雌激素影响绝经后骨质疏松分子机制研究进展

孙伟明 刘 爽

(天津中医药大学，天津 300193)

雌激素影响绝经后骨质疏松分子机制研究进展

孙伟明 刘 爽1

(天津中医药大学，天津 300193)

雌激素；绝经后骨质疏松；破骨细胞；成骨细胞

骨质疏松是以骨量减少、骨的微观结构退化为特征的，致使骨的脆性增加以及易于发生骨折的一种全身性骨骼疾病，可分为三大类即原发性骨质疏松、继发性骨质疏松、特发性骨质疏松。绝经后骨质疏松(PMOP)为Ⅰ型原发性骨质疏松，由绝经后机体雌激素水平下降而引发，年龄通常界定在50～70岁。雌激素的缺乏被认为是PMOP的主要原因，其中具体的分子机制仍未达成共识，本文结合近些年研究雌激素对PMOP发病机制的影响进行分析。

1 骨重建

骨重建过程的稳定进行依赖于骨形成和骨吸收的平衡〔1〕，成骨细胞(OB)和破骨细胞(OC)在其间发挥着主导作用。OB来自于成纤维细胞间质细胞系(MSC)，OC由造血干细胞分化形成，是唯一具有骨吸收能力的细胞〔2〕。当骨由于各种因素出现损伤时，两者可以和位于骨细胞表面的骨衬细胞联系，开始骨的重建过程。骨细胞被甲状旁腺激素(PTH)、白细胞介素(IL)、雌激素不足或者其他一些激素刺激后激活，骨髓基质细胞(BMSC)或OB合成释放巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)和受体激活核因子κB配体(RANKL)，两者可以诱导OC前体细胞(pre-OC)募集和分化，之后便开始了骨吸收。骨吸收过程中OC可以释放多种生长因子如转化生长因子(TGF)-β，TGF-β可以将OB募集至骨基质从而进行骨形成过程，最后完成骨的重建。骨丢失正是由于骨吸收大于骨形成从而出现了骨质疏松症。在绝经最初一段时间里，由于雌激素的缺乏，成熟OC数量增加，骨吸收活跃，骨量迅速丢失。雌激素在此过程中不仅影响pre-OC的分化，也影响到了成熟OC的骨吸收过程和凋亡，同时对OB的分化增殖凋亡也有一定的调节作用。

2 雌激素影响OC分化的机制

Pre-OC分化形成OC的过程中，M-CSF和RANKL这两种因子是必不可少的。两者作用于pre-OC促进其核融合形成多核细胞，后者细胞膜表面的RANK可以继续与RANKL结合形成成熟OC。体内雌激素缺乏时，BMSC和OB分泌更多的M-CSF和RANKL，同时OB分泌IL-7增加，促进T细胞增殖并合成分泌RANKL和其他肿瘤坏死因子(TNF)，TNF刺激OB使RANKL合成进一步增加；TNF也可以直接作用于pre-OC，和RANKL一起共同促进成熟OC的形成〔3〕。Roggia等〔4〕发现卵巢切除小鼠内的TNFα显著升高，并直接导致RANKL的升高；D'Amelio等〔5〕在绝经后女性外周血的培养中也发现RANKL和TNF含量的增加。雌激素可以促进OB合成分泌骨保护素(OPG)〔6〕，OPG与RANKL同属于TNF家族因子，两者竞争结合pre-OC和OC表面的RANK，因此OPG可以抑制OC的生成。

此外在pre-OC和OC中存在着雌激素受体(ER)〔7〕。Takada等〔8〕通过改良技术在成熟OC细胞核提取物中发现多种ERα相关的共调因子，如分解产物激活划位(CAP)-H，蛋白子相关蛋白(TRAP)240，并且检测到了相应的蛋白其中就包括ERα，说明成熟OC内有特异性的共调因子帮助完成ERα相关功能。Martin-Millan等〔9〕敲除ERαLysM-/-小鼠单核和巨噬细胞的ERα的基因后，发现骨基质中pre-OC和松质骨中OC的数量增加约2倍，同时还出现了松质骨骨量的丢失；而用ERα等位基因替换的ERαf/f小鼠中并未出现相应的变化。这说明雌激素对pre-OC和OC可以通过ERα可以直接发生作用。可是，Michael等〔10〕用含有RANKL、M-CSF、TNFα等因子的培养基培育pre-OC，在雌激素干预后未发现OC的生成未受到明显抑制，而与OB共培养的pre-OC在相同的条件下OC的生成受到了抑制。这说明雌激素对OC分化的影响可能来自其对OB的调节而间接发挥作用。

3 雌激素影响OC骨吸收和凋亡的机制

成熟OC位于骨基质表面，通过αvβ3整合素与基质进行信号的传导，OC形成竖起膜称为皱褶缘，其可以包裹周边骨基质，形成一个个微环境——封区(Sealing zone)。OC通过质子泵外排H+使封区环境酸化溶解骨矿物，同时分泌组织蛋白酶(Cat)K降解蛋白机制。而细胞内pH值主要通过OC与抗骨吸收细胞表面的碳酸氢根和氯离子的交换维持，氯离子可再次穿过细胞膜的阴离子通道进入骨吸收的微环境，从而使其pH值保持在4.5左右，这种酸性环境可以调动骨矿物和提供Cat K降解骨基质蛋白最佳环境，从而实现骨吸收〔11〕。由此可见封区是OC发挥骨吸收功能的主要环境。Song等〔12〕用含有M-CSF、RANKL、胎牛血清等物质的α-MEM培养基培育小鼠巨噬细胞样(RAW264.7)细胞，用不同浓度的OPG干预，5 d后通过显微镜观测封区皱褶情况，发现对照组在细胞边缘有皮带样突起，细胞核分散分布；而20 ng/ml OPG干预组封区数量减少，伴随有骨陷窝的出现，提示有骨吸收现象；40、80 ng/ml干预组封区结构缺失，而OPG可在雌激素刺激下由OB合成分泌，并且该过程可以被雌激素的拮抗剂(ICI182780)阻断〔6〕。缺氧诱导因子(HIF)1α是又一个在PMOP中引起的骨丢失重要因子〔13〕。OC和pre-OC中存在编码合成HIF1α的mRNA，但是雌激素可以削弱HIF1α蛋白在这些细胞中的表达。绝经后雌激素缺乏可以使HIF1α在OC中积累，激活OC导致骨丢失。实验证明OC的HIF1α特定激活抑制剂可以使雌激素缺乏大鼠免于骨丢失〔14〕。

雌激素可以诱导OC凋亡。Faloni等〔15〕用雌激素和玉米油分别干预卵巢切除术后大鼠，发现雌激素组OC数量明显下降，出现OC细胞的凋亡。OC凋亡过程和多种因子相关〔16〕。Xiong等〔17〕通过蛋白组学和信息组学分析比较雌激素存在与否对OC凋亡分化和多种蛋白因子表达的影响，发现雌激素可以影响77条细胞内通路，影响6 403种蛋白中的355种，证实了雌激素可以促进OC凋亡。Hughes等〔18〕证实雌激素可以诱导OC的凋亡可以被TGF-β的抗体所抑制，而TGF-β可由OB经雌激素刺激后合成释放〔19〕。雌激素可以通过ERα作用于pre-OC和OC，引起Fas配体(FasL)上调，与OC表面的Fas结合后触发受体凋亡通路，进而依次激活起始半胱氨酸蛋白酶(Caspase-8)，效应Caspase-3与相应底物蛋白结合后导致OC凋亡；相反，当雌激素缺乏时，FasL下调，OC的寿命延长〔3〕。同时，Shao等〔20〕研究发现雌激素与OC的凋亡和骨髓间充质干细胞(BMMSc)密切相关。雌激素可以下调BBMSc中miR-181a的表达，后者是靶向于FasL信使RNA 3'-UTR的FasL合成抑制因子，因此在雌激素充足的情况下，BBMSc可以表达更多的FasL与OC表面Fas结合，进而激活受体凋亡通路。Nakamura等〔21〕通过实验证明雌激素通过ERα激活Fas/FasL系统调节OC的寿命。Martin-Millan等〔9〕也通过动物实验证明了FasL对于促进OC凋亡具有重要作用。Krum等〔22〕通过用雌激素上调OB的FasL而诱导pre-OC的凋亡。FasL介导的受体凋亡通路成为了OC凋亡的主要方式。

4 雌激素影响OB分化增殖凋亡的机制

OB源于MSC。转录因子Cbfa1/Runx2，Osterix，多种生长因子如骨形态发生蛋白质(BMPs)对MSC分化、OB增殖起着关键作用。雌激素对OB同样有着一定的影响：Tyagi等〔23〕认为雌激素缺乏诱导辅助T细胞(Th17)分泌的IL-17增加，后者诱导OB合成分泌TNF-α,IL-6和RANKL从而促进OC合成。Chen等〔24〕培养PMOP患者的髂骨中的MSC，与对照组比较，用雌激素干预后的ERα和碱性磷酸酶信使RNA表达量明显增高，而ERβ的含量并没有出现显著性差异，认为雌激素对MSC分化的影响主要是通过影响ERα的活性实现的。然而，Yin等〔25〕发现雌二醇可以通过磷酸化GSK3β进而显著提高OB前体细胞(pre-OB)β-catenin的表达，此过程中ERβ发挥着重要作用。雌激素干预pre-OB 后，与OB分化相关的基因(BGP,ALP,OPN)和增殖相关的基因(cyclin D1)表达显著提高，而用ERβ干扰RNA预处理的pre-OB并未出现明显的改变，说明雌二醇可以通过ERβ激活Wnt/β-catenin信号通路促进OC增殖分化。Fan等〔26〕分别培养健康人群和PMOP患者的人BMSCs(hBMSCs)，发现雌激素干预PMOP组的hBMSCs分化增殖增强，同时伴有Notch信号通路的上调，并验证雌激素是通过增强Jagged1蛋白的表达激活Notch信号通路，从促进OB的生成和骨量的维持。然而，雌激素不仅仅是促进OB的增殖和分化，骨代谢稳定在于骨吸收与重建之间的动态平衡。Almeida等〔27〕通过实验证明雌二醇可以通过减弱BMP-2诱导的转录来抑制OB系分化与增殖，从而减缓OB的生成，这种现象是通过ERα介导细胞外信号调节激酶(ERKs)活化和ERKs连接区域Smad1磷酸化实现，最终导致蛋白酶体的降解和BMP-2信号的抑制；同时发现雌二醇可以通过ERα而抑制OB的凋亡。Yang等〔28〕体外培养小鼠OB株MC3T3-E1，发现血清剥夺可以通过激活效应Caspases3导致OB凋亡，通过抑制雷帕霉素靶蛋白(mTOM)的磷酸化诱导自噬发生，而雌二醇通过ERK-mTOM信号轴和ER显著扩大自噬效应，借此可以抑制OB的凋亡。Bradford等〔29〕体外培养人类肉瘤细胞G-292，发现雌二醇可以抑制依托泊苷激活的线粒体凋亡通路和TNFα激活的受体凋亡通路，并通过ERβ抑制G-292细胞凋亡基因ITPR1的转录从而实现对OB凋亡的抑制。

此外，雌激素可以提高1α经化酶的活性，使1,25(OH)2D3的合成增加，进而促进肠钙吸收和骨形成；促进降钙素分泌，从而抑制骨吸收；调节骨对PTH敏感性，减少低钙对PTH的刺激，抑制PTH分泌，减少骨吸收。雌激素能够抑制促炎性细胞因子如IL-1，IL-6，IL-7和TNF的分泌。当雌激素缺乏，TNF和BMSC/OB增加，并且后者对IL-1更敏感，之后IL-1和TNF刺激BMSC/OB释放多种细胞因子如IL-6，IL-11、TGF、M-CSF、RANKL和粒细胞巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)。这些因子均参与到了pre-OC的分化过程。

5 结 语

雌激素影响POMP的机制是复杂多样的，针对PMOP的发病机制治疗手段也围绕在抗pre-OC分化如狄诺塞麦；抗骨吸收药物如双膦酸盐类，Cat K抑制剂〔11,30 〕；雌激素受体调节剂如雷洛昔芬；还有PTH的类似物、钙离子的替代物等。近些年随着雌激素参与介导的细胞信号传导研究的深入，ERα介导FasL凋亡通路、H IF1α因子、ERKs等相继被引入到PMOP发病机制中，为其治疗也可提供新的思路与方法。

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〔2016-02-22修回〕

(编辑 袁左鸣)

国家自然科学基金项目(No.81202652)；天津市应用基础与前沿技术研究计划基金项目(No.13JCQNJC11700)

刘 爽(1984-)，女，博士，主治医师，主要从事中医脑病临床与基础研究。

孙伟明(1989-)，男，在读博士，主要从事中医脑病临床与基础研究。

R336

A

1005-9202(2017)02-0499-04；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.02.108

1 天津中医药大学第二附属医院