血管紧张素Ⅱ调控骨代谢的研究进展

刘金鑫，张方怡，张 岩

(上海理工大学系统生物医学研究中心，上海 200093)

血管紧张素Ⅱ调控骨代谢的研究进展

刘金鑫，张方怡，张 岩

(上海理工大学系统生物医学研究中心，上海 200093)

骨组织中存在局部肾素-血管紧张素系统(RAS)。RAS组分及其活性肽血管紧张素Ⅱ(Ang Ⅱ)直接参与调控骨代谢的病理生理进程。成骨细胞和破骨细胞都有Ang Ⅱ的受体表达，这些受体介导了Ang Ⅱ调控骨代谢的作用。该文回顾了经典RAS途径，探讨了组织RAS致局部组织病变的作用，并对RAS活性肽Ang Ⅱ调控成骨细胞的靶基因、胞内信号通路、Ang Ⅱ通过成骨细胞间接调控破骨细胞功能、Ang Ⅱ受体在骨代谢调控中的交互作用进行了重点阐述。

肾素-血管紧张素系统；血管紧张素Ⅱ；成骨细胞；破骨细胞；骨质疏松症；受体

骨代谢过程是骨组织不断进行重塑的一个复杂过程，包括骨吸收和骨形成两方面。破骨与成骨的动态平衡是维持正常骨量的关键。成骨细胞和破骨细胞在功能上相对应，二者协同，在骨骼的发育和形成过程中发挥重要作用。然而，当破骨细胞的骨吸收大于成骨细胞的骨形成时，骨吸收和骨形成失去平衡，会导致骨量不断减少，骨质下降，骨代谢紊乱，从而引起骨质疏松症。近来研究发现，骨组织存在肾素-血管紧张素系统(RAS)组分血管紧张素原(AGT)、肾素、血管紧张素转化酶(ACE)、血管紧张素Ⅱ(Ang Ⅱ)及其受体[1]。骨组织RAS直接参与骨代谢并在骨代谢疾病的发生、发展中发挥重要生物学作用[2]。肾素抑制剂、血管紧张素转化酶抑制剂(ACEI)以及Ang Ⅱ受体阻滞剂(ARB)的使用在一定程度上会对组织RAS起到抑制作用[3]。

1 经典的肾素-血管紧张素系统

RAS是控制血压、体液和电解质平衡的一类内分泌系统。在经典的RAS中，由肾小球旁器的球旁细胞释放的一种蛋白水解酶肾素，能够将AGT催化分解生成血管紧张素Ⅰ(Ang Ⅰ)，而ACE可将Ang Ⅰ羧基末端的二肽水解，生成Ang Ⅱ。Ang Ⅱ是RAS中最重要的生物活性成分，通过与其1型受体(AT1R)或2型受体(AT2R)结合，来发挥其生物学作用。肾素和底物AGT之间的酶解反应是RAS的限速步骤[2]。

RAS作为一个激素级联系统，是体内血压和体液平衡的主控制器[4]。RAS一直是抗高血压药物研究的重要靶标，比如，ACEI、ARB类药物通过影响RAS的不同环节，而广泛应用于高血压的治疗[5]。此外，肾素抑制剂——阿利吉伦是一种小分子的竞争性抑制剂，其对肾素活性的抑制具有专一性[6-7]。它可以有效地抑制RAS中肾素与AGT间的化学反应，最终减少活性肽Ang Ⅱ的生成。阿利吉伦已被证明能够有效的控制血压，并且在单独应用或与其它抗高血压药物联合应用时耐受性良好[5,8]。

2 组织中的肾素-血管紧张素系统

从进化的角度来看，如果多个系统、激素受共同的内分泌系统调控，这将更加实用、有效。在不具有封闭的循环系统的原始动物中发现RAS，恰恰说明RAS的生理作用不仅仅局限于调控血管收缩[1]。除了经典的RAS外，RAS中的各组分在多个组织中不仅有表达，同时在局部还发挥重要生物作用，我们称之为“组织RAS”[1]。组织RAS的生物学作用多样，并具有组织特异性。

组织RAS参与胰岛素分泌[9]、肾小球硬化[10]、肾脏炎症[11]、动脉粥样硬化[12]、心脏肥大[13]、脑局部缺血[14]以及在女性生殖道的卵泡发育和子宫内膜癌[15]等病理生理的过程。越来越多的研究证明，诸如心血管疾病[16]、肾病[17]和视网膜病变[18]等一些糖尿病并发症，是由于组织RAS的活性增强和Ang Ⅱ水平升高引起的，而临床实验中也发现，RAS抑制剂可以明显地改善这些病理变化[16-18]。此外，高血糖、肥胖、高血压和皮质醇都能够刺激局部组织RAS，也是代谢性疾病的危险因素，而胰高血糖素样肽(GLP)-1、维生素D和有氧运动是有效的组织RAS的抑制剂，并在一定程度上可以预防代谢性疾病[1]。

最近在体内研究中，发现肾素、ACE、Ang Ⅱ受体等RAS组分在骨组织中表达[2,19-21]。在体外研究中，发现Ang Ⅱ受体在新生小鼠颅骨成骨细胞中表达[2]，这些都明确了RAS组分在骨组织微环境中的表达。另外，我们的动物实验研究表明，骨组织RAS参与了小鼠老年性骨质疏松[22]、阻塞性肾病[23]、1型糖尿病[24]诱导骨损伤的病理进程，并且，其他研究组也有报导，骨组织RAS还参与小鼠股骨骨折愈合[25]、家兔类固醇性股骨头坏死[21]、去卵巢动物的骨质疏松[26-27]、糖皮质激素致骨质疏松[20]等过程。因此，骨组织微环境存在RAS，其活性的异常升高诱发骨质疏松症，说明骨组织RAS在骨代谢调控中发挥重要作用。

3 Ang Ⅱ调控骨代谢的生物学作用

3.1 Ang Ⅱ对成骨细胞的调控早期的研究发现，Ang Ⅱ能够刺激胎鼠[28]、新生大鼠[29]颅骨骨细胞群中DNA和胶原蛋白的合成，降低碱性磷酸酶(ALP)的活性，并且，在ROS17/2.8成骨细胞株[30]以及通过胶原酶消化松质骨得到的成人骨细胞[28]中也发现了类似的结果。AT1R作为成骨细胞的机械感受器，在Ang Ⅱ调控骨代谢过程中发挥重要作用[31]。免疫放射自显影、克隆细胞分析和受体亚型分析都表明Ang Ⅱ通过AT1R密切参与成骨细胞的增殖过程[28-29]。

在对Ang Ⅱ直接调控成骨细胞的研究中发现，Ang Ⅱ能够抑制骨钙素mRNA的表达，降低ALP的活性，减少矿化结节的数量与面积，减少Ca2+在细胞和基质层的沉积[32]。在骨形成过程中，Ang Ⅱ通过激活cAMP的信号通路来改变Cbfa1的表达量，从而减少成骨细胞的数量，抑制成骨细胞的功能，诱导骨生成障碍[33]。SOST基因编码的硬化蛋白是骨细胞的分泌产物，能够拮抗Wnt信号通路，因此，减弱骨形成能力[34]。在AT1R基因缺失的小鼠中，发现SOST表达明显下调，这表明在AT1R信号通路介导的骨损伤过程中与下游因子SOST异常表达相关联[35]。此外，在ROS17/2.8成骨细胞株中，Ang Ⅱ通过AT1R介导的MAPK信号通路，明显提高基质金属蛋白酶(MMP)-9、13的表达量，说明Ang Ⅱ通过上调成骨细胞MMP-9、MMP-13的生成来刺激细胞外基质(ECM)在类骨质中的降解[30]。在新生小鼠颅骨成骨细胞中，Ang Ⅱ通过JNK信号通路诱导线粒体功能失调，促进细胞凋亡[36]。因此，Cbfa1、SOST、MMP-3、MMP-13等靶基因以及MAPK、JNK等细胞内信号通路参与Ang Ⅱ对成骨细胞功能及骨形成的调控。

3.2 Ang Ⅱ对破骨细胞的调控成骨细胞通过合成分泌核因子κB受体活化因子配体(RANKL)和骨保护素(OPG)实现对破骨细胞的生成与成熟的调控[37]。最近研究发现，Ang Ⅱ可以诱导骨髓单核细胞分化成多核细胞，它还能够刺激破骨细胞分化因子在成骨细胞中的表达，激活破骨细胞，从而增加酸性磷酸酶(TRAP)阳性多核破骨细胞的数量[2,26]。然而，AT1R阻滞剂(奥美沙坦)和丝裂原活化蛋白激酶抑制剂(U0126)却能够完全抑制Ang Ⅱ的这些作用[26]。最重要的是，虽然Ang Ⅱ本身没有诱导破骨细胞分化的能力，也不具有协同RANKL促进破骨细胞形成的能力，但是，在原代培养的成骨细胞与骨髓巨噬细胞的共培养体系中，Ang Ⅱ可以呈剂量依赖性地刺激破骨细胞的形成[2,33]。总之，以上结果表明，Ang Ⅱ通过作用于成骨细胞来刺激破骨细胞生成作用，而非直接作用于破骨细胞[2]。

3.3 Ang Ⅱ的体内骨调控作用去卵巢致大鼠骨质疏松动物模型是研究妇女绝经后骨质疏松症的经典模型。大鼠去卵巢后，体内雌激素水平降低。通过皮下植入微渗透泵并以200 ng/kg/min方式进行Ang Ⅱ给药处理，4周后发现，去卵巢大鼠胫骨中TRAP的活性明显增强、TRAP阳性染色区也在扩增，ALP/TRAP比值大大降低，Ang Ⅱ还可以诱导去卵巢大鼠骨代谢生化指标——尿脱氧吡啶啉的显著增加，明显地降低去卵巢大鼠胫骨的骨密度[26]。这些结果表明，Ang Ⅱ能够提高骨代谢转换率，直接加速雌激素缺乏引起的骨质疏松症。

4 AT1R和AT2R在骨代谢调控中的交互作用

由AT1R介导的Ang Ⅱ信号通路的生物学作用在早期的研究中备受关注，然而，Ang Ⅱ发挥生物学作用与RAS其它组分也密切相关[1]。越来越多的研究证实，成纤维细胞、血管内皮细胞应对外来刺激或是传导Ang Ⅱ信号时，尤其是在通过药理学手段阻断AT1R信号通路时，AT1R和AT2R通过彼此的信号通路相互作用[38]。

Asaba等[2]使用siRNA技术将原代培养的成骨细胞分别敲除AT1R或AT2R,通过这样的体外模型，研究两种受体在传导Ang Ⅱ信号、诱导破骨细胞生成中的相对作用。在AT1R敲除的成骨细胞中，Ang Ⅱ刺激破骨细胞生成的作用有所增强，而在AT2R敲除的成骨细胞中，破骨细胞生成作用明显降低[2]。体内实验也发现，AT2R缺陷小鼠股骨远端松质骨区的骨量增加，而在骨组织培养环境下，AT2R阻滞剂PD123319可以抑制Ang Ⅱ引起的破骨细胞数量的增加[39]。以上研究结果表明，Ang Ⅱ作用于成骨细胞来刺激破骨细胞的分化主要是通过AT2R介导，而AT1R通路可能对AT2R通路起抑制作用。然而，Namsolleck等却认为，Ang Ⅱ-AT2R是RAS的保护臂，能够抑制由Ang Ⅱ-AT1R诱导的病理进程，促进疾病的恢复[40]。因此，还需要进一步的深入研究，探索两个受体在成骨细胞的下游信号通路，以更好地揭示Ang Ⅱ-AT1R与Ang Ⅱ-AT2R之间的交互作用。

5 展望

骨组织RAS在调节骨代谢过程中发挥重要作用。RAS活性肽Ang Ⅱ通过直接作用于成骨细胞，或通过作用于成骨细胞而间接刺激破骨细胞的分化，诱导骨质疏松症。然而，Ang Ⅱ通过其受体介导的下游信号通路需要进一步的阐明。最近，RAS的新成员如Ang Ⅱ的代谢物Ang(1-7)及其受体Mas、以及ACE2成为研究的热点，尤其是它们在组织RAS介导的病理生理进程中的生物学作用、以及在作为药物靶点研究方面，成为许多RAS研究小组的共同兴趣。当然，它们对骨组织RAS以及骨代谢的调控作用也需要进一步的实验探究，这将为深入明确骨组织RAS的生物调控、各种骨代谢疾病的药物研制带来新的曙光。

[1] Skov J, Persson F, Frøkir J, et al. Tissue renin-angiotensin systems: a unifying hypothesis of metabolic disease[J].FrontEndocrinol(Lausanne), 2014, 5:23.

[2] Asaba Y, Ito M, Fumoto T, et al. Activation of renin-angiotensin system induces osteoporosis independently of hypertension[J].JBoneMinerRes, 2009, 24(2):241-50.

[3] Gebru Y, Diao T Y, Pan H, et al. Potential of RAS inhibition to improve metabolic bone disorders[J].BiomedResInt, 2013, 2013:932691.

[4] Namazi S, Ardeshir-Rouhani-Fard S, Abedtash H. The effect of renin angiotensin system on tamoxifen resistance[J].MedHypotheses, 2011, 77(1):152-5.

[5] Robles N R, Cerezo I, Hernandez-Gallego R. Renin-angiotensin system blocking drugs[J].JCardiovascPharmacolTher, 2014, 19(1):14-33.

[6] Wood J M, Maibaum J, Rahuel J, et al. Structure-based design of aliskiren, a novel orally effective renin inhibitor[J].BiochemBiophysResCommun, 2003, 308(4):698-705.

[7] Zhang Y, Wang Y, Chen Y, et al. Inhibition of renin activity by aliskiren ameliorates diabetic nephropathy in type 1 diabetes mouse model[J].JDiabetesMellitus, 2012, 2(3):353-60.

[9] Lau T, Carlsson P O, Leung P S. Evidence for a local angiotensin-generating system and dose-dependent inhibition of glucose-stimulated insulin release by angiotensin Ⅱ in isolated pancreatic islets[J].Diabetologia, 2004, 47(2):240-8.

[10] Zhang Z, Zhang Y, Ning G, et al. Combination therapy with AT1 blocker and vitamin D analog markedly ameliorates diabetic nephropathy: blockade of compensatory renin increase[J].ProcNatlAcadSciUSA, 2008, 105(41):15896-901.

[11] Zhang Y, Deb D K, Kong J, et al. Long-term therapeutic effect of vitamin D analog Doxercalciferol on diabetic nephropathy: strong synergism with AT1 receptor antagonist[J].AmJPhysiolRenalPhysiol, 2009, 297(3):F791-801.

[12] KoÏtka A, Cao Z, Koh P, et al. Angiotensin Ⅱ subtype 2 receptor blockade and deficiency attenuate the development of atherosclerosis in an apolipoprotein E-deficient mouse model of diabetes[J].Diabetologia, 2010, 53(3):584-92.

[13] Inaba S, Iwai M, Furuno M,et al. Role of angiotensin-converting enzyme 2 in cardiac hypertrophy induced by nitric oxide synthase inhibition[J].JHypertens, 2011, 29(11):2236-45.

[14] Jiang T, Gao L, Lu J, et al. ACE2-Ang-(1-7)-Mas axis in brain: A potential target for prevention and treatment of ischemic stroke[J].CurrNeuropharmacol, 2013, 11(2):209-17.

[15] Herr D, Bekes I, Wulff C. Local renin-angiotensin system in the reproductive system[J].FrontEndocrinol(Lausanne), 2013, 4:150.

[16] Vijan S G. Angiotensin-converting enzyme inhibitors (ACEIs), not angiotensin receptor blockers (ARBs), are preferred and effective mode of therapy in high cardiovascular risk patients[J].JIndianMedAssoc, 2009, 107(3):178-82.

[17] Hoogwerf B J. Renin-angiotensin system blockade and cardiovascular and renal protection[J].AmJCardiol, 2010, 105(1 Suppl):30A-35A.

[18] Wright A D, Dodson P M. Diabetic retinopathy and blockade of the renin-angiotensin system: new data from the DIRECT study programme[J].Eye(Lond), 2007, 24(1):1-6.

[19] 张方怡, Gebru Yoseph, 黄文秀, 等. 肾素抑制剂阿利吉仑对低钙喂饲小鼠松质骨的作用[J]. 中国药理学通报, 2014, 30(10): 1477-8.

[19] Zhang F Y, Yoseph G, Wong M S, et al. Effects of renin inhibitor aliskiren on trabecular bone of mice fed with low calcium diet[J].ChinPharmacolBull, 2014, 30(10): 1477-8.

[20] Yongtao Z, Kunzheng W, Jingjing Z, et al. Glucocorticoids activate the local renin-angiotensin system in bone: possible mechanism for glucocorticoid-induced osteoporosis[J].Endocrine, 2014,47(2):598-608.

[21] Zhang Y, Wang K, Song Q, et al. Role of the local bone renin-angiotensin system in steroid-induced osteonecrosis in rabbits[J].MolMedRep, 2014, 9(4):1128-34.

[22] Gu S S, Zhang Y, Li X L, et al. Involvement of the skeletal renin-angiotensin system in age-related osteoporosis of ageing mice[J].BiosciBiotechnolBiochem, 2012, 76(7):1367-71.

[23] Gu S S, Zhang Y, Wu S Y, et al. Early molecular responses of bone to obstructive nephropathy induced by unilateral ureteral obstruction in mice[J].Nephrol, 2012, 17(8):767-73.

[24] Diao T Y, Pan H, Gu S S, et al. Effects of angiotensin-converting enzyme inhibitor, captopril, on bone of mice with streptozotocin-induced type 1 diabetes[J].JBoneMinerMet, 2014, 32(3):261-70.

[25] Garcia P, Schwenzer S, Slotta J E, et al. Inhibition of angiotensin-converting enzyme stimulates fracture healing and periosteal callus formation-role of a local renin-angiotensin system[J].BrJPharmacol, 2010, 159(8):1672-80.

[26] Shimizu H, Nakagami H, Osako M K, et al. Angiotensin Ⅱ accelerates osteoporosis by activating osteoclasts[J].FASEBJ, 2008, 22(7):2465-75.

[27] Liu Y Y, Yao W M, Wu T, et al. Captopril improves osteopenia in ovariectomized rats and promotes bone formation in osteoblasts[J].JBoneMinerMet, 2011, 29(2):149-58.

[28] Lamparter S, Kling L, Schrader M, et al. Effects of angiotensin Ⅱ on bone cellsinvitro[J].JCellPhysiol, 1998, 175(1):89-98.

[29] Hiruma Y, Inoue A, Hirose S,et al. Angiotensin Ⅱ stimulates the proliferation of osteoblast-rich populations of cells from rat calvariae[J].BiochemBiophysResCommun, 1997, 230(1):176-8.

[30] Nakai K, Kawato T, Morita T, et al. Angiotensin Ⅱ induces the production of MMP-3 and MMP-13 through the MAPK signaling pathways via the AT(1) receptor in osteoblasts[J].Biochimie, 2013, 95(4):922-33.

[31] Bandow K, Nishikawa Y, Ohnishi T, et al. Low-intensity pulsed ultrasound (LIPUS) induces RANKL, MCP-1, and MIP-1beta expression in osteoblasts through the angiotensin Ⅱ type 1 receptor[J].JCellPhysiol, 2007, 211(2):392-8.

[32] Hagiwara H, Hiruma Y, Inoue A, et al. Deceleration by angiotensin Ⅱ of the differentiation and bone formation of rat calvarial osteoblastic cells[J].JEndocrinol, 1998, 156(3):543-50.

[33] Guan X X, Zhou Y, Li J Y. Reciprocal roles of angiotensin Ⅱ and angiotensin Ⅱ receptors blockade (ARB) in regulating Cbfa1/RANKL via cAMP signaling pathway: possible mechanism for hypertension-related osteoporosis and antagonistic effect of ARB on hypertension-related osteoporosis[J].IntJMolSci, 2011, 12(7):4206-13.

[34] Paszty C, Turner C H, Robinson M K. Sclerostin: a gem from the genome leads to bone-building antibodies[J].JBoneMinerRes, 2010, 25(9):1897-904.

[35] Kaneko K, Ito M, Fumoto T, et al. Physiological function of the angiotensin AT1a receptor in bone remodeling[J].JBoneMinerRes, 2011, 26(12):2959-66.

[36] Li G, Wang M, Hao L, et al. Angiotensin Ⅱ induces mitochondrial dysfunction and promotes apoptosis via JNK signalling pathway in primary mouse calvaria osteoblast[J].ArchOralBiol, 2014, 59(5):513-23.

[37] Zhang Y, Dong X L, Leung P C, et al. Differential mRNA expression profiles in proximal tibia of aged rats in response to ovariectomy and low-Ca diet[J].Bone, 2009, 44(1):46-52.

[38] Yayama K, Okamoto H. Angiotensin Ⅱ-induced vasodilation via type 2 receptor: role of bradykinin and nitric oxide[J].IntImmunopharmacol, 2008, 8(2):312-8.

[39] Izu Y, Mizoguchi F, Kawamata A, et al. Angiotensin Ⅱ type 2 receptor blockade increases bone mass[J].JBiolChem, 2009, 284(8):4857-64.

[40] Namsolleck P, Recarti C, Foulquier S, et al. AT(2) receptor and tissue injury: therapeutic implications[J].CurrHypertensRep, 2014, 16(2):416.

Research progress on regulation of angiotensin Ⅱ on bone metabolism

LIU Jin-xin, ZHANG Fang-yi, ZHANG Yan

(CenterforSystemsBiomedicalSciences,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

The renin-angiotensin system exists locally in bone tissue. The RAS components and the active peptide angiotensin Ⅱ (Ang Ⅱ) within RAS are directly involved in the pathophysiological process of regulating bone metabolism. Ang Ⅱ exerts the effects via its receptors expressed in osteoblasts and osteoclasts. This paper reviewed the pathways of classical RAS，explained the tissue RAS-induced tissue injuries, and especially elaborated the regulation of RAS active peptide Ang Ⅱ on target genes and intracellular signaling pathways in osteoblasts, the action of Ang Ⅱ on osteoclastic function via acting on osteoblasts, and the interaction of Ang Ⅱ receptors involved in the modulation on bone metabolism.

renin-angiotensin system; angiotensin Ⅱ; osteoblasts; osteoclasts; osteoporosis; receptor

时间：2015-3-16 15:41 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1086.R.20150316.1541.008.html

2014-09-25,

2015-02-28

国家自然科学基金资助项目(No 81202894)

刘金鑫(1991-)，男，硕士生，研究方向：骨生物学；E-mail: liujinxin2013@163.com; 张 岩(1978-)，男，博士，副教授，博士生导师，研究方向：药理学、内分泌代谢,通讯作者,Tel: 021-65710368；E-mail: medicineyan@aliyun.com

10.3969/j.issn.1001-1978.2015.04.004

A

1001-1978(2015)04-0458-04

R-05；R336；R392.11；R681.023；R977.6