OPG/RANK/RANKL信號軸與原發性骨質疏松關系的研究進展

李應福，李寧*，謝興文

1.甘肅中醫學院，蘭州 730000 2.甘肅省中醫院，蘭州 730050

原發性骨質疏松癥是指骨單位體積量減少，骨組織微結構破壞，致易發生骨折的全身性骨代謝障礙性疾病，主要強調骨量、骨丟失與骨結構的重要作用，以骨量減少、脆性增加、結構退化、易發生骨折為臨床特征[1]。近幾年基于原發性骨質疏松癥的防止與治療從分子生物學方面進行的深入研究取得了較大突破[2]。研究證明[3]，骨保護蛋白(osteoprotegerin，OPG)，核因子-κβ受體活化因子(receptor activator ofnuclear factorkappaβ，RANK)和核因子κβ 受體活化因子配體(ligandof receptor activator of nuclear factor kappaβ，RANKL)在骨代謝的調節中發揮著重要的作用，OPG是RANKL的受體，二者結合后主要抑制破骨細胞的成熟分化及骨基質的吸收；而RANK是RANKL又一受體，二者結合后發揮破骨細胞分化的作用，促進骨基質的吸收。因此只有當OPG和RANK保持一定的比率，才能保持骨代謝軸平衡，才能防止各種疾病的發生。本文就近年來發現的OPG/ RANK/RANKL信號通路與骨疾病相關的原發性骨質疏松的關系及作用研究等最新進展做一綜述。

1 OPG/RANK/RANKL 系統的組成

1.1 OPG

OPG是抑制骨吸收、增加皮質骨和松質骨密度、面積和骨強度的關鍵細胞因子[4]，主要由間充質細胞衍生的細胞如成骨細胞和骨髓間充質干細胞分泌表達，OPG除了在成骨細胞、骨髓基質細胞、成纖維型滑膜細胞及單核細胞表達外，在心臟、肺、脾、胃、腎、肝、小腸、皮膚、甲狀腺、骨髓、脊髓、腦、胎盤等多種組織中均有表達[5]。其主要功能是競爭性的阻斷RANKL與其功能性受體RANK結合，并形成OPG/RANKL/RANK系統，從而封閉成骨細胞誘導的破骨細胞前體細胞分化與融合，并調控破骨細胞的生成、分化、成熟與凋亡，影響其生理功能[6-7]。Shimizu-Ishiura等[8]研究發現，小鼠卵巢切除術(OVX)小鼠給予 OPG 后骨小梁顯著增多，相反未給予OPG的OVX小鼠骨小梁減少，證實OPG可以抑制骨吸收，最終防止骨量丟失。研究證實[9]對于可逆轉因OPG 缺乏引起的嚴重骨質疏松可用重組 OPG 治療，并提高去勢后骨質疏松大鼠的骨量。OPG還可以與腫瘤壞死因子(TNF)相關凋亡誘導配體(TRAIL)結合，抑制TRAIL誘導的腫瘤細胞凋亡，因此骨肉瘤、巨細胞瘤、軟骨肉瘤、轉移性骨腫瘤、前列腺癌、乳腺癌等的發展與體內OPG水平相關。但是目前OPG和TRAIL 結合的分子生物學意義正在實驗研究階段。

1.2 RANK

RANK是誘導破骨細胞成熟的關鍵細胞因子，屬TNFR超家族成員，RANK 在體內主要表達于單核和巨噬細胞系，另外在胸腺、肝臟、骨骼肌、骨小梁、小腸、結腸及腎上腺中也有表達。RANK主要通過破骨細胞及其前體細胞表面與 RANKL 結合，進而發揮促進破骨細胞的分化、成熟并阻止破骨細胞迅速凋亡的作用。在體內主要存在于可溶型和跨膜蛋白型兩種方式：前者在血液中存在，可發揮阻斷RANKL促破骨細胞分化、生長的功能；后者存在于破骨細胞表面，選擇性地與RANKL結合，促使骨吸收。研究證實[10]，RANK基因敲除鼠明顯缺乏破骨細胞，最終會形成非致命性石骨癥。而RANK過度表達則出現破骨細胞數量顯著增加，細胞遷移能力增強，骨吸收速度加快，外基質被破壞礦化，臨床主要表現為Paget病。

1.3 RANKL

RANKL是調控骨吸收的關鍵細胞因子，屬TNF超家族成員，RANKLmRNA在骨髓基質細胞、原始間葉細胞、激活的T淋巴細胞及肺中高度表達。RANKL蛋白在骨細胞、增生的軟骨細胞等細胞中高度表達[11]。Steeve等[12]發現軟骨基質中的RANKL有三種類型：RANKL1、RANKL2和RANKL3型。RANKL1和RANKL2型均能增強破骨細胞前體細胞的增殖，RANKL3型則抑制破骨細胞前體細胞的增殖，RANKL不僅調節骨代謝，還具有活化 T 細胞表達的 RANKL 又能活化破骨細胞的功能，因此RANKL 在免疫與骨骼系統的相互交叉對維持骨代謝軸動態平衡起著重要的作用。另外RANKL在成骨細胞高爾基體中大量儲存，OPG則可使RANKL保持在胞內，減少其釋放至胞膜及胞外[13]。實驗研究發現，可溶性RANKL過度表達的大鼠，骨組織中出現骨吸收與骨骼脆性均增加、骨密度降低等類似絕經后骨質疏松癥狀[14]。Weitzmanm 等[15]認為，RANKL是細胞因子對于破骨細胞的分化成熟和骨吸收的最后下游效應。

2 OPG/RANK/RANKL 系統對破骨細胞生成的調節

RANK/RANKL信號通路在破骨細胞生成調節中發揮著重要作用。當成骨細胞釋放的RANKL與破骨細胞表面上的 RANK 結合，腫瘤壞死因子受體相關因子(TNF receptor associated factor，TRAFs)會迅速結合到 RANK 的胞質區，當TRAF6與RANK 結合后，激活下游信號通路，如核因子-κβ(nuclear factor-κβ，NF-κβ)、c-Jun N末端激酶、鈣調素蛋白磷酸酶、胞外信號調節激酶、Src、c-Myc、p38、絲氨酸-蘇氨酸激酶Akt/PKB等活化并轉運到核內，c-Fos 的表達增加，與活化的 T 細胞核因子(nuclear factor of activated T cells，NFAT-c1)結合并相互作用，啟動破骨細胞生成基因的轉錄，最終誘導破骨細胞的終末分化及形成并抑制其凋亡[16-17]。另外有研究表明，如果有效阻斷RANKL與RANK的結合，可以防止腫瘤溶骨的發生[18]。

成骨細胞分泌的 OPG競爭性地與RANKL三種亞型結合，使其結合RANK 的活性丟失，通路啟動失敗，從而抑制成熟破骨細胞的形成、存活和激活。實驗證明[19]，OPG 基因敲除會導致小鼠皮質骨和骨小梁均減少，然而其過多表達會使破骨細胞數量減少，骨量增加，導致出現嚴重的骨硬化癥。因此，OPG/RANKL 的比率維持骨吸收量和骨形成量的動態平衡，直接影響破骨細胞形成及細胞因子和下游激素對骨代謝發揮作用的重要調節杠桿。一項研究證實，在同等條件下OPG 與 RANKL 的親和力比RANK 與 RANKL 的親和力低200倍[20]，這就間接影響了骨代謝軸的平衡，促進了破骨細胞的活化、分化及成熟。甘璐等[21]實驗研究顯示，熱可通過對 OPG/RANKL/RANK 信號通路平衡軸的影響，促進 OPG 表達、同時降低 RANKL 表達，使 OPG/RANKL 比值大，從而抑制破骨細胞分化及成熟，抑制骨吸收的作用。

3 OPG /RANK /RANKL 系統與原發性骨質疏松癥相關性

3.1 絕經后骨質疏松癥

絕經后骨質疏松癥是由于婦女絕經后雌激素分泌降低，加速破骨細胞增殖分化，導致骨吸收率增加，骨形成率相對減少，骨吸收大于骨形成，破壞骨代謝軸平衡，導致骨量的減少和骨微結構的變化，骨小梁排列紊亂，使骨的力學性能下降，這是絕經后骨質疏松癥發病的主要因素。OPG/RANK/RANKL信號通路是雌激素參與破骨細胞生成和抑制骨吸收作用的重要路徑之一。并且雌激素能增加OPG 的分泌，同時可以直接抑制 RANKL 受體激活。研究發現雌激素在體內正常生理劑量時直接通過雌激素受體而作用于成骨細胞來表達OPG、RANKL，最終起到調控破骨細胞的生成和活性的作用。但在另一項絕經后骨質疏松與血清中 OPG 水平的關系研究中發現，其結果卻相互矛盾。有的研究認為絕經后婦女的骨密度與骨強度與OPG 水平呈正相關[22]，有的研究認為二者之間呈負相關[23]，另有研究認為二者并無相關聯系[24]。因此，臨床上不能將血清中 OPG 水平作為診斷骨質疏松的直接指標。

3.2 老年性骨質疏松癥

隨著年齡的不斷增加，成骨細胞的存活率逐漸呈下降趨勢，導致骨代謝軸失衡，另外OPGmRNA表達降低和RANKLmRNA 表達增高可能是增齡性骨流失的重要原因之一[25]。Cao等[26]研究發現，中、老年鼠的RANKLmRNA 水平比青年鼠RANKLmRNA 水平高 2.1～4.4 倍，OPGmRNA 水平隨年齡的增長逐漸減少。另外其病因還與性激素減少有關，老年女性骨密度與骨強度下降除了雌激素分泌減少外，還存在于一些非雌激素依賴性骨丟失的老年婦女。老年女性體內雌激素水平伴隨著絕經、腎上腺雌激素水平的下降而逐漸降低，使OPG/RANKL比值減小，這就破壞了OPG/RANK/RANKL骨代謝軸的平衡；老年男性骨質疏松癥亦與雄激素分泌水平有關，研究發現雄激素可減少體外成骨細胞OPG表達。但高飛等[27]研究發現大鼠體內雄激素與OPG的水平呈負相關，其主要原因是雄激素可能經芳香化酶的作用轉變為雌激素，然后其與α受體結合使OPG表達增加，抑制破骨細胞的活化、分化成熟。這也許是老年女性比老年男性發生骨質疏松癥時間早且程度重的原因之一。

4 OPG/RANK/RANKL 信號通路對骨質疏松癥的作用研究概述

OPG/RANK/RANKL骨代謝軸目前是影響破骨細胞激活、分化、發育、成熟及調節其功能最重要的途徑，對其的研究在治療骨質疏松癥甚至骨代謝性相關疾病中起著舉足輕重的作用。那么如何調控OPG/RANK/RANKL骨代謝軸才能達到促進成骨、抑制破骨的目的，這成為許多臨床與實驗研究的重點。OPG與RANKL分別作用于成骨和破骨，要通過OPG/RANKL/RANK骨代謝軸來逆轉和治療骨質疏松，主要是促OPG 表達或抑RANKL表達。近年人重組 OPG、單克隆 RANKL抗體已研制成功，部分藥物已經開始臨床試驗[28-29]。Cummings等人[30]研究發現重組OPG可有效抑制骨吸收而不影響骨形成，另外單克隆RANKL 抗體組婦女在腰椎、髖部、股骨和橈骨遠端的骨密度與骨強度變化方面較雙磷酸鹽組明顯有效，且骨折的發生率明顯低于對照組，證實該類抗體在治療骨質疏松癥方面的具有廣闊的應用前景[31]。Miller等[32]研究證實，單克隆RANKL 抗體可降低絕經后婦女的骨轉換標志物水平，并增加其骨礦密度，Hofhauer 等[33]研究發現，單克隆RANKL 抗體可以增加人類 RANKL基因敲除小鼠的骨強度，并有效預防藥物(糖皮質激素)誘導的骨量丟失。目前，單克隆RANKL抗體還被認為可以用于骨肉瘤、乳腺癌，前列腺癌及骨轉移性腫瘤的治療[34]。但由于 OPG/RANK/RANKL 系統是一個動態平衡調節過程，對體內除了骨重建的調控外，另包括免疫系統及其他未知領域，因此長期應用是否會對免疫系統有影響及其預防骨折的療效尚不明確。

總之，對OPG/RANK/RANKL系統的深入研究不僅闡釋了骨質疏松癥發生、發展以及修復的機制，而且為原發性骨質疏松癥的預防與治療提供了一條新捷徑，加速對成骨細胞、破骨細胞及相關細胞因子的信號傳導網絡的研究進展，為預防和治療包括絕經后骨質疏松在內的溶骨性疾病提供了最為相關的治療靶點，為骨代謝疾病尤其是骨質疏松癥提供潛在的以細胞為基礎的治療新途徑。通過OPG/RANK/RANKL系統調節原發性骨質疏松癥的發生與發展過程，可以預防原發性骨質疏松癥帶來各種不可逆的危害。因此獲得更為有效安全的治療原發性骨質疏松藥需要更多的臨床實驗研究。當然各種細胞因子和信號通路在骨代謝與骨重建過程中相互調節和影響，過程極其復雜，因此對于該過程的研究仍然任重道遠。