信號轉導通路促發絕經后骨質疏松癥的機制

賈志標 綜述 付昆，崔紅旺 審校

海南醫學院第一附屬醫院關節創傷外科，海南 海口 570100

絕經后骨質疏松癥(postmenopausal osteoporosis，PMOP)屬于原發性骨質疏松癥(osteoporosis，OP)類型[1]，除此之外，原發性OP還有老年骨質疏松癥(Ⅱ型)及特發性骨質疏松癥[1]。PMOP作為Ⅰ型骨質疏松癥是一種漸進性的骨老化疾病，其已經被認為是世界各地的主要公共衛生問題，特別是在人口老齡化嚴重的國家。骨是一種動態組織，舊骨被破骨細胞去除，新骨由成骨細胞不斷形成，成骨細胞、破骨細胞和骨細胞在骨的生成、維持和愈合復雜過程中發揮重要作用[2]。多種因素可導致骨量的丟失，包括骨轉換增加，導致破骨細胞和成骨細胞在骨重塑過程中的失衡；各種刺激變化或微損傷，可通過微管系統，上調相關骨細胞信號轉導通路(signal transduction pathway，STP)，使破骨細胞作用大于成骨細胞，導致骨溶解吸收增加。細胞信號轉導通路在絕經后骨質疏松癥中的作用機理成為近年來的研究方向，大量研究表明，通過下調相關信號轉導通路，可能成為一種新的延緩絕經后骨質疏松癥發生的方法。

1 骨細胞來源

骨細胞作為骨組織的主要細胞成分之一，是骨中含量最豐富且存活時間最長的細胞類型。其來源于間充質干細胞衍生的成骨細胞，可以通過分泌Wnt信號通路的刺激因子，如一氧化氮和ATP來協調骨形成，并可抑制Wnt/β-catenin信號和降低Runt相關轉錄因子-2(runt-related transcription factor 2，Runx2)表達，可使成骨細胞功能受到損害[3]。骨細胞可以通過分別表達巨噬細胞集落刺激因子(macrophage colony stimulatory factor，M-CSF)和護骨素(osteoprotegerin，OPG)來調節破骨細胞的功能[4]。雖然骨細胞是由成骨細胞衍生的終末分化細胞，但骨中含有的骨細胞比成骨細胞多十倍，骨細胞是骨穩態的主要調節因子，可直接調節礦化中的局部鈣豐度，并通過分泌重要的調節因子間接控制骨骼其他細胞的活性。此外，骨細胞是調節多種器官磷酸鹽代謝的內分泌細胞，最重要的是，骨細胞是骨機械感覺和機械傳導的主要調節因子，可以機械刺激誘導和調節各種細胞功能[5]，如基因轉錄翻譯過程、細胞增殖和分化。

2 成骨細胞來源

在骨重塑周期中，成骨細胞前體細胞被細胞因子和生長因子從骨髓中招募到骨表面，如轉化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)和胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factors-1，ΙGF-1)[6]，它們在吸收階段從骨基質中釋放出來，隨后，前體細胞經歷幾輪增殖到成熟階段，在活躍的骨形成部位合成成骨細胞。在分化過程中成骨細胞首先達到極化表型，從而使細胞能夠定向分泌骨基質，最初的骨基質由Ⅰ型膠原和非膠原基質蛋白組成，構成骨的有機部分。隨著進一步的分化，成骨細胞分泌鈣和磷酸鹽離子，以啟動鈣化過程。一旦成骨細胞取代了被破骨細胞吸收的骨包，大多數成骨細胞就會發生凋亡。成骨細胞的去分化形成一個靜止的骨內襯細胞群體，作為快速激活的成骨細胞的來源，保護其免受重塑周期的重新啟動。Runx2通過骨形態發生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)和Wnt的刺激[7]，激活脂蛋白受體相關蛋白受體，增加Runx2的水平，在成骨細胞形成中起關鍵作用[8]，導致成骨細胞發生，促進骨形成。

3 破骨細胞來源

破骨細胞是由多個單核細胞融合而成，附著在骨上并吸收它，破骨細胞在功能上被視為主要的骨吸收細胞，其表面表達抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate resistant acid phosphatase，TRAP)，被認為是生物標記之一。破骨細胞是高度遷移的細胞，其遷移取決于肌動蛋白細胞骨架結構的快速變化。在生理條件下，破骨細胞吸收骨然后形成成骨細胞，并保持血液鈣水平和骨穩態。核因子-κB受體活化體配體(receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL)和護骨素(osteoproteger，OPG)可調節破骨細胞的分化[9]，兩者都是由成骨細胞譜系細胞產生的，RANKL與其受體RANK結合并誘導破骨細胞發育[10]，另一方面，OPG可競爭性地阻斷RANKL-RANK相互結合，最終抑制破骨細胞分化。臨床研究報道，一種抗RANKL抗體denosumab可抑制絕經后婦女的骨轉換，因此在骨重構期間，骨形成與骨吸收結合[11]。

4 絕經后骨質疏松癥經典信號轉導通路

4.1 NF-κB信號轉導通路 骨的再生與吸收平衡是由成骨細胞和破骨細胞共同調節的，對于成骨細胞和破骨細胞，它們可以通過直接細胞接觸或通過其他機制彼此嚴格影響和調節。20世紀90年代，已經發現OPG-RANKL-RANK軸對于骨骼重塑至關重要，OPG是(tumor necrosisfactor，TNF)受體家族的一員，可作為可溶性誘餌受體來抑制破骨細胞形成[12]。它可以通過隔離RANKL與破骨細胞表面的RANK結合來抑制破骨細胞的活性和存活[13]。另外，最近發現OPG在患有骨轉移的晚期前列腺癌患者中高表達，證實了其在腫瘤進展中的作用[14]。由于骨吸收增強，OPG的缺失會導致嚴重的骨質疏松和血管鈣化。缺乏OPG的小鼠在早期由于破骨細胞活性的增加而發生骨量減少[15]，從而強調OPG在維持正常骨量中的生理作用，故而OPG的鑒定也被描述為破骨細胞生物學的“領域的里程碑事件”[16]。OPG作為RANK與RANKL相互作用的拮抗劑，可通過抑制破骨細胞向細胞外室分泌質子來消化骨基質，從而導致骨溶解減少，骨量增加。

4.2 RANKL/RANK信號轉導通路 RANKL可由成熟的成骨細胞及其前體細胞、軟骨細胞、成纖維細胞和活化的T淋巴細胞產生[17]。破骨細胞形成的最重要步驟是結合RANKL錨定在破骨細胞膜上；另一方面，OPG是由活化的成骨細胞合成和分泌的細胞因子，該蛋白充當RANKL的誘餌受體，并防止RANKL與RANK結合[18]。RANKL與OPG的結合導致骨吸收的抑制并刺激骨量的增加。RANKL和OPG濃度之間的動態平衡對于正常的骨代謝至關重要，另外，RANKL/OPG比例的不平衡可導致不受控制的骨質流失。RANKL誘導破骨細胞祖細胞上RANK的激活，導致TRAF6的募集[19]，激活了下游信號傳導分子，進而激活經典NF-κB途徑。BAEK等[20]的實驗研究驗證了這一通路，通過阻斷RANKL-RANK結合，抑制了Ca2+內流。Ca2+信號是RANKL/RANK通路的關鍵下游過程之一[21]，在破骨細胞分化和功能中起著關鍵作用。采用定量RT-PCR方法檢測破骨細胞分化過程[22]，發現破骨細胞相關受體及mRNA表達水平降低，說明對破骨細胞的形成產生了抑制作用。LΙANG等[23]的研究表明淫羊藿苷治療后可以增加骨質疏松癥患者OPGm-RNA和RANKLmRNA表達，并且由于其對OPGm-RNA表達的刺激作用強于RANKLmRNA表達，因此使OPG/RANKL比值增加，促進骨形成。

5 絕經后骨質疏松癥其他信號轉導通路

5.1 p38 MAPK信號轉導通路 其是骨質疏松癥骨代謝異常的重要調節因子[24]，p38 MAPK已被證明可以在細胞對炎性細胞因子、環境壓力以及生長因子的反應中發揮作用[25]，激活這一通路可促進破骨細胞的分化，最終加重骨質疏松癥。在骨髓前體細胞分化的早期，RANKL誘導了p38信號通路分子，從而增強了p38信號傳導能力。在絕經后骨質疏松癥模型大鼠中[26]，MAPK信號通路在骨組織中被異常激活，抑制MAPK信號通路，可增加骨密度，減輕絕經后骨質疏松癥的發生。

5.2 PΙ3k/Akt信號轉導通路 絲氨酸/蘇氨酸激酶Akt是成骨細胞PΙ3k的下游靶標，并通過多種刺激以PΙ3K依賴的方式被激活[27]，Akt的磷酸化已被廣泛接受為PΙ3K/Akt途徑激活的指標之一。該信號通路與細胞生長、凋亡和自噬等功能有關[28]。最近的文獻表明，miR-210通過該信號通路促進成骨細胞的分化，并在緩解雌激素缺乏引起的PMOP方面發揮積極的調節作用[29]。來自多項研究的數據表明，雌激素受體α通過PΙ3k/Akt信號通路抑制miR-148a可防止卵巢切除引起的骨質疏松癥[30]。

5.3 JAK/STAT信號轉導通路 成纖維細胞生長因子-23(fibroblast growth factor 23，FGF23)主要通過JAK/STAT途徑參與骨質疏松癥的進展，建立卵巢切除(OVX)大鼠骨質疏松模型實驗表明，OVX誘導FGF23和不同FGF受體表達水平的下調，從而使骨代謝生物標志物如骨鈣素、骨堿性磷酸酶等表達下調[31]。同樣地，抗FGF23治療則可加速OVX誘導的骨代謝生物標志物的上調[32]，FGF23在骨質疏松癥中主要通過影響下游信號通路的磷酸化水平而使相應蛋白表達降低。

5.4 Wnt/β-catenin信號轉導通路 由于維持骨完整性需要間充質干細胞致力于成骨細胞譜系，當Wnt活躍時，脂肪生成轉錄因子的表達受到抑制，從而使前體脂肪細胞保持在未分化狀態[33]。激活Wnt的下游效應轉錄調節因子β-catenin，在骨重塑和微損傷修復的不同階段起著不同的作用[3]。PMOP骨中有缺陷的Wnt信號可能損害組織對功能或機械需求的反應，從而增加骨折風險。

6 小結

絕經后骨質疏松癥是最常見的骨骼疾病之一，目前的治療策略主要包括藥物干預和住院治療，全世界每年的治療費用估計達數十億美元。骨吸收和形成過程之間的不平衡是骨質疏松癥的主要原因。雖然存在許多治療方法，但目前可用的姑息藥物尚存在一定的不良副作用和長期療效不滿意。此外，由于對潛在機制的了解有限，特別是關于轉錄網絡和信號轉導通路在骨發育過程中是如何在遺傳水平上緊密協調的，因此阻礙了治療性絕經后骨質疏松癥治療學的發展。由于已知有許多因素會導致骨質疏松癥的發生，而病理進展的分子基礎在不同的骨質疏松癥條件下可能有很大的不同，因此尚需進行更多的實驗研究進一步探討絕經后骨質疏松癥發生的分子學機制。