骨髓脂肪組織調節調控骨量研究進展

智信 陳曉 蘇佳燦*

1．海軍軍醫大學基礎醫學院，上海 200433 2．海軍軍醫大學附屬長海醫院創傷骨科，上海 200433

骨髓脂肪組織(MAT)是由脂肪細胞在骨髓腔內累積所形成。在正常生理條件下，出生時幾乎所有的骨髓都是造血紅骨髓[1]，但到了成年期，50%的骨髓被脂肪黃骨髓填充，也稱為骨髓脂肪組織[2]。骨髓脂肪細胞主要由骨髓間充質干細胞(BMSC)分化生成，其過程經歷了間充質干細胞、成脂肪細胞、前體脂肪細胞、不成熟脂肪細胞和成熟脂肪細胞等幾個階段，并且認為其優先于成骨細胞生成[3]。骨髓脂肪細胞的發育始于骨的遠端區域并隨著時間向近端移動[4]。遠端MAT由密集的脂肪細胞組成，主要含不飽和脂肪酸，稱為組成型MAT(cMAT)，而近端MAT，主要含有飽和脂肪酸，被稱為調節型MAT(rMAT)。cMAT和rMAT主要成分不同，表明其功能不同，例如在寒冷環境下，小鼠脛骨骨骺和脛骨近端rMAT減少56%～71%，而脛骨遠端cMAT沒有減少，這表明rMAT可能對環境更敏感[5]。其功能差異仍有很多爭論，需要進一步的探索。以往認為MAT的功能主要在于填充骨髓腔起機械性支撐作用。但隨著近年來深入研究，發現MAT可能是一個新的內分泌“器官”。骨髓脂肪細胞(BMA)通過自分泌和旁分泌的方式，分泌脂聯素、瘦素以及白細胞介素6等一系列細胞因子，在骨髓局部和全身整體代謝中發揮重要調節作用。MAT在低骨量狀態下增加，如骨質疏松癥、神經性厭食癥、抗糖尿病藥物治療等。目前有較多研究認為MAT與骨量、成骨細胞分化、破骨細胞分化關系密切，在骨骼疾病中發揮重要的作用。

1 骨髓脂肪組織與成骨分化

1.1 MAT與BMSC分化

在骨髓間充質干細胞的分化命運中，脂肪細胞形成和成骨細胞形成是最密切相關的，并且調節脂肪細胞特異性轉錄因子(例如，PPARγ、脂聯素)和成骨細胞特異性轉錄因子(例如，Runx2和Osterix)的表達在調節骨量穩態中起著重要作用[6]。所以骨髓脂肪細胞與成骨細胞呈現競爭性關系，在低骨量狀態下可以明顯觀察到骨髓脂肪組織的聚集，反之亦然。目前，有關研究致力于通過抑制骨髓脂肪組織生成，從而達到增加骨量的效果。

過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator-activated receptors，PPARs)是核激素受體家族中受配體激活的核內轉錄因子[7]。PPARγ是PPARs家族中最具有脂肪專一性的一員，活化的PPARγ通過調控脂肪細胞相關基因的表達，促進脂肪細胞分化、增加脂肪細胞的數量，對脂肪的生成、轉運、脂肪的儲存和氧化等起著重要的作用[8]。目前有研究使用PPARγ拮抗劑來抑制脂肪生成，此類藥物包括雙酚-A-二縮水甘油醚(BADGE)、SR10171和橄欖苦苷等[9]。用BADGE處理正常C57小鼠后可以減少MAT體積，增加骨量，同時血清中骨生成標志物OCN、骨橋蛋白(OPN)和RUNX2等的水平也有所提高[10]。SR10171和橄欖苦苷也具有相似的作用，能抑制人BMSCs中PPARγ的表達和脂肪細胞生成，并增強其向成骨細胞的分化[9]。類似地，PPARγ的選擇性調節劑促進 Ser112去磷酸化后，對骨量有積極作用。然而，使Ser112磷酸化的噻唑烷二酮(TZD)等會使骨量降低[11]。實驗證明，抗糖尿病藥物TZDs，羅格列酮或吡格列酮的使用會抑制成骨細胞分化，促進脂肪細胞生成，導致骨質流失[12-13]。以上研究表明，骨髓脂肪組織生成在骨量調節中起到了負調節作用，在骨質疏松癥等骨代謝失衡疾病的治療過程中，也要注重抑制BMSC向脂肪分化，從而促進其成骨分化，增加骨量。

1.2 MAT調控成骨活性

FoxC2屬于winged轉錄因子家族，通過增加脂肪細胞對β-腎上腺素能cAMP蛋白激酶A通路的敏感性和線粒體代謝促進棕色脂肪和白色脂肪的生成[14]。通過脂肪細胞特異性增強子控制aP2/Fabp4基因，從而導致敲除FoxC2的小鼠MAT含量下降，骨量上升，并且對肥胖和葡萄糖耐受不良具有抗性。此外，前脂肪細胞分泌卷曲相關蛋白1(sFRP-1)，一種WNT抑制劑，指導BMSC向成脂分化，并抑制Wnt/β-catenin通路，從而抑制骨形成[15]。隨著MAT的形成，通過分泌一種半胱氨酸蛋白酶Legumain，抑制成骨細胞的定位和成熟。深入研究發現，Legumain能夠促進纖連蛋白的降解，從而防止骨生成所必需的細胞外基質的生成，并且提供更適合骨髓脂肪細胞產生的微環境[16]。這表明Legumain可以作為治療骨質疏松癥等疾病的潛在靶點。但是，也有研究發現MAT分泌的WNT10b、IGF-1和IGFBP2等蛋白，在共培養條件下具有促進成骨活性的作用[17]。進一步研究發現其Ucp1、Dio2和Prdm16等成骨相關基因的表達有所增加[18]。以上研究表明，MAT分泌的因子對成骨細胞有抑制作用，但是也不排除有積極影響，目前尚無定論，需進一步研究。

2 骨髓脂肪組織與破骨分化

脂肪細胞分泌的因子在調節破骨細胞生成及其功能方面也發揮著重要的作用。目前主要認為MAT分泌的因子對破骨細胞的分化有促進作用，例如PPARγ、RANKL等。

RANKL在骨骼穩態方面發揮著重要的作用，可以促進破骨細胞的生成，從而加速骨破壞和骨侵蝕，是骨穩態中重要的一環。研究表明，衰老和絕經過程中，骨髓MAT含量增加，在前脂肪細胞生成過程中，通過激活C/EBPβ和C/EBPδ，促進RANKL的分泌[19]，增強破骨細胞的生成，促進骨質吸收，降低骨量[20]。在以往的研究中表明，促進破骨細胞生成的RANKL主要來自骨基質中的骨細胞[21]，但是深入骨內的骨細胞如何與破骨前體細胞接觸仍然不明確。該研究證明了被骨髓包圍的脂肪細胞也能分泌RANKL，從而促進破骨細胞的生成。目前對骨細胞和骨髓脂肪細胞分泌的RANKL哪個對破骨細胞的生成發揮主要作用沒有定論，需要進一步研究。

此外，研究表明PPARγ活化后對破骨細胞具有調節作用。據報道PPARγ活化后激活造血干細胞(HSC)中c-fos啟動子，從而通過誘導c-fos促進破骨細胞生成。敲除PPARγ后能降低小鼠骨吸收水平，增加小鼠骨量[22]。通過這種非成骨細胞依賴性的方式誘導破骨細胞生成，導致了成骨細胞和破骨細胞的解偶聯，破壞了正常的骨穩態。

3 討論

除上述因子外，MAT也分泌其他因子，但這些因子對骨量的影響沒有明確的定論。脂肪細胞分泌的因子脂聯素對MSC向成骨細胞分化具有抑制作用[23]。據報道，成骨細胞與脂肪細胞共培養可降低成骨細胞生成轉錄因子runx2的表達，當脂肪細胞的脂聯素受體被敲除時成骨細胞分化又會增加[23]。但是也有研究得到了相反的結果，表明脂聯素可以促進成骨細胞的形成[24]。此外，脂聯素對于破骨細胞生成也有影響。有研究報道，脂聯素可以直接作用于HSC并抑制其分化為成熟的破骨細胞[25]，但也有研究稱脂聯素通過誘導RANKL表達和抑制成骨細胞中的OPG表達間接促進破骨細胞生成[26]。此外，一些研究報道了老年和絕經后婦女血清脂聯素水平與骨密度(BMD)呈負相關[27]。然而，2型糖尿病患者中血清脂聯素水平與的BMD呈正相關，提示脂聯素對這些患者的骨質流失具有保護作用[28]。所以目前對脂聯素和骨量的關系并不明確。

其他脂肪因子包括Omentin-1，抵抗素和內脂素也被證明可以調節成骨細胞和破骨細胞分化[29-31]。Omentin-1促進成骨細胞的增殖[32]并誘導其產生OPG，同時通過抑制RANKL間接抑制破骨細胞分化[29]。卵巢切除小鼠體內過表達Omentin-1后可以緩解由雌激素缺乏引起的骨質流失[29]。據報道，抵抗素可促進成骨細胞增殖[31]。然而也有研究稱抵抗素通過激活NF-κB信號傳導促進破骨細胞生成，所以抵抗素對骨重建的總體影響尚不清楚[31]。內脂素以胰島素受體介導的通路促進膠原分泌[33]，并通過抑制RANKL，NFATc1和組織蛋白酶K的表達來阻斷破骨細胞的分化[30]。然而，在患有炎癥性腸病的患者中，血清內脂素水平與BMD呈負相關，這表明需要進一步研究以了解內脂素在骨代謝中的作用[30]。

雖然從一個多世紀以前就認識到了骨髓脂肪組織的存在，但目前國內外有關MAT的研究卻不多。研究人員一直認為MAT在骨髓腔中僅僅起到填充物的作用，然而隨著2014年MAT能表達RANKL的研究發表以來，越來越多的研究報道了MAT在調節骨代謝過程中的作用。在衰老過程中，MAT的含量越來越多。研究表明，這些變化與很多疾病的發生發展有密切聯系，例如骨質疏松癥。然而真正有關于MAT的起源，其分化對成骨細胞、破骨細胞的影響以及其分泌的因子對其他細胞的影響知之甚少，包括脂聯素、內脂素、抵抗素等對骨量的影響目前沒有統一的結論。未來在關于MAT與骨量調節研究方面，可以考慮兩種選擇。第一種方向遵循“脂肪減少導致骨骼增加”的觀點，降低骨髓間充質干細胞向成脂方向分化，誘導其向成骨方向分化，從而增加骨量。第二種方向為進一步挖掘MAT分泌的因子，鑒定其對成骨細胞以及破骨細胞的影響。隨著近幾年來研究人員對骨髓脂肪組織的關注，有關MAT與成骨細胞、破骨細胞以及骨量的研究越來越多，但是還伴隨著諸多問題，有待進一步研究。