骨髓脂肪组织调节调控骨量研究进展

智信 陈晓 苏佳灿*

1．海军军医大学基础医学院，上海 200433 2．海军军医大学附属长海医院创伤骨科，上海 200433

骨髓脂肪组织(MAT)是由脂肪细胞在骨髓腔内累积所形成。在正常生理条件下，出生时几乎所有的骨髓都是造血红骨髓[1]，但到了成年期，50%的骨髓被脂肪黄骨髓填充，也称为骨髓脂肪组织[2]。骨髓脂肪细胞主要由骨髓间充质干细胞(BMSC)分化生成，其过程经历了间充质干细胞、成脂肪细胞、前体脂肪细胞、不成熟脂肪细胞和成熟脂肪细胞等几个阶段，并且认为其优先于成骨细胞生成[3]。骨髓脂肪细胞的发育始于骨的远端区域并随着时间向近端移动[4]。远端MAT由密集的脂肪细胞组成，主要含不饱和脂肪酸，称为组成型MAT(cMAT)，而近端MAT，主要含有饱和脂肪酸，被称为调节型MAT(rMAT)。cMAT和rMAT主要成分不同，表明其功能不同，例如在寒冷环境下，小鼠胫骨骨骺和胫骨近端rMAT减少56%～71%，而胫骨远端cMAT没有减少，这表明rMAT可能对环境更敏感[5]。其功能差异仍有很多争论，需要进一步的探索。以往认为MAT的功能主要在于填充骨髓腔起机械性支撑作用。但随着近年来深入研究，发现MAT可能是一个新的内分泌“器官”。骨髓脂肪细胞(BMA)通过自分泌和旁分泌的方式，分泌脂联素、瘦素以及白细胞介素6等一系列细胞因子，在骨髓局部和全身整体代谢中发挥重要调节作用。MAT在低骨量状态下增加，如骨质疏松症、神经性厌食症、抗糖尿病药物治疗等。目前有较多研究认为MAT与骨量、成骨细胞分化、破骨细胞分化关系密切，在骨骼疾病中发挥重要的作用。

1 骨髓脂肪组织与成骨分化

1.1 MAT与BMSC分化

在骨髓间充质干细胞的分化命运中，脂肪细胞形成和成骨细胞形成是最密切相关的，并且调节脂肪细胞特异性转录因子(例如，PPARγ、脂联素)和成骨细胞特异性转录因子(例如，Runx2和Osterix)的表达在调节骨量稳态中起着重要作用[6]。所以骨髓脂肪细胞与成骨细胞呈现竞争性关系，在低骨量状态下可以明显观察到骨髓脂肪组织的聚集，反之亦然。目前，有关研究致力于通过抑制骨髓脂肪组织生成，从而达到增加骨量的效果。

过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator-activated receptors，PPARs)是核激素受体家族中受配体激活的核内转录因子[7]。PPARγ是PPARs家族中最具有脂肪专一性的一员，活化的PPARγ通过调控脂肪细胞相关基因的表达，促进脂肪细胞分化、增加脂肪细胞的数量，对脂肪的生成、转运、脂肪的储存和氧化等起着重要的作用[8]。目前有研究使用PPARγ拮抗剂来抑制脂肪生成，此类药物包括双酚-A-二缩水甘油醚(BADGE)、SR10171和橄榄苦苷等[9]。用BADGE处理正常C57小鼠后可以减少MAT体积，增加骨量，同时血清中骨生成标志物OCN、骨桥蛋白(OPN)和RUNX2等的水平也有所提高[10]。SR10171和橄榄苦苷也具有相似的作用，能抑制人BMSCs中PPARγ的表达和脂肪细胞生成，并增强其向成骨细胞的分化[9]。类似地，PPARγ的选择性调节剂促进 Ser112去磷酸化后，对骨量有积极作用。然而，使Ser112磷酸化的噻唑烷二酮(TZD)等会使骨量降低[11]。实验证明，抗糖尿病药物TZDs，罗格列酮或吡格列酮的使用会抑制成骨细胞分化，促进脂肪细胞生成，导致骨质流失[12-13]。以上研究表明，骨髓脂肪组织生成在骨量调节中起到了负调节作用，在骨质疏松症等骨代谢失衡疾病的治疗过程中，也要注重抑制BMSC向脂肪分化，从而促进其成骨分化，增加骨量。

1.2 MAT调控成骨活性

FoxC2属于winged转录因子家族，通过增加脂肪细胞对β-肾上腺素能cAMP蛋白激酶A通路的敏感性和线粒体代谢促进棕色脂肪和白色脂肪的生成[14]。通过脂肪细胞特异性增强子控制aP2/Fabp4基因，从而导致敲除FoxC2的小鼠MAT含量下降，骨量上升，并且对肥胖和葡萄糖耐受不良具有抗性。此外，前脂肪细胞分泌卷曲相关蛋白1(sFRP-1)，一种WNT抑制剂，指导BMSC向成脂分化，并抑制Wnt/β-catenin通路，从而抑制骨形成[15]。随着MAT的形成，通过分泌一种半胱氨酸蛋白酶Legumain，抑制成骨细胞的定位和成熟。深入研究发现，Legumain能够促进纤连蛋白的降解，从而防止骨生成所必需的细胞外基质的生成，并且提供更适合骨髓脂肪细胞产生的微环境[16]。这表明Legumain可以作为治疗骨质疏松症等疾病的潜在靶点。但是，也有研究发现MAT分泌的WNT10b、IGF-1和IGFBP2等蛋白，在共培养条件下具有促进成骨活性的作用[17]。进一步研究发现其Ucp1、Dio2和Prdm16等成骨相关基因的表达有所增加[18]。以上研究表明，MAT分泌的因子对成骨细胞有抑制作用，但是也不排除有积极影响，目前尚无定论，需进一步研究。

2 骨髓脂肪组织与破骨分化

脂肪细胞分泌的因子在调节破骨细胞生成及其功能方面也发挥着重要的作用。目前主要认为MAT分泌的因子对破骨细胞的分化有促进作用，例如PPARγ、RANKL等。

RANKL在骨骼稳态方面发挥着重要的作用，可以促进破骨细胞的生成，从而加速骨破坏和骨侵蚀，是骨稳态中重要的一环。研究表明，衰老和绝经过程中，骨髓MAT含量增加，在前脂肪细胞生成过程中，通过激活C/EBPβ和C/EBPδ，促进RANKL的分泌[19]，增强破骨细胞的生成，促进骨质吸收，降低骨量[20]。在以往的研究中表明，促进破骨细胞生成的RANKL主要来自骨基质中的骨细胞[21]，但是深入骨内的骨细胞如何与破骨前体细胞接触仍然不明确。该研究证明了被骨髓包围的脂肪细胞也能分泌RANKL，从而促进破骨细胞的生成。目前对骨细胞和骨髓脂肪细胞分泌的RANKL哪个对破骨细胞的生成发挥主要作用没有定论，需要进一步研究。

此外，研究表明PPARγ活化后对破骨细胞具有调节作用。据报道PPARγ活化后激活造血干细胞(HSC)中c-fos启动子，从而通过诱导c-fos促进破骨细胞生成。敲除PPARγ后能降低小鼠骨吸收水平，增加小鼠骨量[22]。通过这种非成骨细胞依赖性的方式诱导破骨细胞生成，导致了成骨细胞和破骨细胞的解偶联，破坏了正常的骨稳态。

3 讨论

除上述因子外，MAT也分泌其他因子，但这些因子对骨量的影响没有明确的定论。脂肪细胞分泌的因子脂联素对MSC向成骨细胞分化具有抑制作用[23]。据报道，成骨细胞与脂肪细胞共培养可降低成骨细胞生成转录因子runx2的表达，当脂肪细胞的脂联素受体被敲除时成骨细胞分化又会增加[23]。但是也有研究得到了相反的结果，表明脂联素可以促进成骨细胞的形成[24]。此外，脂联素对于破骨细胞生成也有影响。有研究报道，脂联素可以直接作用于HSC并抑制其分化为成熟的破骨细胞[25]，但也有研究称脂联素通过诱导RANKL表达和抑制成骨细胞中的OPG表达间接促进破骨细胞生成[26]。此外，一些研究报道了老年和绝经后妇女血清脂联素水平与骨密度(BMD)呈负相关[27]。然而，2型糖尿病患者中血清脂联素水平与的BMD呈正相关，提示脂联素对这些患者的骨质流失具有保护作用[28]。所以目前对脂联素和骨量的关系并不明确。

其他脂肪因子包括Omentin-1，抵抗素和内脂素也被证明可以调节成骨细胞和破骨细胞分化[29-31]。Omentin-1促进成骨细胞的增殖[32]并诱导其产生OPG，同时通过抑制RANKL间接抑制破骨细胞分化[29]。卵巢切除小鼠体内过表达Omentin-1后可以缓解由雌激素缺乏引起的骨质流失[29]。据报道，抵抗素可促进成骨细胞增殖[31]。然而也有研究称抵抗素通过激活NF-κB信号传导促进破骨细胞生成，所以抵抗素对骨重建的总体影响尚不清楚[31]。内脂素以胰岛素受体介导的通路促进胶原分泌[33]，并通过抑制RANKL，NFATc1和组织蛋白酶K的表达来阻断破骨细胞的分化[30]。然而，在患有炎症性肠病的患者中，血清内脂素水平与BMD呈负相关，这表明需要进一步研究以了解内脂素在骨代谢中的作用[30]。

虽然从一个多世纪以前就认识到了骨髓脂肪组织的存在，但目前国内外有关MAT的研究却不多。研究人员一直认为MAT在骨髓腔中仅仅起到填充物的作用，然而随着2014年MAT能表达RANKL的研究发表以来，越来越多的研究报道了MAT在调节骨代谢过程中的作用。在衰老过程中，MAT的含量越来越多。研究表明，这些变化与很多疾病的发生发展有密切联系，例如骨质疏松症。然而真正有关于MAT的起源，其分化对成骨细胞、破骨细胞的影响以及其分泌的因子对其他细胞的影响知之甚少，包括脂联素、内脂素、抵抗素等对骨量的影响目前没有统一的结论。未来在关于MAT与骨量调节研究方面，可以考虑两种选择。第一种方向遵循“脂肪减少导致骨骼增加”的观点，降低骨髓间充质干细胞向成脂方向分化，诱导其向成骨方向分化，从而增加骨量。第二种方向为进一步挖掘MAT分泌的因子，鉴定其对成骨细胞以及破骨细胞的影响。随着近几年来研究人员对骨髓脂肪组织的关注，有关MAT与成骨细胞、破骨细胞以及骨量的研究越来越多，但是还伴随着诸多问题，有待进一步研究。