從信號交聯角度探討骨髓脂肪化在原發性骨質疏松中的作用機制

甘東浩 陳德強 譚國慶* 徐展望*

1. 山東中醫藥大學，山東 濟南 250355 2.山東中醫藥大學附屬醫院骨科，山東 濟南 250014

骨質疏松癥(osteoporosis，OP)是以骨量減少、骨組織微細結構改變為特征，伴隨有骨的脆性增加以及易于發生骨折的一種全身性代謝性骨骼疾病，常發生于老年人和絕經后婦女中。近年來，在原發性骨質疏松(老齡或絕經后)的哺乳動物和人類骨髓中脂肪增多伴骨量減少的現象引起了研究者的廣泛關注，但具體機制如何，尚未完全闡明。本文將從FoxO-β-catenin-PPARγ信號軸角度對骨髓脂肪化在原發性骨質疏松中的作用機制進行綜述，為該疾病的診治提供新的著眼點。

1 原發性骨質疏松骨量減少與骨髓脂肪增多的關系

骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)具有多向分化能力[1]。作為骨髓中成骨細胞和脂肪細胞的共同來源，有研究指出[2]在某些生理和病理狀態下，由于骨髓內脂肪細胞數目不斷增多，骨髓腔內微環境發生改變，導致具有向成骨和成脂分化潛能的BMSCs向脂肪細胞分化增多、成骨分化減少，從而打破了骨吸收和骨形成之間的平衡并形成惡性循環，最終導致或加劇了骨質疏松。體外細胞培養研究也證實來自骨質疏松大鼠的BMSCs(O-MSCs)比對照組的BMSCs(C-MSCs)有著更強的成脂分化能力，相反成骨分化能力減弱。現代研究[3]表明，在各種原發性的骨質疏松患者中，其骨髓腔內的MSCs成脂增多伴成骨能力下降，且脂肪細胞含量與骨質疏松程度呈反比，進一步說明了骨髓中脂肪細胞與成骨細胞之間存在著一種“此消彼長”的關系[4]，并且已經被認為是原發性骨質疏松癥的一種發病機制。那么，這種BMSCs定向分化所形成新的脂肪細胞和脂肪難道僅僅起著填充髓腔和骨小梁空隙的作用，還是會影響成骨，造成骨質疏松？一些研究[5]已經進一步指出，這些脂肪和骨有著一種密切的生理病理相關性，原發性骨質疏松骨量的丟失是脂肪和骨相關聯的結果，是一種骨肥胖。骨質疏松是一種脂毒性疾病，過多沉積的脂類可以引起成骨細胞和骨細胞的凋亡及功能障礙[6]。但對這種脂毒性的具體機制研究較少，有待于進一步深入研究。

2 骨髓脂肪化對局部微環境的影響

脂毒性是指脂質在非脂肪組織過載所引起的細胞功能障礙和所誘導的細胞凋亡。對骨組織來說，體外研究已經證實脂肪細胞分泌的因子對BMSCs可產生脂毒性，影響細胞分化功能[7]。脂肪細胞也可以對成骨細胞的功能和活性產生影響，其可被脂肪酸合成抑制劑阻斷，且抑制脂肪酸合成可以促進成骨[8]，說明脂肪酸可引起對成骨細胞的脂毒性。游離脂肪酸及其他脂毒性物質在細胞內的增多，會增加線粒體對脂肪酸的氧化或通過內質網應激等途徑，影響細胞功能[9-10]。氧化應激介導的細胞功能異常是脂毒性一個重要的發病機制，如活性氧(reactive oxygen species，ROS)聚集可導致氧化應激，其具有雙重作用，可氧化、破壞蛋白質、脂質、DNA，導致細胞功能改變，也可激活胞內多重適應性信號通路[11-12]。氧化應激可誘導成骨細胞凋亡已被廣泛認可[13]，且細胞的氧化應激以及ROS水平升高會促使 MSCs向成脂分化傾斜，導致成骨形成減弱及成骨數量減少[14]。Arai等[15]研究認為在氧化應激環境中成骨細胞分化下降與抗氧化酶系統表達上調和成骨基因表達的改變密切相關。由此可見，骨髓腔內脂肪細胞堆積通過氧化應激介導的脂毒性在抑制BMSCs成骨分化、成骨細胞活性，繼而引起骨質疏松中扮演了重要角色。因此，通過探討脂毒性通過氧化應激途徑誘導骨質疏松的發病機制，將會給原發性骨質疏松的治療研究帶來新的切入點和靶點。

3 氧化應激介導的FoxO-β-catenin-PPARγ信號軸對BMSCs分化失衡的作用機制

經典 Wnt 信號通路在成骨細胞的分化、增殖中發揮重要作用，是成骨細胞的正向調節蛋白，而且還可以抑制破骨細胞的功能和分化[16]。這一通路主要由細胞外因子Wnt蛋白、糖原合成激酶3β(GSK3β)等介導，最終穩定的β-Catenin進入細胞核，調節靶基因的轉錄和表達，通過Runx2基因促進成骨的形成[17]。調控該途徑中任何一個因子都可影響成骨細胞的功能與活性，從而對骨形成和骨代謝起著重要的調控作用[18]。現代研究也發現[19]隨著年齡的增長，成骨細胞數量的減少與氧化應激增加抑制Wnt信號途徑有關。

過氧化物酶體增殖活化受體(PPAR)是一類配體激活的核轉錄因子超家族成員，其中PPARγ是最具有脂肪細胞特異性、對脂肪細胞的分化起關鍵性作用的調節因子,還可抑制成骨分化[20]。臨床觀察也發現應用PPARγ激動劑治療糖尿病，可引起糖尿病性骨質疏松[21]。研究表明[22]，骨髓中PPARγ2隨年齡的增加而增加，此外體內游離脂肪酸可促進PPARγ表達，誘導BMSC成脂分化，使骨髓腔中脂肪細胞堆積，抑制成骨分化[23]，形成惡性循環； ROS 還可以增加脂氧合酶Alox15 的表達，繼而反饋調節脂質氧化，后者又可以結合PPARγ，促使PPARγ與β-catenin 結合，進而降低β-catenin /TCF誘導的成骨細胞形成[24]。PPARγ在BMSCs成骨、成脂雙向分化過程中起著“開關”的作用，表達升高，則抑制成骨分化，促進成脂分化[25]。

FoxO刺激機體表達與DNA修復和自由基清除有關的各種功能基因，并調節幾種前凋亡基因，從而誘導異常或損傷細胞發生凋亡[26]。在哺乳動物細胞中，FoxO4、FoxO1和FoxO3a的過量可誘導細胞發育的停滯或凋亡[27-28]，在過氧化氫誘導的氧化應激反應中，Foxo的活性與細胞內脂質氧化損傷和caspase-3活化有關[29]。進一步研究發現[30]細胞中敲除 FoxO1、FoxO3和FoxO4基因，骨骼中成骨細胞的數量會下降，氧化應激水平升高。其中FoxO1 轉錄因子主要參與細胞凋亡、應激、DNA 損傷/修復等生命過程，NaKae等[31]提出FoxO1在激素激活的信號通路與促進脂細胞分化的復合轉錄瀑布的整合方面起重要作用。Rached等[32]也發現FoxO1是成骨細胞氧化應激中調節骨重建一個關鍵調節因子； FoxO3[33]則在氧化應激反應時乙酰化作用增強。動物實驗[34]表明，氧化應激是與年齡有關的骨質流失和骨強度下降的一個關鍵發病因素，FoxO是與β-catenin密切聯系的轉錄因子，且拮抗Wnt信號的能力隨著年齡的增加而增強。過多的ROS致使 Wnt/β-catenin信號通路TCF/LEF轉錄轉向為 FoxO 轉錄，降低成骨，最終導致機體出現骨質疏松[35-36]。

脂質氧化能抑制經典的Wnt信號通路，引起成骨細胞數量與骨形成下降[19]。在脂質過載環境中，Wnt 信號通路與 FoxO信號通路及PPARγ信號通路間的交聯作用影響骨質疏松的發生和進展。當ROS過多時，FoxO可競爭性的與β-catenin 結合，抑制Wnt信號通路中TCF/LEF 轉錄，降低成骨，出現骨質疏松[37]，而β-catenin的過度表達，可以防止FoxO介導的基因轉錄；老化使骨髓MSCs的PPARγ2表達增加，同時脂肪酸氧化產物能與PPARγ2結合并激活PPARγ2，降解β-catenin蛋白，導致βcatenin/ TCF調節轉錄作用降低[35，38]，Wnt也可通過PPARγ影響到脂肪細胞的分化[39]。FoxO -β-catenin-PPARγ交聯軸(圖1)所介導的氧化應激反應在骨骼中的作用逐漸受到研究者們的關注[19]。成鵬[40]等研究表明通過調節FoxO3a/Wnt2/β-catenin通路，抑制FoxO3a，可提高β-catenin蛋白表達水平，能夠有效緩解氧化應激介導的去卵巢大鼠的骨質疏松。Philip等[41]也發現使用抗氧化劑n-乙酰半胱氨酸(NAC)可通過抑制Foxo的活性，解除對Wnt信號的拮抗作用來預防酒精誘導BMSCs分化失衡的作用。動物實驗[42]表明敲除前成骨細胞的β-catenin基因，導致成年小鼠PPARγ2的表達增加，骨髓內脂肪堆積，骨量減少，而他汀類藥物可以通過激活Wnt通路和抑制PPARγ通路，起到治療脂代謝異常帶來的骨質疏松和骨質流失的作用[43]。Gao[44]等研究發現，雌激素可通過經典Wnt通路抑制骨-脂肪形成，認為雌激素引起的Wnt通路活性下降是骨髓脂肪逐漸增多的重要原因。

圖1 FoxO-β-catenin-PPARγ信號交聯圖Fig.1 FoxO-β-catenin-PPARγ signal cross-linking diagram

綜上所述，氧化應激介導的FoxO-β-catenin-PPARγ信號軸的平衡，可能在骨髓脂肪化微環境下，對BMSCs的成骨分化能力及成骨細胞活性起著重要作用，其中對β-Catenin濃度的調控處于中心地位，這或許可為原發性骨質疏松的治療提供一個新的著眼點。