破骨細胞研究新進展

智信 陳曉 蘇佳燦*

1.海軍軍醫(yī)大學基礎醫(yī)學院，上海 200433 2.海軍軍醫(yī)大學附屬長海醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，上海 200433

破骨細胞是起源于骨髓單核細胞的多核細胞，破骨前體細胞在趨化因子的作用下進入血循環(huán)[1]，到達處于吸收狀態(tài)的骨組織部位，在M-CSF和RANKL的作用下分化成破骨細胞[2]。骨組織穩(wěn)態(tài)受成骨細胞產(chǎn)生的骨形成和破骨細胞引起的骨吸收之間的平衡調(diào)節(jié)[3]。然而在病理狀態(tài)下，多種因素，包括腫瘤壞死因子(TNF)超家族配體和炎性蛋白質(zhì)等都促進破骨細胞的形成，使骨代謝失去平衡，導致骨組織過度吸收和過度形成[2]。破骨細胞過度活化常見于惡性骨腫瘤，骨質(zhì)疏松癥，自身免疫性關(guān)節(jié)炎等骨代謝疾病。破骨細胞功能障礙同樣會導致如石骨癥等疾病[4-5]。因此，破骨細胞是骨代謝疾病預防和治療方面的重要靶點[6]。

1 破骨細胞調(diào)控新靶點

1.1 盤狀結(jié)構(gòu)域受體2

盤狀結(jié)構(gòu)域受體2(DDR2)是盤狀結(jié)構(gòu)域受體家族成員之一，是一種與腫瘤發(fā)展進程密切相關(guān)的酪氨酸激酶受體[7]。研究表明DDR2在多數(shù)腫瘤細胞和組織中高表達，能夠促進腫瘤細胞的增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移，其高表達往往作為不良預后的標志[8]。2015年，Zhang等[9]發(fā)現(xiàn)在骨基質(zhì)的培養(yǎng)模型中，DDR2的過表達抑制破骨細胞生成，破骨細胞成熟和破骨細胞介導的骨吸收。相反，通過RNA干擾敲低DDR2加速了小鼠中的破骨細胞分化和骨吸收。此外，研究人員將受體Neuropilin-1(Nrp1)鑒定為DDR2相互作用蛋白，并發(fā)現(xiàn)DDR2通過形成DDR2-Nrp1-PlexinA1復合物促進Nrp1和共同受體PlexinA1的結(jié)合，阻斷PlexinA1介導的破骨細胞生成刺激。同時DDR2阻止PlexinA1與受體TREM2和銜接子DAP12相互作用。Nrp1能顯著增強DDR2在促進小鼠成骨細胞分化和骨形成中的功能。最后體內(nèi)實驗表明，腺病毒介導的DDR2能緩解骨質(zhì)疏松模型小鼠骨質(zhì)流失，表明DDR2作為破骨細胞生成的抑制劑，以及成骨細胞生成的啟動子，可能對骨質(zhì)疏松癥患者有治療作用。

1.2 蛋白磷酸酶2 A

蛋白磷酸酶2 A(PP2A)是一種主要的絲氨酸-蘇氨酸磷酸酶[10]。PP2A存在于很多組織中，其底物都是信號傳導級聯(lián)反應中的癌蛋白，如AKT、Raf和MKK[11]。2018年， Wang等[12]發(fā)現(xiàn)PP2A在人類假體周圍界面中高度表達，是造成無菌性假體松動的主要原因。研究人員根據(jù)此現(xiàn)象，建立了鈦顆粒刺激誘導的小鼠骨溶解模型，并發(fā)現(xiàn)PP2A高表達。使用PP2A抑制劑有效地緩解了溶骨部位的鈦顆粒誘導的骨破壞。此外，與模型組動物相比，PP2A抑制劑干預組導致的PP2A下調(diào)顯著降低了小鼠股骨破骨細胞數(shù)量和RANKL表達。進一步研究發(fā)現(xiàn)，PP2A選擇性抑制劑通過抑制RANKL介導的NF-κB和c-Jun N-末端激酶信號傳導途徑來抑制破骨細胞生成并減輕破骨細胞的骨吸收。抑制PP2A或敲減同樣也抑制了下游NFATc1和c-Fos的表達。該研究結(jié)果表明了PP2A在破骨細胞生成過程中的重要性，未來有望將PP2A鑒定為治療假體誘導或其他破骨細胞介導的骨吸收疾病的新靶點。

1.3 黏膜相關(guān)淋巴組織淋巴瘤易位1因子

黏膜相關(guān)淋巴組織淋巴瘤易位1因子(MALT1)是炎癥性疾病的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[13]。它在激活轉(zhuǎn)錄因子NF-κB、產(chǎn)生IL-2以及T和B淋巴細胞增殖中發(fā)揮重要作用[14]。2018年，Lee等[15]發(fā)現(xiàn)MALT1選擇性抑制劑強烈抑制小鼠體內(nèi)單核細胞分化為破骨細胞，能夠顯著改善關(guān)節(jié)炎模型小鼠體內(nèi)病理性骨侵蝕。進一步研究表明，MALT1選擇性抑制劑通過結(jié)合MALT1，抑制NF-κB，從而強烈抑制破骨細胞調(diào)節(jié)因子NFATc1的表達，減少破骨細胞分化。這項研究結(jié)果突出了MALT1在破骨細胞生成過程中對NF-κB-NFATc1信號軸的重要調(diào)節(jié)作用，并提示靶向MALT1是抑制破骨細胞的一種有前景的治療方案。

1.4 LGR4

腫瘤壞死因子(TNF)超家族成員11(TNFSF11，也稱為RANKL)調(diào)節(jié)多種生理或病理功能，包括破骨細胞分化和骨質(zhì)疏松癥。以往研究人員認為，RANK是RANKL的唯一受體。在最近的一項研究中， Luo等[16]證明富含亮氨酸重復序列的G蛋白偶聯(lián)受體4(LGR4)是RANKL的另一種受體。他們發(fā)現(xiàn)LGR4能夠與RANK競爭性的結(jié)合RANKL，并抑制破骨細胞分化期間經(jīng)典的RANKL信號傳導。RANKL與LGR4結(jié)合后激活Gαq和GSK3-β信號通路，抑制NFATc1的表達和活性，導致破骨細胞生成減少。而LGR4條件敲除小鼠和全身敲除小鼠由于破骨細胞過度激活而骨量減少。此外，可溶性LGR4細胞外結(jié)構(gòu)域(ECD)結(jié)合RANKL并在體內(nèi)抑制破骨細胞分化。因此該研究表明LGR4是抑制破骨細胞生成的RANKL的第二種受體。

2 破骨細胞調(diào)控新機制

2.1 骨髓脂肪組織調(diào)控破骨細胞生成

在骨髓腔中，有多種細胞如骨髓間充質(zhì)干細胞、成骨細胞、軟骨細胞、骨細胞等均可以分泌RANKL促進破骨細胞分化。2011年，Xiong等[21]聲明來自于肥大軟骨細胞的RANKL是初級骨小梁的破骨細胞生成及骨吸收的重要來源。骨細胞分泌的RANKL是松質(zhì)骨中骨吸收及骨重建的重要來源。與傳統(tǒng)認知相悖的是，該團隊證明成骨細胞及其祖細胞產(chǎn)生的RANKL在正常生理性骨重建過程中不發(fā)揮作用，僅在病理條件下如鈣缺乏等情況下會促進破骨細胞分化。

近年來，有關(guān)脂肪與骨量之間關(guān)系的研究越來越多，最經(jīng)典的為瘦素相關(guān)研究。2013年， Kajimura等[17]表明，脂聯(lián)素，一種脂肪細胞因子，能夠抑制成骨細胞增殖，促進其凋亡。進一步研究發(fā)現(xiàn)，脂聯(lián)素通過PI3激酶依賴的方式降低FoxO1的活性，從而調(diào)節(jié)成骨細胞活性，調(diào)節(jié)骨量。另一方面，脂聯(lián)素通過FoxO1在神經(jīng)元中發(fā)揮作用，減少交感神經(jīng)張力，從而增加骨量并降低能量消耗。2017年，F(xiàn)an等[18]研究證明，骨髓脂肪組織在從骨髓間充質(zhì)干細胞分化向前脂肪細胞時，分泌RANKL，從而增加骨髓內(nèi)破骨細胞的表達。并且其余部位的脂肪組織不能分泌RANKL，說明骨髓脂肪組織是一種特別的脂肪組織，這種脂肪細胞的生成對骨髓破骨細胞的生成有顯著的促進作用，從而降低骨量。以上研究顛覆了以往的認知，提出了脂肪調(diào)節(jié)成骨和破骨的新機制。

2.2 骨化三醇調(diào)控破骨細胞影響骨峰值

天然維生素D分子從飲食中攝入或通過皮膚合成，然后在肝臟和腎臟中活化為1,25-(OH)2D3。骨化三醇是維生素D的活性形式，也是體內(nèi)的一種激素，在調(diào)節(jié)血鈣與血磷水平方面有著重要作用[19]，但在前期研究中維生素D如何發(fā)揮其功能仍不得而知。2017年， Li等[20]證明骨化三醇在健康小鼠體內(nèi)通過增加Smad1轉(zhuǎn)錄激活BMP-Smad1通路，強烈抑制破骨細胞分化。另一方面Smad1與IκBα結(jié)合，調(diào)控RANKL-NF-κB-NFATc1信號通路，調(diào)節(jié)破骨細胞生成及成熟破骨細胞的骨吸收，從而增加骨量峰值。健康機體內(nèi)骨量峰值提高有助于改善骨骼健康，有效減緩絕經(jīng)以及衰老帶來的骨量下降的影響。

2.3 CD200-CD200受體通路

CD200是I型膜糖蛋白，在包括間充質(zhì)干細胞(MSC)的各種類型的細胞上表達的免疫球蛋白超家族成員[22]。CD200受體(CD200R)在骨髓細胞如單核細胞/巨噬細胞上表達，并包括介導下游信號傳導的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域，通常傳遞抑制信號[23]。2013年，Varin等[24]發(fā)現(xiàn)可溶性CD200在體外抑制破骨細胞前體的分化。體內(nèi)實驗發(fā)現(xiàn)，CD200與骨髓巨噬細胞上的CD200R結(jié)合后抑制破骨細胞前體分化以及成熟破骨細胞的骨吸收。進一步研究發(fā)現(xiàn)，CD200-CD200R抑制了RANKL介導的NF-κB和MAPK通路，從而降低破骨細胞相關(guān)標志物的生成。此外，MSCs抑制破骨細胞生成，依賴于細胞-細胞接觸及MSC表面上的CD200表達有關(guān)。該項研究進一步揭示了骨髓間充質(zhì)干細胞在調(diào)節(jié)骨吸收和骨穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著重要的作用，并表明CD200-CD200R在未來可能成為控制骨疾病的新靶標。

2.4 RANK-RNF146通路

目前研究人員認為RANKL主要通過活化T細胞c1(NFATc1)和NF-κB(2,3,7,8)的2個轉(zhuǎn)錄因子核因子發(fā)出信號[25]。2016年，Matsumoto等[26]認為RANKL能調(diào)節(jié) 3BP2的表達。3BP2是激活SRC酪氨酸激酶所需的銜接蛋白，同時能協(xié)調(diào)β-catenin的衰減，這兩者都是誘導破骨細胞發(fā)育所必需的。RANKL激活NF-κB 后通過誘導E3泛素連接酶RNF-146的轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)3BP2的活化，抑制β-catenin，激活SRC通路，導致破骨細胞過度生成。該研究還表明RNF-146負調(diào)節(jié)LPS誘導的TNF-α的產(chǎn)生，有助于類風濕性關(guān)節(jié)炎的治療。這些研究表明，RNF146充當RANKL的負調(diào)節(jié)開關(guān)，抑制破骨細胞生成和細胞因子產(chǎn)生。

2.5 microRNA調(diào)控

MicroRNA (miRNA) 是一類由內(nèi)源基因編碼的長度約為22 個核苷酸的非編碼單鏈RNA 分子，它們在動植物中參與基因的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控。近年來，有眾多研究表明miRNA能調(diào)節(jié)破骨細胞分化。2017年，Yin等[27]表明，miR-30a通過抑制DC-STAMP-c-Fos-NFATc1信號通路的激活，抑制破骨細胞生成。2018年，Cai等[28]表明，miRNA124通過調(diào)節(jié)IL-1的水平，抑制破骨細胞生成，抑制乳腺癌骨轉(zhuǎn)移。Sang等[29]表明，miRNA-16-5p通過抑制RANKL介導的下游通路的激活抑制破骨細胞形成，緩解骨巨細胞瘤骨侵蝕。此外，最新研究表明，還有miRNA376c、miRNA-302a-3p、miRNA21、miRNA182等均可以調(diào)節(jié)破骨細胞的分化。

3 總結(jié)與展望

近年來，研究人員對破骨細胞生成及其功能提出了新靶點、新機制、新通路。在破骨細胞生成過程中盤狀結(jié)構(gòu)域受體2、蛋白磷酸酶2 A、黏膜相關(guān)淋巴組織淋巴瘤易位1因子等新靶點發(fā)揮著重要的作用。經(jīng)典研究認為骨代謝中成骨和破骨相互耦聯(lián)，而最新研究認為，脂肪細胞也與破骨細胞相互耦聯(lián)，通過分泌RANKL調(diào)節(jié)破骨細胞的生成，說明骨髓中的脂肪可能是破骨細胞激活RANKL的重要來源。此外，研究人員在經(jīng)典RANKL-RANK通路中找到了新的受體，即RANKL也能與LGR4相互結(jié)合，發(fā)揮與經(jīng)典RANKL-RANK通路相反的作用，能夠抑制破骨細胞生成?？傊?，破骨細胞功能及其機制研究已初步明了，但是還伴隨著諸多問題，有待進一步研究。