PM2.5通过ER/RANK通路调节骨代谢的研究进展

林妹珠，倪清丽综述，黄惠娟审校

0 引 言

大多数代谢性骨病是由于骨吸收过度，超过骨形成的速度，导致骨量损失。成骨细胞主要负责骨形成过程，破骨细胞主要负责骨吸收过程，两者共同调节骨重建过程。当破骨细胞完成骨吸收后，成骨细胞的骨形成机制随之启动，补充骨吸收的消耗，以保证骨骼的完整性以及强度[1]。护骨素(osteoprotegerin，OPG)/核因子κβ受体活化因子(receptor activator of NF-κβ，RANK)/核因子κβ受体活化因子配体(receptor activator of NF-κβ ligand，RANKL)信号系统对破骨细胞和生物学至关重要，研究表明许多临床相关的人类代谢性骨病，包括炎症性骨病(如类风湿关节炎)、炎性骨肿瘤(如骨髓瘤或溶骨性转移)和不同形式的骨质疏松症与OPG/RANKL/RANK系统的改变有关[2]。环境颗粒物(particulate matter 2.5,PM2.5)是大气污染物的主要组成部分之一，可吸收多种污染物多环芳烃和金属，损害呼吸系统、心血管系统以及骨骼系统[3]等。本文就PM2.5对骨代谢的影响与雌激素受体途以及OPG/RANKL/RANK途径的相关性作一综述。

1 ER/RANK通路和PM2.5概述

1.1 OPG-RANKL-RANK信号通路的组成骨处于不断的重塑状态，这对于维持正常的骨骼结构和功能十分重要，破骨细胞对骨吸收有再生作用，成骨细胞则主要负责新骨的形成[4]。在生理条件下，破骨细胞的形成和吸收是保持平稳的。然而，当两者平衡受到干扰时，骨骼功能或结构就会发生异常。OPG-RANKL-RANK信号通路是成骨细胞与破骨细胞之间通讯的重要信号通路[5]，许多研究均支持RANKL/OPG比值是骨质量的主要决定因素的观点。RANKL/RANK信号调控多核破骨细胞的形成及其在正常骨重塑和多种病理条件下的活化和存活，OPG通过与RANKL结合并阻止其与受体RANK结合，保护骨骼免受过度骨吸收[6]。RANK/ RANKL信号由OPG的诱骗受体控制，该受体与RANKL相互作用。已有研究表明，在RANK或RANKL缺陷小鼠中，破骨细胞完全缺失，导致骨质疏松，而OPG缺陷小鼠表现出过度的骨吸收和严重的骨质疏松症[7]。RANK/RANKL信号通路对骨吸收破骨细胞的分化至关重要，绝经后骨质疏松症或癌症引起的骨破坏等病理过程中，其信号通路被解除[8]。随着OPG/RANKL/RANK系统在正常骨骼生理中作用不断积累的证据增加，不难发现，人类中许多临床相关的代谢性骨病，包括炎症性骨病(如类风湿性关节炎)，恶性骨肿瘤(如骨髓瘤或溶骨性转移瘤)和不同形式的骨质疏松症均与OPG/RANKL/RANK系统的改变有关[9]。

1.2雌激素和雌激素受体雌激素是一种由芳香化酶催化雄激素合成的18个碳类固醇类激素，主要存在形式为雌酮(E1)、雌二醇(E2)、雌三醇(E3)等[10]，卵巢是女性循环雌激素的主要来源。雌激素受体(ER)主要包括雌激素α受体(ERα)和雌激素β受体(ERβ),两者皆属于甾体/甲状腺激素核受体超家族，其成员具有共同的结构[11]。骨是雌激素发挥作用的重要靶组织，雌激素受体α和β在骨和骨髓细胞中广泛表达，雌激素是男性和女性骨骼代谢的主要激素调节因子[12]。雌激素可通过成骨细胞增加OPG的mRNA和蛋白表达，从而中和细胞结合或可溶性RANKL的作用[13],可能通过抑制IL-1和肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-alpha，TNF-α)的产生而降低RANKL和M-CSF的表达，最终使骨吸收减少[14]。雌激素损失的主要后果是骨吸收的增加，其在细胞水平上对维持骨形成也很重要。由于雌激素的减少，女性在绝经后的前4～8年经历了快速的减少期，除在月经停止后的早期骨质流失更快外，女性在生长过程中积累的骨骼质量也较男性少[15]。因此，女性发生骨质疏松、骨折等骨代谢相关疾病的概率较男性高。骨质疏松症相关疾病严重影响老年人的生活质量，增加医疗费用负担[16]。

1.3PM2.5的概述近年来，雾霾问题广受关注，大气污染主要成分之一PM 2.5也成为了研究热点。PM2.5指的是空气动力学直径≤2.5μm的颗粒物，其表面积大，可吸附空气中多种有毒有害物质，已有大量临床流行病学调查以及动物或细胞实验证明PM 2.5对健康有害[17]。Liu等[18]收集24个国家或地区的652个城市空气污染与死亡率每日数据，评估了PM10和PM2.5与多个国家或地区的心血管和呼吸系统死亡率的关系，指出短期暴露于PM10和PM2.5与心血管和呼吸系统死亡率之间存在独立关系并且可能存在剂量效应关系。Cui等[19]研究表明，PM2.5可增加活性氧簇的形成、降低磷酸化-Akt的水平，从而抑制骨髓间充质干细胞的增殖。PM 2.5已被国际癌症协会认定为一级致癌物。Duan等[20]检测3053名研究对象的(来自2005-2014年全国健康和营养检查调查数据)8种多环芳烃代谢物以估计多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)与骨质疏松的相关性，得出2-羟基芴与骨质疏松症的几率增加有关而3-羟基芴与骨质疏松症的发病率降低有关的结论。关于儿童和老年人的研究报告指示，空气污染物的浓度，特别是PM(PM 2.5和PM 10)的浓度与骨密度呈负相关[21-22]。长期暴露于高水平的空气污染物，在世界许多地区是一个日益严重的问题。

2 PM2.5通过ER/RANK通路调节骨代谢作用

2.1 PM2.5进入体内代谢过程与ER/RANK通路的相关性长期的PM2.5暴露可诱发多种炎症因子高表达，如IL-1、IL-6、TNF-α等[23]，这些炎症因子可促进骨髓细胞分化、淋巴细胞生长，从而引起一系列的骨代谢紊乱。PM2.5的组成较为复杂，包括有机和无机成分。其不仅含有大量的有机物质，如苯并芘、多环芳烃、硝基和含氧多环芳烃，而且还富含无机化学物质，如硫酸盐、硝酸盐和金属[24]。PM的生物效应与PAHs以及硝基和氧化型PAHs直接相关，虽然PAHs对PM质量的贡献最小(<0.1%),却是PM的主要毒性成分[25]。芳香烃受体(aromatic hydrocarbon receptor，AhR)是一种最早被发现的多环芳烃类环境污染物的配体，存在于大多数细胞胞质内[26]。骨质的完整性依赖于成骨细胞和破骨细胞分别调节骨形成与骨吸收的动态平衡，而细胞因子、激素、AhR等其他蛋白因素共同参与成骨细胞和破骨细胞的调节，最终精细调控骨代谢的过程[27]。PAHs进入体内可激活AhR[28]，在有雌激素存在的情况下，通过活化 AhR 影响ER的促转录活性、干扰类固醇激素信号，使 ER 与E2结合降低，从而干扰骨代谢调节过程；在无雌激素存在的情况下，结合配体的AHR则表现出了抗雌激素作用，其主要是通过抑制与雌激素结合ESR介导的DNA的结合来实现的[29]。Rogers等[30]针对绝经后妇女的研究发现循环中的OPG水平与血清雌二醇之间存在显著的弱正相关，血清OPG水平与骨转换标志物之间存在弱的负相关，而OPG血清水平与全身、全髋和股骨颈的BMD之间存在显著的正相关。而且前期的动物模型和临床研究也表明OPG给药可防止与雌激素缺乏相关的骨丢失。可见OPG/RANKL/RANK通路在雌二醇缺乏引起的骨丢失疾病中发挥重要作用，而PM2.5可干扰此途径，进一步引起骨代谢紊乱。

2.2PAHs通过干扰ER途径调节骨代谢雌激素是绝经后发生骨质疏松的主要原因，雌激素在调节骨吸收、通过刺激破骨细胞的形成(破骨细胞发生)，增强破骨细胞的活性、抑制其凋亡等方面发挥重要作用[31]。我们的前期实验研究证明，切除双侧卵巢去势后的SD 大鼠血清IL-1、IL-6值显著升高，给予类雌激素可降低炎症因子并升高骨密度，有逆转骨质疏松的效果[32]。Shevde等[33]通过大鼠实验证明，雌激素可通过受体结合途径直接抑制去势大鼠的破骨细胞前体形成细胞的募集与分化，进而抑制破骨细胞活性。过去十年中，已有多项研究表明PM2.5暴露可影响雌激素的生成，同时干扰雌激素受体的蛋白及mRNA表达，Dang等[34]通过动物实验表明孕期暴露于空气中PM2.5污染后，可诱发高水平的甲基化，ERa水平明显下降，暴露于PM2.5可使子宫收缩宫内胎鼠发育过程中的血流量导致新生儿体重下降。有研究表明，AhR基因敲除的小鼠骨量增加、骨吸收减少，逆转由雌激素缺乏导致的骨丢失[35]。AhR通过2种途径调控雌激素的作用：①通过诱导外源化学物代谢酶的表达进而增加雌二醇的氧化代谢；②通过配体激活蛋白酶体并下调ERa的表达[36]。骨组织中富含ER，AhR与ER之间存在交互作用：AhR激活可降低ER的表达，ERα可促进AhR下游靶基因转录而与自身靶基因的结合减弱[37]。PAHs进入体内即通过AhR途径干扰 ER与雌激素的结合，引起雌激素缺乏而导致的骨丢失。

2.3PM2.5通过 ER/RANK信号通路影响骨代谢PM2.5中的许多物质，包括PAHs、重金属、多氯化联苯同源物等可诱发癌变，肿瘤细胞通过刺激破骨细胞增殖，导致骨形成和骨吸收动态失衡，引发骨质疏松[38]。RANKL和OPG代表成骨细胞来源的旁分泌细胞因子，这些细胞因子对破骨细胞功能至关重要，RANKL/OPG比值升高时，这两个因子的失衡有利于破骨细胞的分化和活化，促进骨丢失[39]。雌激素缺乏可增加RANKL/OPG的比率，从而促进破骨细胞生成，加速骨吸收，诱导骨丢失[40]。辅助T(Th)细胞分泌的IL-1、IL-6和TNF-α等可诱导破骨细胞增殖，引发骨质疏松。Abplanalp等[41]通过动物细胞实验证明骨髓是PM2.5远端毒性靶点之一，暴露于PM2.5会影响人类和小鼠骨髓中的内皮祖细胞，限制其固有功能，并使其进入外周循环，吸入PM2.5会降低骨髓中造血干细胞的水平。Saha等[42]对暴露于室内空气污染的139名绝经后妇女检测其血清可溶性RANKL和OPG的水平并实时监测室内空气中PM2.5和PM10的水平，发现PM10和PM2.5水平与血清RANKL水平呈正相关，与血清OPG呈负相关；从而证明长期暴露于空气污染会增加膜结合性和可溶性RANKL循环破骨细胞前体，但OPG降低，提示骨吸收风险增加，并随之增加骨质疏松症的风险。

3 结 语

综上所述，空气中污染物中的细颗粒PM2.5可通过ER/RANK通路影响骨代谢过程，导致骨重塑平衡破坏，引起骨代谢相关疾病。PM2.5对于骨骼系统的危害及机制有待通过进一步的流行病学调查和动物实验及细胞实验加以验证，进而有效防治其危害。