骨质疏松症相关细胞因子研究进展

李淼 史晓 施丹 张腾 李黎 鲍晓敏

上海中医药大学附属岳阳中西医结合医院，上海 200437

骨质疏松症(osteoporosis,OP)是一类多发于老年人的全身性骨骼疾病，以骨量减少，骨组织微结构破坏，骨脆性增加，易发生骨折为主要特征。脆性骨折，又称骨质疏松性骨折，是骨质疏松症的严重并发症，指受到轻微创伤或日常活动中即发生的骨折。据国内流行病学调查结果显示，近年来脆性骨折发生率显著上升，危害巨大，是老年患者致残和致死的主要原因之一，给家庭及社会更是造成了沉重负担。2017年原发性骨质疏松症诊疗指南[1]强调OP是可防可治的，临床工作者应不断加强对高危人群的早期筛查与识别。

骨、肌肉组织同属于内分泌器官[2]，脂肪组织亦具有调节内分泌的功能，肌肉分泌的相关因子参与骨骼生长、发育过程的调控，骨因子同样可影响肌力、肌量，而脂肪组织分泌的多种脂肪因子在参与机体内炎症及免疫反应的同时，还起到维持骨代谢平衡的重要作用。骨密度下降是肌肉-骨骼系统调节失衡的结果，研究表明[3]，OP的发生、发展不仅与骨量减少、骨髓中脂肪含量增多有关，还与全身肌肉含量、强度下降等因素有关。由此可以看出OP在发病过程中受到多个骨、骨骼肌及脂肪组织等相关因子的调控，而研究这些相关细胞因子在骨代谢中的表达可能对OP的早期诊断及防治具有重要意义，其中骨形态发生蛋白、转化生长因子beta、成纤维细胞生长因子、肌肉生长抑制素、脂肪因子等是近年来的研究热点。以下对它们的相关研究进展做一综述。

1 骨形态发生蛋白

1965年Urist首次在骨基质内发现一种活性蛋白质，因其能诱导异位成骨而称之为骨形态发生蛋白(bone morphogenetic proteins,BMPs)。BMPs在人体内多由肝脏合成并分泌，迄今已有20多种BMPs被成功分离和克隆，除BMP-1外均属于转化生长因子-beta(transforming growth factor beta,TGF-β) 超家族成员[4]。值得一提的是，并非所有BMPs家族成员均为骨形成的诱导因子，例如BMP-3可通过抑制成骨性BMPs信号传导来负性调节骨形成，另外，BMP-13也具有不容忽视的骨形成抑制作用[5]。

人体内骨重建过程离不开成骨细胞和破骨细胞的共同作用。BMPs在OP成骨细胞分化中具有关键作用，通过增加碱性磷酸酶和骨钙蛋白等基因的表达促进新骨形成，还可通过作用于特定的未分化、有活性的间充质细胞，诱导其不可逆的分化为软骨和骨细胞，从而参与骨骼的生长、发育[6]；BMPs对破骨细胞也有正向作用，可直接或间接参与破骨细胞的合成、代谢过程[7]。

BMPs是临床上用来加强骨折修复、维持骨量的骨诱导物，可作为骨伤组织愈合的补充途径，促进骨折愈合[5]。目前研究较多的有BMP-2、4、7、9，它们均在成骨方面发挥重要作用，其中BMP-9成骨活性及骨诱导潜力最强，它以腺病毒为载体在具有免疫能力的活体内也能起到显著的诱导骨形成作用，Kobayashi等[8]认为BMP-9有望成为家族成员中诱导骨再生、修复骨缺损最有效的临床治疗靶标；多项研究表明BMP-2、4、7在整个骨折愈合过程中持续表达且均有上调现象，Li W等[9]通过将BMP-2转移至新西兰白兔的骨折部位周围组织发现，与对照组相比，基因注射组呈现出较为明显的稳定愈合放射迹象，骨痂形成速度加快，骨缺损愈合时间缩短；黄松等[10]研究发现骨碎补总黄酮对骨质疏松症模型大鼠疗效更为显著，经ELISA检测发现骨碎补黄酮组大鼠股骨中BMP-2蛋白以及血清骨钙素水平均高于模型组，推断其作用机制可能与上调股骨组织中BMP-2、血清骨钙素水平有关。BMPs是诱导骨形成能力最强的细胞因子，在骨形成和重建过程中起主导作用，因此在探究骨形成和重建相关机制时，通过检测不同时期的BMPs细胞因子水平来了解BMPs的表达和分布情况至关重要。

2 转化生长因子beta

转化生长因子beta(transforming growth factor beta,TGF-β)是一种具有调节细胞增殖、分化与凋亡、胞外基质合成与贮存、胚胎发育和组织修复等多种生物学活性的蛋白多肽，由骨细胞产生，在骨折愈合初期即开始表达，它广泛存在于动物正常组织细胞及转化细胞中，其中以骨组织中含量最高[11]。

TGF-β是维持骨稳态的重要因子。长期以来TGF-β一直被当做是骨母细胞的化学吸引剂，通过破骨细胞性骨吸收作用分解前体相关蛋白，从而释放活跃的TGF-β1诱导骨质缺损部位骨母细胞聚集；同时TGF-β也可通过调节破骨细胞的增殖与分化过程影响骨吸收，低剂量TGF-β促进破骨细胞分化，高剂量TGF-β对破骨细胞的抑制作用则由成骨细胞介导，并形成一个负反馈环来限制骨吸收[12-13]。因此，TGF-β是骨形成与骨吸收偶联的重要因子。间充质干细胞(mesenchymal stem cell,MSCs)是一类存在于大多数成熟结缔组织(如骨髓、脂肪组织和脐带血等)中的基质细胞，在不同生理病理刺激下可定向分化为成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞等。目前认为BMSCs在炎症性骨病和骨缺损修复方面大有可为，TGF-β可调控BMSCs来源的细胞增殖及定向分化。Liu等[14]研究发现在TGF-β1和血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)协同作用下可增强BMSCs的增殖和分化，提高细胞外基质的表达水平，从而促进椎间盘退变的修复和再生。

临床研究报道[15]绝经后骨量减少和骨质疏松症妇女血清TGF-β水平显著降低、骨折风险增加，血清TGF-β水平与患者自身骨密度呈正相关(P<0.05)，提示TGF-β水平下降可能是骨质疏松症的发病因素之一。张萌萌等[16]研究亦表明骨质疏松组血清TGF-β水平低于正常对照组，TGF-β测定值与股骨颈骨密度呈正相关，张铎安[17]通过对临床上骨折延迟愈合患者(观察组)和骨折正常愈合患者(对照组)的血清TGF-β1的对照研究发现，观察组水平均明显低于对照组，且差异具有统计学意义(P<0.05)，从而可得出血清TGF-β1水平可反映机体骨代谢水平，亦是影响骨折愈合速度的因素之一。因此认为未来血清TGF-β可作为原发性骨质疏松症发生风险评估、骨质疏松性骨折愈合速度判断的客观辅助性指标，同时在炎症性骨病及骨缺损修复方面也具有重要应用价值。

3 成纤维细胞生长因子

成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factors,FGFs)是一种由多类型器官合成，可明显促进成纤维细胞增殖分化的细胞因子，研究发现[18]FGFs能刺激间充质细胞、骨髓基质干细胞、软骨细胞和成骨细胞分裂。根据等电点酸碱性不同可分为酸性成纤维细胞生长因子(acid fibroblast growth factor,aFGF)和碱性成纤维细胞生长因子(basic fibroblast growth factor,bFGF)，二者在多种组织和细胞中均有表达，其中人体中的FGFs主要为bFGF，其成骨能力强于aFGF[19]。

目前已发现的FGFs家族成员有23个，相互之间有20%～50%的氨基酸序列是相同的，除FGF-21之外，大多数FGFs对骨细胞、软骨细胞增殖分化，骨折后骨痂愈合等骨形成进程起到积极作用；FGF-2促进骨桥蛋白和骨连蛋白的合成，在参与调节骨形成过程中对破骨细胞起到正向调控作用，既能促进成骨细胞分泌核因子-κB受体活化因子配体(receptor activator of NF-κB ligand,RANKL)间接调控破骨细胞，又能激活丝裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)信号通路直接促进破骨细胞分化[20]；FGF-23属于FGF-19亚家族成员之一，是一种重要的骨源性调磷细胞因子，多数由骨细胞产生并在其中表达，通过减少肾小管重吸收和肠磷吸收来降低血磷水平[21]，另一方面，FGF-23在FGF受体(fibroblast growth factor receptor,FGFR)、Klotho的协同作用下还可以参与体内维生素D的合成与分解过程。

FGFs家族与骨代谢相关疾病的发生发展过程息息相关。Hurley等[22]研究发现FGF-2基因敲除小鼠随着月龄增加其骨量减低更为严重，从而提出随着年龄增长人类间充质衍生性祖细胞内在增殖能力降低与体内FGF-2减少有关的假设并加以验证，实验结果表明FGF-2可用于刺激老龄化间充质衍生性祖细胞的治疗；FGF-23的缺失或者过高表达均会造成体内钙磷失衡，同时体外实验结果显示FGF-23过高表达不仅抑制成骨细胞分化还抑制骨基质矿化，提示FGF-23不仅参与钙磷代谢，还与骨质疏松症的发生发展有关。Fukumoto等[23]调查结果显示抑制FGF-23活性在某种程度上可以改善低磷血症和骨软化，且FGFR/Klotho复合物作为FGF-23主要受体，FGF23-FGFR/Klotho通路更是有望成为治疗磷和骨代谢障碍药物的新靶标。因此FGFs不仅能促进骨组织的生长，同时对软骨组织也有着良好的诱导作用，在骨与软骨的生长和重塑过程中扮演重要角色。

4 肌肉生长抑制素

肌肉生长抑制素(myostatin,MSTN)，顾名思义即为具有抑制肌肉生长发育作用的细胞因子，是1997年McPherron发现的一段具有TGF-β家族典型结构特征的编码基因蛋白，因而被命名为生长分化因子8(TGF-8)。研究发现在小鼠、肉牛等哺乳动物中，MSTN基因缺失会导致其肌纤维增多，肌细胞肥大，瘦体重增加，出现“双肌表型”。反之该结论并不完全成立，覃丽英等[24]通过比较骨质疏松组和对照组妇女的各项指标发现，即使当两组妇女瘦体重差别显著时，血清MSTN值也不具有明显差异，据此推论血清MSTN水平与瘦体重和骨量无明显相关性。

除了调控骨骼肌的生长之外，MSTN还能够调控脂肪形成和代谢平衡，研究结果[25]显示抗MSTN抗体(ATA842)可增强小鼠的肌肉力量并提高老龄化小鼠的胰岛素敏感性，而运动和体重减轻均能有效抑制肥胖患者骨骼肌中MSTN mRNA的表达水平并改善他们的胰岛素敏感性[26]。Elkasrawy等[27]还指出MSTN是间充质干细胞增殖和分化的重要调节因子，研究结果显示MSTN基因敲除小鼠普遍表现出体脂减少、骨密度和骨强度增加，同样的在骨折愈合早期MSTN功能缺失时，骨折部位骨痂愈合速度加快、骨强度增加较为明显。Le W等[28]尝试使用MSTN基因诱导间质干细胞产生的子细胞治疗肌腱损伤，结果显示与对照组相比，损伤组织细胞活性增加，因而推断MSTN在骨折愈合、损伤修复方面具有较大的潜力。

5 其他

除上述提到的细胞因子之外，越来越多的研究表明，脂肪组织在骨形成和造血中也发挥着重要作用，它所分泌的瘦素(leptin)、趋化素(chemerin)、脂联素(adiponectin)、抵抗素(resistin)等多种细胞因子又被称为脂肪因子，这些脂肪因子不仅参与体内的能量代谢和各种炎症、免疫反应，还通过直接或间接影响骨重建过程起到维持骨代谢平衡的重要作用。其中瘦素、脂联素、内脂素等脂肪因子对骨形成有促进作用，趋化素、抵抗素等可负向调节骨代谢进程。

瘦素作为脂肪因子中的主要成员，其在调节体内能量平衡方面的作用早已为大众所知晓，近几年又发现，瘦素在骨重建、骨代谢相关疾病发生发展过程中仍扮演重要角色，人们在成骨细胞和软骨细胞中发现了瘦素受体，表明瘦素对骨代谢可能有着直接影响；另有研究表明[29]瘦素还可能通过激活FGF-23、骨钙素等因子来调节骨代谢。

Chemerin是新发现的一种主要表达于人体白色脂肪组织、肝脏和肺的脂肪因子。郗焜等[30]研究发现高海拔老年藏族男性血清Chemerin升高与长期缺氧环境有关，血清Chemerin升高也可能是高海拔区老年藏族男性骨形成标志物水平降低、骨转换能力异常的重要原因之一。前期研究显示Chemerin及其受体CMKRL1还可调节BMSCs成脂、成骨分化过程，促进破骨细胞分化，影响骨形成，从而提示chemerin/CMKRL1信号通路有望为治疗骨质疏松提供新方向[31]。

6 小结

目前临床上诊断原发性骨质疏松症的方法主要有骨密度测定、影像学检查和骨转化标志物(bone turnover markers,BTMs)测定等，但其不能及时反映体内骨代谢水平，在骨质疏松症的观察和治疗方面的滞后性较为明显。研究发现通过一系列骨、骨骼肌及脂肪代谢相关的细胞因子可在治疗早期(3～6个月)灵敏地监测出人体骨代谢水平变化，从而更好的起到指导临床和科研的作用。因而深入研究各种相关细胞因子与骨质疏松症的关系，可以进一步了解骨质疏松症发生机制，为治疗及预防骨质疏松症提供新的方向。