内源性大麻素系统与骨代谢

丁 鼎，王柏翔，周 益

大麻素(cannabinoids)是一组特异性化合物，包括植物大麻素、内源性大麻素，以及具有相似化学结构的人工合成大麻素。内源性大麻素、大麻素受体、以及负责其合成和降解的酶，构成了内源性大麻素系统(endocannabinoid system, ECS)。

近几十年来，内源性大麻素系统作为一种潜在的治疗靶点，引起了广泛的关注[1]。内分泌系统[2]、神经系统[3]、免疫系统[4]的生理过程中均有内源性大麻素系统的参与。在哺乳动物中，它被认为是多种生理过程的调控者，包括炎症、疼痛、食欲、情绪等[5]。在骨组织方面，Idris等[6]首次证实了内源性大麻素系统参与了骨代谢的过程，此后，越来越多的证据表明，内源性大麻素系统可以影响成骨细胞和破骨细胞活性，从而影响骨代谢和骨骼重塑的过程。本文将对内源性大麻素系统在调节骨代谢中的作用进行描述，并探讨通过内源性大麻素系统调节骨重塑的可能性。

1 大麻素受体

大麻素受体主要包括大麻素Ⅰ型受体(CB-1受体)、大麻素Ⅱ型受体(CB-2受体)、瞬时感受器电位香草酸受体1 (transient receptor potential vanilloid 1, TRPV1)、瞬时感受器电位香草酸受体4 (transient receptor potential vanilloid 1, TRPV4)、G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor, GPR)、GPR119等。其中CB-1受体和CB-2受体是最重要的两种受体，均为G蛋白偶联受体[7]。

CB-1受体主要位于中枢与外周神经系统中[8]，在骨骼中CB-1受体的表达水平非常低[6]。Idris等[6]的早期研究显示，敲除Cnr1(CB-1受体编码基因)的成年雌性ABH小鼠和 CD1小鼠均具有较高的峰值骨量；与正常小鼠相比，Cnr1基因敲除小鼠因卵巢切除术引起的骨量丢失有所减少，同时在胫骨干骺端的骨小梁体积明显增加。与之相反，Tam等[9]的研究表明敲除Cnr1基因的雌性小鼠近交到C57BL/6时，具有较低的峰值骨量。Idris等[10]在后续的研究中也证实了Tam的结果，并表示，CB-1选择性拮抗剂AM251可以通过浓度依赖的方式显著抑制RANKL和M-CSF刺激下的小鼠骨髓培养物中破骨细胞的形成，而大麻素受体激动剂则以浓度依赖性方式刺激破骨细胞形成。Samir等[11]将CB-1受体拮抗剂应用于骨质疏松大鼠时发现，年幼大鼠的骨质疏松症状得到了缓解，年老大鼠却加剧了骨质丧失。这项结果提示CB-1受体对于骨代谢的调控可能与年龄相关。除了对骨骼的直接影响外，CB-1受体可作用于交感神经末梢，抑制去甲肾上腺素的生成，导致成骨细胞β2-肾上腺素能受体活性被抑制，促进了成骨细胞的活性及分化，从而间接促进了骨代谢[12]。在轻度颅脑损伤后，CB-1受体也可介导骨合成代谢反应[13]。总之，CB-1受体在骨代谢的过程中直接或间接地起到调控作用，但对于其具体调控机制尚未有统一结论。根据现有的研究可以认为，骨骼发育的早期缺乏CB-1受体的动物会增加骨骼体积，但随着年龄增长则可能出现骨质疏松症状[14]。

与CB-1受体相比， CB-2受体在骨细胞及其前体细胞中的含量更高，并且在维持骨吸收与骨形成之间的平衡中起着重要作用[15]。CB-2受体在骨形成阶段有着更高的表达[14]。研究报道，敲除Cnr2(CB-2受体编码基因)的小鼠随着年龄增长，骨形成减少，骨量降低[16]。在CB-2受体的介导下，大麻素能够增加斑马鱼鳞片中与骨组织合成相关的标志物，而不影响破骨细胞分化或代谢的标志物；同时，大麻素能够减轻因糖皮质激素使用造成的骨质流失[17]。在人牙周细胞中，Cnr2活性化可使成骨基因转录增加、RANKL基因表达降低，从而增强人牙周细胞的成骨分化，创造有利的成骨微环境[18-19]。激活CB-2受体可上调多种成骨因子的表达，包括RUNX2、骨唾液蛋白(BSP)、骨桥蛋白(OPN)、碱性磷酸酶(ALP)和骨钙蛋白(OC)等，因此CB-2受体活性对成骨细胞增殖和功能的积极作用已被普遍接受[20]。Xu等的研究指出，在自噬作用和Nrf2失活的参与下，Cnr2可诱导成骨细胞的分化[21]。CB-2信号对破骨细胞直接作用的研究却取得了矛盾的结果：一些研究得出结论，CB-2信号促进了破骨细胞的分化[6,22]；另一些证据表明，CB-2信号抑制了破骨细胞的形成[23-24]。有学者认为上述矛盾是实验条件不同所致，例如所使用的化合物种类及浓度不同，均有可能导致结果差异[20]。

有研究评估了同时敲除Cnr1与Cnr2对小鼠从出生到老年的骨骼发育的影响，并研究了切除卵巢的雌性小鼠的骨质疏松情况。结果发现与野生型相比，Cnr1/2-/-小鼠出生时的骨吸收加快，而培育至3个月龄时，它们的骨小梁质量更高。尽管Cnr1/2-/-小鼠骨骼形成减少，但同时破骨细胞缺陷也导致骨吸收量减少，且减少程度超过了骨形成的减少，随着年龄增长，Cnr1/2-/-小鼠骨骼的质与量反而优于野生型小鼠。与之相反的，仅敲除单一基因的小鼠由于成骨细胞缺陷，老年时骨量低于野生型小鼠。因此CB-1和CB-2受体在调节破骨细胞和成骨细胞活性方面具有相似但非完全相同的作用[25]。

TRPV1属于钙离子通道的亚家族，构成内腔静脉系统[26]，它是一种伤害感受器，主要在躯体和自主神经传入神经元的感觉神经纤维上表达[27]。与CB-2相反，TRPV1受体激活将会激活破骨细胞并抑制成骨细胞的活性[28-29]。TRPV1的缺失或抑制将影响破骨细胞和成骨细胞的分化，进而影响骨重塑过程，不利于成骨及骨折愈合[30-31]。

除CB-1、CB-2、TRPV1受体外，其他内源性大麻素受体如GPR55、GPR119和TRPV4也参与调控成骨细胞及破骨细胞活性，影响骨代谢[32-34]。而其在骨代谢中的重要性仍待进一步研究[20]。

2 内源性大麻素

内源性大麻素主要包括花生四烯酸氨基乙醇(anandamide，AEA)和2-花生四烯酰甘油(2-arachidonoylglycerol，2-AG)[35]。AEA和2-AG存在于骨髓中以及代谢活跃的骨小梁腔内，其水平与大脑相同[36]。成骨细胞和破骨细胞均可在培养物中产生AEA和2-AG[37-38]。

AEA是最早发现的内源性大麻素配体。在体外试验中，使用AEA对人类成骨细胞以及破骨细胞进行干预，发现AEA会抑制早期成骨细胞的增殖，但对其分化有促进作用，进而提升了矿化能力；AEA对晚期成骨细胞分化则产生负面影响，AEA长期作用将抑制成骨细胞形成钙盐的能力[39]。对于破骨细胞，AEA能够促进其极化与活性[37,40]。在斑马鱼模型中，AEA干预下可发现碱性磷酸酶的活性显著提高[17]。

关于2-AG，研究已证实在较低浓度下可刺激成骨细胞的形成和活性[14,41]。一些研究表明2-AG的作用与AEA相似，2-AG对人成骨细胞分化的影响具有时间依赖性。在骨基质矿化初期具有积极作用，长期作用下则可能导致骨骼结构不良[14,39]。2-AG也可增加破骨细胞的活性[40]。内源性大麻素对成骨细胞和破骨细胞的影响取决于剂量和时间。此外，内源性大麻素是骨细胞产生的重要因子，可在生理和病理情况下控制其自身系统的稳态[20]。

3 大麻素受体激动剂/拮抗剂

已有研究发现了部分对大麻素受体起作用的药物，这些药物可以激活或抑制大麻素受体。

Jiang等发现中央脂联素(APN)可以通过CB-1受体影响内源性大麻素信号，进而调节骨代谢。而注射CB-1受体激动剂花生四烯酰-2-氯乙胺(ACEA)可减弱APN对骨形成的诱导作用；注射CB-1受体拮抗剂利莫那班则增强了APN对骨形成的诱导作用[42]。此外，CB-1受体拮抗剂利莫那班可减轻慢性间歇性缺氧引起的骨代谢异常[43]。在卵巢切除动物模型中，CB-1选择性反向激动剂AM251可抑制破骨细胞的分化和功能，对骨质疏松症状起到缓解作用[6,14,22]。可能的作用机制是，AM251通过抑制Wnt/β-Catenin信号通路，从而促进成骨细胞分化并减少成骨细胞的凋亡[44]。

CB-2受体是与骨相关的主要治疗靶点，CB-2选择性激动剂HU-308是研究最多的药物之一。研究表明，HU-308可以通过增加成骨细胞的分化和活性，预防卵巢切除大鼠的骨质疏松症状[45]。HU-308在10 nmol/L到300 nmol/L的浓度下可刺激破骨细胞的形成，而在较高浓度下则抑制破骨细胞的形成[22]。HU-433是HU-308的对映异构体，同样仅能与CB-2受体结合，但在促进成骨细胞增殖、破骨细胞分化以及抗炎能力中表现出了更强的功效，具有巨大的药用潜力[45]。

总之，大麻素受体激动剂与拮抗剂可以通过控制浓度来达到调控骨代谢平衡的目的[20]。

4 总 结

综上所述，越来越多的证据表明内源性大麻素系统在骨骼代谢的动态平衡中起着重要的作用，通过调节内源性大麻素系统预防或改善骨质疏松、促进骨创伤愈合以及骨骼再生，具有巨大的临床潜力。由于医用大麻的使用日益增加，同时部分西方国家未禁止吸食大麻，而大麻对于骨代谢的影响并未明朗，我们急需了解内源性大麻素系统在人体骨代谢中的作用。但由于内源性大麻素系统的复杂性，当前的研究仍有矛盾之处。到目前为止，尚未有一种大麻素成分被批准用于治疗或预防骨骼疾病和损伤。对于内源性大麻素系统对骨代谢效果的关系值得进一步研究。