基于AGEs/RAGE/NF-κB通路探討老年性骨質(zhì)疏松癥發(fā)病機(jī)制

孫菁 朱媛媛 郭海英 沈沐瑤 李佳洋

南京中醫(yī)藥大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院，江蘇 南京 210023

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)是一種慢性、全身性疾病，隨著骨礦物含量的減少而增加骨折風(fēng)險(xiǎn)，并直接導(dǎo)致日常生活能力(ADL)和生活質(zhì)量(QOL)降低[1]。隨著人口老齡化程度的不斷加劇，到2016年中國(guó)老年人骨質(zhì)疏松癥患病率為36%，骨質(zhì)疏松及其伴隨的疼痛與骨折高風(fēng)險(xiǎn)已成為我國(guó)面臨的重要公共衛(wèi)生問(wèn)題[2]。預(yù)計(jì)至2050年，我國(guó)骨質(zhì)疏松性骨折患病人數(shù)將達(dá)599萬(wàn)，相應(yīng)的醫(yī)療支出高達(dá)1 745億元[3]。 其中老年性骨質(zhì)疏癥(senile osteoporosis，SOP)是世界范圍內(nèi)常見(jiàn)的老年慢性疾病，衰老是SOP無(wú)法避免的高危因素，其發(fā)病率隨著年齡增長(zhǎng)呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)[4]。

現(xiàn)階段，SOP的機(jī)制研究主要從常規(guī)骨代謝信號(hào)通路、機(jī)械應(yīng)力、細(xì)胞因子以及非編碼RNA等方面考慮。近年來(lái)體內(nèi)糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycation end products，AGEs)與阿爾茨海默癥、動(dòng)脈粥樣硬化性疾病、帕金森病之間的相關(guān)性已經(jīng)得到證實(shí)[5]，AGEs在衰老退行性疾病的發(fā)病機(jī)制中起著重要作用，但其與老年性骨質(zhì)疏松癥發(fā)病的關(guān)系尚不明確且具體作用機(jī)制不祥。最新研究發(fā)現(xiàn)，AGEs的堆積能激活核因子kappa B(NF-κB)信號(hào)通路并誘發(fā)氧化應(yīng)激炎性反應(yīng)(oxidative stress，OS)，被認(rèn)為是導(dǎo)致衰老相關(guān)的組織退化的一種潛在機(jī)制。本文旨在根據(jù)已知的AGEs與其受體RAGE的最新研究進(jìn)展，基于NF-κB通路探討SOP的可能發(fā)病機(jī)制。

1 AGEs及受體RAGE的概述

高級(jí)糖基化終產(chǎn)物是由還原糖的羰基以及蛋白質(zhì)、脂類或核酸中的游離氨基之間的非酶促反應(yīng)形成的一組異構(gòu)化合物,以棕色、熒光和聚合傾向?yàn)樘卣鱗6]。AGEs種類繁多，大體包括內(nèi)源性(自身體內(nèi)合成)和外源性(飲食或吸煙攝入)。其中內(nèi)源性AGEs的形成是自然新陳代謝的結(jié)果，是一個(gè)不可避免的過(guò)程,但高水平的AGEs累積在組織和循環(huán)中具有一定的致病性[7-8]。AGEs容易被存在于不同細(xì)胞類型上的AGEs受體(RAGE)特異性識(shí)別，目前已知的具有不同特性和質(zhì)量的AGEs結(jié)合蛋白包括AGE-R1、AGE-R2、AGE-R3、Scr-II、CD 36和RAGE[9]。其中RAGE作為研究最多的晚期糖基化終產(chǎn)物受體，是細(xì)胞對(duì)AGEs負(fù)荷反應(yīng)的主要上游調(diào)節(jié)因子。哺乳動(dòng)物中表達(dá)的RAGE是一種多配體受體，屬于免疫球蛋白超家族(Ig)的45kDa跨膜受體，具有高電荷的細(xì)胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域，也可用作細(xì)胞粘附分子,在大多數(shù)組織中的基礎(chǔ)表達(dá)較低[10]。 RAGE與AGEs之間的相互作用主要引起促炎反應(yīng)，慢性低級(jí)、無(wú)菌性炎癥隨著AGEs增長(zhǎng)而增加，可導(dǎo)致線粒體功能障礙或細(xì)胞衰老，成為衰老的潛在重要促成因素[11]。

2 AGEs/RAGE對(duì)骨質(zhì)的影響

AGEs長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為是促進(jìn)宿主細(xì)胞死亡和器官損傷的強(qiáng)毒性分子，有研究[12]表明AGEs能抑制MSCs的增殖，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，阻止同源分化為脂肪組織、軟骨和骨，提示AGEs在肌肉骨骼疾病的發(fā)病機(jī)制中起著有害的作用。據(jù)報(bào)道[13]，經(jīng)AGEs修飾的膠原能促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)活性氧的釋放，干擾成骨細(xì)胞與基質(zhì)的粘附，抑制成骨細(xì)胞的分化和增殖。AGEs可以破壞骨基質(zhì)蛋白的結(jié)構(gòu)完整性，I型膠原蛋白占骨基質(zhì)的85%，是骨中最豐富的蛋白質(zhì)，壽命長(zhǎng)，易受AGEs變化的影響,骨蛋白的糖基化能同時(shí)影響骨重塑過(guò)程、破骨細(xì)胞骨吸收、成骨細(xì)胞骨形成的生長(zhǎng)過(guò)程[11]。研究[14]結(jié)果表明，經(jīng)AGEs介導(dǎo)的交聯(lián)蛋白溶解度降低，導(dǎo)致骨組織的生物力學(xué)性能改變，如膠原硬度的增加，非鈣化膠原基質(zhì)在骨中的變性隨AGEs的增加而增加，這類骨膠原變性與非酶膠原交聯(lián)有關(guān)，與骨的強(qiáng)度和韌性有關(guān)。AGEs導(dǎo)致ALP活性和I型膠原蛋白水平降低，成骨特異性基因和蛋白質(zhì)[Runx2、Osterix、ALP、骨橋蛋白(OPN)、I型膠原蛋白和骨鈣素(OCN)]表達(dá)下調(diào)，骨形成減少[15]。

3 AGEs/RAGE/NF-κB誘發(fā)骨質(zhì)疏松的可能機(jī)制

3.1 衰老致體內(nèi)AGEs堆積激活NF-κB誘發(fā)OS

衰老是SOP無(wú)法避免的高危因素，導(dǎo)致體內(nèi)自由基氧化加快，同時(shí)體內(nèi)的還原劑、抗氧化酶等抗氧化劑含量不足，不能限制AGEs的前體水平，內(nèi)源性AGEs不能通過(guò)細(xì)胞外蛋白水解和AGER 1介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)攝取和降解，導(dǎo)致AGEs在體內(nèi)堆積，引發(fā)機(jī)體蛋白質(zhì)和葡萄糖非酶糖基化(nonenzymatic glycosylation，NEG),這種與能量代謝有關(guān)的生物化學(xué)不良反應(yīng)誘發(fā)OS，是SOP的重要發(fā)病機(jī)制[16-18]。在衰老等因素刺激下，AGEs形成加快。當(dāng)體內(nèi)AGES堆積的時(shí)候，RAGE會(huì)隨之上調(diào)，導(dǎo)致OS和炎癥增加。

AGEs與受體RAGE結(jié)合可激活多種細(xì)胞內(nèi)信號(hào)級(jí)聯(lián)，如Janus激酶/信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子(JAK/STAT)，p38絲裂原活化蛋白激酶(P38MAPK)、細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)蛋白激酶1和2(ERK 1/2)與c-jun N端激酶(JNK)可激活轉(zhuǎn)錄因子NF-κB，隨后轉(zhuǎn)錄一系列涉及不同生物系統(tǒng)的基因，導(dǎo)致細(xì)胞因子、生長(zhǎng)因子和粘附分子的表達(dá)增加，如白細(xì)胞介素1(IL-1)、白細(xì)胞介素6(IL-6)和腫瘤壞死因子(TNF-α)，并進(jìn)一步激活NF-κB信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路[8, 12]，使炎癥或促炎信號(hào)持續(xù)存在。此外，AGEs-RAGE相互作用還通過(guò)煙酰胺腺嘌呤磷酸二核苷酸(NADPH)氧化酶途徑刺激活性氧(ROS)的生成，促進(jìn)OS等炎性反應(yīng)。當(dāng)ROS水平升高時(shí)，AGEs/ROS的惡性循環(huán)促進(jìn)更多脂質(zhì)和葡萄糖的氧化，加速體內(nèi)AGEs的形成[19]，激活更多NF-κB，進(jìn)一步加速OS發(fā)生[20-21]，由此形成AGEs-Ros-OS-AGEs的惡性循環(huán)。見(jiàn)圖1。

圖1 AGEs/RAGE激活NF-κB信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路Fig.1 AGEs/RAGE activates NF-κB signal transduction pathway

3.2 NF-κB通路促進(jìn)破骨細(xì)胞生成

核因子κB受體活化因子(receptor activator of NF-κB，RANK)是核因子κB受體活化因子配體(RANKL)的受體，RANKL與破骨細(xì)胞表面的RANK結(jié)合，激活破骨細(xì)胞(osteoclast，OC)、破骨前體細(xì)胞內(nèi)的核因子kappa B(NF-κB)信號(hào)通路，腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子(TNF receptor-associated receptor，TRAFs)會(huì)迅速結(jié)合RANK胞質(zhì)區(qū)，當(dāng)RANK與TRAF6結(jié)合后，激活NF-κB誘導(dǎo)激酶，并進(jìn)一步磷酸化IκB激酶(IKKβ)，IKKβ可將IκBα磷酸化，使其發(fā)生聚泛素化并被 26S 蛋白酶體降解，該過(guò)程伴隨著 p65/p50二聚體向核內(nèi)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致破骨細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子激活，如活化T細(xì)胞核因子(nuclear factor of activated T-cells，cytoplasmic 1，NFATc1)，該因子與其他轉(zhuǎn)錄因子相互作用后，可誘導(dǎo)抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)、組織蛋白酶K(cathepsin K，CatK)等破骨細(xì)胞特異性基因的表達(dá)，導(dǎo)致破骨細(xì)胞大量分化并促進(jìn)其成熟[22-25]。破骨細(xì)胞沿骨表面移動(dòng)，且不斷聚集以擴(kuò)大吸收陷窩，直至骨吸收完成。

正常情況下NF-κB位于胞質(zhì)中并與其抑制蛋白IκB緊密結(jié)合，當(dāng)細(xì)胞受到OS炎性因子等因素刺激時(shí)，被激活的NF-κB數(shù)量增加，NF-κB可從胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到胞核中，激活NF-κB信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，促進(jìn)破骨細(xì)胞的形成與活化[26]，令骨吸收增加。見(jiàn)圖2。

圖2 NF-κB信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路Fig.2 NF-κB signal transduction pathway

3.3 NF-κB通路調(diào)控破骨細(xì)胞自噬

NF-κB信號(hào)通路作為破骨細(xì)胞形成的主要通路，同時(shí)也是細(xì)胞自噬的關(guān)鍵通路。自噬是細(xì)胞的一種自我消化行為，是真核細(xì)胞吞噬自身細(xì)胞質(zhì)蛋白或細(xì)胞器的主要代謝過(guò)程，以滿足細(xì)胞新陳代謝和更新細(xì)胞器的需求[27]。NF-κB在復(fù)雜的細(xì)胞因子網(wǎng)絡(luò)中起著中心調(diào)節(jié)作用，在細(xì)胞增殖、分化、凋亡和自噬中扮演重要角色。哺乳動(dòng)物NF-κB家族成員分別為p50/p105(NF-κB1)、p52/p100(NF-κB2)、c-Rel、RecB、p65(RecA)[26]。研究[25]表明自噬在一系列退行性疾病中至關(guān)重要，自噬相關(guān)蛋白參與了破骨細(xì)胞的分化、形成過(guò)程，對(duì)維持骨骼強(qiáng)度，預(yù)防骨質(zhì)疏松的發(fā)生發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。也有研究[28]發(fā)現(xiàn)TNF-α激活NF-κB可以抑制細(xì)胞自噬，而抑制NF-κB活性則明顯改善受阻細(xì)胞的自噬水平，但兩者間具體的關(guān)系尚無(wú)明確的定論，有待進(jìn)一步探索。

研究[29-31]表明，一般情況下當(dāng)機(jī)體衰老時(shí)，細(xì)胞自噬水平下降，破骨細(xì)胞活性降低，骨吸收被抑制；但在氧化應(yīng)激條件下，ROS在線粒體中大量蓄積，引起線粒體膜脂質(zhì)過(guò)氧化，導(dǎo)致線粒體功能異常，進(jìn)而激活自噬；自噬激活又可通過(guò)降解過(guò)氧化氫酶(抗氧化劑)反過(guò)來(lái)增加細(xì)胞內(nèi)ROS水平，最終形成自噬-ROS的惡性循環(huán)，進(jìn)一步加劇機(jī)體氧化應(yīng)激炎性反應(yīng)，破骨細(xì)胞需要通過(guò)自噬以適應(yīng)氧化應(yīng)激環(huán)境，所以破骨細(xì)胞在OS狀態(tài)下始終維持高水平的自噬。體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)[32]發(fā)現(xiàn)，破骨細(xì)胞自噬被抑制后，NFATc1、TRAP、CatK 等破骨細(xì)胞特異性基因的表達(dá)也顯著降低，提示自噬能誘導(dǎo)破骨細(xì)胞的分化和形成，作為一種保護(hù)性機(jī)制維持其在氧化應(yīng)激狀態(tài)下的細(xì)胞功能，促進(jìn)骨吸收。

故在衰老狀態(tài)下，雖從理論上講自噬應(yīng)減弱，在一定程度上可以抑制破骨細(xì)胞自噬，抑制骨吸收，但同時(shí)，成骨細(xì)胞的自噬也受到抑制，成骨亦減少。另外在衰老情況下，AGEs與RAGE結(jié)合促進(jìn)機(jī)體氧化應(yīng)激反應(yīng)，并進(jìn)一步促進(jìn)細(xì)胞自噬，促進(jìn)骨吸收；亦可通過(guò)激活NF-κB通路，促進(jìn)骨吸收。骨吸收程度遠(yuǎn)大于骨形成，引發(fā)骨質(zhì)疏松。見(jiàn)圖3。

圖3 老年性骨質(zhì)疏松的可能發(fā)病機(jī)制圖Fig.3 Possible pathogenesis of senile osteoporosis

4 小結(jié)

衰老后體內(nèi)AGEs的堆積及其經(jīng)腎臟自然清除率的降低為SOP自然發(fā)病的根本原因，AGEs進(jìn)一步與其受體RAGE反應(yīng)誘發(fā)的氧化應(yīng)激反應(yīng)可作為SOP發(fā)病的催化劑，而NF-κB信號(hào)通路則是SOP發(fā)生的關(guān)鍵通路，能從多個(gè)方面促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化及形成，促進(jìn)骨吸收。首先，在自然條件下，RANKL/RANK/NF-κB是破骨細(xì)胞形成的經(jīng)典通路，NF-κB活性增加，促進(jìn)破骨細(xì)胞形成，則能進(jìn)一步促進(jìn)骨吸收；其次，NF-κB不僅僅作為促進(jìn)破骨細(xì)胞形成的必要通路，同時(shí)也是炎癥因子的轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，體內(nèi)AGEs與RAGE結(jié)合可經(jīng)過(guò)多途徑激活NF-κB，NF-κB活性增強(qiáng)，體內(nèi)炎癥因子亦增多，促進(jìn)機(jī)體的炎性反應(yīng)與衰老，形成惡性循環(huán)；另外，NF-κB可以通過(guò)調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞自噬，促進(jìn)破骨細(xì)胞更新?lián)Q代，加速骨吸收。

綜上所述，本文基于現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料分析了自然衰老情況下老年性骨質(zhì)疏松癥的可能發(fā)生機(jī)制，但目前只是理論研究，后續(xù)有必要開(kāi)展一系列實(shí)驗(yàn)來(lái)證實(shí)該作用機(jī)制，比如從抗氧化應(yīng)激角度或抑制NF-κB活性的角度來(lái)治療老年性骨質(zhì)疏松癥。