基质细胞衍生因子-1在骨质疏松中的作用机制研究进展

黄 玮, 王 旭, 沈志梅, 崔 飞

(江苏省苏北人民医院, 1. 健康管理中心, 2. 创伤中心, 江苏 扬州, 225001)

世界卫生组织(WHO)将骨质疏松(OP)定义为一种以骨量降低和骨组织微结构破坏为特征而导致骨质脆性增加和易于骨折的全身性骨代谢性疾病。OP好发于60岁以上老人及绝经后妇女，骨折发生率分别为54%、41%, 全世界每年有超过890万例骨折病例是由OP引起的。中国最近的研究报告[1-3]显示，在年龄50岁以上的人群中，女性OP患病率为29.1%, 男性为6.5%。目前，OP是许多国家的公共卫生问题，给社会和家庭带来沉重的经济负担。OP的发病机制目前尚不清楚，各种干预效果也不甚理想，因此全面的认识OP的发生机制对于预防和治疗OP具有重大的实际意义。

基质细胞衍生因子-1(SDF-1)是CXC类趋化因子亚家族的一名成员，又称为趋化因子基质衍生因子(CXCL12), 其是一种由89个氨基酸组成的小蛋白质，带有2个半胱氨酸残基，中间有1个氨基酸，其编码序列位于10q11.1, 开放编码270 bp[17]。CXCL12是一种稳态趋化因子，最初被发现为Pre-B细胞生长因子(PBGF), 并且在淋巴细胞生成和胚胎发生等稳态过程中不可或缺[4]。CXCL12在肝脏、大脑、垂体、肾脏、脾淋巴结(LN)、结肠、心脏和骨髓(BM)等许多器官和组织中高表达，但在血液中表达降低[5]。这些器官和组织中CXCL12表达的主要来源是间质成纤维细胞、血管内皮细胞和成骨细胞，其与相应的受体结合，介导各种细胞过程，包括将干细胞募集到炎症和损伤部位，同时在细胞增殖、免疫调节、迁移、侵袭、血管生成、免疫逃避和炎症微环境中起着至关重要的作用。

目前已经鉴定出7个CXCL12亚型，在体内SDF-1有SDF-1α和SDF-1β这2种亚型，他们是由同一基因编码的通过不同剪接方式产生的，在4个羧基端存在差异。CXCL12主要与CXC趋化因子受体4(CXCR4)结合，从而产生一系列的生物学效应。CXCL12/CXCR4信号通路通过激活ERK、RAS、MAPK、JNK、P13K/mTOR、MEK/ERK等多种信号通路，表达于肿瘤内缺氧和促血管生成环境并调控肿瘤干细胞, CXCL12可刺激多种肿瘤细胞系的增殖，包括胶质瘤、卵巢癌、小细胞肺癌、胰腺癌等。CXCL12在炎症时可减少单核细胞浸润及炎症破坏，研究[6]发现CXCL12在子痫前期患者中高表达，可能与血管内皮受损和炎症免疫相关。CXCL12与受体结合常导致受体构象的改变，从而影响红细胞发育，研究[7-8]表明在诱导造血干细胞动员的过程中，粒细胞集落刺激因子(G-CSF)下调CXCL12的表达。CXCL12基因敲除的小鼠表现出心脏发育缺陷，研究[9-10]还表明CXCL12的分泌参与了化疗后的细胞损伤、心力衰竭、免疫疾病进展等病理过程。OP的发生与衰老及炎症因子的增加有关, CXCL12对骨髓干细胞动员、迁移以及成骨细胞和破骨细胞功能发挥都至关重要，能明显提高骨质缺损部位的骨再生修复。在骨髓中, CXCL12负责骨髓干细胞停留并维持其在骨髓中的定位和细胞周期状态。

1 CXCL12对间充质干细胞的影响

1.1 CXCL12/CXCR4轴影响间充质干细胞分化

研究[11]发现，CXCL12/CXCR4信号通路在成骨分化、骨骼发育和骨折修复过程中发挥重要作用。CXCL12及其受体CXCR4参与小鼠骨髓干细胞的迁移和存活，同时还参与了骨折区的细胞迁移, SDF-1/CXCR4信号转导对小鼠骨折后的修复有重要作用。研究[12]表明，干扰 CXCR4/CXCL12信号轴会抑制骨形态发生蛋白-2(BMP-2)诱导的人和小鼠骨髓来源的骨髓间充质干细胞(BMSC)的成骨分化。研究[13]显示, BMSC中阻断CXCL12/CXCR4信号轴将会降低BMP-2诱导的碱性磷酸酶(ALP)活性，降低成骨指标Runx2和OSX、OCN的表达，以及矿化结节的产生。其具体机制为: BMP成骨信号从细胞表面转导至细胞核主要是通过细胞内Smad和Erk通路控制, SDF-1/CXCR4信号轴的抑制明显降低BMP-2诱导的细胞内Smad和Erk磷酸化，从而抑制成骨。CXCL12通过增加基质金属蛋白酶-9(MMP-9), 从而增加破骨细胞的存活和迁移。

研究[14]认为CXCL12/CXCR4轴在干细胞归巢中发挥关键作用，骨细胞中CXCR4的数量是由其配体CXCL12控制的。SDF-1通过与CXCR4结合引起细胞迁移，损伤部位SDF-1分泌减少导致循环CXCR4阳性干细胞归巢的能力变差，并影响损伤部位的修复干细胞的聚集，进而导致骨形成显著减少，腹腔注射SDF-1中和抗体和局部注射SDF-1受体(CXCR4)拮抗剂AMD3100可抑制小鼠骨损伤诱导的骨髓干细胞数量增加。体外研究[15-16]也发现，超声治疗中可通过SDF-1/CXCR4途径增强骨折部位的干细胞募集，从而促进骨折愈合。受SDF-1趋化干细胞作用的启发，由脂质体和SDF-1组成的纳米颗粒系统，可为骨折部位靶向提供SDF-1, 增强干细胞募集，促进骨再生，且作用区域更大，能吸引更多的干细胞，并提高骨矿物质的亲和力，对治疗OP有明显的效果[17]。

在骨折急性期，骨折区SDF-1自分泌和旁分泌活性增强, SDF-1信号刺激细胞表面CXCR4的表达，促进BMSCs向骨折处聚集。SDF-1也可通过AKT信号通路参与诱导BMSC迁移的过程，且BMSC的迁移依赖于SDF-1的浓度。在卵巢切除鼠骨质疏松模型(OVX)中发现, BMSCs的成骨能力相对于未切除组明显受损，这可能是因为OVX-BMSCs对SDF-1的趋化活性降低，同时OVX-BMSCs成骨能力受损[18]。OVX-BMSCs与成年对照大鼠的BMSCs相比，年轻大鼠来源的BMSC在SDF-1的作用下迁移能力更强，且在OVX大鼠骨质疏松性模型疗效中局部应用SDF-1, 可促进干细胞募集，调节巨噬细胞向M2型极化，促进成骨及OCN和Runx2的表达。因此，促进SDF-1表达可达到治疗OP和有效促进骨折愈合的目的[19-20]。

1.2 SDF-1/STAT-3调节轴影响间充质干细胞分化

研究[21]发现激活SDF-1可增强STAT-3磷酸化，继而增强间充质干细胞增殖、趋化和成骨分化，同时上调CXCR4的表达和活性, CXCR4敲除可显著降低间充质干细胞黏附，并伴随BMP-2和Runx2蛋白的表达降低以及ALP活性和钙沉积下降。

1.3 SDF-1与营养信号通路相互作用影响间充质干细胞分化

研究[22]证明营养状态对细胞生长发挥了重要的作用，而瘦素影响SDF-1及其受体CXCR4及CXCR7表达，从而影响骨形成和间充质干细胞募集。表达CXCR4的MSCs全身移植可显著改善OP小鼠的骨硬度和强度，且CXCR4转染的间充质干细胞经静脉注射后会向骨髓迁移，改善骨密度和骨结构; 同时，与静脉注射安慰剂盐水的大鼠相比，转染CXCR4的间充质干细胞可显著增强骨密度和椎体强度[23]，进一步证明SDF-1通过由mTOR或瘦素调控的营养信号通路促进骨形成，在衰老过程中对这些通路的操纵可能既可以解释与年龄相关的肌肉骨骼疾病的病因，也可能在潜在的治疗干预中发挥作用[24]。但也有研究[25]显示，在OP模型中, CXCR4拮抗剂AMD3100可以直接阻断骨髓中SDF-1与CXCR4相互作用而使间充质干细胞有效动员入血，减少骨髓中破骨细胞数量来改善卵巢切除小鼠模型的骨丢失，这种现象需要后续更深入的研究来探讨。

1.4 CXCL12与miRNA相互作用影响间充质干细胞分化

在卵巢切除鼠OP模型中，发现miR-10a-3p与CXCL12相互结合，促进Runx2、Osterix表达，促进骨髓间充质干细胞成骨分化[26]。与年轻小鼠BMSCs相比，老年小鼠BMSCs中miR-29b-1-5p水平显著升高，还发现老年人类MSC中的miR-29b-1-5p水平显著高于成年人。而miR29b-1-5p直接靶向CXCL12可进一步降低CXCL12蛋白水平，从而抑制骨髓间充质干细胞的成骨分化，同时下调成骨基因Runx2的表达，从而抑制骨形成，这说明CXCL12能促进干细胞成骨分化。SDF-1可通过lncRNA-H19/miR-214-5p轴促进hBMSC成骨分化; SDF-1促进lncRNA-H19表达，而后lncRNA-H19与miR-214-5p结合并抑制miR-214-5p, 进而促进成骨，显著上调成骨基因OCN、OSX、Runx2、ALP及促进钙离子沉积。研究[27]显示miR-214-5p 抑制剂或lncRNA-H19过表达均可促进hBMSCs成骨分化，这表明SDF-1在骨形成方面有巨大作用，这为临床预防或治疗骨质疏松症提供了新的潜在靶点。

2 CXCL12在成骨细胞与破骨细胞的平衡中发挥重要作用

2.1 OP的发生与成骨细胞和破骨细胞维持的骨平衡密切相关

一项临床研究[28]显示，绝经后OP患者术后摘除股骨头或股骨颈松质骨，分离成骨细胞和破骨细胞，体外培养并检测2组成骨细胞和破骨细胞的增殖和凋亡情况，与健康对照组相比，骨质疏松组成骨细胞增殖显著受到抑制，凋亡率显著升高，破骨细胞增殖显著增强，凋亡率显著降低。骨质疏松组成骨细胞中CXCL12 表达水平显著低于健康对照组，而破骨细胞中CXCL12 表达水平显著高于健康对照组，这一机制可能是通过调节CXCL12基因表达抑制成骨细胞增殖和破骨细胞凋亡而实现的。另一项体内研究[29]发现，与健康对照者相比，绝经后骨质疏松女性(PMNOP)血浆CXCL12 水平显著升高，且与疾病严重程度相关，而血浆CXCL12水平与腰椎、股骨颈和全髋骨密度也呈显著负相关。在一项大于65岁老年男性研究[30]中发现, SDF-1血浆水平与年龄显著相关，年龄越大则CXCL12越高，但较高的CXCL12水平与较低的全髋关节骨密度相关，这可能是因为在复杂的人体环境中, CXCL12功能受到多种因素调控，对成骨细胞和破骨细胞具有不同的影响[31]。

2.2 CXCL12与雌激素相互作用影响骨平衡

动物研究[32]表明，雌激素通过减少破骨细胞数量和骨吸收来维持骨量, CXCL12缺乏引起皮质骨量丢失，促进破骨细胞生成，同时对成骨细胞发生和骨转换具有强大的抑制作用，这表明雌激素缺乏引起OP模型中的破骨细胞数量增加可能是由CXCL12驱动的。研究[33]证实，雌激素受体抑制间充质干细胞中CXCL12的表达可对小鼠的皮质内骨吸收产生保护作用，中和性CXCL12抗体还降低了小鼠颅骨细胞破骨细胞数量。另一项研究[34]也发现雌激素降低了野生型C57BL/6小鼠骨髓细胞中CXCL12 mRNA的表达, OVX或大鼠睾丸切除(ORX)均可提高骨髓血浆中CXCL12的水平，而OVX小鼠给予雌二醇(E2)可防止CXCL12的生成，这说明CXCL12可引起破骨细胞表达升高; 进一步研究显示，在缺乏CXCL12基因的小鼠中，与CXCL12未敲除的小鼠相比, CXCL12缺陷小鼠的成骨细胞生成较高，并在一定程度上减轻OVX引起的皮质骨丢失，表明CXCL12缺失可增加小鼠骨转换，减轻雌激素缺乏引起的皮质骨丢失。

2.3 CXCL12与miRNA相互作用影响骨平衡

已知miRNA可调节组织重塑。卵巢切除鼠OP模型与野生型小鼠相比，miR-29a表达降低，雌激素缺乏诱导miR-29a丢失，导致CXCL12过量产生，活化破骨细胞，最终引发骨质疏松症，成骨细胞中过表达miR-29a的小鼠表现出更高的骨密度和矿物质沉积。在机制方面，miR-29a过表达降低了CXCL12启动子中H3K27ac的富集，使CXCL12的表达降低，进而降低破骨细胞分化，以抵御雌激素缺乏诱导的过度破骨细胞活化和OP[35]。

2.4 CXCL12是控制破骨细胞分化的重要因素

在一些溶解性病变和OP为特征的病变中发现SDF-1发挥重要作用[36], 例如多发性骨髓瘤(MM), 激活SDF1/CXCR4信号通路诱导多发性骨髓瘤细胞发生趋化作用和CXCR4的下游信号通路传导以及诱导巨噬细胞向破骨细胞分化，这表明SDF1/CXCR4信号通路在MM破骨细胞的发生中起到重要作用[37]。

随着人口老龄化的加剧，OP已经成为一个重要的健康问题。目前骨质疏松症的临床研究主要集中在成骨细胞和破骨细胞方面，而其发病机制的研究尚未取得较大进展[38]。CXCL12在细胞的生长代谢方面发挥重要作用，参与转录因子或信号通路的调控，对干细胞、成骨细胞、破骨细胞具有不同的调控作用，并组成复杂的调控关系，维持骨代谢平衡。目前对CXCL12在OP的研究尚处于初步阶段，还有很多的调控机制有待于进一步探索。深入了解CXCL12调控成骨的分子机制可以进一步明确OP的病因，为寻求新的分子诊断标志物及靶向治疗骨质疏松症提供理论依据。