雌激素影響絕經后骨質疏松分子機制研究進展

孫偉明 劉 爽

(天津中醫藥大學，天津 300193)

雌激素影響絕經后骨質疏松分子機制研究進展

孫偉明 劉 爽1

(天津中醫藥大學，天津 300193)

雌激素；絕經后骨質疏松；破骨細胞；成骨細胞

骨質疏松是以骨量減少、骨的微觀結構退化為特征的，致使骨的脆性增加以及易于發生骨折的一種全身性骨骼疾病，可分為三大類即原發性骨質疏松、繼發性骨質疏松、特發性骨質疏松。絕經后骨質疏松(PMOP)為Ⅰ型原發性骨質疏松，由絕經后機體雌激素水平下降而引發，年齡通常界定在50～70歲。雌激素的缺乏被認為是PMOP的主要原因，其中具體的分子機制仍未達成共識，本文結合近些年研究雌激素對PMOP發病機制的影響進行分析。

1 骨重建

骨重建過程的穩定進行依賴于骨形成和骨吸收的平衡〔1〕，成骨細胞(OB)和破骨細胞(OC)在其間發揮著主導作用。OB來自于成纖維細胞間質細胞系(MSC)，OC由造血干細胞分化形成，是唯一具有骨吸收能力的細胞〔2〕。當骨由于各種因素出現損傷時，兩者可以和位于骨細胞表面的骨襯細胞聯系，開始骨的重建過程。骨細胞被甲狀旁腺激素(PTH)、白細胞介素(IL)、雌激素不足或者其他一些激素刺激后激活，骨髓基質細胞(BMSC)或OB合成釋放巨噬細胞集落刺激因子(M-CSF)和受體激活核因子κB配體(RANKL)，兩者可以誘導OC前體細胞(pre-OC)募集和分化，之后便開始了骨吸收。骨吸收過程中OC可以釋放多種生長因子如轉化生長因子(TGF)-β，TGF-β可以將OB募集至骨基質從而進行骨形成過程，最后完成骨的重建。骨丟失正是由于骨吸收大于骨形成從而出現了骨質疏松癥。在絕經最初一段時間里，由于雌激素的缺乏，成熟OC數量增加，骨吸收活躍，骨量迅速丟失。雌激素在此過程中不僅影響pre-OC的分化，也影響到了成熟OC的骨吸收過程和凋亡，同時對OB的分化增殖凋亡也有一定的調節作用。

2 雌激素影響OC分化的機制

Pre-OC分化形成OC的過程中，M-CSF和RANKL這兩種因子是必不可少的。兩者作用于pre-OC促進其核融合形成多核細胞，后者細胞膜表面的RANK可以繼續與RANKL結合形成成熟OC。體內雌激素缺乏時，BMSC和OB分泌更多的M-CSF和RANKL，同時OB分泌IL-7增加，促進T細胞增殖并合成分泌RANKL和其他腫瘤壞死因子(TNF)，TNF刺激OB使RANKL合成進一步增加；TNF也可以直接作用于pre-OC，和RANKL一起共同促進成熟OC的形成〔3〕。Roggia等〔4〕發現卵巢切除小鼠內的TNFα顯著升高，并直接導致RANKL的升高；D'Amelio等〔5〕在絕經后女性外周血的培養中也發現RANKL和TNF含量的增加。雌激素可以促進OB合成分泌骨保護素(OPG)〔6〕，OPG與RANKL同屬于TNF家族因子，兩者競爭結合pre-OC和OC表面的RANK，因此OPG可以抑制OC的生成。

此外在pre-OC和OC中存在著雌激素受體(ER)〔7〕。Takada等〔8〕通過改良技術在成熟OC細胞核提取物中發現多種ERα相關的共調因子，如分解產物激活劃位(CAP)-H，蛋白子相關蛋白(TRAP)240，并且檢測到了相應的蛋白其中就包括ERα，說明成熟OC內有特異性的共調因子幫助完成ERα相關功能。Martin-Millan等〔9〕敲除ERαLysM-/-小鼠單核和巨噬細胞的ERα的基因后，發現骨基質中pre-OC和松質骨中OC的數量增加約2倍，同時還出現了松質骨骨量的丟失；而用ERα等位基因替換的ERαf/f小鼠中并未出現相應的變化。這說明雌激素對pre-OC和OC可以通過ERα可以直接發生作用。可是，Michael等〔10〕用含有RANKL、M-CSF、TNFα等因子的培養基培育pre-OC，在雌激素干預后未發現OC的生成未受到明顯抑制，而與OB共培養的pre-OC在相同的條件下OC的生成受到了抑制。這說明雌激素對OC分化的影響可能來自其對OB的調節而間接發揮作用。

3 雌激素影響OC骨吸收和凋亡的機制

成熟OC位于骨基質表面，通過αvβ3整合素與基質進行信號的傳導，OC形成豎起膜稱為皺褶緣，其可以包裹周邊骨基質，形成一個個微環境——封區(Sealing zone)。OC通過質子泵外排H+使封區環境酸化溶解骨礦物，同時分泌組織蛋白酶(Cat)K降解蛋白機制。而細胞內pH值主要通過OC與抗骨吸收細胞表面的碳酸氫根和氯離子的交換維持，氯離子可再次穿過細胞膜的陰離子通道進入骨吸收的微環境，從而使其pH值保持在4.5左右，這種酸性環境可以調動骨礦物和提供Cat K降解骨基質蛋白最佳環境，從而實現骨吸收〔11〕。由此可見封區是OC發揮骨吸收功能的主要環境。Song等〔12〕用含有M-CSF、RANKL、胎牛血清等物質的α-MEM培養基培育小鼠巨噬細胞樣(RAW264.7)細胞，用不同濃度的OPG干預，5 d后通過顯微鏡觀測封區皺褶情況，發現對照組在細胞邊緣有皮帶樣突起，細胞核分散分布；而20 ng/ml OPG干預組封區數量減少，伴隨有骨陷窩的出現，提示有骨吸收現象；40、80 ng/ml干預組封區結構缺失，而OPG可在雌激素刺激下由OB合成分泌，并且該過程可以被雌激素的拮抗劑(ICI182780)阻斷〔6〕。缺氧誘導因子(HIF)1α是又一個在PMOP中引起的骨丟失重要因子〔13〕。OC和pre-OC中存在編碼合成HIF1α的mRNA，但是雌激素可以削弱HIF1α蛋白在這些細胞中的表達。絕經后雌激素缺乏可以使HIF1α在OC中積累，激活OC導致骨丟失。實驗證明OC的HIF1α特定激活抑制劑可以使雌激素缺乏大鼠免于骨丟失〔14〕。

雌激素可以誘導OC凋亡。Faloni等〔15〕用雌激素和玉米油分別干預卵巢切除術后大鼠，發現雌激素組OC數量明顯下降，出現OC細胞的凋亡。OC凋亡過程和多種因子相關〔16〕。Xiong等〔17〕通過蛋白組學和信息組學分析比較雌激素存在與否對OC凋亡分化和多種蛋白因子表達的影響，發現雌激素可以影響77條細胞內通路，影響6 403種蛋白中的355種，證實了雌激素可以促進OC凋亡。Hughes等〔18〕證實雌激素可以誘導OC的凋亡可以被TGF-β的抗體所抑制，而TGF-β可由OB經雌激素刺激后合成釋放〔19〕。雌激素可以通過ERα作用于pre-OC和OC，引起Fas配體(FasL)上調，與OC表面的Fas結合后觸發受體凋亡通路，進而依次激活起始半胱氨酸蛋白酶(Caspase-8)，效應Caspase-3與相應底物蛋白結合后導致OC凋亡；相反，當雌激素缺乏時，FasL下調，OC的壽命延長〔3〕。同時，Shao等〔20〕研究發現雌激素與OC的凋亡和骨髓間充質干細胞(BMMSc)密切相關。雌激素可以下調BBMSc中miR-181a的表達，后者是靶向于FasL信使RNA 3'-UTR的FasL合成抑制因子，因此在雌激素充足的情況下，BBMSc可以表達更多的FasL與OC表面Fas結合，進而激活受體凋亡通路。Nakamura等〔21〕通過實驗證明雌激素通過ERα激活Fas/FasL系統調節OC的壽命。Martin-Millan等〔9〕也通過動物實驗證明了FasL對于促進OC凋亡具有重要作用。Krum等〔22〕通過用雌激素上調OB的FasL而誘導pre-OC的凋亡。FasL介導的受體凋亡通路成為了OC凋亡的主要方式。

4 雌激素影響OB分化增殖凋亡的機制

OB源于MSC。轉錄因子Cbfa1/Runx2，Osterix，多種生長因子如骨形態發生蛋白質(BMPs)對MSC分化、OB增殖起著關鍵作用。雌激素對OB同樣有著一定的影響：Tyagi等〔23〕認為雌激素缺乏誘導輔助T細胞(Th17)分泌的IL-17增加，后者誘導OB合成分泌TNF-α,IL-6和RANKL從而促進OC合成。Chen等〔24〕培養PMOP患者的髂骨中的MSC，與對照組比較，用雌激素干預后的ERα和堿性磷酸酶信使RNA表達量明顯增高，而ERβ的含量并沒有出現顯著性差異，認為雌激素對MSC分化的影響主要是通過影響ERα的活性實現的。然而，Yin等〔25〕發現雌二醇可以通過磷酸化GSK3β進而顯著提高OB前體細胞(pre-OB)β-catenin的表達，此過程中ERβ發揮著重要作用。雌激素干預pre-OB 后，與OB分化相關的基因(BGP,ALP,OPN)和增殖相關的基因(cyclin D1)表達顯著提高，而用ERβ干擾RNA預處理的pre-OB并未出現明顯的改變，說明雌二醇可以通過ERβ激活Wnt/β-catenin信號通路促進OC增殖分化。Fan等〔26〕分別培養健康人群和PMOP患者的人BMSCs(hBMSCs)，發現雌激素干預PMOP組的hBMSCs分化增殖增強，同時伴有Notch信號通路的上調，并驗證雌激素是通過增強Jagged1蛋白的表達激活Notch信號通路，從促進OB的生成和骨量的維持。然而，雌激素不僅僅是促進OB的增殖和分化，骨代謝穩定在于骨吸收與重建之間的動態平衡。Almeida等〔27〕通過實驗證明雌二醇可以通過減弱BMP-2誘導的轉錄來抑制OB系分化與增殖，從而減緩OB的生成，這種現象是通過ERα介導細胞外信號調節激酶(ERKs)活化和ERKs連接區域Smad1磷酸化實現，最終導致蛋白酶體的降解和BMP-2信號的抑制；同時發現雌二醇可以通過ERα而抑制OB的凋亡。Yang等〔28〕體外培養小鼠OB株MC3T3-E1，發現血清剝奪可以通過激活效應Caspases3導致OB凋亡，通過抑制雷帕霉素靶蛋白(mTOM)的磷酸化誘導自噬發生，而雌二醇通過ERK-mTOM信號軸和ER顯著擴大自噬效應，借此可以抑制OB的凋亡。Bradford等〔29〕體外培養人類肉瘤細胞G-292，發現雌二醇可以抑制依托泊苷激活的線粒體凋亡通路和TNFα激活的受體凋亡通路，并通過ERβ抑制G-292細胞凋亡基因ITPR1的轉錄從而實現對OB凋亡的抑制。

此外，雌激素可以提高1α經化酶的活性，使1,25(OH)2D3的合成增加，進而促進腸鈣吸收和骨形成；促進降鈣素分泌，從而抑制骨吸收；調節骨對PTH敏感性，減少低鈣對PTH的刺激，抑制PTH分泌，減少骨吸收。雌激素能夠抑制促炎性細胞因子如IL-1，IL-6，IL-7和TNF的分泌。當雌激素缺乏，TNF和BMSC/OB增加，并且后者對IL-1更敏感，之后IL-1和TNF刺激BMSC/OB釋放多種細胞因子如IL-6，IL-11、TGF、M-CSF、RANKL和粒細胞巨噬細胞集落刺激因子(GM-CSF)。這些因子均參與到了pre-OC的分化過程。

5 結 語

雌激素影響POMP的機制是復雜多樣的，針對PMOP的發病機制治療手段也圍繞在抗pre-OC分化如狄諾塞麥；抗骨吸收藥物如雙膦酸鹽類，Cat K抑制劑〔11,30 〕；雌激素受體調節劑如雷洛昔芬；還有PTH的類似物、鈣離子的替代物等。近些年隨著雌激素參與介導的細胞信號傳導研究的深入，ERα介導FasL凋亡通路、H IF1α因子、ERKs等相繼被引入到PMOP發病機制中，為其治療也可提供新的思路與方法。

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〔2016-02-22修回〕

(編輯 袁左鳴)

國家自然科學基金項目(No.81202652)；天津市應用基礎與前沿技術研究計劃基金項目(No.13JCQNJC11700)

劉 爽(1984-)，女，博士，主治醫師，主要從事中醫腦病臨床與基礎研究。

孫偉明(1989-)，男，在讀博士，主要從事中醫腦病臨床與基礎研究。

R336

A

1005-9202(2017)02-0499-04；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.02.108

1 天津中醫藥大學第二附屬醫院