絕經后骨質疏松癥發病機制的研究進展

陳天寧，邵進，楊鐵毅

(1.寧夏醫科大學研究生院，銀川 750004； 2.上海市浦東新區公利醫院骨科，上海 200135)

骨質疏松癥(osteoporosis，OP)是由多種病因引起骨密度降低和骨小梁結構破壞、骨皮質變薄及脆性增高的一種全身代謝性骨病。老年患者髖部和脊椎的骨折是典型的骨質疏松性骨折，其發病率與骨密度降低密切相關[1]，以老年人和絕經后女性最為常見[2]。我國中老年人骨質疏松問題嚴重，50歲以上女性患病率為32.1%，65歲以上女性患病率高達51.6%[3]。

在正常人體內，骨量的動態平衡有賴于成骨細胞和破骨細胞功能的穩定；任何影響成骨細胞和破骨細胞分化和功能的因素均可能影響機體骨代謝的動態平衡。絕經后女性體內雌激素水平明顯下降，通過一系列信號通路調節，導致骨代謝失衡和骨量減少，引發絕經后骨質疏松癥(postmenopausal osteoporosis，PMOP)，易產生骨質疏松性骨折等并發癥[4]。隨著我國人口老齡化進程的加快，絕經后女性數量不斷增加，因此PMOP的防治顯得尤為重要。近年來，通過對PMOP主要調節通路及分子機制的深入研究，發現了眾多與POMP密切相關的信號通路[5]，為臨床PMOP的防治提供更多新的、有效的靶點。自基于核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor-κB ligand,RANKL)信號通路研發的RANKL抑制劑——地諾單抗問世以來，針對PMOP治療藥物的研制也愈來愈具有靶向性。與此同時，雙膦酸鹽類藥物在PMOP治療過程中雖可有效抑制機體的骨吸收，但長期應用時會出現抑制骨形成和骨小梁重塑不良等情況。現就PMOP發病機制的研究進展予以綜述，以為其防治提供更精準的靶點和更優良的療效。

1 RANKL/OPG比值增大引起骨代謝負平衡

1.1RANKL/RANK/OPG信號通路 RANKL/核因子κB受體活化因子(receptor activator of the nuclear factor-κB，RANK)/骨保護素(osteoprotegerin，OPG)信號通路是協助雌性激素參與骨代謝中最經典的調控系統之一[2]。其中，RANKL為腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF)家族中的一種Ⅱ型跨膜蛋白，在骨組織中絕大部分由破骨細胞表達，此外還表達于淋巴組織和活化的T淋巴細胞等[6]；OPG為TNF受體超家族蛋白，是由成骨細胞和T、B等免疫細胞分泌的可溶性糖蛋白[7]。作為一種誘餌性受體，OPG與RANKL競爭性結合其受體RANK形成RANKL/RANK/OPG信號通路，在骨代謝中發揮關鍵的調控作用。

在骨代謝系統中，RANKL與細胞膜表面的RANK相結合后，可誘導破骨細胞進一步分化成熟、同時促進骨吸收[8]。在RANKL/RANK/OPG信號通路中，一方面，OPG競爭性結合RANK，且其親和力強于RANKL，從而抑制RANKL與RANK結合，顯著減弱RANKL促進破骨細胞形成的能力，以抑制破骨細胞分化成熟，同時達到減少其活化的目的；另一方面，OPG還能作用于成骨細胞促進骨形成，抑制骨吸收[9]。在正常生理狀態下，成骨細胞分泌OPG使RANKL/OPG的比值及功能保持動態平衡，維持骨穩態；當破骨細胞表達RANKL增加時，RANKL/OPG的比值增加，破骨細胞的骨吸收作用增加；反之，表現為OPG的促進骨形成作用[10]。

1.2雌激素水平降低導致RANKL/OPG比值增大 女性體內的雌激素在骨代謝平衡維持中發揮至關重要的作用。雌激素與其受體結合后，通過RANKL/RANK/OPG信號通路保護成骨細胞免受凋亡，促進其分化成熟并維持骨形成[11]。雌激素受體在成骨細胞及破骨細胞表面均有表達，當雌激素在破骨細胞前體細胞表面與雌激素受體結合后，其能夠抑制破骨細胞的分化成熟并減少RANKL的表達；當雌激素與成骨細胞表面的受體結合后，其能夠促使細胞內OPG的表達增加，加速成骨細胞分化成熟并促進破骨細胞啟動程序性死亡，進而促進機體的骨形成。對于絕經后女性，卵巢功能衰退直接造成雌激素分泌減少，RANKL/RANK/OPG信號通路發生紊亂：一方面，具有促進骨吸收作用的白細胞介素(interleukin，IL)、TNF等炎癥因子在體內不斷蓄積，引起骨代謝微環境中RNAKL表達增加，從而加快骨質流失；另一方面，轉化生長因子-β等表達減少導致成骨細胞分泌OPG減少，RANKL與RANK競爭性結合能力增強，從而促進破骨細胞分化成熟[12]。

因此，RANKL/RANK/OPG信號通路是體內維持骨代謝穩態重要的信號轉導通路，而各種因素對該通路的調節作用均反映在RANKL/OPG比值的變化上。絕經后女性卵巢功能減退，雌激素合成和分泌減少導致成骨細胞合成OPG減少，RANKL/OPG比值上調，從而造成PMOP。

2 抑制Wnt信號通路導致骨形成減少

2.1Wnt/β聯蛋白(β-catenin)信號通路 Wnt/β-catenin信號通路屬于經典Wnt通路，參與調節機體內多種代謝活動。在骨代謝系統中，Wnt/β-catenin信號通路不僅調控細胞的增殖和分化，還參與調節細胞內某些關鍵蛋白的表達。Wnt是由細胞內Wnt基因編碼的一種分泌性糖蛋白，在體內許多組織的發育過程中起重要作用[13]。其中，Wnt/β-catenin-T細胞因子/淋巴增強因子作為經典的骨代謝調節通路，不僅對骨骼的發育和礦化很重要，而且在骨代謝調節方面也必不可少[14]。β-catenin是Wnt經典通路最重要的調控因子之一，其從胞質移位到胞核中，促進與成骨細胞分化和成熟相關基因的表達[15]。

2.2雌激素水平降低抑制Wnt/β-catenin 信號通路 Wnt/β-catenin 信號通路對于成骨細胞和破骨細胞的增殖分化、骨發育和重塑等作用，均是通過多種調控因子正向調節靶基因表達實現。近年來，眾多研究表明成骨細胞作為該通路的關鍵靶細胞，在Wnt/β-catenin 信號通路調節骨代謝過程中發揮重要作用[16-18]。在骨組織的生理狀態下，β-catenin在調節成骨細胞和破骨細胞功能中均發揮重要作用[19]，Wnt/β-catenin信號通路激活后，靶細胞表面低密度脂蛋白受體相關蛋白5/6和卷曲蛋白組成的受體蛋白復合物能夠與Wnt蛋白發生特異性結合，隨后促進散亂蛋白活化，介導糖原合成酶激酶-3β磷酸化，促使靶細胞內β-catenin穩定存在并不斷聚集；當胞質內β-catenin富集到一定量時可從胞質進入胞核，與T細胞因子/淋巴增強因子家族成員結合，招募Bcl-9等相關因子從而正向調節靶基因表達，一方面促進骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)增殖，另一方面誘導其分化為成骨細胞。Wnt/β-catenin內源性拮抗因子——骨硬化蛋白可發揮負向調控作用，抑制Wnt蛋白和低密度脂蛋白受體相關蛋白5/6的特異性結合，從而阻斷該通路的信號傳遞。當Wnt蛋白缺乏時，胞內糖原合成酶激酶-3β通過磷酸化方式標記β-catenin，最終通過胞內泛素/蛋白酶體途徑將其降解，從而抑制Wnt/β-catenin信號在骨代謝中的正常傳導過程[20]。此外，Wnt信號通路能夠刺激成骨細胞分泌OPG，促使該通路與RANKL/RANK/OPG信號通路相互關聯，從而抑制破骨細胞增殖、分化和限制其功能發揮[21]。

因此，在正常人體生理狀態下，Wnt/β-catenin信號通路中的關鍵蛋白(散亂蛋白、骨硬化蛋白和卷曲蛋白等)能夠調節Wnt信號在胞膜及其下游相關靶分子間的傳遞。由于女性在絕經后體內雌激素水平驟降，關鍵蛋白表達異常，故導致Wnt/β-catenin信號通路功能受抑，繼而發生骨質疏松癥。

3 抑制信號素3A/Nrp-1信號通路導致骨形成減少

信號素3A(Semaphorin 3A，Sema3A)屬軸突導向因子超家族成員，為分泌型的骨代謝調節因子[22]，參與調節許多機體生理過程。神經纖毛蛋白-1 (neuropilin-1，Nrp-1)是一種跨膜糖蛋白，可作為Sema3A及血管內皮生長因子蛋白的受體發揮作用[23]。早期學者認為，Sema3A/Nrp-1在機體內主要調節部分組織的發育過程，能夠促進組織中血管及神經發育[24]；而近年來，對Sema3A/Nrp-1功能的研究主要集中于其在骨代謝中的調節。

Sema3A/Nrp-1不僅可以促進骨形成，同時還能抑制骨吸收[25]。Behar等[26]研究表明，Sema3A在骨組織中主要參與骨發育及調節血管、神經的分布。Hayashi等[27]研究發現，Sema3A作為一種有效的骨保護因子，在骨代謝調節系統中可雙向調節成骨細胞和破骨細胞功能。Sema3A既能夠抑制骨組織中破骨細胞功能以減少骨丟失，也可促進成骨細胞分化成熟，從而維持PMOP患者的骨量。在成骨細胞譜系中，雌激素通過抑制miR-195和miR-497的表達，以濃度依賴性方式上調成骨細胞Sema3A蛋白表達；而來源于成骨細胞的Sema3A通過與細胞膜表面的Nrp-1受體結合，激活Sema3A/Nrp-1信號通路的下游信號分子，從而發揮調控骨穩態的作用[28]。Sema3A缺乏或其受體缺陷會導致高齡小鼠嚴重的骨量丟失并伴有骨細胞減少；Sema3A受體復合物能夠進一步作用于可溶性鳥苷酸環化酶-環鳥苷酸信號通路，從而保護骨細胞免于凋亡，而可溶性鳥苷酸環化酶-環鳥苷酸信號激活劑亦可模擬Sema3A的作用，改善PMOP小鼠模型的骨量丟失[29]。

因此，Sema3A被認為是一種骨保護因子，它能在促進成骨細胞增殖、分化的同時，抑制破骨細胞主要功能的發揮，具有明顯促進骨形成的作用。絕經后女性雌激素水平降低，Sema3A功能受抑，導致骨形成明顯減緩、骨質吸收增強，最終造成骨代謝的負平衡引發骨質疏松癥。

4 激活GDF11-FTO-PPARγ信號通路促進BMSCs向成脂肪細胞分化

過氧化物酶體增殖物激活受體 γ(peroxisome proliferator-activated receptor γ,PPARγ)在人體內主要表達于脂肪細胞及部分免疫細胞，其分泌與年齡呈正相關；在骨組織中能夠通過減少成骨細胞特異轉錄因子表達來抑制其分化，同時抑制骨鈣素合成、促進破骨細胞分化成熟。PPARγ是成脂分化的主要調控因子，在BMSCs向成骨細胞和脂肪細胞分化的過程中發揮重要作用[30]。

研究發現，在骨質疏松形成過程中，生長分化因子11(growth differentiation factor 11，GDF11)-脂肪量和肥胖相關蛋白(fat mass and obesity-associated protein，FTO)可通過調節剪接位點周圍的N6-甲基腺苷水平，來調控脂肪生成調節因子——矮小相關轉錄因子1的外顯子剪接，從而發揮調節BMSCs分化的作用；FTO可提高BMSCs中PPARγ信使RNA水平，并通過激活的PPARγ調節N6-甲基腺苷和PPARγ信使RNA的穩定性，從而發揮調節BMSCs成脂和成骨分化平衡的作用[31]。此外，PPARγ抑制劑雙酚A二縮水甘油醚可以改善類固醇誘導的小鼠骨質疏松癥，其成骨標志物表達水平及骨量均明顯增加；同時，成脂標志物表達減少，骨髓脂肪浸潤現象改善[32]。因此，GDF11-FTO-PPARγ作為一條與成骨細胞分化和骨質疏松癥有關的信號通路，介導BMSCs向成脂肪細胞分化，而抑制其向成骨細胞分化。絕經后女性雌激素水平下降，能夠間接激活GDF11-FTO-PPARγ信號通路，而該通路中FTO能夠促使BMSCs定向分化成為脂肪細胞，骨形成減少，最終導致骨質疏松癥發生。

5 免疫因子調節骨代謝失衡

骨免疫學認為，機體免疫系統主要通過細胞因子介導對骨代謝的調節[33]。IL是骨代謝過程中最常見的一種免疫調節和促炎因子，由T細胞、B細胞、巨噬細胞等免疫細胞和破骨、成骨細胞分泌，以旁分泌的方式作用于鄰近靶細胞，促進破骨細胞形成并抑制成骨細胞分化[34]。

絕經后女性體內雌激素缺乏，不僅能夠促進體內破骨細胞形成的細胞因子(巨噬細胞集落刺激因子和RANKL等)表達增加，同時還能使T細胞和巨噬細胞等的活化增加[35]。一方面，T細胞在活化后能夠高效表達RANKL，RANKL與破骨細胞表面的RANK相結合，從而實現通過RANKL/RANK/OPG信號通路促進破骨細胞增殖、分化、成熟和活化，同時調節骨改建過程；另一方面，活化的T細胞還能夠通過自身分泌的γ干擾素激活泛素蛋白酶體通路，進而降解腫瘤壞死因子受體相關因子6，以抑制RANKL誘導破骨細胞分化的功能。同時，雌激素亦可通過免疫系統直接和間接地調節破骨細胞的形成過程[36]。

5.1促進破骨細胞功能的免疫因子 IL-1是一種功能豐富的細胞因子，參與調節多種組織細胞的功能。在骨調節系統中，IL-1既可直接調控破骨細胞前體細胞的分化，又能促進骨組織中RANKL的表達，是破骨細胞的重要調節因子[37]。研究認為，IL-1和RANKL協同作用于破骨細胞表面的IL-1受體，激活胞內的腫瘤壞死因子受體相關因子6通路，使核因子κB和活化T細胞核因子c1進一步激活，調控破骨細胞形成并提高骨吸收能力[38]。此外，IL-1除上調破骨細胞的分化和活化外，還可通過促進胞內膠原酶和基質金屬蛋白酶的合成，引發局部骨組織的炎癥反應，從而促進細胞外基質降解，導致骨吸收和骨質疏松[39]。小鼠IL-1基因敲除后，骨微環境中的IL-1缺乏導致骨吸收減少、骨小梁增厚和骨骼生長，表明IL-1受體信號缺失導致骨量的進行性增加[40]。

Tamura等[41]發現，IL-6在體外培養中具有誘導破骨細胞形成的功能。IL-6在靶細胞膜上與跨膜的IL-6受體相結合形成受體復合物后，進一步招募gp130同源二聚體，通過gp130向下發出信號激活Janus激酶2/信號轉導及轉錄激活因子3等信號通路，從而促進RANKL并抑制OPG表達，進而間接地增強破骨細胞的骨吸收能力，加速骨質丟失[42]。此外，IL-6還可通過抑制OPG等因子在核因子κB通路中的信號轉導，從而直接抑制破骨細胞的分化及成熟。在卵巢切除的小鼠模型中，TNF-α和IL-6通過降低核因子κB及激活蛋白1活性而抑制破骨細胞的增殖和分化，提示TNF-α和IL-6在介導PMOP患者骨吸收中發揮重要作用[43]。

5.2多效性免疫因子 然而，并非所有參與骨代謝的細胞因子均具有破骨作用，有些則對骨組織具有保護作用，甚至具有多效性，其發揮的效應取決于靶細胞和其他細胞因子的共同作用[44]。

IL-18由成骨細胞和巨噬細胞等分泌，可促進成骨細胞分化和增殖，并抑制破骨細胞形成[45]。輔助性T細胞2(helper T cell 2，Th2細胞)分泌的大部分細胞因子能正向調節骨代謝，而IL-33作為一種Th2型細胞因子，在骨代謝系統卻表現出多效性作用。研究表明，IL-33作用于成骨細胞時，其在抑制OPG表達的同時，還能減少破骨細胞形成并誘導其凋亡，從而保持牙槽骨的正常結構及強度[46]。而在炎癥狀態下，IL-33的主要分泌細胞為基質細胞，其可促進靶細胞分泌γ干擾素、IL-4和IL-10等因子抑制破骨細胞分化，同時能夠直接阻斷骨髓前體細胞向破骨細胞分化，使前體細胞分化為具有分泌功能的抗原呈遞細胞和巨噬細胞[47]。此外，IL-33還能通過IL-33/生長刺激表達基因2蛋白(growth stimulation expressed gene 2，ST2)通路調節破骨細胞形成。IL-33作為ST2的胞外配體，與重組人IL-1受體輔助蛋白和ST2組成異二聚體，與受體結合后募集下游信號分子，進一步激活核因子κB和促分裂原活化的蛋白激酶信號分子，最終使某些Th2型細胞因子在骨組織中的表達量增加，以抑制破骨細胞形成并促進成骨細胞分化[48]。近年一項研究表明，絕經后患者血清中的IL-33水平較健康者明顯下降，且與前期體外實驗中IL-33抑制破骨細胞分化的結果具有一致性[49]。因此，IL-33雖然在骨代謝系統中具有多效性，但其在PMOP發展過程中主要發揮抑制骨吸收的作用。

5.3免疫因子與各信號通路相互交聯 在機體骨代謝調節中，各信號通路間相互聯系構成復雜的調控網絡，共同維持機體骨代謝穩態。免疫系統主要利用不同的因子實現與信號通路交聯，其中IL-37可以通過激活磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶 B信號通路在體外促進BMSCs向成骨細胞分化；局部注射IL-37大鼠顱骨缺損模型，骨缺損愈合速度加快[50]。同時，IL-37激活的磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶 B信號通路能促使糖原合成酶激酶-3β磷酸化；在Wnt信號通路中，糖原合成酶激酶-3β磷酸化促使β-catenin進入細胞核與核轉錄因子結合，調節與成骨分化相關的蛋白并維持骨細胞活性[51]；在PPARγ信號介導BMSCs向成脂分化過程中，IL-1、IL-6等細胞因子激活促分裂原活化的蛋白激酶、色氨酸轉氨酶相關蛋白1等介導的信號通路，從而抑制PPARγ轉錄活化，抑制PPARγ信號通路發揮負向調節作用，最終促進BMSCs的成骨細胞分化[52]。

絕經后女性體內雌激素合成減少，機體抗氧化作用減弱，導致炎癥因子分泌增加，促進破骨細胞增殖、分化和成熟，同時抑制新骨的形成，造成骨量丟失，最終導致骨質疏松癥。

6 小 結

目前，臨床針對PMOP的治療手段主要包括雌激素替代療法、骨合成代謝療法[53]等；其治療藥物主要包括選擇性雌激素受體調節劑、重組人甲狀旁腺激素[54]、維生素D、鈣劑、雙膦酸鹽[55]等。不同的方法針對不同的患者均表現出各自的優勢，但也均存在一定的局限性。目前，尚無根治PMOP的治療方法。骨代謝穩態的多重調控機制，以及信號通路間相互交聯，使PMOP的發病機制變得尤為復雜。因此，深入研究明確PMOP發生發展過程中精準的信號調節通路，有利于開發更多具有針對性的治療靶點，有望為PMOP的防治及新藥研發提供確切理論依據。