信号转导通路促发绝经后骨质疏松症的机制

贾志标 综述 付昆，崔红旺 审校

海南医学院第一附属医院关节创伤外科，海南 海口 570100

绝经后骨质疏松症(postmenopausal osteoporosis，PMOP)属于原发性骨质疏松症(osteoporosis，OP)类型[1]，除此之外，原发性OP还有老年骨质疏松症(Ⅱ型)及特发性骨质疏松症[1]。PMOP作为Ⅰ型骨质疏松症是一种渐进性的骨老化疾病，其已经被认为是世界各地的主要公共卫生问题，特别是在人口老龄化严重的国家。骨是一种动态组织，旧骨被破骨细胞去除，新骨由成骨细胞不断形成，成骨细胞、破骨细胞和骨细胞在骨的生成、维持和愈合复杂过程中发挥重要作用[2]。多种因素可导致骨量的丢失，包括骨转换增加，导致破骨细胞和成骨细胞在骨重塑过程中的失衡；各种刺激变化或微损伤，可通过微管系统，上调相关骨细胞信号转导通路(signal transduction pathway，STP)，使破骨细胞作用大于成骨细胞，导致骨溶解吸收增加。细胞信号转导通路在绝经后骨质疏松症中的作用机理成为近年来的研究方向，大量研究表明，通过下调相关信号转导通路，可能成为一种新的延缓绝经后骨质疏松症发生的方法。

1 骨细胞来源

骨细胞作为骨组织的主要细胞成分之一，是骨中含量最丰富且存活时间最长的细胞类型。其来源于间充质干细胞衍生的成骨细胞，可以通过分泌Wnt信号通路的刺激因子，如一氧化氮和ATP来协调骨形成，并可抑制Wnt/β-catenin信号和降低Runt相关转录因子-2(runt-related transcription factor 2，Runx2)表达，可使成骨细胞功能受到损害[3]。骨细胞可以通过分别表达巨噬细胞集落刺激因子(macrophage colony stimulatory factor，M-CSF)和护骨素(osteoprotegerin，OPG)来调节破骨细胞的功能[4]。虽然骨细胞是由成骨细胞衍生的终末分化细胞，但骨中含有的骨细胞比成骨细胞多十倍，骨细胞是骨稳态的主要调节因子，可直接调节矿化中的局部钙丰度，并通过分泌重要的调节因子间接控制骨骼其他细胞的活性。此外，骨细胞是调节多种器官磷酸盐代谢的内分泌细胞，最重要的是，骨细胞是骨机械感觉和机械传导的主要调节因子，可以机械刺激诱导和调节各种细胞功能[5]，如基因转录翻译过程、细胞增殖和分化。

2 成骨细胞来源

在骨重塑周期中，成骨细胞前体细胞被细胞因子和生长因子从骨髓中招募到骨表面，如转化生长因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)和胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factors-1，ΙGF-1)[6]，它们在吸收阶段从骨基质中释放出来，随后，前体细胞经历几轮增殖到成熟阶段，在活跃的骨形成部位合成成骨细胞。在分化过程中成骨细胞首先达到极化表型，从而使细胞能够定向分泌骨基质，最初的骨基质由Ⅰ型胶原和非胶原基质蛋白组成，构成骨的有机部分。随着进一步的分化，成骨细胞分泌钙和磷酸盐离子，以启动钙化过程。一旦成骨细胞取代了被破骨细胞吸收的骨包，大多数成骨细胞就会发生凋亡。成骨细胞的去分化形成一个静止的骨内衬细胞群体，作为快速激活的成骨细胞的来源，保护其免受重塑周期的重新启动。Runx2通过骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)和Wnt的刺激[7]，激活脂蛋白受体相关蛋白受体，增加Runx2的水平，在成骨细胞形成中起关键作用[8]，导致成骨细胞发生，促进骨形成。

3 破骨细胞来源

破骨细胞是由多个单核细胞融合而成，附着在骨上并吸收它，破骨细胞在功能上被视为主要的骨吸收细胞，其表面表达抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate resistant acid phosphatase，TRAP)，被认为是生物标记之一。破骨细胞是高度迁移的细胞，其迁移取决于肌动蛋白细胞骨架结构的快速变化。在生理条件下，破骨细胞吸收骨然后形成成骨细胞，并保持血液钙水平和骨稳态。核因子-κB受体活化体配体(receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL)和护骨素(osteoproteger，OPG)可调节破骨细胞的分化[9]，两者都是由成骨细胞谱系细胞产生的，RANKL与其受体RANK结合并诱导破骨细胞发育[10]，另一方面，OPG可竞争性地阻断RANKL-RANK相互结合，最终抑制破骨细胞分化。临床研究报道，一种抗RANKL抗体denosumab可抑制绝经后妇女的骨转换，因此在骨重构期间，骨形成与骨吸收结合[11]。

4 绝经后骨质疏松症经典信号转导通路

4.1 NF-κB信号转导通路 骨的再生与吸收平衡是由成骨细胞和破骨细胞共同调节的，对于成骨细胞和破骨细胞，它们可以通过直接细胞接触或通过其他机制彼此严格影响和调节。20世纪90年代，已经发现OPG-RANKL-RANK轴对于骨骼重塑至关重要，OPG是(tumor necrosisfactor，TNF)受体家族的一员，可作为可溶性诱饵受体来抑制破骨细胞形成[12]。它可以通过隔离RANKL与破骨细胞表面的RANK结合来抑制破骨细胞的活性和存活[13]。另外，最近发现OPG在患有骨转移的晚期前列腺癌患者中高表达，证实了其在肿瘤进展中的作用[14]。由于骨吸收增强，OPG的缺失会导致严重的骨质疏松和血管钙化。缺乏OPG的小鼠在早期由于破骨细胞活性的增加而发生骨量减少[15]，从而强调OPG在维持正常骨量中的生理作用，故而OPG的鉴定也被描述为破骨细胞生物学的“领域的里程碑事件”[16]。OPG作为RANK与RANKL相互作用的拮抗剂，可通过抑制破骨细胞向细胞外室分泌质子来消化骨基质，从而导致骨溶解减少，骨量增加。

4.2 RANKL/RANK信号转导通路 RANKL可由成熟的成骨细胞及其前体细胞、软骨细胞、成纤维细胞和活化的T淋巴细胞产生[17]。破骨细胞形成的最重要步骤是结合RANKL锚定在破骨细胞膜上；另一方面，OPG是由活化的成骨细胞合成和分泌的细胞因子，该蛋白充当RANKL的诱饵受体，并防止RANKL与RANK结合[18]。RANKL与OPG的结合导致骨吸收的抑制并刺激骨量的增加。RANKL和OPG浓度之间的动态平衡对于正常的骨代谢至关重要，另外，RANKL/OPG比例的不平衡可导致不受控制的骨质流失。RANKL诱导破骨细胞祖细胞上RANK的激活，导致TRAF6的募集[19]，激活了下游信号传导分子，进而激活经典NF-κB途径。BAEK等[20]的实验研究验证了这一通路，通过阻断RANKL-RANK结合，抑制了Ca2+内流。Ca2+信号是RANKL/RANK通路的关键下游过程之一[21]，在破骨细胞分化和功能中起着关键作用。采用定量RT-PCR方法检测破骨细胞分化过程[22]，发现破骨细胞相关受体及mRNA表达水平降低，说明对破骨细胞的形成产生了抑制作用。LΙANG等[23]的研究表明淫羊藿苷治疗后可以增加骨质疏松症患者OPGm-RNA和RANKLmRNA表达，并且由于其对OPGm-RNA表达的刺激作用强于RANKLmRNA表达，因此使OPG/RANKL比值增加，促进骨形成。

5 绝经后骨质疏松症其他信号转导通路

5.1 p38 MAPK信号转导通路 其是骨质疏松症骨代谢异常的重要调节因子[24]，p38 MAPK已被证明可以在细胞对炎性细胞因子、环境压力以及生长因子的反应中发挥作用[25]，激活这一通路可促进破骨细胞的分化，最终加重骨质疏松症。在骨髓前体细胞分化的早期，RANKL诱导了p38信号通路分子，从而增强了p38信号传导能力。在绝经后骨质疏松症模型大鼠中[26]，MAPK信号通路在骨组织中被异常激活，抑制MAPK信号通路，可增加骨密度，减轻绝经后骨质疏松症的发生。

5.2 PΙ3k/Akt信号转导通路 丝氨酸/苏氨酸激酶Akt是成骨细胞PΙ3k的下游靶标，并通过多种刺激以PΙ3K依赖的方式被激活[27]，Akt的磷酸化已被广泛接受为PΙ3K/Akt途径激活的指标之一。该信号通路与细胞生长、凋亡和自噬等功能有关[28]。最近的文献表明，miR-210通过该信号通路促进成骨细胞的分化，并在缓解雌激素缺乏引起的PMOP方面发挥积极的调节作用[29]。来自多项研究的数据表明，雌激素受体α通过PΙ3k/Akt信号通路抑制miR-148a可防止卵巢切除引起的骨质疏松症[30]。

5.3 JAK/STAT信号转导通路 成纤维细胞生长因子-23(fibroblast growth factor 23，FGF23)主要通过JAK/STAT途径参与骨质疏松症的进展，建立卵巢切除(OVX)大鼠骨质疏松模型实验表明，OVX诱导FGF23和不同FGF受体表达水平的下调，从而使骨代谢生物标志物如骨钙素、骨碱性磷酸酶等表达下调[31]。同样地，抗FGF23治疗则可加速OVX诱导的骨代谢生物标志物的上调[32]，FGF23在骨质疏松症中主要通过影响下游信号通路的磷酸化水平而使相应蛋白表达降低。

5.4 Wnt/β-catenin信号转导通路 由于维持骨完整性需要间充质干细胞致力于成骨细胞谱系，当Wnt活跃时，脂肪生成转录因子的表达受到抑制，从而使前体脂肪细胞保持在未分化状态[33]。激活Wnt的下游效应转录调节因子β-catenin，在骨重塑和微损伤修复的不同阶段起着不同的作用[3]。PMOP骨中有缺陷的Wnt信号可能损害组织对功能或机械需求的反应，从而增加骨折风险。

6 小结

绝经后骨质疏松症是最常见的骨骼疾病之一，目前的治疗策略主要包括药物干预和住院治疗，全世界每年的治疗费用估计达数十亿美元。骨吸收和形成过程之间的不平衡是骨质疏松症的主要原因。虽然存在许多治疗方法，但目前可用的姑息药物尚存在一定的不良副作用和长期疗效不满意。此外，由于对潜在机制的了解有限，特别是关于转录网络和信号转导通路在骨发育过程中是如何在遗传水平上紧密协调的，因此阻碍了治疗性绝经后骨质疏松症治疗学的发展。由于已知有许多因素会导致骨质疏松症的发生，而病理进展的分子基础在不同的骨质疏松症条件下可能有很大的不同，因此尚需进行更多的实验研究进一步探讨绝经后骨质疏松症发生的分子学机制。