破骨細胞活性及其調節因子的研究進展

張 猛，牛澤鋒，王翠杰，尹 飛

吉林大學中日聯誼醫院骨科，吉林 130033

骨質疏松癥是一類非特異性的全身骨代謝障礙性疾病，病理特點是骨量減少、骨再生不足、骨脆性增加［1］，大大增加了骨折的風險［2］。骨的形成和維持就是成骨細胞和破骨細胞不斷塑形和修復的過程，二者的不平衡可導致骨量的丟失［3-4］。破骨細胞來源于造血干細胞，是一種和單核細胞、巨噬細胞相關的細胞，與骨細胞、成骨細胞相互作用進行正常的骨轉換［5-6］。破骨細胞前體細胞向成熟破骨細胞分化取決于核因子受體活化因子配體（RANKL）的存在，RANKL是腫瘤壞死因子（TNF）家族成員，還取決于粒單系集落刺激因子、核因子受體活化因子（RANK）、CD14及CD11b等［7］。其中RANK廣泛的在成骨細胞、骨髓基質細胞、T淋巴細胞、B淋巴細胞中表達，它能激活破骨細胞上的RANKL受體。當RANKL和RANK相結合后，一些關鍵調節轉錄因子和酶增加，促進破骨細胞的分化、增生、多核化、激活、生存［8］。降低破骨細胞的活性和成熟性已經成為治療骨質疏松癥的方法［9］，所以血清學測定骨吸收標志物評價破骨細胞活性對治療骨質疏松癥有重要的意義。

1　破骨細胞活性及其調節因子的生化標志物

1.1　Ⅰ型膠原交聯C末端肽（CTX）及Ⅰ型膠原交聯N末端肽（NTX）

CTX來源于Ⅰ型膠原C末端的8-氨基酸片段，是由組織蛋白酶K降解Ⅰ型膠原C末端產生的，能間接反映破骨細胞吸收能力。血清中測定CTX比尿液中測定CTX更加實用、方便，它不需要測定尿中的肌酐，廣泛用于臨床實驗室，血清中CTX的短期和長期變異性比尿液中的CTX低約2倍。Weitzmann等［10］在研究活性二氧化硅晶體對破骨細胞和成骨細胞的影響的實驗過程中發現血清CTX與骨密度測定、微型計算機斷層掃描的測量結果基本吻合。測血清中的CTX需要受試者清晨禁食，因為食物能降低血清中的CTX水平，增加它的變異性［11］。NTX是由組織蛋白酶K降解Ⅰ型膠原N-末端產生的，也能間接反映破骨細胞吸收的能力。臨床測定血液、尿液中的NTX與CTX的方法基本相似。CostaL等［12］發現NTX的濃度能較好地反映體內骨代謝的狀況，在預測骨量丟失趨勢方面具有重要價值。

1.2　吡啶酚/脫氧吡啶酚（PYD/DPD）

PYD/DPD是在Ⅰ型膠原降解產物，廣泛分布在骨骼的Ⅰ型膠原以及軟骨的Ⅱ型膠原中。PYD/DPD是骨膠原的重要組成成分，在骨膠原合成過程中參與膠原分子間的交叉連接，使分子間形成穩定的共價交聯，骨吸收時，骨膠原分子蛋白水解，釋放出游離態PYD/DPD進入血液，并以原形從腎臟排出，因此尿液中PYD/DPD主要來源于骨吸收，測定尿液中PYD/DPD的含量可以反映人體骨吸收活動的程度［13］。Ardawi等［14］在番茄紅素治療骨質疏松癥的研究中發現，骨質疏松癥模型中尿液中的DPD濃度顯著增加，抗骨質疏松治療后DPD濃度顯著降低。

1.3　抗酒石酸酸性磷酸酶（TRACP）

TRACP是成熟破骨細胞、活化巨噬細胞和樹突狀細胞共同作用產生的一種糖蛋白，TRACP的肽鏈被蛋白酶分解成5a和5b 2個亞型，是反映破骨細胞活性和骨吸收狀態的特異性指標［15］。有研究表明抗骨吸收治療能減少TRACP分泌入血［16］。Diepenhorst等［17］研究發現TRACP與破骨細胞活性有很大的正相關性。Hallen等［18］研究發現女性在絕經期后血清TRACP 5b水平有所升高；骨質疏松患者 TRACP 5b含量會也顯著增加。血清TRACP 5b水平是一個較好的骨吸收檢測指標，TRACP 5b濃度對抗骨質疏松藥物療效進行很好地評價。

1.4　組織蛋白酶 K（CatK）

CatK是破骨細胞中表達量最高、溶骨活性最強的一種半胱氨酸蛋白酶，是骨吸收過程中的一個關鍵酶，由大約12.1 kb的單基因編碼，結構上和CatL、CatS相似［19-20］。Verbov?ek等［21］在研究癌癥導致的溶骨性骨轉移的過程中發現，血清CatK的水平和骨吸收的能力有相關性。Duque等［22］研究發現敲除組織蛋白酶的小鼠與人類缺乏CatK所致的致密性成骨不全癥的表現相同，骨吸收作用受到嚴重破壞，導致骨硬化癥。此外，從CatK缺乏小鼠獲得的離體破骨細胞不能形成骨吸收陷窩，CatK缺乏小鼠的骨表型顯示其他組織蛋白酶的代償或上調機制不完善，這可能與CatK作為骨吸收作用的優勢效應物有關。CatK可成為一個潛在的治療骨質疏松癥的藥物靶點。組織蛋白酶抑制劑已經作為抗骨吸收的藥物進入臨床藥物試驗［23］。目前奧當卡替作為一個比較安全和理想的組織蛋白酶抑制劑已經進入臨床三期試驗［24］。

1.5　小核糖核酸（miRNA）

miRNA存在于動物、植物、病毒內，是一類長度約為22個核苷酸的非編碼單鏈RNA分子，在核糖核酸沉默機制和基因的轉錄后調節中起作用［25］。Xie等［26］報道miRAN通過調節破骨細胞的分化和成熟活性來調節骨代謝。Seeliger等［27］發現血清中miR-21、miR-23a、miR-24、miR-93、miR-100、miR-122a、miR-124a、miR-125b和miR-148a的水平在骨質疏松癥人群中比非骨質疏松癥人群高。miRNA的具體血清學測定還待進一步探索。Wange等［28］報道miR-21能促進骨的產生，這為臨床抗骨質疏松又提供了一種思路。

2　破骨細胞分化主要信號轉導通路中細胞因子對破骨細胞活性的調節

2.1　核因子受體活化因子配體/核因子受體活化因子/骨保護素（RANKL/RANK/OPG）系統

RANKL、RANK、OPG都屬 TNF成員。RANK在體內主要表達于單核和巨噬細胞系，RANKL、OPG在體內主要是由成骨細胞產生［29-30］。RANKL刺激破骨細胞的分化和活性，抑制破骨細胞的凋亡，是破骨細胞增殖分化和活化的關鍵調控因子，當RANK和RANKL結合在一起時，激活相關的基因轉錄因子，骨的重建就開始了［31-32］。血清RANKL的濃度與骨吸收的程度呈正相關，能衡量破骨細胞活性［33］。Li等［34］在研究黃腐酚的抗骨吸收的過程中發現注射RANKL能抑制破骨細胞的活性。OPG與RANK競爭RANKL，共同調節破骨細胞的活性，測量血清OPG的濃度可預測破骨細胞的活性［35-36］。因此，RANKL/RANK/OPG系統在破骨細胞形成過程中具有關鍵作用，該信號系統可作為破骨細胞中的潛在藥物靶點，RANKL的抑制劑已經作為抗骨質疏松藥物進入臨床使用。

2.2　巨噬細胞集落刺激因子（M-CSF）

M-CSF是一種同型二聚體糖蛋白，可由成骨細胞、基質細胞和T淋巴細胞分泌合成，M-CSF通過一系列的基因轉錄，促進破骨細胞的分化。M-CSF還可以促進RANKL與破骨細胞表面的RANK相結合，提高RANK對RANKL的敏感性，促進破骨細胞分化［37］。生長因子受體結合蛋白2（Grb2）、細胞外調節蛋白激酶-1（ERK-1）、ERK-2和p38絲裂原活化蛋白激酶在破骨細胞的分化中也有重要作用［38-39］。

2.3　免疫受體絡氨酸活化基序（ITAM）

ITAM中Fc受 體γ亞單 位（FcRγ）和DNA X-激活蛋白（DAP）12是ITAM的2個重要的調節分子，對破骨細胞分化形成有不可替代的作用。Koga等［40］的研究表明FcRγ和DAP12基因缺陷小鼠的破骨細胞活性降低。

參與破骨細胞分化成熟的細胞因子彼此緊密協調來影響破骨細胞分化，它們之間存在著各種偶聯機制。通過對OPG/RANKL/RANK信號系統的干預，可以延緩骨吸收達到預防及治療骨溶解的作用。

3　展　望

在過去幾十年，骨質疏松癥的病理機制已經從組織、細胞、分子水平被認識。在許多的前瞻性研究中，骨吸收的生化標志物已經被證實和椎體骨折和非椎體骨折有關系，可用來檢測抗骨質疏松藥物的藥效，預測骨量的變化，幫助患者選擇治療等。但是對于具體的患者應用這些標志物來預測其骨折風險的意義還不是很確定，要和其他重要的評價標準一起應用，如骨密度的測定。

上述骨吸收標志物中CTX、TRACP-5、CatK的應用最廣泛，如果能定量或定性測定血清中這3種物質的濃度，就能定量地預測破骨細胞活性，那么其對骨質疏松癥的治療將更有價值。NTX、PYD/DPD在研究中作為輔助評價破骨細胞吸收活性的標志物，應用比較少。在破骨細胞分化主要信號通路上，拮抗RANKL活性的生物制劑已進入臨床試驗階段，前景很好，但仍需進一步臨床試驗證明。ERK1、ERK2、p38絲裂原活化蛋白激酶、M-CSF和Fc受體等是從基因轉錄水平上研究破骨細胞活性，血清學測定這些細胞因子仍需大量的基礎實驗來證實。miRNA是新發現的調節破骨細胞活性的因子，處于不成熟的研究階段，如果能明確其與破骨細胞活性的關系，可能會為治療骨質疏松癥提供另外的思路。總之，破骨細胞活性的測定仍需更多的臨床試驗研究，若能從上述生化標志物或其他新的標志物定量測定破骨細胞活性，將對骨質疏松癥的預防和治療提供更加簡便的方法。