從信號交聯(lián)角度探討骨髓脂肪化在原發(fā)性骨質(zhì)疏松中的作用機(jī)制

甘東浩 陳德強(qiáng) 譚國慶* 徐展望*

1. 山東中醫(yī)藥大學(xué)，山東 濟(jì)南 250355 2.山東中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院骨科，山東 濟(jì)南 250014

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)是以骨量減少、骨組織微細(xì)結(jié)構(gòu)改變?yōu)樘卣鳎殡S有骨的脆性增加以及易于發(fā)生骨折的一種全身性代謝性骨骼疾病，常發(fā)生于老年人和絕經(jīng)后婦女中。近年來，在原發(fā)性骨質(zhì)疏松(老齡或絕經(jīng)后)的哺乳動物和人類骨髓中脂肪增多伴骨量減少的現(xiàn)象引起了研究者的廣泛關(guān)注，但具體機(jī)制如何，尚未完全闡明。本文將從FoxO-β-catenin-PPARγ信號軸角度對骨髓脂肪化在原發(fā)性骨質(zhì)疏松中的作用機(jī)制進(jìn)行綜述，為該疾病的診治提供新的著眼點(diǎn)。

1 原發(fā)性骨質(zhì)疏松骨量減少與骨髓脂肪增多的關(guān)系

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)具有多向分化能力[1]。作為骨髓中成骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞的共同來源，有研究指出[2]在某些生理和病理狀態(tài)下，由于骨髓內(nèi)脂肪細(xì)胞數(shù)目不斷增多，骨髓腔內(nèi)微環(huán)境發(fā)生改變，導(dǎo)致具有向成骨和成脂分化潛能的BMSCs向脂肪細(xì)胞分化增多、成骨分化減少，從而打破了骨吸收和骨形成之間的平衡并形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致或加劇了骨質(zhì)疏松。體外細(xì)胞培養(yǎng)研究也證實(shí)來自骨質(zhì)疏松大鼠的BMSCs(O-MSCs)比對照組的BMSCs(C-MSCs)有著更強(qiáng)的成脂分化能力，相反成骨分化能力減弱。現(xiàn)代研究[3]表明，在各種原發(fā)性的骨質(zhì)疏松患者中，其骨髓腔內(nèi)的MSCs成脂增多伴成骨能力下降，且脂肪細(xì)胞含量與骨質(zhì)疏松程度呈反比，進(jìn)一步說明了骨髓中脂肪細(xì)胞與成骨細(xì)胞之間存在著一種“此消彼長”的關(guān)系[4]，并且已經(jīng)被認(rèn)為是原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥的一種發(fā)病機(jī)制。那么，這種BMSCs定向分化所形成新的脂肪細(xì)胞和脂肪難道僅僅起著填充髓腔和骨小梁空隙的作用，還是會影響成骨，造成骨質(zhì)疏松？一些研究[5]已經(jīng)進(jìn)一步指出，這些脂肪和骨有著一種密切的生理病理相關(guān)性，原發(fā)性骨質(zhì)疏松骨量的丟失是脂肪和骨相關(guān)聯(lián)的結(jié)果，是一種骨肥胖。骨質(zhì)疏松是一種脂毒性疾病，過多沉積的脂類可以引起成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞的凋亡及功能障礙[6]。但對這種脂毒性的具體機(jī)制研究較少，有待于進(jìn)一步深入研究。

2 骨髓脂肪化對局部微環(huán)境的影響

脂毒性是指脂質(zhì)在非脂肪組織過載所引起的細(xì)胞功能障礙和所誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。對骨組織來說，體外研究已經(jīng)證實(shí)脂肪細(xì)胞分泌的因子對BMSCs可產(chǎn)生脂毒性，影響細(xì)胞分化功能[7]。脂肪細(xì)胞也可以對成骨細(xì)胞的功能和活性產(chǎn)生影響，其可被脂肪酸合成抑制劑阻斷，且抑制脂肪酸合成可以促進(jìn)成骨[8]，說明脂肪酸可引起對成骨細(xì)胞的脂毒性。游離脂肪酸及其他脂毒性物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的增多，會增加線粒體對脂肪酸的氧化或通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等途徑，影響細(xì)胞功能[9-10]。氧化應(yīng)激介導(dǎo)的細(xì)胞功能異常是脂毒性一個(gè)重要的發(fā)病機(jī)制，如活性氧(reactive oxygen species，ROS)聚集可導(dǎo)致氧化應(yīng)激，其具有雙重作用，可氧化、破壞蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、DNA，導(dǎo)致細(xì)胞功能改變，也可激活胞內(nèi)多重適應(yīng)性信號通路[11-12]。氧化應(yīng)激可誘導(dǎo)成骨細(xì)胞凋亡已被廣泛認(rèn)可[13]，且細(xì)胞的氧化應(yīng)激以及ROS水平升高會促使 MSCs向成脂分化傾斜，導(dǎo)致成骨形成減弱及成骨數(shù)量減少[14]。Arai等[15]研究認(rèn)為在氧化應(yīng)激環(huán)境中成骨細(xì)胞分化下降與抗氧化酶系統(tǒng)表達(dá)上調(diào)和成骨基因表達(dá)的改變密切相關(guān)。由此可見，骨髓腔內(nèi)脂肪細(xì)胞堆積通過氧化應(yīng)激介導(dǎo)的脂毒性在抑制BMSCs成骨分化、成骨細(xì)胞活性，繼而引起骨質(zhì)疏松中扮演了重要角色。因此，通過探討脂毒性通過氧化應(yīng)激途徑誘導(dǎo)骨質(zhì)疏松的發(fā)病機(jī)制，將會給原發(fā)性骨質(zhì)疏松的治療研究帶來新的切入點(diǎn)和靶點(diǎn)。

3 氧化應(yīng)激介導(dǎo)的FoxO-β-catenin-PPARγ信號軸對BMSCs分化失衡的作用機(jī)制

經(jīng)典 Wnt 信號通路在成骨細(xì)胞的分化、增殖中發(fā)揮重要作用，是成骨細(xì)胞的正向調(diào)節(jié)蛋白，而且還可以抑制破骨細(xì)胞的功能和分化[16]。這一通路主要由細(xì)胞外因子Wnt蛋白、糖原合成激酶3β(GSK3β)等介導(dǎo)，最終穩(wěn)定的β-Catenin進(jìn)入細(xì)胞核，調(diào)節(jié)靶基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，通過Runx2基因促進(jìn)成骨的形成[17]。調(diào)控該途徑中任何一個(gè)因子都可影響成骨細(xì)胞的功能與活性，從而對骨形成和骨代謝起著重要的調(diào)控作用[18]。現(xiàn)代研究也發(fā)現(xiàn)[19]隨著年齡的增長，成骨細(xì)胞數(shù)量的減少與氧化應(yīng)激增加抑制Wnt信號途徑有關(guān)。

過氧化物酶體增殖活化受體(PPAR)是一類配體激活的核轉(zhuǎn)錄因子超家族成員，其中PPARγ是最具有脂肪細(xì)胞特異性、對脂肪細(xì)胞的分化起關(guān)鍵性作用的調(diào)節(jié)因子,還可抑制成骨分化[20]。臨床觀察也發(fā)現(xiàn)應(yīng)用PPARγ激動劑治療糖尿病，可引起糖尿病性骨質(zhì)疏松[21]。研究表明[22]，骨髓中PPARγ2隨年齡的增加而增加，此外體內(nèi)游離脂肪酸可促進(jìn)PPARγ表達(dá)，誘導(dǎo)BMSC成脂分化，使骨髓腔中脂肪細(xì)胞堆積，抑制成骨分化[23]，形成惡性循環(huán)； ROS 還可以增加脂氧合酶Alox15 的表達(dá)，繼而反饋調(diào)節(jié)脂質(zhì)氧化，后者又可以結(jié)合PPARγ，促使PPARγ與β-catenin 結(jié)合，進(jìn)而降低β-catenin /TCF誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞形成[24]。PPARγ在BMSCs成骨、成脂雙向分化過程中起著“開關(guān)”的作用，表達(dá)升高，則抑制成骨分化，促進(jìn)成脂分化[25]。

FoxO刺激機(jī)體表達(dá)與DNA修復(fù)和自由基清除有關(guān)的各種功能基因，并調(diào)節(jié)幾種前凋亡基因，從而誘導(dǎo)異常或損傷細(xì)胞發(fā)生凋亡[26]。在哺乳動物細(xì)胞中，F(xiàn)oxO4、FoxO1和FoxO3a的過量可誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)育的停滯或凋亡[27-28]，在過氧化氫誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激反應(yīng)中，F(xiàn)oxo的活性與細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)氧化損傷和caspase-3活化有關(guān)[29]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)[30]細(xì)胞中敲除 FoxO1、FoxO3和FoxO4基因，骨骼中成骨細(xì)胞的數(shù)量會下降，氧化應(yīng)激水平升高。其中FoxO1 轉(zhuǎn)錄因子主要參與細(xì)胞凋亡、應(yīng)激、DNA 損傷/修復(fù)等生命過程，NaKae等[31]提出FoxO1在激素激活的信號通路與促進(jìn)脂細(xì)胞分化的復(fù)合轉(zhuǎn)錄瀑布的整合方面起重要作用。Rached等[32]也發(fā)現(xiàn)FoxO1是成骨細(xì)胞氧化應(yīng)激中調(diào)節(jié)骨重建一個(gè)關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子； FoxO3[33]則在氧化應(yīng)激反應(yīng)時(shí)乙酰化作用增強(qiáng)。動物實(shí)驗(yàn)[34]表明，氧化應(yīng)激是與年齡有關(guān)的骨質(zhì)流失和骨強(qiáng)度下降的一個(gè)關(guān)鍵發(fā)病因素，F(xiàn)oxO是與β-catenin密切聯(lián)系的轉(zhuǎn)錄因子，且拮抗Wnt信號的能力隨著年齡的增加而增強(qiáng)。過多的ROS致使 Wnt/β-catenin信號通路TCF/LEF轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)向?yàn)?FoxO 轉(zhuǎn)錄，降低成骨，最終導(dǎo)致機(jī)體出現(xiàn)骨質(zhì)疏松[35-36]。

脂質(zhì)氧化能抑制經(jīng)典的Wnt信號通路，引起成骨細(xì)胞數(shù)量與骨形成下降[19]。在脂質(zhì)過載環(huán)境中，Wnt 信號通路與 FoxO信號通路及PPARγ信號通路間的交聯(lián)作用影響骨質(zhì)疏松的發(fā)生和進(jìn)展。當(dāng)ROS過多時(shí)，F(xiàn)oxO可競爭性的與β-catenin 結(jié)合，抑制Wnt信號通路中TCF/LEF 轉(zhuǎn)錄，降低成骨，出現(xiàn)骨質(zhì)疏松[37]，而β-catenin的過度表達(dá)，可以防止FoxO介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)錄；老化使骨髓MSCs的PPARγ2表達(dá)增加，同時(shí)脂肪酸氧化產(chǎn)物能與PPARγ2結(jié)合并激活PPARγ2，降解β-catenin蛋白，導(dǎo)致βcatenin/ TCF調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄作用降低[35，38]，Wnt也可通過PPARγ影響到脂肪細(xì)胞的分化[39]。FoxO -β-catenin-PPARγ交聯(lián)軸(圖1)所介導(dǎo)的氧化應(yīng)激反應(yīng)在骨骼中的作用逐漸受到研究者們的關(guān)注[19]。成鵬[40]等研究表明通過調(diào)節(jié)FoxO3a/Wnt2/β-catenin通路，抑制FoxO3a，可提高β-catenin蛋白表達(dá)水平，能夠有效緩解氧化應(yīng)激介導(dǎo)的去卵巢大鼠的骨質(zhì)疏松。Philip等[41]也發(fā)現(xiàn)使用抗氧化劑n-乙酰半胱氨酸(NAC)可通過抑制Foxo的活性，解除對Wnt信號的拮抗作用來預(yù)防酒精誘導(dǎo)BMSCs分化失衡的作用。動物實(shí)驗(yàn)[42]表明敲除前成骨細(xì)胞的β-catenin基因，導(dǎo)致成年小鼠PPARγ2的表達(dá)增加，骨髓內(nèi)脂肪堆積，骨量減少，而他汀類藥物可以通過激活Wnt通路和抑制PPARγ通路，起到治療脂代謝異常帶來的骨質(zhì)疏松和骨質(zhì)流失的作用[43]。Gao[44]等研究發(fā)現(xiàn)，雌激素可通過經(jīng)典Wnt通路抑制骨-脂肪形成，認(rèn)為雌激素引起的Wnt通路活性下降是骨髓脂肪逐漸增多的重要原因。

圖1 FoxO-β-catenin-PPARγ信號交聯(lián)圖Fig.1 FoxO-β-catenin-PPARγ signal cross-linking diagram

綜上所述，氧化應(yīng)激介導(dǎo)的FoxO-β-catenin-PPARγ信號軸的平衡，可能在骨髓脂肪化微環(huán)境下，對BMSCs的成骨分化能力及成骨細(xì)胞活性起著重要作用，其中對β-Catenin濃度的調(diào)控處于中心地位，這或許可為原發(fā)性骨質(zhì)疏松的治療提供一個(gè)新的著眼點(diǎn)。