靶向调控破骨细胞活性治疗骨质疏松的研究进展

张健豪

山西医科大学第一临床医学院，山西省太原市 030000

骨的结构不断重塑以适应机体和外界变化着的机械负荷作用，成熟的骨骼依赖机体的钙磷元素来源，不断更新受损和老化的骨组织，从而维持正常的骨强度，这一过程离不开骨形成和骨吸收这两个方面，两种细胞在骨表面同一部位相互作用，称为骨重建单位[1]。骨质疏松就是由于二者失衡，骨吸收强于骨形成，而破骨细胞是骨吸收过程的唯一执行者，因此关于破骨细胞活性调节机制的研究对于攻克骨质疏松症就显得十分必要。本文针对抑制骨吸收的重要途径——破骨细胞活性调节，分类阐述骨质疏松靶向治疗药物的研究进展。

1 破骨细胞概述

Kolliker首次发现破骨细胞，它来源于CD34阳性的骨髓造血干细胞，并在骨组织中发育成熟，是单核—巨噬细胞系的一员。破骨细胞的细胞器分布特殊，核位于细胞的伪足侧，多个高尔基复合体叠连连接在细胞骨架上，线粒体丰富，位于面向吸附骨的一侧，溶酶体丰富。由单核—巨噬细胞系成熟而来的破骨细胞主要受骨髓基质细胞和成骨细胞分泌的巨噬细胞集落刺激因子(MCSF)、核刺激因子-κB受体配体(RANKL)及骨保护素(OPG)等因子的调节[2]，其中MCSF是破骨细胞分化调节的关键因子，Yoshida等[3]的实验研究利用的先天性骨石化症小鼠模型就是通过设置无MCSF实验组做成的。骨活检资料和体外研究表明，完成骨吸收使命的破骨细胞会自动凋亡清除，是机体维持骨代谢平衡的机制之一[4]。

2 细胞因子对破骨细胞活性的调节

局部细胞的自/旁分泌效应对幼稚成骨细胞的增殖和分化以及骨吸收活动有直接调控作用，并可以间接增加与甲状旁腺激素(PTH)有关骨吸收的敏感性，或通过信号转导通路的相互影响抑制破骨细胞活性。

2.1 核刺激因子-κB受体配体/核刺激因子-κB受体系统(RANKL/RANK系统) RANKL/RANK系统是骨细胞单位活性调节不可或缺的重要系统，多种外界因素均是通过此轴发挥作用。RANK大量表达于未成熟破骨细胞的表面，成骨细胞分泌出RANKL与之识别，促进未成熟破骨细胞走向分化通路：RANKL与RANK结合可启动相应的细胞信号转导途径，相关基因便被激活，破骨细胞开始分化，启动骨吸收，此外IL-1a、IL-6、IL-11、IL-16、PTH等都可激活RANKL/RANK系统使RANKL表达增强，从而完成骨重塑。与RANKL/RANK系统相关的信号转导通路主要有NF-κB通路、MAPK通路、PI3K/AKt通路和CN/NFAT通路。由此可见RANKL/RANK系统在破骨细胞激活过程中起着类似于共同终末通路的作用，以该系统为靶点设计的药物在治疗骨质疏松的临床实践中必将有良好的疗效且可避免诸多不良反应，如Denosumab(狄诺赛麦)和OPG的作用机制都是竞争性抑制RANKL与RANK的结合，抑制破骨细胞成熟，可增加患者的骨密度，改善骨质疏松[5]。

某些中医药治疗骨质疏松背后的机制也与该系统有关，王鹏等[6]在实验研究灯心草与破骨细胞形成的关系时，发现灯心草提取物可以抑制RANKL，且浓度越高，抑制作用越强，通过关闭破骨细胞内某些特殊基因的表达，使破骨细胞的数量减少，探索出了灯心草在防治骨质疏松等骨代谢病中的应用价值。何丹丹等[7]发现淫羊藿治疗骨质疏松也与RANKL靶点相关。实验应用分子对接技术定量分析了RANKL与淫羊藿素之间的关系，阐明了淫羊藿素可通过抑制RANKL与RANK结合减少骨吸收，这更彰显了祖国医学的美好前景，为中医药事业的发展提供了现代科学的支持。

2.2 巨噬细胞集落刺激因子(MCSF) MCSF可由骨微环境中的多种细胞产生，以旁分泌的方式作用于破骨细胞，引起破骨细胞内分化相关基因表达水平升高，破骨活动增强。此外，MCSF还可通过RANKL途径间接促进成熟破骨细胞的形成。MCSF家族的生长因子受体结合蛋白2(Grb2)、细胞外调节蛋白激酶(ERK)等也能产生类似效应。

2.3 骨保护素(OPG) OPG主要表达于成骨细胞表面，通过竞争性抑制RANKL与RANK结合抑制破骨细胞的激活。Weitzmann等的研究发现，OPG主要作用于破骨细胞分化过程的末段，不但抑制分化，而且抑制成熟成骨细胞的存活及其骨吸收活性[8]。

2.4 其他 前列腺素(PGs)、转移生长因子(TGF-β)、干扰素(INF)、胰岛素样生长因子(IGF)也与破骨细胞的激活有关。

3 激素对破骨细胞活性的调节

3.1 直接作用于骨吸收的激素

3.1.1 雌激素。从绝经期妇女骨密度曲线的迅速下降这一现象不难推测，雌激素在抑制骨吸收方面有重要作用，科学研究也确实证明缺乏雌激素的各种形式的性腺机能减退可导致骨质疏松。雌激素分泌减少可使松质骨组织孔眼内脂肪细胞增生，成骨细胞减少，破骨细胞增加，骨钙素分泌下降。人体内的DNA结合雌激素受体(ER)有两种形式：ERα和ERβ，这两种类型的ER在骨组织都有表达，破骨细胞上以ERα为主。雌激素作用于破骨细胞的ERα，刺激OPG表达，并抑制激活破骨细胞相关细胞因子的表达，走RANKL信号通路，最终使破骨细胞生成速率降低。Fujiwara等[9]的研究表明：选择性雌激素受体调节剂(雷诺昔芬)和人工雌激素等抑制骨吸收，治疗骨质疏松，并同时可缓解绝经期妇女的更年期症状，但相比后者，前者可靶向作用于破骨细胞的ERα，从而避免了子宫内膜增生、子宫内膜癌和乳癌等不良反应，更凸显出靶向药“精准无误”的优势所在。

3.1.2 降钙素。由甲状腺滤泡上皮细胞分泌的降钙素主要作用是降血钙，这一效应的实现与抑制骨吸收相关。降钙素与破骨细胞上的受体结合，抑制钠钾泵工作，微管活动受限，破骨细胞不能锚定于骨面工作。降钙素在治疗骨质疏松时短期疗效明显，长期疗效欠佳。

3.2 间接作用于骨吸收的激素

3.2.1 甲状旁腺激素(PTH)。PTH可使破骨细胞内的空泡增加，促进破骨细胞内溶酶体酶的产生和酸性物质的合成，有利于破骨，PTH还可通过AC-cAMP途径增强破骨细胞的破骨功能，PTH只有作用于与成骨细胞共同培养的破骨细胞，这一效应才能出现，证实PTH是间接作用于破骨细胞的激素。临床上人工合成的PTH类似物特立帕肽正是通过这一机制治疗骨质疏松的。

3.2.2 糖皮质激素。 糖皮质激素以其强大的抗炎和免疫抑制作用广泛应用于许多疾病的治疗，但是长期大剂量应用糖皮质激素的一大不良反应就是骨质疏松，甚至股骨头坏死，因此糖皮质激素促进骨吸收的作用是显而易见的。其机制是通过抑制骨基质中某些蛋白的合成，降低其功能活性以及增强RANKL和降低OPG的活性，因此骨质疏松的患者禁用糖皮质激素。破骨活动中产生的某些代谢中间产物和分化调节因子可以用作反映破骨细胞活性的生化指标，临床上可以通过定量检测其含量来指导骨质疏松的诊断和疗效判定。如：Ⅰ型胶原交联C末端肽(CTX)及Ⅰ型胶原交联N末端肽(NTX)，脱氧吡啶酚/吡啶酚(DYD/PYD)，血清抗酒石酸酸性磷酸酶(TRACP)和组织蛋白酶K(CatK)等。以CatK为例，CatK是溶骨作用最强大的酶，针对其发展处理组织蛋白酶抑制剂作为抗骨质疏松的药物，即将通过临床实验，投入临床[10]。占允中等[11]在对骨质疏松性椎体骨折患者血清分析中发现，破骨细胞生成抑制或促进因子水平与骨质疏松程度相关性大，与骨折程度相关性不大，印证了这些物质作为预测骨质疏松程度的指标的合理性。

4 破骨细胞活性调节的信号通路

骨吸收过程中涉及到的主要信号通路：首当其冲是OPG/RANKL/RANK信号通路，它是与破骨细胞活性密切相关的关键性通路，其中可用于设计靶向药物的位点前已述及，不再赘述；其次是丝裂原活化激酶信号通路(MAPK信号通路)，该族通路主要包括细胞外调节蛋白激酶(ERK)信号转导通路，Jun氨基端激酶(JNK)信号转导通路，ERK5/大丝裂素活化蛋白激酶转导通路和p38转导通路，激活该族通路的共同效应是抑制骨吸收，阻止破骨细胞的分化活动。

此外还有Wnt/β-catenin信号通路，BMPs信号通路，PPAR-γ信号通路等，各通路之间密切相关，作用协同，共同实现骨代谢这一相互耦联相互制约的骨转换过程，现已针对多条通路研制靶向药。

5 肠道正常菌群对破骨细胞活性的调节

近年来的科学研究发现肠道菌群的生理作用远不止在肠道内发挥作用，而是全身性的调节作用，其作用体现在方方面面，如维持消化道黏膜的屏障作用，人体必需微量元素和维生素的供应，甚至是情绪性格等精神活动都与之有关。陈剑等[12]人总结前人研究发现，益生菌可能与骨质疏松相关：其中一些机制以调节破骨细胞活性为基础，如L.reuteri(罗伊氏乳杆菌)可以显著减少骨质疏松模型小鼠的骨量流失，表现为骨吸收生化标志物TRACP5、RANKL、破骨细胞和骨髓CD4阳性T淋巴细胞减少，也可直接作用抑制破骨。

肠道益生菌对于骨质疏松的治疗远不止调节破骨，还包括调节破骨相关炎症因子水平，从分子水平调节相关基因表达，激活或失活信号通路，影响钙磷吸收来缓解骨质疏松的发展。应用益生菌防治骨质疏松是一个大胆的创新，菌种菌属如何选择，适用人群以及防止菌群失调和机会感染等方面都是将来值得研究的方向。

6 总结与展望

骨质疏松常在不知不觉中发生，年龄越大进展越快，保护中老年人骨健康重在预防。骨质疏松本质是对骨骼结构和骨强度低状态的一种描述，其危害则主要在于身体各部位耐负荷能力降低，引发骨折，骨折后难以正常愈合，影响患者的生活质量。骨质疏松患者骨小梁体积、数目及表面密度降低，骨小梁分离甚至穿孔，髓腔间隙增宽，网状结构中断[13]，具体到椎体这一好发部位通常表现为水平骨小梁吸收，垂直骨小梁代偿性肥大，继而椎体在各方向上的耐负荷性变差，影像学表现为椎体骨低密度影，网格状阴影消失，易压缩骨折。骨质疏松的发病机制是多方面多因素的，目前尚未完全研究清楚，具体在骨代谢方面，如何抑制破骨细胞活性是防治骨质疏松的关键。本文在查阅大量国内外近期文献后，将破骨细胞活性调节分四大块阐释：激素、分化相关细胞因子、益生菌及其发挥作用的信号通路，并分别举例相应的靶向药分析利弊，充分体现了破骨细胞靶向治疗骨质疏松的精确性和优越性。目前国内外许多学者正围绕破骨细胞进行研究，发现很多因素都能激活破骨细胞，如高糖高脂，而破骨细胞作为单核—吞噬细胞系的一员，它还有许多同源细胞，分布于全身各个组织，如Langerhans细胞、Kupffer细胞，未来有可能从这些细胞中发现更多破骨细胞隐藏的奥秘。