kisspeptin抗骨質(zhì)疏松癥機制的研究進(jìn)展

何佩真 李茂婷 于瀾 林靜 周廣舉

川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院內(nèi)分泌科,四川 南充 637000

最近的一項薈萃分析顯示,根據(jù)世界衛(wèi)生組織的標(biāo)準(zhǔn),全球骨質(zhì)疏松和骨量減少患病率分別為19.7%(95%CI：18.0%～21.4%)和40.4%(95%CI：36.9%～43.8%),骨質(zhì)疏松癥在發(fā)展中國家的患病率(22.1%,95%CI：20.1%～24.1%)高于發(fā)達(dá)國家(14.5%,95%CI：11.5%～17.5%)[1]。隨著全球人口老齡化的增加,這種疾病帶來的全球經(jīng)濟(jì)和健康負(fù)擔(dān)也日益加重。在過去30年中,對骨質(zhì)疏松癥發(fā)病機制的了解和治療該病藥物的開發(fā)都取得了顯著進(jìn)展。作為骨質(zhì)疏松癥的治療手段,補充鈣和維生素D是必須的,同時目前可選用的藥物主要包括:雌激素、選擇性雌激素受體調(diào)節(jié)劑(如雷洛昔芬)、降鈣素、4種雙膦酸鹽(阿侖膦酸、利塞膦酸、伊班膦酸和唑來膦酸)、針對核因子-κB (nuclear factor,NF-κB)配體的受體激活的人單克隆抗體(地舒單抗)和甲狀旁腺素類似物(特立帕肽)等[2]。但上述藥物的不良反應(yīng)不容忽視。研究表明雌激素有明顯的不良反應(yīng),包括心腦血管事件、血栓栓塞事件和患乳腺癌風(fēng)險的增加[3]。同樣,對于選擇性雌激素受體調(diào)節(jié)劑來說,盡管雷洛昔芬被批準(zhǔn)用于骨質(zhì)疏松癥的同時可預(yù)防和治療乳腺癌,但它增加了潮熱和靜脈血栓栓塞的發(fā)生率[4]。考慮到長期使用降鈣素可能會增加患癌風(fēng)險,且鑒于其作用機制,降鈣素常導(dǎo)致低鈣血癥,低鈣血癥會引發(fā)手足抽搐、心臟停搏等不良事件,所以降鈣素現(xiàn)在很少用于治療骨質(zhì)疏松癥[5]。雙膦酸鹽是目前治療骨質(zhì)疏松癥使用最廣泛的藥物,但限制其使用的主要問題是罕見的不良反應(yīng),如非典型股骨骨折和下頜骨壞死[6]。特立帕肽可能有患骨肉瘤的潛在風(fēng)險[7]。雖然地舒單抗對不同年齡、不同腎功能情況,或有脆性骨折史的患者是安全的,但地舒單抗仍有可能誘發(fā)肌肉骨骼疼痛、低鈣血癥、下頜骨壞死等不良反應(yīng)[8]。因此,考慮到除雌激素和雄激素以外的生殖激素對骨生理學(xué)的新興作用,以及迫切需要開發(fā)新型、安全和有效的治療藥物來預(yù)防老齡人群的骨折。最新一些研究表明,kisspeptin可刺激成骨細(xì)胞分化以及抑制破骨細(xì)胞,因此其可能具有抗骨質(zhì)疏松臨床治療潛力。本文就其發(fā)揮作用的可能分子機制綜述如下。

1 kisspeptin與骨質(zhì)疏松癥

骨骼穩(wěn)態(tài)受到骨重建過程的嚴(yán)密調(diào)控,保持最佳的骨量和強度,在骨重建過程中,破骨細(xì)胞的骨吸收和成骨細(xì)胞的骨形成之間的平衡維持著骨量,骨質(zhì)疏松癥是由骨吸收和骨形成之間的平衡紊亂造成的,這種平衡紊亂常見的原因之一是性激素的缺乏(主要是雌激素)[9]。因此,改善這種骨形成與骨吸收平衡紊亂是開發(fā)預(yù)防和治療骨質(zhì)疏松癥的新型治療藥物的基石[10]。kisspeptin 是指位于染色體1(1q321q34)長臂上的cDNA上的KISS1基因編碼的一類內(nèi)源性肽,由145-氨基酸前體蛋白水解而來,在人體循環(huán)中已經(jīng)鑒定出4個循環(huán)片段:kisspeptin-54,-14,-13和-10,這些片段共享 kisspeptin-54分子的 C 末端區(qū)域[11-12]。KISS1受體(KISS1 Receptor,KISS1R)是一種 G 蛋白偶聯(lián)受體,kisspeptin-10與G蛋白偶聯(lián)受體54(G-protein-coupled receptor 54,GPR54)結(jié)合[12],GPR54通過活化的 T 細(xì)胞c2(Nuclear factor of activated T-cells,NFATc2)和特異性蛋白1(specific protein,sp1)的核因子調(diào)節(jié)骨形態(tài)發(fā)生蛋白7(bone morphogenetic protein 7,BMP7)的表達(dá),并在胚胎腎臟分支形態(tài)發(fā)生和腎小球發(fā)育中起重要作用[13]。kisspeptin 位于下丘腦-垂體-性腺軸的頂端,由下丘腦KISS1神經(jīng)元分泌,其與KISS1R結(jié)合后激活促性腺激素釋放激素(gonadotropin-releasing hormone,GnRH)的釋放,以脈沖方式將GnRH分泌到局部垂體-門靜脈循環(huán)中。隨后,GnRH負(fù)責(zé)刺激促性腺激素[黃體生成素(luteinizing hormone,LH)和卵泡刺激素(follicle stimulating hormone,FSH)]的生物合成和分泌,這些促性腺激素從腦垂體前葉系統(tǒng)循環(huán)到達(dá)性腺,以促進(jìn)性類固醇[雌二醇(estradiol,E2)、睪酮(testosterone,T)和孕酮(progesterone,P)]的釋放。研究已證實影響KISS1R (或 kisspeptin本身)的失活突變可導(dǎo)致人類和嚙齒動物的中樞性性腺機能減退而導(dǎo)致生殖系統(tǒng)障礙[14-16]。KISS1基因?qū)谴x的影響常通過已知的下丘腦-垂體-性腺軸發(fā)揮作用,如功能性下丘腦閉經(jīng)的缺陷之一是 kisspeptin分泌減弱導(dǎo)致下游促卵泡激素和黃體生成激素分泌不足,無法維持正常的月經(jīng)周期,最終導(dǎo)致雌激素缺乏和對骨骼動態(tài)平衡的不利影響[17]。但最近在小鼠中的數(shù)據(jù)表明,kisspeptin通過在小鼠成骨細(xì)胞上表達(dá)的 KISS1R可直接促進(jìn)體外成骨細(xì)胞分化,這表明kisspeptin可能對骨骼穩(wěn)態(tài)有直接的有益作用,且該作用獨立于它對下丘腦-垂體-性腺軸刺激下游性類固醇水平升高而間接影響骨平衡的作用[18]。

2 kisspeptin抗骨質(zhì)疏松的機制

2.1 刺激成骨細(xì)胞分化相關(guān)基因表達(dá)

成骨細(xì)胞主要由間充質(zhì)干細(xì)胞分化而來,形成蛋白質(zhì)性骨基質(zhì),并協(xié)調(diào)這種細(xì)胞外基質(zhì)的礦化[19],分化受一系列激素和細(xì)胞因子的控制,成骨細(xì)胞表達(dá)各種表型標(biāo)志物,如BMP、遠(yuǎn)端同源異構(gòu)體5 (distal-less homeobox 5,Dlx5)、runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2 (runt-related transcription factor 2,Runx2)、堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)和骨鈣素(osteocalcin,OC)[20-21]。最近的一項實驗通過在BMP-2刺激下,整合素和鈣粘蛋白協(xié)同工作使C2C12成肌細(xì)胞的成骨細(xì)胞譜系向骨細(xì)胞分化證實了BMP-2對成骨細(xì)胞組織分化至關(guān)重要[22],BMP2通過激活Smad蛋白1/5/9 (drosophila mothers against decapentaplegic protein1/5/9,Smad1/5/9)調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞分化的早期階段,如 Dlx5和 Runx2[23-24],這些因子也刺激下一階段成骨過程中標(biāo)志物的表達(dá),包括ALP和OC[25]。

同時,先前的研究表明,在T細(xì)胞中被發(fā)現(xiàn)的NFAT轉(zhuǎn)錄復(fù)合體,包括5種亞型,分別為NFATc1、NFATc2、NFATc3、NFATc4和 NAFTc5[26],鈣調(diào)磷酸酶/NFAT信號通路參與調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞增殖、破骨細(xì)胞分化以及骨形成和骨吸收的協(xié)調(diào)[27]。

一項體外研究通過檢測KISS1在3種骨肉瘤細(xì)胞系(MG-63、Saos-2和 U-2 OS)和正常成骨細(xì)胞系(hF-OB 1.19)中的表達(dá)水平觀察到KISS1信使 RNA和蛋白質(zhì)在正常成骨細(xì)胞系中的表達(dá)均高于3種骨肉瘤細(xì)胞系[28],表明KISS1可能通過加速細(xì)胞凋亡和自噬的過程,在體外抑制骨肉瘤的增殖[29]。在此前研究的基礎(chǔ)上,另一項體外研究[18]證明了在小鼠間充質(zhì)干細(xì)胞中,kisspeptin-10劑量依賴性地通過 GPR54/NFATc4信號級聯(lián)調(diào)節(jié)BMP2表達(dá)和活化,隨后通過BMP2誘導(dǎo)的Smad1/5/9磷酸化增加早期成骨標(biāo)志物基因的表達(dá),如Dlx5和 Runx2。相反,在KISS1R缺失細(xì)胞中,成骨細(xì)胞分化被抑制。除了BMP2外,kisspeptin信號傳導(dǎo)還通過轉(zhuǎn)錄因子NFATc2和Sp1來調(diào)節(jié)BMP7的表達(dá)[13]。

最新的一項在26名健康男性[年齡(26.8±5.8)歲,體質(zhì)量指數(shù)(23.8±2.3) kg/m2]中進(jìn)行的隨機、雙盲、安慰劑對照的雙向交叉研究中[30],每人參加2次研究訪問,1次靜脈內(nèi)給予 kisspeptin[1 nmol/(kg·h)],1次靜脈內(nèi)給予安慰劑,從安靜休息30～90 min,每30 min采集一次血樣,結(jié)果證實了與安慰劑相比,kisspeptin在這個短期給藥實驗時間過程中引起總OC水平最大增加20.3%,且其中在骨重塑中占主導(dǎo)地位的羧化OC水平最大增加24.3%,研究者指出kisspeptin的這種給藥方案引起循環(huán)kisspeptin水平顯著增加,但下游FSH或T水平?jīng)]有顯著變化,證實了這種劑量下的 kisspeptin在體內(nèi)的生物活性,且排除了這些下游性類固醇作為可能的混雜因素的變化。而此前的研究已經(jīng)確定kisspeptin通過激活成骨細(xì)胞上的kisspeptin受體來誘導(dǎo)小鼠的成骨細(xì)胞分化,從而觸發(fā)NFATc4介導(dǎo)的 BMP2表達(dá)和激活,也刺激下一階段成骨過程中標(biāo)志物如ALP的表達(dá)。這項最新的隨機雙盲對照研究同樣也觀察到kisspeptin可使人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的ALP水平提高41.1%。綜上所述,這些數(shù)據(jù)證實了kisspeptin可直接在體外刺激增強成骨細(xì)胞的分化,并且在短期內(nèi)增加健康男性骨合成代謝骨標(biāo)志物OC、ALP,表明了其對人類的成骨作用。

2.2 抑制破骨細(xì)胞的骨吸收

破骨細(xì)胞是參與骨吸收的主要功能細(xì)胞。它們是單核巨噬細(xì)胞系統(tǒng)中的粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落,由單核細(xì)胞前體在骨髓基質(zhì)細(xì)胞分泌的各種因子的作用下融合形成多核體,然后進(jìn)一步分化成具有活性的破骨細(xì)胞[31]。最近的研究表明,破骨細(xì)胞可以在體內(nèi)進(jìn)行分裂,產(chǎn)生較小的細(xì)胞,稱為“骨形態(tài)”,可以“再循環(huán)”與其他細(xì)胞融合,形成新的破骨細(xì)胞[32]。破骨細(xì)胞的分化主要受到核因子NF-kB配體(nuclear factor KB receptor activator ligand,RANKL)和巨噬細(xì)胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor,MSCF)的受體激活劑的刺激[33]。研究表明,破骨細(xì)胞具有間歇性(形成圓形凹陷)或連續(xù)性(形成細(xì)長的溝槽)的骨吸收模式[34]。

在破骨細(xì)胞從CD14+單核細(xì)胞到成熟的破骨細(xì)胞的分化過程中,KISS1R信使RNA均可檢測到,這表明KISS1信號不僅在成骨細(xì)胞上表達(dá),在破骨細(xì)胞中同樣起著作用[35],此前的研究通過每個骨表面侵蝕表面的百分比來評估破骨細(xì)胞活性[34]。在此基礎(chǔ)上盲法計數(shù)受侵蝕的牛骨切片評估kisspeptin表現(xiàn)出對破骨細(xì)胞活性的抑制作用與在人類男性供體的破骨細(xì)胞中觀察到的抑制作用是一致的,研究表明在最高劑量下(10 nmol kisspeptin)破骨細(xì)胞抑制率從29.6%(0.01 nmol kisspeptin)到48.1% (10 nmol kisspeptin)可于破骨細(xì)胞單核共培養(yǎng)物的顯微鏡下清楚地觀察到抑制效果,與此相一致的是,該項研究同時考慮到破骨細(xì)胞/成骨細(xì)胞共培養(yǎng)物更能密切地代表體內(nèi)骨重塑環(huán)境,從26.2% (0.1 nmol kisspeptin)到53.4% (10 nmol kisspeptin),這更加表明了kisspeptin的劑量依賴性抑制破骨細(xì)胞的作用[30],將其與使用標(biāo)準(zhǔn)的5 mg唑來膦酸治療后預(yù)期的破骨細(xì)胞活性相比,兩者對破骨細(xì)胞抑制水平相似[35]。但KISS1及其受體抑制破骨細(xì)胞活性與經(jīng)典的RANKL及MSCF刺激破骨細(xì)胞分化通路的聯(lián)系尚不清楚,還需進(jìn)一步研究。

2.3 抑制雌激素受體α

破骨細(xì)胞及成骨細(xì)胞上均有雌激素受體α(estrogen receptor-α,ERα)表達(dá),雌激素通過與ERα結(jié)合抑制破骨細(xì)胞的骨重吸收,促進(jìn)成骨細(xì)胞的骨形成[36]。但另一方面,在內(nèi)側(cè)基底下丘腦(medial basal hypothalamus,MBH)內(nèi),ERα同樣高度富集于兩個解剖學(xué)和功能上不同的神經(jīng)元簇,即弓狀核(arcuate nucleus,ARC)和腹內(nèi)側(cè)下丘腦(ventroMedial hypothalamus,VMHv1)的腹側(cè)區(qū)域,研究人員使用腦特異性的Nestin-Cre的小鼠模型去除ERα信號后小梁骨量的適度增加表明了中樞雌激素信號傳導(dǎo)似乎對女性骨代謝產(chǎn)生負(fù)面影響[37-39]。

最近一項關(guān)鍵研究結(jié)合了不同的、針對中樞ERα的小鼠模型和立體定向手術(shù),表明在小鼠下丘腦ARC中刪除ERα信號可以導(dǎo)致骨量顯著增加,且效果是性別特異性的(僅在雌性小鼠中發(fā)生),在Esr1Nkx2-1cre小鼠模型中,ERα 在包括ARC和VMHv1在內(nèi)的男性和女性大腦的整個MBH中被有效地去除,年長雌性與對照同窩動物相比,小梁骨量和微架構(gòu)顯著增加,表現(xiàn)出股骨遠(yuǎn)端骨量增加約500%,骨量體積/組織體積從11%上升到52%。并且值得注意的是,在老年雌激素缺乏的女性ARC中選擇性地去除ERα的骨表型可導(dǎo)致骨密度顯著增加約50%,這表明循環(huán)雌激素或垂體激素水平升高不是這種性別依賴性骨表型的主要驅(qū)動因素,這同時提示絕經(jīng)后骨量丟失的可能治療途徑[39]。研究人員將去除 KISS1細(xì)胞中的 ERα與上述骨表型對比,骨密度顯著升高超過了所有年齡的雌性骨表型觀察到的骨量,得出結(jié)論,特異性表達(dá)KISS1的下丘腦細(xì)胞中ERα的缺失觸發(fā)強大的雌性高骨量表型是由于激活了ERα-腦-骨通路,通過抑制下丘腦kisspeptin神經(jīng)元中的雌激素信號,促進(jìn)小鼠的骨骼致密,這同時證實了kisspeptin對骨的作用獨立于循環(huán)雌激素水平[40]。

3 總結(jié)與展望

kisspeptin獨立于下丘腦-垂體-性腺軸在體外促進(jìn)成骨細(xì)胞生成并有效抑制破骨細(xì)胞活性的能力使其有作為治療骨質(zhì)疏松癥和相關(guān)骨疾病的新療法的治療潛力。越來越多的動物實驗及臨床研究表明,kisspeptin對骨骼產(chǎn)生的總體效應(yīng)是有益的。但目前臨床研究的一個局限性是參與者是健康的年輕男性,而骨質(zhì)疏松癥患者往往比目前臨床研究中的患者年齡更大,因此可能成骨細(xì)胞活性及分化能力下降,另一局限性是給藥時長較短,因此,還需要更進(jìn)一步的臨床研究來確定 kisspeptin 對不同年齡和骨質(zhì)疏松癥患者骨代謝的影響,以及研究更長時間的慢性給藥對成骨細(xì)胞的影響且如何避免對下游性腺激素的影響,因為下丘腦-垂體-性腺軸激素本身之間復(fù)雜的相互關(guān)系使得在實驗上很難分離它們。盡管明確的機制和途徑數(shù)據(jù)仍有待完全確定和復(fù)制,但總的來說,kisspeptin抗骨質(zhì)疏松癥的臨床應(yīng)用前景還是令人期待的。