ApoE與骨質(zhì)疏松癥相關(guān)性的研究進(jìn)展

趙付琳 羅祥,2 魏強(qiáng) 張德茂,2,3 白明茹,3*

1. 四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院口腔疾病國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610041

2. 四川大學(xué)華西基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與法醫(yī)學(xué)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所,四川 成都 610041

3. 四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院,四川 成都 610041

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis,OP)作為一種比較常見的骨代謝疾病,其病理變化主要是骨脆性提高、骨骼結(jié)構(gòu)損壞以及骨量低等[1]。骨代謝包括破骨細(xì)胞(osteoclast,OC)介導(dǎo)的骨吸收和成骨細(xì)胞(osteoblast,OB)介導(dǎo)的骨形成2個(gè)過程。正常骨組織的骨量通過骨代謝的動(dòng)態(tài)平衡來維持。當(dāng)骨吸收速率大于骨形成速率,骨代謝失衡,就會(huì)發(fā)生OP。OP的發(fā)生率與年齡增長(zhǎng)正相關(guān),而目前我國(guó)是老年人口絕對(duì)數(shù)最大的國(guó)家,OP近年來已成為了一個(gè)重要的健康問題[2]。治療及護(hù)理OP的過程會(huì)造成較高的經(jīng)濟(jì)成本而增加家庭負(fù)擔(dān),且早期OP的癥狀并不明顯,所以該病在早期不容易得到人們的重視[3]。但OP導(dǎo)致的脆性骨折已成為老年患者致殘和致死的主要原因之一。目前還沒有安全的根治OP的方法,原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥診療指南[4]強(qiáng)調(diào)OP的三級(jí)防治應(yīng)貫穿生命全過程。

高脂血癥(hyperlipidemia)是影響OP發(fā)生發(fā)展的因素之一,臨床上同時(shí)患有OP和高脂血癥的患者并不少見[5]。ApoE作為一種重要的載脂蛋白,可通過調(diào)節(jié)高脂血癥的發(fā)生發(fā)展過程,而間接影響骨代謝?；诖?本文將對(duì)ApoE影響OP的發(fā)生過程的機(jī)制的相關(guān)研究進(jìn)行綜述,以期為從ApoE角度防治高脂血癥合并OP的患者的參考依據(jù)。

1 ApoE對(duì)骨的重要調(diào)節(jié)作用

載脂蛋白(Apo)能夠結(jié)合并運(yùn)輸脂質(zhì)至機(jī)體各組織進(jìn)行代謝及利用,目前已鑒定出20多種Apo亞型,不同的亞型與不同脂蛋白的結(jié)合力不同,進(jìn)而影響不同脂質(zhì)的代謝(見表1)。人體內(nèi)脂蛋白主要包括高密度脂蛋白(high density lipoprotein,HDL)、低密度脂蛋白(low density lipoprotein,LDL)、極低密度脂蛋白(very low density lipoprotein,VLDL)和乳糜微粒(chylomicron,CM)等4種。

表1 人體主要載脂蛋白及其功能[6-8]Table 1 Main human apolipoproteins and their functions[6-8]

在生理狀態(tài)下,ApoE 是決定血膽固醇水平的最重要的因素之一[9]。人ApoE基因位于19號(hào)染色體長(zhǎng)臂13區(qū)的2帶 (19q132),包含4個(gè)外顯子和3個(gè)內(nèi)含子,有著3種主要的等位基因(ApoE2,ApoE3,ApoE4)。ApoE的3種亞型都參與脂蛋白代謝,但各有側(cè)重,其中ApoE2主要運(yùn)輸膽固醇,而另2種則主要運(yùn)輸TG[10]。ApoE氨基末端的主要作用是負(fù)責(zé)結(jié)合低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)受體,而在表面脂蛋白和ApoE結(jié)合的過程中,羧基末端可以發(fā)揮介導(dǎo)的作用。

ApoE作為1種血漿主要載脂蛋白,其生理功能的正常發(fā)揮對(duì)維持骨量有重要作用。孫金磊[3]研究結(jié)果顯示,APOE E4等位基因可能是骨質(zhì)疏松性骨折的重要標(biāo)志。APOE E4等位基因攜帶者Ward三角和腰椎L2～L4段發(fā)生骨質(zhì)疏松性骨折的幾率大約是非APOE E4等位基因攜帶者的3倍。ApoE對(duì)骨量的直接影響主要是通過抑制OC的形成與分化[11]。抑制RANKL活化核因子-κB(NF-κB)信號(hào)通路,直接抑制OC分化。ApoE還可以抑制OC與樹突狀細(xì)胞功能的協(xié)同刺激調(diào)節(jié)因子——OSCAR的表達(dá),這可能與OC形成的功能被抑制相關(guān)。此外,現(xiàn)有研究報(bào)道中,ApoE更多的是通過以下3種途徑發(fā)揮對(duì)骨的重要調(diào)控作用。

①ApoE通過調(diào)節(jié)高脂血癥而調(diào)控OP的發(fā)生過程。早期研究證實(shí),ApoE-/-小鼠無論飲食正?；蚋咧尚纬蓢?yán)重的高脂血癥[12]。而高脂血癥一方面通過多條調(diào)控通路影響B(tài)MSC,進(jìn)而對(duì)骨細(xì)胞的分化增殖產(chǎn)生抑制的作用,并且促進(jìn)其凋亡;另一方面促進(jìn)OC分化,抑制其凋亡,并增強(qiáng)其活性,打破了骨代謝平衡而造成骨質(zhì)減少,是OP發(fā)生的重要原因。

②ApoE通過影響巨噬細(xì)胞2種亞型間的相互轉(zhuǎn)化及其抗原呈遞功能,繼而調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞炎癥因子的釋放和氧化應(yīng)激,而影響骨代謝。

③ApoE還可以通過調(diào)節(jié)脂溶性維生素的吸收而間接調(diào)控OP的發(fā)生過程,比如維生素K和維生素D[13]。維生素D作為1種類固醇激素,能調(diào)節(jié)骨組織代謝及細(xì)胞的增殖和分化。在調(diào)節(jié)OP的發(fā)生過程方面,維生素D受體 (vitamin D reaptor,VDR)能夠加入到骨組織的合成過程中,同時(shí)也會(huì)對(duì)骨組織的分解代謝產(chǎn)生一定的影響。VDR能夠合成骨橋蛋白與骨鈣素,對(duì)分泌有關(guān)細(xì)胞因子的過程產(chǎn)生影響。OC當(dāng)中的VDR能夠與1,25(OH)2D 結(jié)合,對(duì)老化骨組織的清除起到誘導(dǎo)的作用。

2 ApoE通過調(diào)節(jié)高脂血癥而調(diào)控骨代謝

高脂血癥是1種脂代謝紊亂疾病,臨床表現(xiàn)為血清TC、TG、LDL-C升高及血清高密度脂蛋白膽固醇(HDL-C)降低[14]。ApoE的主要作用是促進(jìn)細(xì)胞攝取及清除LDL,降低TC。而最新研究發(fā)現(xiàn)膽固醇對(duì)骨代謝有著明確影響,LDL-C等膽固醇與骨密度及骨量之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系[5]。

2.1 ApoE對(duì)OB的調(diào)控作用

人體內(nèi)的膽固醇能夠起到重要的作用,如使Hedgehog 激活,對(duì)OB的分化進(jìn)行調(diào)節(jié)等[15]:外源性膽固醇抑制OB分化,但在體外低于20 μg/mL 的膽固醇可直接增加成骨功能基因的表達(dá)[16];而在Hedgehog介導(dǎo)骨髓基質(zhì)細(xì)胞成骨的過程中,內(nèi)源性膽固醇是必要的。當(dāng)ApoE功能異常,LDL攝取及清除減少時(shí),會(huì)引起OB活性降低,成骨相關(guān)基因及通路,如Runx2、TGF-β/BMP和Wnt通路等也會(huì)下調(diào)。有關(guān)研究成果表明,Wnt/β-catenin能夠?qū)?BMSC到OB的分化過程起到促進(jìn)的作用,同時(shí)還能夠抑制BMSC分化為脂肪細(xì)胞。

當(dāng)ApoE功能異常時(shí),血液中增多的LDL會(huì)被氧化修飾成氧化性LDL(ox LDL-C)[17]。ox LDL-C能夠抑制BMSC分化為OB,使炎癥反應(yīng)激活,有利于提高IL-1β水平,促進(jìn)TNF以及IL-6等的表達(dá)。ApoE可通過影響ox LDL-C的運(yùn)輸從而直接影響骨代謝,ApoE-/-小鼠會(huì)出現(xiàn)骨量丟失,原因可能是oxLDL使OB發(fā)生凋亡。ApoE導(dǎo)致的LDL堆積也會(huì)對(duì)Wnt/β-catenin起到抑制的作用,從而降低成骨基因水平與有關(guān)配體的表達(dá)。以上研究表明,當(dāng)ApoE功能異常時(shí),機(jī)體會(huì)更易患高脂血癥,繼而會(huì)降低成骨相關(guān)基因及通路的表達(dá)和OB的活性,減少骨形成。

2.2 ApoE對(duì)OC的調(diào)控作用

OC的分化受RANK/RANKL/OPG通路影響[18]。RANKL與OPG間可以發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合,所以后者會(huì)對(duì)前者與RANK的結(jié)合產(chǎn)生阻礙,進(jìn)而使抑制OC分化。有關(guān)研究成果表明,如果RANKL/OPG相對(duì)較大,那么發(fā)生OP的可能也相對(duì)較高。高膽固醇能上調(diào)OC活性,促進(jìn)OC分化成熟,其機(jī)制有以下3點(diǎn):①下調(diào) Wnt/β-catenin,增高NF-κB水平,激活 RANKL/RANK/OPG通路:調(diào)高骨組織中RANKL的表達(dá),同時(shí)降低OPG 的表達(dá);②上調(diào)破骨基因表達(dá)[19],患有高血脂癥的小鼠TRAP與c-Fos水平也相對(duì)較高;③增多的oxLDL直接刺激成骨細(xì)胞RANKL并誘發(fā)炎性反應(yīng)。也有研究人員指出,TLR2也能夠在對(duì)Lox-1進(jìn)行誘導(dǎo)后使其表達(dá)提高,從而對(duì)OC的形成產(chǎn)生促進(jìn)的作用。但是也有一些研究成果表明,oxLDL與LDL能夠?qū)C的形成起到抑制的作用,這一點(diǎn)仍需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。

且近幾年研究發(fā)現(xiàn)高脂血癥時(shí)機(jī)體炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激明顯增強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)骨組織間隙中持續(xù)聚集的脂質(zhì)會(huì)發(fā)生氧化及糖基化修飾,促進(jìn)TNF-α,ox-LDL的生成。TNF-α,ox-LDL能與LRP5/6結(jié)合,通過多種信號(hào)途徑可以對(duì)血管平滑肌細(xì)胞與鈣化因子的成骨轉(zhuǎn)化起到促進(jìn)的作用,加快鈣化的過程,從而促進(jìn)OP的發(fā)展。賈艾玲等[20]指出,小鼠中患有高血脂癥的iNOS水平較高,而eNOS與抗氧化酶水平較低。典型的氧化應(yīng)激標(biāo)志物(如脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物和NADPH氧化酶)均與高脂血癥有關(guān)[21]。而炎癥因子和氧化應(yīng)激均對(duì)骨代謝有著重要調(diào)節(jié)作用,后文將詳述。

3 APOE通過影響巨噬細(xì)胞而調(diào)控骨代謝

巨噬細(xì)胞在不同的環(huán)境和炎癥因子刺激下,會(huì)形成經(jīng)典活化炎癥表型(M1型)巨噬細(xì)胞和替代激活抗炎表型(M2型)巨噬細(xì)胞2種細(xì)胞亞型[22],且2種細(xì)胞可以相互轉(zhuǎn)化[23],極化前的細(xì)胞亞型被稱為M0型。不同的巨噬細(xì)胞亞型對(duì)骨穩(wěn)態(tài)的作用不同:M0型巨噬細(xì)胞維持骨組織的生理狀態(tài);而M1/M2型巨噬細(xì)胞參與骨修復(fù)過程[24]。M1型巨噬細(xì)胞主要參與初期炎癥的進(jìn)展,能夠分泌MMP、TNF-α、iNOS和IL-6等多種促炎因子。M2型巨噬細(xì)胞具有抗炎效應(yīng),主要促進(jìn)后期骨修復(fù),能分泌IL-10和TGF-β,而分泌的這2種物質(zhì)又能調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞極化,生成更多M2型巨噬細(xì)胞,M2型巨噬細(xì)胞與其產(chǎn)物互相促進(jìn),通過抑制多種炎癥細(xì)胞和因子,減輕炎癥反應(yīng)[25]。

ApoE對(duì)巨噬細(xì)胞的調(diào)控也有直接和間接兩種方式。ApoE能直接影響巨噬細(xì)胞的抗原提呈功能,干擾其炎性通路的信號(hào)傳導(dǎo),促進(jìn)其分泌免疫抑制因子IL-10并抑制其釋放炎癥因子如IL-1β、IL-6、NO 和TNF-α等。ApoE所結(jié)合的脂質(zhì)也能夠和巨噬細(xì)胞膜發(fā)生直接的作用,改變巨噬細(xì)胞中炎癥因子的表達(dá)。而間接影響則主要是,當(dāng)ApoE功能異常導(dǎo)致高脂血癥時(shí),機(jī)體內(nèi)增多的oxLDL與單核-巨噬細(xì)胞表面受體結(jié)合,刺激其大量攝取oxLDL,轉(zhuǎn)變?yōu)榕菽?xì)胞,產(chǎn)生大量炎性因子,啟動(dòng)炎癥反應(yīng)[26]。血清脂質(zhì)增多還能促進(jìn)產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子的多型核白細(xì)胞的生成。雷浪[12]研究發(fā)現(xiàn)高脂血癥小鼠分離的巨噬細(xì)胞體外產(chǎn)生iNOS能力下降。髓系細(xì)胞表達(dá)髓系細(xì)胞觸發(fā)受體(triggering receptors expressed on myeloid cells,TREMs)屬于免疫球蛋白超家族,其中的TREM-1在CD14的單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞表面表達(dá),能放大TLR通路信號(hào)傳遞,而TLR通路可以激活NF-KB通路促進(jìn)iNOS產(chǎn)生,進(jìn)而促進(jìn)炎癥效應(yīng)[27]。

4 ApoE調(diào)控骨代謝的主要分子機(jī)制

4.1 炎癥因子

ApoE與高脂血癥的發(fā)生關(guān)系密切,而血脂水平的升高能上調(diào)多種炎癥因子[28]。研究證實(shí),膽固醇通過激活NF-κB信號(hào)通路,促進(jìn)IL-6、IL-1β、IL-8 等炎癥因子的表達(dá)。且血脂水平增高后引起的脂肪細(xì)胞生成,又進(jìn)一步導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)炎性因子IL-6、TNF-α水平上升[29]。ApoE本身還具有一定的抗炎作用。在急性損傷中,ApoE可能能抑制依賴白介素的T淋巴細(xì)胞的增殖,減少過氧化物的生成,減輕氧化和炎癥的損傷。而在慢性損傷中,當(dāng)機(jī)體需要時(shí),大量的ApoE被分泌到細(xì)胞外基質(zhì),維持脂質(zhì)的平衡,參與清除氧自由基[30]。ApoE能夠與小膠質(zhì)細(xì)胞表面的TREM2結(jié)合,而且二者均可抑制促炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生,使抗炎作用具有協(xié)同效應(yīng)[31]。

人體局部因子以及激素水平都會(huì)對(duì)OC與OB的存活、數(shù)量、活性等產(chǎn)生一定的影響。炎癥因子如IL-6、IL-4、IL-8、IL-1β、TNF-α等,能激活炎癥信號(hào)相關(guān)通路[32],促進(jìn)ROS的表達(dá),加快MSC向脂肪細(xì)胞的形成,還可能抑制OB活性,導(dǎo)致OP形成。TNF-α、IL-1和IL-6等會(huì)促進(jìn)OC生成,進(jìn)而造成宿主骨組織的破壞。其中IL-6和TNF-α由脂肪組織分泌產(chǎn)生,在炎癥微環(huán)境起到?jīng)Q定作用[33]。

TNF-α對(duì)骨微環(huán)境的調(diào)節(jié)具有雙向性。一方面TNF-α能促進(jìn)IL-1β、IL-6和MMPs的上調(diào)表達(dá)[12],可通過激活一些炎癥信號(hào)通路來促進(jìn)骨吸收并抑制骨形成。另一方面,作為一種細(xì)胞因子,TNF-α能夠?qū)PG/RANK/RANKL信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)而起到調(diào)節(jié)的作用,在低濃度狀態(tài)下協(xié)同RANKL,提高OC的活性以及數(shù)量,平衡骨代謝;還能通過與OB受體結(jié)合,提高GMCSF、IL-6以及RANKL等的水平,從而促進(jìn)OC的生成。還能夠提高破骨性調(diào)節(jié)因子的水平,加快骨吸收。在炎癥較為嚴(yán)重的情況下,TNF-α可加速OC分泌TNF-β,加速骨破壞[34]。同時(shí)TNF-α可減少OB的生成、成熟,加速OB凋亡,抑制骨形成。

其他的炎癥因子也能通過不同的機(jī)制來影響OP的發(fā)生過程。前列腺素-2與IL-6可協(xié)同提高RANKL等表達(dá),調(diào)節(jié)破骨前體細(xì)胞的分化,同時(shí)還能夠影響破骨前體細(xì)胞的活性[20]。RANKL的表達(dá)會(huì)受IL-1的影響而上調(diào),并且對(duì)RANK的敏感度也會(huì)增加,加快OC的形成,提高骨吸收的速度。IL-2、IL-4、IL-8和IL-17等也能促進(jìn)骨吸收,抑制骨形成[35-36]。但I(xiàn)L-10和TGF-β1均具有抑炎作用,可抑制骨吸收。

4.2 氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激指機(jī)體活性氧(reactive oxygen species,ROS)的生成增加或/和清除活性氧族的能力降低,導(dǎo)致ROS家族在體內(nèi)或細(xì)胞內(nèi)蓄積而引起的氧化損傷過程。ROS抑制成骨家屬譜系細(xì)胞的增殖分化,刺激OB和骨髓基質(zhì)細(xì)胞的RANKL的表達(dá),促進(jìn)OC形成和分化,對(duì)OP的發(fā)生起著重要促進(jìn)作用。ROS中的NO、氧自由基以及超氧陰離子等會(huì)促進(jìn)脂質(zhì)氧化物的形成。后者屬于1項(xiàng)氧化應(yīng)激損傷的重要指標(biāo),可輔助判斷氧化應(yīng)激損傷的情況。前述的ox-LDL即是脂質(zhì)氧化產(chǎn)物的一種。

ApoE能夠抑制氧化應(yīng)激[37],而ApoE功能異常引起的炎癥因子分泌增多能促進(jìn)氧化應(yīng)激的發(fā)生。目前多數(shù)學(xué)者認(rèn)為機(jī)體氧化應(yīng)激與炎癥因子是互相促進(jìn)的關(guān)系。一方面,ROS能激活NF-κB炎癥通路上調(diào)IL-6等炎癥因子的表達(dá),加劇局部炎癥。賈艾玲等[20]研究表明,高脂血癥時(shí)機(jī)體抗氧化酶(SOD、GSH、CAT)和eNOS含量顯著降低,清除自由基的能力下降,進(jìn)而引發(fā)氧化應(yīng)激。高脂血癥時(shí)增多的脂質(zhì)能上調(diào) NADPH 氧化酶活性,增強(qiáng)胞內(nèi)ROS生成,對(duì)氧化應(yīng)激反應(yīng)起到促進(jìn)的作用。另一方面,某些炎癥介質(zhì)能誘導(dǎo)血管中的促炎因子、iNOS的表達(dá),產(chǎn)生過量NO[33]。ApoE生理功能的正常發(fā)揮能抑制炎性因子的釋放,抑制機(jī)體ROS的生成,從而抑制破骨活性并促進(jìn)OB分化,減少骨吸收并增加骨形成而減緩OP的發(fā)生發(fā)展。

5 總結(jié)及展望

Alay等[38]對(duì)452名絕經(jīng)后婦女做了一項(xiàng)病例對(duì)照研究,結(jié)果顯示高脂血癥與OP有相關(guān)性。ApoE的抗炎和抗氧化作用能夠抑制OP的發(fā)生發(fā)展。且ApoE作為1種重要的載脂蛋白,其生理功能的正常發(fā)揮也能減緩高脂血癥的發(fā)生。近幾年圍繞ApoE對(duì)OP的影響與相關(guān)機(jī)制的研究,拓寬了對(duì)ApoE生理病理作用的既往認(rèn)知,對(duì)臨床高脂血癥合并OP患者的治療提出了新的觀點(diǎn)。例如,此前全長(zhǎng)ApoE制備難度較大,外源性補(bǔ)充ApoE難以實(shí)現(xiàn),但近年來ApoE擬肽(ApoE mimic peptide)的出現(xiàn)使得這個(gè)問題出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)。ApoE擬肽是由ApoE全蛋白受體結(jié)合區(qū)氨基酸殘基序列合成的小分子多肽,一般由十幾位氨基酸組成[39]。但ApoE擬肽對(duì)OP的治療效果目前還無人報(bào)道。還需對(duì)有關(guān)問題進(jìn)行進(jìn)一步研究,從而更好的指導(dǎo)實(shí)踐。