酒精對骨組織代謝影響機制的研究進展

申意偉 徐西林 張曉峰 李雪 呂航 謝欣昇 張騁 白洋 范楨亮

1．黑龍江中醫藥大學，黑龍江哈爾濱150040

2．黑龍江中醫藥大學附屬第二醫院，黑龍江哈爾濱150001

酒精攝入對骨密度和骨量的影響與劑量和飲酒時間有關［1－2］，且酒精攝入對多種組織有影響［3－5］。雖然輕度慢性飲酒對骨骼的影響不大，但確切影響取決于諸多因素，包括年齡、性激素狀況和營養水平等。慢性酒精攝入和酗酒對骨組織有害［6］，并且增加骨質疏松［7－8］及骨壞死［9］的風險。然而，很難估計對骨組織產生正面影響的最佳飲酒量。慢性重度酒精攝入可影響成骨細胞和破骨細胞活性、抑制骨形成，實際上這些機制是復雜多樣的，現綜述如下。

1 酒精對成骨細胞和破骨細胞的影響

慢性酒精攝入對骨代謝影響的相關報道主要集中在抑制骨形成，而只有少數研究報道酒精對骨吸收的毒性作用［10］，甚者導致股骨頭壞死［9］。研究［11］表明，乙醇對骨細胞有多種直接作用。基于動物和細胞培養研究［1］，表明酒精可以以劑量依賴的方式改變成骨細胞成骨和增殖活性。在長期酒精攝入的條件下，成骨細胞活性顯著降低并誘發骨密度降低［12－14］，這無疑增加了骨折的風險。相反，輕度飲酒對骨密度和骨代謝幾乎沒有影響。然而，在動物研究中，間歇性酒精攝入導致成骨細胞生成減少和破骨細胞生成增加［15］。骨鈣蛋白起源于骨形成的晚期階段，并且發現酗酒者的骨鈣蛋白水平降低，導致骨吸收顯著增加［16］。酒精對骨組織代謝的影響是復雜多樣的［17］，確切機制仍需進一步研究。

2 酒精對細胞促炎因子的影響

研究表明［18－19］，促炎細胞因子可以顯著調節破骨細胞生成和脂肪細胞分化。慢性酒精濫用導致腫瘤壞死因子 α(tumor necrosis factor－α，TNF－α)和白細胞介素－1β(interleukin－1β，IL－1β)的增加與脛骨強度的降低，與成骨細胞生成的抑制有關［20］，從某種程度上說明酒精可能介導炎癥反應導致骨損傷。使用IL－6基因敲除小鼠灌胃酒精4個月的研究表明，酒精可誘導野生型小鼠血清IL－6水平升高，但IL－6基因敲除小鼠中成骨細胞功能和骨形成能力降低。進一步研究表明，核因子κB受體活化因子配體 (receptor activator of nuclear factor－κB ligand，RANKL mRNA)僅在野生型小鼠的骨髓培養細胞中表達，而在其他組中則不表達［18］，表明IL－6和RANKL表達可調節成骨細胞功能和破骨細胞生成，這可能是酒精導致骨質減少的原因之一。作為腫瘤壞死因子(TNF)家族成員，RANKL可以與同源受體 RANK和骨保護素(osteoprotegerin，OPG)結合，后者可在酒精誘導骨代謝中起重要作用。實際上，OPG水平的增加與每日酒精攝入量呈正相關關系［21］。TNF－α 和 IL－6介導OPG與RANK/RANKL誘導酒精性骨丟失［21］。與成骨細胞中IL－6表達增加相關的信號通路可以通過蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)依賴性通路誘導蛋白酪氨酸激酶活性來調節［2］，隨著酒精攝入，活性氧自由基(reactive oxygen species，ROS)水平的增加可能直接導致骨髓中TNF－α的產生［22］。此外，通過用N－乙酰半胱氨酸(N－acetylcysteine，NAC)處理阻斷了酒精誘導骨髓中TNF－α水平升高。更引人注意的是，NAC可以逆轉酒精誘導間充質基質細胞向脂肪細胞的分裂［23］，表明氧化應激可能有助于TNF－α誘導成骨細胞生成抑制。采用TNF受體拮抗劑治療逆轉了酒精對成骨細胞生成的抑制，諸多破骨細胞生成的細胞因子可能在酒精誘導的骨代謝疾病中起重要作用，但是繁雜作用機制不甚清晰。

3 酒精對氧化應激的影響

NOX家族中不同的同源物組織表達有一定的特異性，它們正常時即保持一定的活性，產生生理水平的ROS。在酒精攝入后，NOX家族的三個成員(NOX 1、2、4)的mRNA表達在成骨細胞中顯著上調［24］，并且NOX4被認為是調節細胞增殖和凋亡的最具響應性的因子［25－26］，酒精攝入導致氧化應激，最終導致 ROS產生、減少骨形成［27－28］。酒精攝入可介導ROS抑制骨形成［29］，ROS的產生可能導致骨組織細胞膜和核酸損傷［30－31］，導致骨代謝異常［32］。基于大鼠成骨細胞系的研究［24］表明酒精誘導的氧化應激促進相關衰老通路的激活并可上調成骨細胞中RANKL mRNA的表達水平。相反，NOX的產生可被雌激素阻斷，并且某些植物雌激素可以逆轉酒精對RANKL mRNA表達的影響［33］。長期酒精攝入可以影響由RANKL信號傳導調節的破骨細胞活性進而導致骨量減少［34］，增加骨質疏松風險，酒精對ROS水平產生影響也可能與NF－κB，JNK和Wnt通路、MAPK［35］和 STAT3 等信號傳導有關。

4 酒精對雌激素的影響

雌激素已被證明可以預防男性和女性骨質疏松［36－38］，實驗研究［39］表明，飲酒年輕女性血清雌激素水平下降，骨形成標志的骨鈣蛋白也被抑制［40］，影響骨重建［41］。據報道［42］，RANK/RANKL/OPG通路與雌激素紊亂導致骨質疏松關系密切，雌激素及其受體通過介導該信號通路作用于破骨細胞抑制酒精誘導的骨量丟失［43］，表明雌激素對酒精性骨質疏松癥可起積極治療作用。在信號網絡中絲裂原活化蛋白激酶(mitogen－activated protein kinase，MAPK)信號傳遞途徑起著極為重要的作用，控制著細胞多種生理過程，如細胞生長、發育、分裂、死亡等。胞外信號調節激酶(extracellular signalregulated kinase，ERK)是 MAPK家族的一員，它的信號傳遞途徑是涉及調節細胞生長、發育及分裂的信號網絡的核心。目前認為，雌激素可在短時間內激活骨細胞中的ERK［44］，對細胞代謝起重要調節作用。酒精代謝的主要副產物乙醛可通過成骨細胞中ERK活化介導導氧自由基生成進而誘導RANKL mRNA轉錄水平升高［45］，導致骨量減少。由于雌激素被認為對骨細胞具有抗氧化作用，雌激素參與酒精誘導骨代謝異常的確切機制需要進一步研究［44］。

5 酒精對甲狀旁腺素－維生素D的影響

酒精攝入導致骨骼代謝異常與甲狀旁腺素水平有關［46］，酒精可能是通過甲狀旁腺素－維生素D軸對骨礦物質穩態產生干擾［47］。有證據［48］表明，甲狀旁腺素及其相關蛋白參與維生素D活化，維生素D在鈣離子沉積以及成骨細胞功能和骨微觀結構重塑中起著積極作用。甲狀旁腺素對骨細胞數量的影響可能與通過介導蛋白激酶C調節間充質干細胞的成骨作用有關［49］。甲狀旁腺素可以在一定程度上改善骨質礦化［50－51］，不能預防酒精引起的骨髓脂肪細胞異常代謝［52］。脂肪細胞和成骨細胞之間的關聯仍不清楚，需要進一步研究。維生素D通過刺激成骨細胞中維生素D受體，對骨基質礦化和細胞分化產生積極作用［3］。過量飲酒導致維生素D缺乏［53］，然而，補充維生素D后發現RANKL/OPG比率下調，導致破骨細胞生成減少，可逆轉酒精中毒所致骨代謝受損［54］，降低骨質疏松及骨折的風險。

6 酒精對骨組織代謝通路的影響

6.1 Wnt通路

Wnt信號傳導在20世紀80年代被報道，并且近年來已經發現其在骨形成中的重要作用［55］。酒精誘導骨細胞效應的機制似乎與激活 Wnt/βcatenin通路有關［56］。β－catenin通過在細胞質中的積累和向細胞核的易位而對靶基因轉錄發揮作用。此外，酗酒者成骨細胞和破骨細胞的增殖、分化和凋亡受中Wnt/β－catenin的調節，這種通過Wnt信號傳導的調節可能通過增加間充質骨髓干細胞向脂肪細胞的分化而發生作用［23］。乙醇攝入可以抑制Wnt/β－catenin 通路，并激活 PPAR－c。酒精濫用者分泌的硬化蛋白水平顯著高于對照組［57］，硬化蛋白的升高與骨合成減少和骨吸收增加有關［58］，這種作用可能通過拮抗LRP5和LRP6結合作用以及Wnt信號傳導［59］來調節。

6.2 PI3K/AKT/mTOR通路

慢性酒精攝入不僅對成骨細胞和破骨細胞產生毒性作用，而且對骨髓間充質干細胞(BMSCs，具有很強的分化能力，可分化為成骨細胞和脂肪細胞［60］)亦有不利影響。此外，慢性酒精攝入導致BMSCs向脂肪細胞分化，使骨髓中脂肪積累增加，并導致骨質減少和骨質流失［61］。幾種分子通路可能涉及酒精誘導的BMSC譜系分化，包括Wnt和mTOR通路。通過mTOR(屬于PI3K蛋白激酶家族，是一種主要的營養傳感通路)發出信號［62］，與其他蛋白質相互作用調節不同細胞類型的增殖以及差異表達。最近的研究［63］表明，mTOR在控制間充質干細胞譜系分化為脂肪細胞中起重要作用，使脂肪生成基因PPAR－c的表達增加，而成骨基因Runx2(Runt相關轉錄因子2)的表達受到抑制。此外，mTOR通路可能在破骨細胞生成中起重要作用，最近的研究［64］表明，抑制mTOR可以促進破骨細胞凋亡并抑制破骨細胞分化。高劑量的乙醇抑制了BMSCs的成骨分化，并且隨著脂肪形成基因PPAR－c和LPL(脂蛋白脂酶)水平的升高，成脂分化顯著增加［61，65］，此外，骨組織微結構分析表明，酒精含量越高導致骨密度降低越顯著。

6.3 生長激素/胰島素樣生長因子1通路

生長激素/胰島素樣生長因子(growth hormone/insulin－like growth factor，GH－IGF)通路是復雜的，在骨重建的調節中起重要作用［17，66］，涉及多種激素。研究［68］已經證明，酒精攝入可導致GH分泌異常［67］，慢性酗酒可致使IGF－1 mRNA的表達顯著下降。體外研究［70］表明，用GH刺激成骨細胞和軟骨細胞可能導致細胞分化和增殖［69］，該效應可能與IGF－1合成和分泌調節有關。重度酒精攝入可能損害GH－IGF軸并導致成骨和脂肪生成之間的不平衡。長期飲酒不僅會抑制IGF－1活性，還會增加胰島素生長因子結合蛋白1(insulin growth factor binding protein 1，IGFBP1)的產生［71］。IGF－1 和IGFBP1之間這種相互關系的機制可能部分歸因于IGF－1 抵抗［72］，也可能與 mTOR 有關［73］，然而，這種機制尚未完全確定。

7 小結

我國由于特有的飲酒文化已成為酒精性疾病高發的重災區，酒精可對多種組織造成損傷，長期大量飲酒引起骨代謝紊亂、骨量丟失、骨微觀結構退化致使骨脆性增加，使骨折和骨壞死風險增加。酒精攝入通過減少骨形成和增加骨降解，對骨代謝表現出毒性作用，酒精引起的骨質損傷治療應側重于增加骨生成和降低破骨細胞活性。酒精這種毒副作用可能涉及促炎因子，氧化應激、Wnt/β－catenin、PI3K/AKT/mTOR和RANKL/RANK等通路參與其中，然而酒精導致骨損傷的機制是復雜的，仍需進一步研究。