從OPG/RANK/RANKL信號轉導系統探討老年性骨質疏松的發病機制

王凱 宋敏,2* 文皓楠 海云翔 鞏彥龍

1.甘肅中醫藥大學，甘肅 蘭州 730000 2.甘肅中醫藥大學附屬醫院，甘肅 蘭州 730020

骨質疏松癥(osteoporosis，OP)是骨吸收與骨形成失衡造成骨量流失、內部骨微結構紊亂易并發疏松性骨折的全身代謝性骨病[1]，具有強烈遺傳影響性。OP屬于慢性、增齡性疾患，發病率與年齡增長呈現明顯的正相關，隨著全球人口老齡化的日益嚴重，OP的發病率逐年上升。有數據統計截至2016年，60歲以上人口在我國已超過2.1億，老年性骨質疏松癥的患病率達36%，女性明顯高于男性[2]，嚴重影響老年群體身心健康和生活質量，巨大的經濟投入和沉重的家庭負擔，使老年性骨質疏松成為我國目前面臨的重要公共衛生問題。骨骼的健康依賴完整的結構和充足的骨量，骨吸收與骨形成之間嚴格的調節機制是維持骨組織微環境穩定的重要保證。老年人機體各器官功能發生老化、退變，內環境也相應地發生改變，各種不良因素作用疊加致使骨代謝紊亂、骨量流失加劇[3]，最終造成OP的發生。OPG/RANK/RANKL信號轉導系統在骨吸收與骨形成平衡狀態的維持中可通過多種方式發揮調控作用，本文根據近年來在OPG/RANK/RANKL信號通路與老年性骨質疏松的關系及作用機制研究方面取得的進展作一綜述，探討OPG/RANK/RANKL信號通路與老年性骨質疏松發生的分子學機制，以期為臨床防治該疾病提供新的思路。

1 老年性骨質疏松癥

老年性骨質疏松癥屬于原發性骨質疏松癥的Ⅱ型，與年齡密切相關，發病主要集中在65歲以上的人群，進入老年階段后，破骨細胞與成骨細胞脫偶聯且活性下降，骨代謝屬于低轉化型[4]。老年患者整體機能退化，身體協調性下降，更容易并發重要部位的骨折，隨著老齡化的加劇，預計到2050年我國可發生599萬次疏松性骨折，相應的醫療投入高達1 745億元[5]，其高居不下的致殘、致死率，是我國當下急需解決的公共性健康難題。近年來國內外在分子生物學水平對其進行了深入研究，發現除了BMP/Smads、Wnt/β-catenin等信號通路在骨代謝中具有重要的調控作用外，OPG/RANK/RANKL信號通路與老年性骨質疏松的發生更是密切相關。

2 OPG/RANK/RANKL信號通路

核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of NF-кB ligand，RANKL)與破骨細胞或破骨細胞前體細胞表面的核因子-κB受體活化因子(receptor activator of nuclear factor Kappa B，RANK)相結合，RANK被激活后，刺激信號通過核轉錄因子NF-Kb呈遞轉運至細胞核內[6]，使c-Fos的表達增強，活化的T細胞核因子和c-Fos結合后信號進一步傳導，使與破骨細胞生成相關的特異性基因開始發生轉錄，促進破骨細胞的分化、增殖并抑制其凋亡，最終增強骨吸收活性。骨保護素(osteoprotegerin，OPG)屬于腫瘤壞死因子受體超家族的成員蛋白，能夠競爭性地與破骨細胞膜表面的RANK相結合，且結合能力強于RANKL[7]，從而有效地阻止RANKL與RANK結合，明顯阻斷能夠引起破骨細胞鏈式反應的信號傳遞，抑制破骨細胞的形成，在破骨細胞的增殖分化、成熟過程中起著負性調節作用。OPG、RANK和RANKL三者共同組成了OPG/RANKL/RANK信號轉導系統，在破骨細胞的分化成熟中發揮著關鍵作用。OPG/RANKL/RANK信號通路在誘導破骨細胞分化成熟、促進骨吸收的同時，骨髓基質及成骨細胞分泌的OPG使OPG/RANK比例保持在適當水平[8]，以防止骨吸收過度，從而維持骨代謝的平衡。

3 OPG/RANK/RANKL信號通路與老年性骨質疏松發生的相關性

老年性骨質疏松癥的發病機制復雜，增齡造成的機體多臟器功能減退，免疫功能下降，內分泌系統紊亂是其主要的發病因素；同時老年患者肌肉衰退，運動遲緩對骨骼的應力刺激作用減低也是造成骨量丟失、骨微結構破壞的重要方面。上述各種不良因素都可作用于OPG/RANK/RANKL信號轉導系統，導致其調節功能異常，與OP的發生密切相關。

3.1 增齡性氧化應激

年齡增長導致骨量減少和骨微結構破壞是老年性骨質疏松發生的本質，越來越多的證據[9]表明氧化應激是老年性疾病發生的危險因素。生理狀態下，人體骨量維持在穩定水平，隨著年齡的增長，體內干細胞的分化狀態不斷發生改變，大部分干細胞轉化為脂肪細胞，起初趨于向成骨細胞分化的部分也相應減少。成骨細胞的成骨作用逐漸下降，破骨細胞在一些細胞因子的影響下溶骨作用異常活躍，使骨吸收增加，骨代謝長期處于負平衡、低轉換狀態。正常條件下，人體中的氧化與抗氧化調節機制之間處于一種動態的平衡，各種不良因素作用后，這種平衡機制被打破，氧簇濃度反應性地增高，組織細胞在氧化應激狀態下容易發生損傷、變性[10]。在骨代謝過程中，腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)是氧化應激中重要的炎性因子，能誘導巨噬細胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor，M-CSF) 和RANK的表達[11]，在骨吸收和骨基質膠原的合成中有直接的促進作用；還能抑制細胞外基質的沉積，使成骨細胞在維生素D轉錄反應中的敏感性降低；還可以降解有機骨質，這與細胞外基質金屬蛋白酶的合成有關。在破骨細胞前體細胞中，TNF-α可以增加c-fms的表達，而c-fms又能在脊髓前體細胞表面表達生成M-CSF的受體，進一步調節破骨細胞前體細胞在骨髓中的充裕量[12]。另外，IFN-γ可以上調組織相容性復合物II類抗原(MHC-II)的表達水平，誘導T細胞的活化、增殖從而使RANKL和TNF-α大量表達[13]，促進破骨細胞在骨組織內的分化。總之，氧化應激與年齡密切相關，進入老齡化階段后人體處于氧化應激狀態容易產生TNF-α、白介素(interleukin，IL)-1、IL-6、IL-7及前列腺素E2 (prostaglandin E2，PGE2) 等炎性物質，作用于OPG/RANK/RANKL信號通路能夠刺激破骨細胞的分化，抑制成骨細胞的生成，最終誘發OP。

3.2 運動機能減退

運動在骨組織的發育與骨重建中發揮著關鍵作用，運動過程中產生的機械應力會直接影響OPG/RANK/RANKL信號通路信息的傳遞[14]，進一歩調節骨代謝。適度、適量的運動不僅可以提高成骨細胞表達OPG基因的水平，還能抑制RANKL的分泌及基因的表達，OPG/RANK比例升高[15]，從而使骨代謝處于一種正向平衡狀態，促進骨骼的生長。相反，高強度、長時間的運動能夠上調RANL基因表達，抑制OPG基因的表達水平，OPG/RANK比例降低，破骨細胞活性增強，相應地促進骨吸收作用，使骨代謝呈負平衡狀態。在機體可以耐受的范圍內，適宜的運動作用于骨骼屬于良性應力刺激，對骨形成具有促進作用；還可以提高IL-2、IFN、IL-4等保護性因子的表達水平，在細胞因子的層面對機體進行調節，抑制骨吸收[16]，維持骨代謝的正向平衡。老年人運動系統發生退行性改變，運動遲緩，長時間處于靜息狀態，活動量減少造成骨骼負荷降低，OPG/RANK/RANKL信號通路受到的有效機械刺激也相應地減少，使OPG/RANK比例降低，骨量進一步丟失。另一方面，肌肉和骨骼是運動系統的主要組成部分，相互協調，共同維持骨骼形態的健康與微環境的穩定。在骨重塑過程中，附著于骨骼表面的肌肉收縮后產生機械應力作用于骨骼，這種機械應力刺激應遵循Wolff定律，是作用于骨骼的最大生物應力[17]，能通過OPG/RANK/RANKL信號通路的傳導作用使骨組織內的力學敏感細胞受到刺激，進而直接或間接影響骨代謝，促進骨形成，抑制骨吸收。這一維持骨平衡的正向調節過程受到嚴格的力學系統控制，機體肌肉萎縮、收縮功能減退，肌肉收縮產生的機械應力相應地減弱[18]，導致骨微結構破壞，骨量丟失加劇，骨代謝失衡。人體35歲以后開始發生肌肉的衰減，隨著年齡的不斷增長，全身骨骼肌萎縮、肌力下降、肌肉功能生理性減退，在老年階段尤甚，直接導致機械負荷降低[19]及OP的發生。

3.3 免疫系統低度活化

免疫系統也是維持骨微環境穩定的重要因素，OP的發生與免疫功能異常密切相關[20]。一方面，腫瘤壞死因子TNF、IL-1、IL-6、IL-7及IL-17等免疫因子[21]可以上調RANKL的表達水平；另一方面，由Th1細胞和Th2細胞分泌的IL-12、IFN-γ以及IL-4、IL-13等保護性免疫細胞因子可以上調OPG的表達水平，OPG競爭性地阻滯RANKL信號的傳遞，進一步抑制破骨細胞的生成和活化，促進骨形成。免疫系統在骨代謝的調控中，無論是炎癥因子還是保護性免疫因子，都是通過OPG/ RANKL/RANK信號通路調節成骨細胞與破骨細胞的分化、增殖，使骨代謝維持在相對平衡[22]的狀態。增齡性老化使免疫系統功能持續低度活化，免疫機能失調會不同程度地影響T和B淋巴細胞系統，使這種平衡機制被打破。免疫系統在骨代謝中的調節機制可表現在活化T細胞與破骨細胞的相互作用協調之中[23]，正常免疫狀態下，成骨細胞表達的RANKL與破骨細胞前體細胞表面受體RANK結合后，促進破骨細胞的增殖、活化；一般炎癥刺激下免疫系統激活后，活化的T細胞也可以分泌RANKL蛋白，以同樣的方式作用于破骨細胞，但T細胞同時可表達INF-γ蛋白形成負反饋調節機制[24]抑制破骨細胞的分化和成熟，避免造成骨量的丟失。隨著年齡的增長，T細胞亞群及活化途徑發生了顯著改變，TH細胞與TS細胞增多，使得免疫因子調節網絡也發生了相應的改變[25]。這一系列的變化使Th1型細胞因子大量轉換為Th2型細胞因子，炎性細胞因子的生成增多使機體長時間處于促炎性反應狀態，老年人體內大量表達的IL-1、IL-6和TNFα等細胞因子可誘導RANKL的表達[26]，RANKL濃度顯著升高后，OPG/RANKL/RANK信號通路被激活，作用于破骨細胞，成骨細胞活性也受到一定程度的抑制，骨吸收作用增強，骨形成相應地減少。

3.4 激素水平降低

性激素在人體骨骼的生長發育中起著尤為關鍵的作用[27]，雌激素與雄激素作為人體最主要的內源性類固醇激素，可通過各種調節機制來維持骨代謝中骨轉換的平衡以及骨微環境的穩定。雌激素與雌激素受體(estrogen receptor，ER)特異性結合后產生一系列的生物效應[28]，通過OPG/RANKL/RANK信號轉導通路影響骨代謝。雌激素與破骨細胞及其前體細胞膜上的ERα結合后抑制RANKL的表達并降低前體細胞對其的反應性[29]，抑制破骨細胞的分化成熟；在成骨細胞表面，雌激素與ERα結合后上調OPG的表達水平，增高OPG/RANKL比例[30]，加速破骨細胞的凋亡，進而保護組織。雄激素在骨代謝中也是影響OPG/RANKL/RANK信號通路的重要因素，雄激素與成骨細胞表面的雄激素受體(androgen receptor，AR)結合后可以上調OPG的基因表達水平，還可以影響甲狀旁腺激素的敏感性而直接促進成骨細胞的增殖分化；雄激素與破骨細胞表面的AR結合后，IL-1、IL-3和TNF等細胞因子的分泌減少，通過抑制RANKL的表達間接作用于破骨細胞[31]。另外，在成骨細胞局部芳香化酶的作用下雄激素可轉換為雌激素，與ER特異性結合后使破骨細胞的活性受到抑制[32]，從而抗骨吸收、阻止骨量的減少。老年人的性腺功能隨著年齡的增長逐漸減退，性激素的分泌水平和生物利用度也逐漸下降，尤其雄激素和雌激素生成的減少[33]，可通過上述途徑造成OPG/RANKL/RANK信號系統調控機制的紊亂，使機體骨代謝處于負平衡狀態，骨強度降低。此外，雌激素在骨代謝免疫系統中的作用不可忽視，老年人體內雌激素水平下降后誘導Th17分泌大量的IL-17，IL-17通過誘導成骨細胞生成TNF-α、IL-6和RANKL[34]增加破骨細胞的活性。

4 結語

隨著年齡的增長，老年人的各器官功能發生生理性老化退變，長時間處于促炎性反應狀態，主要表現為免疫功能低下、運動機能減退、激素水平降低等方面。凡此種種，各不良因素可通過刺激OPG/RANK/RANKL信號轉導系統進行信息的傳遞，使OPG/RANKL比值降低，破骨細胞活性增強，成骨細胞功能受到抑制，骨代謝失衡造成進行性骨量丟失、骨強度降低，最終導致OP的發生。針對老年性骨質疏松癥特殊的發病機制，立足于OPG/RANK/RANKL信號通路進行積極干預在該疾的防治中具有重要意義。