骨细胞相关因子在骨重建中的作用*

安 敏安荣泽王兆杰赵俊延

骨细胞相关因子在骨重建中的作用*

安 敏①安荣泽①王兆杰①赵俊延①

骨细胞是一种动态的、具有复杂功能的细胞，也是骨组织中含量最丰富、分布最广泛的细胞。近几年研究发现，骨细胞在骨重建中的调节作用越来越明显，其分泌的骨硬化蛋白、RANKL及OPG是调节骨形成和骨吸收的重要调控因子。骨细胞特异性地分泌的骨硬化蛋白对骨形成具有特殊的抑制效果，主要机制是结合LRP5/LRP6，从而阻止经典Wnt信号通路。而骨硬化蛋白的单克隆抗体则通过拮抗其作用而保证Wnt信号通路的正常传导，引起骨形成、骨密度和骨强度增加。骨细胞同样会分泌RANKL及OPG，两者在生理和病理条件下直接或间接调节破骨细胞分化和功能，调控骨重吸收。该文就这一领域近年研究现状和发展方向作一综述。

骨细胞； 骨重建； 骨硬化蛋白； RANKL； OPG

骨组织总是在连续不断地进行骨重建。两种类型细胞参与到骨重建，包括来源于血液系统的破骨细胞和来源于骨髓基质干细胞的成骨细胞和骨细胞。成骨细胞和破骨细胞在骨组织内只是短暂的存在，且数量少，位置不定。骨细胞则是骨组织中含量最丰富的细胞，在骨组织中形成遍布矿化骨基质的三维细胞网络。近几年研究发现，骨细胞在骨重建中的调节作用越来越明显，其分泌的骨硬化蛋白、RANKL及OPG是调节骨形成和骨吸收的重要调控因子。

1 骨细胞及其功能

骨细胞起源于成骨细胞，成熟成骨细胞的5％～20％包埋在自身分泌的基质中，并分化为骨细胞。成骨细胞的寿命是数周，破骨细胞仅为数天，而骨细胞的平均半寿期大约为25年[1]。这使骨细胞成为骨组织中数量最多的细胞，约占骨组织中细胞总数的90％以上。骨细胞目前被认为是骨组织中主要的应力感受器，其通过骨基质和骨陷窝-小管网络系统高度的连通性，能感知来自流体的各种力[2]。

骨细胞表达成骨细胞的大多数基因，包括成骨细胞特异性的转录因子和蛋白，尽管表达水平可能不尽相同。骨细胞中碱性磷酸酶和Ⅰ型胶原的表达较低，而骨钙蛋白表达较高。角膜蛋白在成骨细胞的表达显著高于骨细胞[3]。在骨组织矿化及磷酸代谢相关基因表达上骨细胞比成骨细胞富含更多基因，如PHEX、DMP1、MEPE、FGF23[4]。骨细胞既分泌磷蛋白质（如Dmp1），也参与骨基质的矿物质沉积[5]。骨细胞还参与体内磷酸盐平衡，作为磷元素和纤维原细胞因子（FGF）的主要供应者[5]。骨细胞也表达某些影响骨形成的分子微粒，包括Dkk1和SOST，但Dkk1也存在于成骨细胞，而SOST仅在骨细胞表达[4]。SOST基因编码的骨硬化蛋白对骨形成蛋白（BMP）家族的成员蛋白具有很强的拮抗作用。此外，骨硬化蛋白和Dkk1与LRP5和LPR6结合，阻止Wnt信号通路的激活。此类研究表明骨细胞中少量表达的基因可能作为骨组织重建过程中的分子调解者。

2 骨细胞调节骨形成和骨吸收的分子机制

2.1 骨硬化蛋白在骨细胞调节骨形成中的作用 成熟的骨细胞特异性地分泌骨硬化蛋白（Sclerostin）[6]。骨硬化蛋白由SOST基因编码，主要对抗BMP家族成员和结合LRP5/LRP6，从而阻止经典Wnt信号通路[7]。人的SOST表达缺失将导致高骨量疾病Van Buchem’s病和硬化性骨化病的发生[8]。小鼠SOST基因缺失同样表现为高骨量和骨强度增加[9]，而转基因小鼠过表达人SOST则表现为低骨量[10]。这些研究证明骨硬化蛋白对骨形成具有特殊的抑制效果[11]。

骨硬化蛋白表达的变化是由于骨骼对机械刺激的适应性反应。研究发现暴露的皮质骨在机械应力作用下骨细胞分泌骨硬化蛋白减少，导致临近骨膜表面的骨形成增多[12]。相反，当无机械应力刺激骨组织时，SOST基因或骨硬化蛋白表达明显增加[12]。此类的研究表明当机械力作用时骨细胞对骨形成的调节是通过下调骨硬化蛋白从而局部释放Wnt信号来实现的。事实上，在小鼠骨细胞中过表达人SOST基因时，机械力刺激并不能下调骨硬化蛋白的表达，更不能激活Wnt通路和相关骨组织合成代谢[13]。因此，下调SOST对机械刺激骨形成至关重要。此外，失重或卸载所致的骨丢失与骨细胞表达的骨硬化蛋白增加有关[4]。

研究发现，甲状旁腺激素和雌性激素可抑制SOST基因的表达。间断或连续给予PTH，都将下调小鼠骨细胞中骨硬化蛋白的表达，对人而言则降低骨硬化蛋白在体内循环水平[7，14]。当机体雌激素水平下降时，骨硬化蛋白合成增多，并通过雌激素影响骨吸收[15]。研究还发现骨硬化蛋白可以增加成骨细胞的Caspase活性，诱导成骨细胞凋亡，这可能是骨硬化蛋白抑制骨形成的另外一种机制[16]。

随着现代分子生物学的发展，现已研制出对抗骨硬化蛋白作用的生物制品——骨硬化蛋白单克隆抗体，其主要作用机制是拮抗骨硬化蛋白保证Wnt信号通路的正常传导，使骨形成活动顺利进行[17]。研究发现，骨硬化蛋白单克隆抗体不论对绝经后骨质疏松大鼠还是对衰老雄性大鼠均可以使它们骨形成和骨强度增加[18-19]。此外，采用骨硬化蛋白单克隆抗体处理大鼠骨折模型时发现其可增加骨折愈合处的桥接与骨强度，对骨折愈合有显著促进作用[20-21]。近年的临床试验也证实，骨硬化蛋白抗体能增加绝经后的骨质疏松患者的骨量和骨强度[22]。尽管以上实验均为短期试验，但都提示了骨硬化蛋白单克隆抗体可增加骨形成的作用以及其在临床应用治疗骨质疏松的可能。

2.2 骨细胞通过RANKL和OPG调节骨吸收

2.2.1 RANKL与骨吸收 目前对骨吸收调节机制的研究尚不明确。不少学者认为骨细胞凋亡可能通过诱导基质细胞或成骨细胞分泌RANKL间接刺激破骨细胞生成，从而影响骨吸收。但近来在骨重建研究中发现骨细胞能直接产生和可能分泌核因子NF-KB受体活化因子配体（Receptor activator ofnuclear kappa B ligand，RANKL），并证实其参与到骨吸收的调节。早期研究普遍认为，成骨细胞是为破骨前体细胞提供RANKL的主要来源[23]。但最新研究发现骨改建过程中骨细胞也是RANKL的主要来源之一[24-25]。体外实验甚至还发现纯化的骨细胞RANKL表达均比成骨细胞和骨髓间充质干细胞高[24]。在骨细胞中，RANKL主要位于其溶酶体中[26]。条件性敲除小鼠基因会抑制由尾部悬吊方法导致的骨丢失，表明骨细胞的RANKL促进废用性骨量减少[25]。然而，骨细胞膜结合的或可溶性的RANKL是否与骨细胞驱使的骨重吸收有关，目前尚不明确。缺乏骨细胞RANKL的小鼠表现出骨重吸收的减少，伴随着骨组织中RANKL的低表达，但循环中可溶性RANKL并没有减少[25]。而在尾悬吊的小鼠中也发现循环中可溶性RANKL没有改变[27]。此外，可溶性RANKL对破骨细胞形成有意想不到的作用，而对在3D共培养系统中的骨细胞和破骨前体细胞作用并不明显。相反，骨细胞树突表达的膜结合的RANKL和破骨前体细胞表达的RANK的直接接触被认为是破骨细胞分化所需要的[26]。当RANKL与破骨前体细胞膜上RANK的受体结合后，从而启动破骨细胞内特异性基因表达的关键信号，进一步诱导破骨前体细胞分化为成熟的破骨细胞，继而发挥溶骨效应，最终导致骨质破坏。Masashi Honma等[26]将破骨前体细胞和骨细胞在胶原蛋白凝胶中共培养，发现RANKL信号在骨细胞树突形成的输出调节机制对于调节破骨细胞形成程度尤为重要。研究者还发现转基因小鼠骨细胞中甲状旁腺激素受体的单独激活诱导骨重吸收也与RANKL增加有关[28]。哺乳期诱发的骨丢失，伴随着PTHrP增加，是依赖于骨细胞PTH受体的表达[28-29]。

2.2.2 OPG与骨吸收 骨细胞同样会分泌骨保护素（Osteoprotegerin， OPG），OPG和RANKL竞争受体，当0PG抢先占领RANKL后，间接就阻断了RANKL与破骨前体细胞表面的RANK受体结合，从而抑制破骨前体细胞的成熟分化，达到防止骨质过度吸收的目的。正如成骨细胞一样，骨细胞中OPG分泌受Wnt/ β-catenin通路的调节；小鼠骨细胞中缺乏β-catenin表现为骨质疏松，这是由于破骨细胞数量的增加和骨重吸收的增加[30]。最新研究指出，骨细胞也分泌巨噬细胞集落刺激因子（Macrophage colony-stimulating factor， M-CSF），使其成为骨组织中M-CSF另一重要来源[31]。

综上所述，作为骨组织中含量最多的骨细胞在骨重建中的作用已被学者所认可，其活性可直接或间接调节骨形成和骨吸收。骨细胞中表达的少许基因已经被确认为是骨细胞促使骨重建的分子介质。骨细胞分泌的骨硬化蛋白抑制骨形成，采用骨硬化蛋白单克隆抗体抑制骨硬化蛋白的生物学作用，已进入临床实验阶段，有望成为一种新的治疗骨质疏松及骨折愈合的有效药物。骨细胞还分泌RANKL和OPG，它们在生理和病理条件下直接或间接调节破骨细胞分化和功能，显示骨细胞有调控骨重吸收的潜能。但骨细胞调控骨吸收和骨形成还有哪些具体机制？调控过程中有无信号通路的反馈调节？解决好这些问题将有助于深入研究骨细胞对骨重建的作用，为骨科基础研究和骨组织工程研究提供新的思路。

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The Role of Osteocyte-related Factors in the Bone Remodeling

AN Min， AN Rong-ze， WANG Zhao-jie， et al.//Medical Innovation of China，2015，12（07）：150-153

As the most abundant and the most widely distributed in bone tissue， osteocytes are dynamic cells， with complex function. Recent studies have revealed that osteocytes play multiple important physiological roles， secreting many regulatory factors， such as osteosclerosis protein， receptor activator of the NF-kB ligand （RANKL） and osteoprotegerin（OPG）. These factors play important roles in regulating bone formation and bone resorption. The sclerostin， is expressed at significant levels by osteocytes， interacts with Lrp5 and Lrp6 and inhibits the canonical Wnt signaling pathway. Sclerostin monoclonal antibody ensures Wnt pathway conducting normally by inhibiting sclerostin， increasing bone formation， bone mineral density and bone strength. Osteocytes also secretes RANKL and OPG， both of which regulating differentiation and function of osteoclasts directly or indirectly， in Physiological and pathological conditions， regulating bone reabsorption. In this paper， we make a review about the research status and development direction.

Osteocyte； Bone remodeling； Sclerostin； RANKL； OPG

10.3969/j.issn.1674-4985.2015.07.051

2014-11-20） （本文编辑：王宇）

2013年贵州省科技厅、遵义医学院、遵义市科技局联合基金项目（黔科合J字LKZ[2013]43号）

①遵义医学院第五附属（珠海）医院 广东 珠海 519100

安荣泽

First-author’s address： The Fifth Affiliated Hospital of Zunyi Medical College， Zhuhai 519100， China