骨細胞相關因子在骨重建中的作用*

安 敏安榮澤王兆杰趙俊延

骨細胞相關因子在骨重建中的作用*

安 敏①安榮澤①王兆杰①趙俊延①

骨細胞是一種動態的、具有復雜功能的細胞，也是骨組織中含量最豐富、分布最廣泛的細胞。近幾年研究發現，骨細胞在骨重建中的調節作用越來越明顯，其分泌的骨硬化蛋白、RANKL及OPG是調節骨形成和骨吸收的重要調控因子。骨細胞特異性地分泌的骨硬化蛋白對骨形成具有特殊的抑制效果，主要機制是結合LRP5/LRP6，從而阻止經典Wnt信號通路。而骨硬化蛋白的單克隆抗體則通過拮抗其作用而保證Wnt信號通路的正常傳導，引起骨形成、骨密度和骨強度增加。骨細胞同樣會分泌RANKL及OPG，兩者在生理和病理條件下直接或間接調節破骨細胞分化和功能，調控骨重吸收。該文就這一領域近年研究現狀和發展方向作一綜述。

骨細胞； 骨重建； 骨硬化蛋白； RANKL； OPG

骨組織總是在連續不斷地進行骨重建。兩種類型細胞參與到骨重建，包括來源于血液系統的破骨細胞和來源于骨髓基質干細胞的成骨細胞和骨細胞。成骨細胞和破骨細胞在骨組織內只是短暫的存在，且數量少，位置不定。骨細胞則是骨組織中含量最豐富的細胞，在骨組織中形成遍布礦化骨基質的三維細胞網絡。近幾年研究發現，骨細胞在骨重建中的調節作用越來越明顯，其分泌的骨硬化蛋白、RANKL及OPG是調節骨形成和骨吸收的重要調控因子。

1 骨細胞及其功能

骨細胞起源于成骨細胞，成熟成骨細胞的5％～20％包埋在自身分泌的基質中，并分化為骨細胞。成骨細胞的壽命是數周，破骨細胞僅為數天，而骨細胞的平均半壽期大約為25年[1]。這使骨細胞成為骨組織中數量最多的細胞，約占骨組織中細胞總數的90％以上。骨細胞目前被認為是骨組織中主要的應力感受器，其通過骨基質和骨陷窩-小管網絡系統高度的連通性，能感知來自流體的各種力[2]。

骨細胞表達成骨細胞的大多數基因，包括成骨細胞特異性的轉錄因子和蛋白，盡管表達水平可能不盡相同。骨細胞中堿性磷酸酶和Ⅰ型膠原的表達較低，而骨鈣蛋白表達較高。角膜蛋白在成骨細胞的表達顯著高于骨細胞[3]。在骨組織礦化及磷酸代謝相關基因表達上骨細胞比成骨細胞富含更多基因，如PHEX、DMP1、MEPE、FGF23[4]。骨細胞既分泌磷蛋白質（如Dmp1），也參與骨基質的礦物質沉積[5]。骨細胞還參與體內磷酸鹽平衡，作為磷元素和纖維原細胞因子（FGF）的主要供應者[5]。骨細胞也表達某些影響骨形成的分子微粒，包括Dkk1和SOST，但Dkk1也存在于成骨細胞，而SOST僅在骨細胞表達[4]。SOST基因編碼的骨硬化蛋白對骨形成蛋白（BMP）家族的成員蛋白具有很強的拮抗作用。此外，骨硬化蛋白和Dkk1與LRP5和LPR6結合，阻止Wnt信號通路的激活。此類研究表明骨細胞中少量表達的基因可能作為骨組織重建過程中的分子調解者。

2 骨細胞調節骨形成和骨吸收的分子機制

2.1 骨硬化蛋白在骨細胞調節骨形成中的作用 成熟的骨細胞特異性地分泌骨硬化蛋白（Sclerostin）[6]。骨硬化蛋白由SOST基因編碼，主要對抗BMP家族成員和結合LRP5/LRP6，從而阻止經典Wnt信號通路[7]。人的SOST表達缺失將導致高骨量疾病Van Buchem’s病和硬化性骨化病的發生[8]。小鼠SOST基因缺失同樣表現為高骨量和骨強度增加[9]，而轉基因小鼠過表達人SOST則表現為低骨量[10]。這些研究證明骨硬化蛋白對骨形成具有特殊的抑制效果[11]。

骨硬化蛋白表達的變化是由于骨骼對機械刺激的適應性反應。研究發現暴露的皮質骨在機械應力作用下骨細胞分泌骨硬化蛋白減少，導致臨近骨膜表面的骨形成增多[12]。相反，當無機械應力刺激骨組織時，SOST基因或骨硬化蛋白表達明顯增加[12]。此類的研究表明當機械力作用時骨細胞對骨形成的調節是通過下調骨硬化蛋白從而局部釋放Wnt信號來實現的。事實上，在小鼠骨細胞中過表達人SOST基因時，機械力刺激并不能下調骨硬化蛋白的表達，更不能激活Wnt通路和相關骨組織合成代謝[13]。因此，下調SOST對機械刺激骨形成至關重要。此外，失重或卸載所致的骨丟失與骨細胞表達的骨硬化蛋白增加有關[4]。

研究發現，甲狀旁腺激素和雌性激素可抑制SOST基因的表達。間斷或連續給予PTH，都將下調小鼠骨細胞中骨硬化蛋白的表達，對人而言則降低骨硬化蛋白在體內循環水平[7，14]。當機體雌激素水平下降時，骨硬化蛋白合成增多，并通過雌激素影響骨吸收[15]。研究還發現骨硬化蛋白可以增加成骨細胞的Caspase活性，誘導成骨細胞凋亡，這可能是骨硬化蛋白抑制骨形成的另外一種機制[16]。

隨著現代分子生物學的發展，現已研制出對抗骨硬化蛋白作用的生物制品——骨硬化蛋白單克隆抗體，其主要作用機制是拮抗骨硬化蛋白保證Wnt信號通路的正常傳導，使骨形成活動順利進行[17]。研究發現，骨硬化蛋白單克隆抗體不論對絕經后骨質疏松大鼠還是對衰老雄性大鼠均可以使它們骨形成和骨強度增加[18-19]。此外，采用骨硬化蛋白單克隆抗體處理大鼠骨折模型時發現其可增加骨折愈合處的橋接與骨強度，對骨折愈合有顯著促進作用[20-21]。近年的臨床試驗也證實，骨硬化蛋白抗體能增加絕經后的骨質疏松患者的骨量和骨強度[22]。盡管以上實驗均為短期試驗，但都提示了骨硬化蛋白單克隆抗體可增加骨形成的作用以及其在臨床應用治療骨質疏松的可能。

2.2 骨細胞通過RANKL和OPG調節骨吸收

2.2.1 RANKL與骨吸收 目前對骨吸收調節機制的研究尚不明確。不少學者認為骨細胞凋亡可能通過誘導基質細胞或成骨細胞分泌RANKL間接刺激破骨細胞生成，從而影響骨吸收。但近來在骨重建研究中發現骨細胞能直接產生和可能分泌核因子NF-KB受體活化因子配體（Receptor activator ofnuclear kappa B ligand，RANKL），并證實其參與到骨吸收的調節。早期研究普遍認為，成骨細胞是為破骨前體細胞提供RANKL的主要來源[23]。但最新研究發現骨改建過程中骨細胞也是RANKL的主要來源之一[24-25]。體外實驗甚至還發現純化的骨細胞RANKL表達均比成骨細胞和骨髓間充質干細胞高[24]。在骨細胞中，RANKL主要位于其溶酶體中[26]。條件性敲除小鼠基因會抑制由尾部懸吊方法導致的骨丟失，表明骨細胞的RANKL促進廢用性骨量減少[25]。然而，骨細胞膜結合的或可溶性的RANKL是否與骨細胞驅使的骨重吸收有關，目前尚不明確。缺乏骨細胞RANKL的小鼠表現出骨重吸收的減少，伴隨著骨組織中RANKL的低表達，但循環中可溶性RANKL并沒有減少[25]。而在尾懸吊的小鼠中也發現循環中可溶性RANKL沒有改變[27]。此外，可溶性RANKL對破骨細胞形成有意想不到的作用，而對在3D共培養系統中的骨細胞和破骨前體細胞作用并不明顯。相反，骨細胞樹突表達的膜結合的RANKL和破骨前體細胞表達的RANK的直接接觸被認為是破骨細胞分化所需要的[26]。當RANKL與破骨前體細胞膜上RANK的受體結合后，從而啟動破骨細胞內特異性基因表達的關鍵信號，進一步誘導破骨前體細胞分化為成熟的破骨細胞，繼而發揮溶骨效應，最終導致骨質破壞。Masashi Honma等[26]將破骨前體細胞和骨細胞在膠原蛋白凝膠中共培養，發現RANKL信號在骨細胞樹突形成的輸出調節機制對于調節破骨細胞形成程度尤為重要。研究者還發現轉基因小鼠骨細胞中甲狀旁腺激素受體的單獨激活誘導骨重吸收也與RANKL增加有關[28]。哺乳期誘發的骨丟失，伴隨著PTHrP增加，是依賴于骨細胞PTH受體的表達[28-29]。

2.2.2 OPG與骨吸收 骨細胞同樣會分泌骨保護素（Osteoprotegerin， OPG），OPG和RANKL競爭受體，當0PG搶先占領RANKL后，間接就阻斷了RANKL與破骨前體細胞表面的RANK受體結合，從而抑制破骨前體細胞的成熟分化，達到防止骨質過度吸收的目的。正如成骨細胞一樣，骨細胞中OPG分泌受Wnt/ β-catenin通路的調節；小鼠骨細胞中缺乏β-catenin表現為骨質疏松，這是由于破骨細胞數量的增加和骨重吸收的增加[30]。最新研究指出，骨細胞也分泌巨噬細胞集落刺激因子（Macrophage colony-stimulating factor， M-CSF），使其成為骨組織中M-CSF另一重要來源[31]。

綜上所述，作為骨組織中含量最多的骨細胞在骨重建中的作用已被學者所認可，其活性可直接或間接調節骨形成和骨吸收。骨細胞中表達的少許基因已經被確認為是骨細胞促使骨重建的分子介質。骨細胞分泌的骨硬化蛋白抑制骨形成，采用骨硬化蛋白單克隆抗體抑制骨硬化蛋白的生物學作用，已進入臨床實驗階段，有望成為一種新的治療骨質疏松及骨折愈合的有效藥物。骨細胞還分泌RANKL和OPG，它們在生理和病理條件下直接或間接調節破骨細胞分化和功能，顯示骨細胞有調控骨重吸收的潛能。但骨細胞調控骨吸收和骨形成還有哪些具體機制？調控過程中有無信號通路的反饋調節？解決好這些問題將有助于深入研究骨細胞對骨重建的作用，為骨科基礎研究和骨組織工程研究提供新的思路。

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The Role of Osteocyte-related Factors in the Bone Remodeling

AN Min， AN Rong-ze， WANG Zhao-jie， et al.//Medical Innovation of China，2015，12（07）：150-153

As the most abundant and the most widely distributed in bone tissue， osteocytes are dynamic cells， with complex function. Recent studies have revealed that osteocytes play multiple important physiological roles， secreting many regulatory factors， such as osteosclerosis protein， receptor activator of the NF-kB ligand （RANKL） and osteoprotegerin（OPG）. These factors play important roles in regulating bone formation and bone resorption. The sclerostin， is expressed at significant levels by osteocytes， interacts with Lrp5 and Lrp6 and inhibits the canonical Wnt signaling pathway. Sclerostin monoclonal antibody ensures Wnt pathway conducting normally by inhibiting sclerostin， increasing bone formation， bone mineral density and bone strength. Osteocytes also secretes RANKL and OPG， both of which regulating differentiation and function of osteoclasts directly or indirectly， in Physiological and pathological conditions， regulating bone reabsorption. In this paper， we make a review about the research status and development direction.

Osteocyte； Bone remodeling； Sclerostin； RANKL； OPG

10.3969/j.issn.1674-4985.2015.07.051

2014-11-20） （本文編輯：王宇）

2013年貴州省科技廳、遵義醫學院、遵義市科技局聯合基金項目（黔科合J字LKZ[2013]43號）

①遵義醫學院第五附屬（珠海）醫院 廣東 珠海 519100

安榮澤

First-author’s address： The Fifth Affiliated Hospital of Zunyi Medical College， Zhuhai 519100， China