟且促進分泌骨礦化調(diào)節(jié)劑OCN,當有機支架富含OCN時,大量ALP通過分解磷酸酯中的無機磷,同時BMP-2/Smad等信號通路調(diào)節(jié)OPN等因子促使成熟外基質(zhì)中的羥基磷灰石沉積,促進基質(zhì)發(fā)生礦化,礦物質(zhì)沉積促使骨質(zhì)形成[6-7]。臨床及相關實驗研究證實骨形成過程中的任何階段受阻,都有可能引起骨形成障礙從而導致骨質(zhì)疏松的發(fā)生。Xue等[8]通過抑制骨質(zhì)疏松模型大鼠成骨細胞增殖過程,發(fā)現(xiàn)其ALP活性降低,成骨細胞分化減弱,大鼠骨質(zhì)疏松程度加重。Paschalis 等[9]在臨床研究中發(fā)現(xiàn)藥物治療可誘導骨質(zhì)疏松癥患者外基質(zhì)成熟與骨基質(zhì)礦化,提高骨強度,改善骨質(zhì)疏松。對于老年人群,細胞衰老、營養(yǎng)狀況等因素會導致成骨細胞、骨髓細胞和骨祖細胞等活性減少,影響外基質(zhì)成熟與骨基質(zhì)礦化等骨形成過程,從而導致SOP的發(fā)生[10]。

2 成骨細胞介導的相關信號通路與SOP的發(fā)生、發(fā)展

2.1 Wnt/β-catenin信號通路

Wnt/β-catenin通路在骨穩(wěn)態(tài)和骨修復中起著重要作用。Wnt蛋白由19個分泌糖蛋白組成,具有調(diào)控細胞生長、分化和凋亡的功能[11]。Wnt蛋白、卷曲受體(Frizzled)和低密度脂蛋白受體相關蛋白5或6(LRP5/6)發(fā)生結(jié)合,形成Wnt-FZF-LRP5/6復合體,復合物形成后,LRP5/6的羧基端與Axin結(jié)合,從蛋白復合體中釋放β-catenin,使GSK-3β無法磷酸化β-catenin,GSK-3β的失活誘導β-catenin的細胞質(zhì)積累,然后易位到細胞核并激活T細胞因子/淋巴增強因子(TCF / LEF)家族,激活β-catenin的轉(zhuǎn)錄[12]。激活后的Wnt/β-catenin發(fā)出信號,通過包括干細胞更新、誘導成骨細胞生成以及抑制成骨細胞凋亡等多種機制促進成骨[13]。

已有研究證實,Wnt/β-catenin信號通路在調(diào)控成骨過程中,Wnt3a、Wnt6、Wnt10a、Wnt10b、Wnt5A和β-catenin是必需的關鍵成分,缺失可導致骨質(zhì)減少[14-15]。Wnt信號傳導通過抑制脂肪生成轉(zhuǎn)錄因子、增強子結(jié)合蛋白α和過氧化物酶體增殖物激活的受體γ(PPARγ)來維持前脂肪細胞處于未分化狀態(tài)[16]。在早期研究中,Wnt10b因子已被證明是骨髓間充質(zhì)干細胞(bone mesenchymal stem cell,BMSC)的命運調(diào)節(jié)劑,Wnt10b的異位表達可以抑制脂肪生成轉(zhuǎn)錄因子從而抑制BMSC分化為脂肪細胞,使更多的BMSC向成骨細胞分化[17]。后續(xù)研究中發(fā)現(xiàn),Wnt信號通路中Wnt6、Wnt10a也有相似的作用[18]。近期發(fā)現(xiàn),Wnt6、Wnt10a在刺激BMSC分化為成骨細胞時,實驗底物中ALP、OCN、成骨細胞特異性轉(zhuǎn)錄因子(Osx)表達明顯提高,這些因子都是骨形成過程中的關鍵因子,間接證明了wnt/β-catenin信號通路可以促進成骨細胞分化、增殖和礦化活動[19]。隨著研究深入,實驗底物中ALP、OCN的表達含量上升或許歸功于BMP,相關研究證明BMP-2通過誘導Wnt1、Wnt3a、Lrp5表達和抑制β-TrCP的表達來促進規(guī)范Wnt信號傳導[20]。與之相對應的是Wnt3a激活Wnt信號傳導或β-catenin/TCF4的過表達又可以刺激了BMP-2的轉(zhuǎn)錄,這代表著BMP和Wnt/ β-catenin在成骨細胞分化和成熟期間存在相互合作的關系。盡管Wnt /β-catenin信號通路與BMP協(xié)調(diào)可以表現(xiàn)出更強的調(diào)節(jié)成骨分化的能力[21],但是BMP-2的轉(zhuǎn)錄調(diào)控是復雜的,涉及多種途徑如hedgehog、PTH / CREB信號通路,這些途徑與Wnt信號通路在控制成骨細胞分化和骨穩(wěn)態(tài)方面發(fā)生干擾。故Wnt/β-catenin信號通路與BMP之間的調(diào)控關系仍需進一步研究。此外,Wnt/β-catenin通路激活過程中TCF-1與Runx2調(diào)節(jié)區(qū)域結(jié)合,可通過Runx2來促進骨形成。Yang等[22]在近期實驗中發(fā)現(xiàn)Wnt7a過表達增加了Runx2啟動子活性,提高OCN分泌,促進骨基質(zhì)礦化。

綜上表明,Wnt/β-catenin信號通路對SOP骨形成過程的作用主要為以下3個方面:(1)直接抑制BMSC分化為脂肪細胞,促進BMSC分化為成骨細胞;(2)與BMP協(xié)同作用增強ALP等成骨關鍵因子活性,促進成骨細胞分化、增殖和礦化活動;(3)通過調(diào)節(jié)關鍵的成骨調(diào)節(jié)因子Runx2調(diào)節(jié)成骨分化。

2.2 Hedghog信號通路

Hedgehog是一種高度保守的分泌性糖蛋白,負責調(diào)節(jié)胚胎發(fā)育、細胞增殖分化以及維持組織穩(wěn)態(tài)。Hedgehog同源蛋白分為Shh、Ihh、Dhh三類,其中shh、ihh對成骨分化具有重要作用。Hedgehog信號通路主要由Hedgehog配體、Ptched受體、Smo受體、Gli轉(zhuǎn)錄因子等組成。Hedgehog配體在跨膜轉(zhuǎn)運蛋白的幫助下從細胞中釋放出來,使hedghog與ptched受體結(jié)合,解除ptched對Smo的抑制,促進Smo釋放Gli轉(zhuǎn)錄因子,進而激活Hedgehog信號通路[23]。研究表明,Shh通過提升Gli2轉(zhuǎn)錄刺激BMP-2表達以增強成骨細胞分化[24]。Wu等[25]通過特定方式將Shh移植到BMP-2的培養(yǎng)基上,觀察到相較于沒有BMP-2的培養(yǎng)基大鼠成骨細胞分化的能力更突出。Jiang等[26]的實驗發(fā)現(xiàn)激活Shh信號通路后,大鼠體內(nèi)BMP表達水平明顯升高,同時ALP活性與基質(zhì)礦化結(jié)節(jié)的數(shù)量增加。Ihh可以抑制PTHrP生成,并與其形成負反饋調(diào)節(jié),控制Ihh的過度表達,抑制骨和軟骨內(nèi)的過度發(fā)育,確保成骨處于動態(tài)平衡狀態(tài),從而達到促進骨基質(zhì)礦化,增強骨形成的能力[27]。

另外,目前主流觀點認為Hedgehog信號通路還通過干預Runx2表達對骨形成起促進作用。如AlMuraikhi[28]發(fā)現(xiàn)用Smo拮抗劑抑制Hedgehog信號通路后,小鼠體內(nèi)Runx2和 Osx的表達同時減低,小鼠成骨細胞分化、礦化等功能受到抑制。Moon等[29]研究也發(fā)現(xiàn),Hedgehog拮抗劑Cyclo有效地抑制了成骨細胞的分化,而促進劑則增加了Runx2及骨骼生成標志物ALP的表達,并增強了小鼠外基質(zhì)礦化能力。Wang等[30]通過激活hedgehog受體調(diào)節(jié)Gli1表達,強化了Runx2表達,同樣使ALP數(shù)量及鈣結(jié)節(jié)形成增加。此外,成骨細胞抑制劑PTH相關肽(PTHrP)可以抑制早期Hedgehog與BMP誘導的成骨作用,并在間接反應中阻止Runx2表達的上調(diào),導致OCN分泌減少,基質(zhì)礦化受阻。

綜上表明,激活的Hedgehog信號通路對SOP骨形成作用主要分為以下3個方面:(1)與BMP協(xié)同作用影響間充質(zhì)干細胞分化成骨細胞;(2)通過提高Runx2和Osx的表達,調(diào)節(jié)COL-1與ALP含量,促進成骨細胞外基質(zhì)形成與骨基質(zhì)礦化;(3)與PTHrP形成負反饋調(diào)節(jié),抑制骨與軟骨過度發(fā)育,促進骨形成。進而表明Hedgehog信號通路對骨形成三個階段都有相關調(diào)節(jié)作用,是防治SOP的可能目標通路。

2.3 BMP-2/Smad信號通路

BMP屬于轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)家族的最大成員,BMP通過與I型和II型的絲氨酸/蘇氨酸激酶受體相互作用來發(fā)揮其生物學功能。來自I型受體的信號,當被II型受體磷酸化時,被各種分子傳遞到下游底物,通過Smad信號傳導激活靶基因。在BMP和TGF-β信號由細胞膜傳遞至細胞核的過程中,Smad蛋白起到了關鍵性的作用。活化的I型受體進一步磷酸化Smad蛋白,促使Smad分子從細胞膜受體上脫離下來,并在胞質(zhì)內(nèi)結(jié)合Smad4分子然后將復合物易位到細胞核中,與其他核輔助因子如ALP一起調(diào)節(jié)靶基因的轉(zhuǎn)錄,同時觸發(fā)Runx2轉(zhuǎn)錄[31-32]。

現(xiàn)有研究證實BMP是成骨細胞分化的關鍵蛋白,其中BMP-2又是最有效的細胞因子之一,并能誘導骨形成[33]。若BMP-2因子缺失將導致超過90 %的突變間充質(zhì)祖細胞保持未分化。BMP-2還能顯著增加骨橋蛋白基因表達,誘導基質(zhì)成熟,調(diào)節(jié)細胞外基質(zhì)中的羥基磷灰石沉積。宋敏等[34]利用特定中藥相關物質(zhì)激活BMP-2/Smad信號通路,發(fā)現(xiàn)激活組與對照組相比大鼠OPN基因顯著表達,成骨標志蛋白BMP、COL-1顯著增加。在促進成骨過程中,BMP-2通過激活Smad信號傳導觸發(fā)Runx2的轉(zhuǎn)錄來調(diào)控骨形成不同階段。已有大量實驗證實了BMP-2/Smad信號通路的相關作用機制,如柴姍等[35]通過動物實驗發(fā)現(xiàn),抑制BMP-2/Smads信號通路時,大鼠體內(nèi)凋亡骨細胞數(shù)量增加;而上調(diào)大鼠BMP-2、Smad1和Smad5的表達時,大鼠體內(nèi)Osx和Runx2的表達明顯升高,表明BMP-2/Smad可能通過Runx2進一步調(diào)控其下游產(chǎn)物如ALP、COL-1和OCN,從而達到調(diào)節(jié)骨形成的作用。Feng等[33]的實驗也發(fā)現(xiàn),刺激BMP-2/Smad信號通路,OP小鼠模型血清中骨形成關鍵因子Runx2和Osx的mRNA水平升高。Runx2及其下游因子Osx的表達對成骨細胞分化至關重要,Osx是一種含鋅指的轉(zhuǎn)錄因子,在成骨細胞和軟骨細胞中表達,是成骨細胞分化的早期和晚期標志物,若Osx表達缺失將導致成骨細胞分化受阻,骨形成障礙。肖銳等[36]發(fā)現(xiàn)抑制BMP-2/Smad信號通路能夠降低OCN和ALP水平,同時下調(diào)相應蛋白質(zhì)濃度,減弱ALP的染色效果,并持續(xù)抑制外基質(zhì)礦化及鈣化結(jié)節(jié)生成。

綜上表明,BMP-2/Smad信號通路對SOP骨形成作用主要通過以下3個方面:(1)促進BMSC分化成骨細胞;(2)增加OPN表達促進外基質(zhì)成熟與礦化;(3)調(diào)節(jié)Runx2與Osx促進骨形成全過程。

2.4 PI3K/AKT信號通路

PI3K/AKT信號通路由一系列膜受體和生長因子激活,并在細胞能量代謝、細胞質(zhì)運動和細胞周期進展中發(fā)揮關鍵作用,是許多系統(tǒng)中調(diào)節(jié)骨再生過程的關鍵信號通路。在信號通路中PI3K將膜磷脂肌醇-4與5-二磷酸磷酸化為磷脂酰肌醇3,4,5三磷酸鹽,PI3K被磷酸化后通過招募PDK1激活下游分子AKT,PI3K/AKT激活后通過抑制信號底物GSK-3β穩(wěn)定β-catenin并使其易位到細胞核中進行基因轉(zhuǎn)錄并生成兩種轉(zhuǎn)錄因子Runx2和osterix,其加速成骨細胞分化[37-38]。另外活性FoxO可以與β-catenin競爭TCF從而使Wnt信號通路激活減弱,而AKT激活后能磷酸化FoxO的Thr-24,Ser-25和Ser-319位點,促使磷酸化后的FoxO與銜接蛋白14-3-3結(jié)合,促進FoxO向細胞質(zhì)聚集及降解,從而使得FoxO喪失活性,促進Wnt的骨形成作用[39]。

PI3K/AKT信號通路可促進成骨細胞分化。LI等[40]的實驗證明利用arctigenin激活PI3K/AKT信號通路后,其通過調(diào)控PPARγ表達,成骨細胞分化能力得到加強,并且實驗底物中Ca和P丟失減少,實驗小鼠骨密度增強。PI3K/AKT信號通路還能通過β-catenin調(diào)控Runx2和osterix達到調(diào)節(jié)骨形成的作用。最新研究發(fā)現(xiàn),巨噬細胞MSR1在脛骨單皮質(zhì)缺陷模型小鼠中通過介導的PI3K/AKT信號通路,增加了模型小鼠體內(nèi)ALP與Runx2的活性,使成骨標記基因COL-1與OCN的mRNA表達水平大幅升高,促進成骨分化的能力[41]。此外PI3K/AKT在BMP-2/smad信號通路促進骨形成過程中起重要作用。DONG等[42]做的最新體外實驗證明PI3K選擇性抑制劑LY294002阻斷PI3K信號通路后,BMP2誘導的成骨細胞生成被阻斷,外基質(zhì)成熟與礦化受阻,同時發(fā)現(xiàn)另一相關因子PTEN阻斷BMP-2信號通路后PI3K/AKT信號通路被激活,骨形成得到促進 。在機體氧化應激時PI3K/AKT可以抑制FoxO達到促骨形成。AKT磷酸化FoxO的關鍵位點,使FoxO降解失活,抑制其對Wnt信號通路的競爭作用;并且AKT還能夠磷酸化FoxO3a,阻止其向細胞核聚集,使得反式激活其下游靶基因成骨細胞中的前凋亡分子遭到破壞,進而抑制了成骨凋亡[43]。

綜上表明,PI3K/AKT信號通路對SOP骨形成作用主要通過以下4個方面:(1)調(diào)控PPARγ的表達,促進骨前體細胞向成骨細胞分化;(2)通過直接通過Runx2促進成骨細胞分化、增殖與礦化:(3)協(xié)同BMP維持BMP-2/smad信號通路活性以促骨形成;(4)抑制FoxO因子使Wnt/β-cantenin信號通路促骨形成功能正常。

3 結(jié)語與展望

促進骨形成是防治SOP的重要途徑之一,明確骨形成過程中成骨細胞與SOP的相關性及其相關信號通路的調(diào)控作用機制,具有重要研究意義。目前調(diào)控成骨細胞的相關信號通路主要有Wnt/β-catenin、Hedgehog、BMP-2/smad、PI3K/AKT,本文闡述了成骨細胞介導這些信號通路在老年骨質(zhì)疏松中調(diào)控成骨的作用機制,證實了成骨細胞及其介導的信號通路在骨質(zhì)疏松癥發(fā)病進程中的作用,對SOP的防治具有重要的臨床價值,或?qū)镾OP的臨床治療提供新的靶點。但是各條信號通路對成骨細胞的協(xié)同調(diào)控作用機制仍未被完全揭示,是否可通過多條信號通路共同調(diào)控成骨細胞促進成骨防治SOP,是否因其對關鍵轉(zhuǎn)錄因子(如Runx2)的不同調(diào)節(jié)作用而產(chǎn)生治療效果的差異,尚待進一步研究。