PPARγ 介導的信號通路在骨質疏松癥中作用的研究進展

李立，趙澤玉，楊榮，趙剛

（昆明醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院創(chuàng)傷外科，云南 昆明）

0 引言

骨質疏松癥（ osteoporosis，OP）是一種以骨量低，骨組織微結構損壞，導致骨脆性增加，易發(fā)生骨折為特征，并嚴重威脅中老年人健康的全身性骨病。世界衛(wèi)生組織將其與糖尿病、心血管病共同列為影響中老年人身體健康的三大殺手之一。由于易發(fā)生骨折使患者致畸、致殘、甚至死亡，已嚴重影響了廣大中老年女性生理健康及生活質量。根據(jù)2018 年《中國老年骨質疏松診療指南》，將骨質疏松癥分為了原發(fā)性和繼發(fā)性兩大類[1]。本文主要針對原發(fā)性骨質疏松展開。

1 骨重塑生理過程

骨重塑是一個周期性的骨代謝過程，其發(fā)生在基本多細胞單位的微環(huán)境里[2]。在人的整個生命過程中，激素信號，免疫變化，氧化狀態(tài)和骨細胞對機械負荷的反應性改變，或獨立作用，或聯(lián)合起作用，調控著骨組織不斷地進行重塑[3]。骨重塑以骨溶解和骨吸收為開端，以骨形成為結束，是骨骼局部舊骨代之以形成新骨的過程，是成熟骨組織的一種重要替換機制。破骨細胞是影響骨吸收的主要細胞；成骨細胞是促進骨形成的細胞，能特異性分泌多種生物活性物質，調節(jié)并影響骨的形成和重建過程。骨吸收速率與骨形成速率構成骨轉換率[4]。骨質疏松是由于骨形成和骨吸收代謝紊亂所致。骨質疏松的發(fā)生和發(fā)展與間充質干細胞（mesenchymal stem cells， MSCs）向成骨細胞、破骨細胞、脂肪細胞等分化障礙密切相關，現(xiàn)代研究表明，在MSCs 成骨分化及骨代謝過程中存在包括但不限于RANKL /RANK/OPG 信號通路、過氧化物酶增殖物激活受體（Peroxisome proliferator-activated receptors γ， PPARγ）信號通路、Wnt /β-catenin 信號通路、PTH 信號通路等，各個通路間還存在交叉影響[5]。其中PPARγ 信號通路對調節(jié)MSCs 成骨分化作用尤為關鍵，該信號通路調節(jié)紊亂將導致MSCs 成骨分化障礙，從而導致OP。

2 PPARγ 介導的信號通路在骨質疏松癥中作用

2.1 間充質干細胞成骨分化障礙與OP 的發(fā)生密切相關

在人體的骨骼中成骨細胞、骨細胞和破骨細胞三種主要類型的細胞共同參與了人體骨形成與吸收的相互平衡。成骨細胞由間充質干細胞（mesenchymal stem cells， MSCs）分化而來，這一過程需要經(jīng)歷多個階段的轉化，并受到雌激素、細胞因子和基因表達等多方面的調控。骨髓原始間充質干細胞是骨髓基質干細胞，是在哺乳動物的骨髓基質中發(fā)現(xiàn)的一種具有分化形成骨、軟骨、脂肪等細胞的多種分化潛能的干細胞。在骨骼發(fā)育的過程中一部分成骨細胞經(jīng)過劇烈的形態(tài)轉化后分化成為骨細胞并埋于骨礦化的基質中[6]。MSCs 數(shù)量的減少及向成骨細胞分化障礙直接導致了骨形成的減少，打破平衡關系誘發(fā)了OP 的形成。因此MSCs 成骨分化障礙是OP 形成的關鍵性因素之一。

MSCs 是一種存在骨髓中的成體細胞，能夠在體內和體外誘導分化為骨、軟骨、肌肉、神經(jīng)等組織，可自體移植，無致腫瘤性、免疫排斥，且骨髓MSCs 的來源廣泛，其在出生后保持多譜系分化和自我更新的能力[7]。MSCs 在體外分離和擴增的特征容易使其成為再生醫(yī)學中有前途的治療方式，同時也成為研究成骨分化機制的最佳選擇。

在卵巢切除的OP 動物模型和人類衰老引發(fā)的老年性OP 中，研究者均觀察到了骨密度的降低同時伴隨著骨髓脂肪化[8]。目前對于這種病理變化，更多學者的觀點認為是MSCs 成骨分化能力降低，同時MSCs 分化為脂肪細胞的能力增加[9]。這一觀察結果可能表明成骨細胞和脂肪細胞的分化途徑是共同調節(jié)的，并且這兩個譜系在分化過程中可能存在相互影響[10]。也有研究指出MSCs 向成骨細胞分化受到多種信號的調節(jié)，而信號轉導的失活更有助于MSCs 向脂肪細胞分化[11]。脂肪細胞和成骨細胞均具有共同的間充質祖先，過度的脂肪生成和骨骼自我更新之間是否存在反比關系？MSCs 過度的脂肪分化是否是原發(fā)性OP 發(fā)病機制之一？在MSCs 分化調節(jié)中成脂與成骨之間平衡的分子機制尚不十分明確，仍需進一步研究。

2.2 核因子信號途徑在MSCs 成骨分化中的作用

目前的研究認為，MSCs 的分化是一種多機制調節(jié)的共同結果。MSCs 成骨分化過程中通過對多種細胞因子、酶活性的激活或抑制以及上調或下調受體配體的表達等調控多條信號通 路，如Wnt/β-catenin[12]BMPs 及TGF-β[8；13]，核 因 子NFκB[14]和microRNAs[15]參與的等眾多信號通路最終影響核內基因表達。Wnt 信號傳導是控制MSCs 成骨分化的關鍵性途徑[16]。Huh[10]等認為Wnt 信號在MSCs 中進一步激活并促進向成骨細胞方向分化，該途徑能夠控制骨形成和脂肪形成之間的平衡。趙芳英等[17]研究發(fā)現(xiàn)Wnt 能夠通過激活Wnt/β-catenin信號通路，提高RUNX2、β-catenin 及BSPmRNA 和蛋白的表達水平以達到調控人MSCs 成骨分化。非經(jīng)典途徑Wnt5a 可以增強Wnt/β-聯(lián)蛋白信號傳導，促進成骨細胞發(fā)生[18]。BMPs 主要通過Smad 途徑引發(fā)細胞反應，具有絲氨酸/蘇氨酸激酶活性的I 型、II 型受體和細胞內Smad 蛋白將信號從細胞表面?zhèn)鬟f至細胞核并誘導MSCs 成骨[19]。microRNAs 作為非編碼小分子物質在成骨分化的各信號轉導上起到了轉錄調節(jié)因子的作用[15]。

2.3 PPARγ 信號通路介導BMSCs 向脂肪細胞分化

過氧化物酶增殖物激活受體（Peroxisome proliferator-activated receptors， PPARs）是核激素受體家族中的配體激活受體，其三個主要亞型分別是PPARα、PPARβ/δ、PPARγ，由于其基因編碼、分布位置、功能以及配體不同而具有不同的特性[20]。MSCs 分化為脂肪細胞是一個復雜的過程，涉及誘導基因表達并產(chǎn)生脂肪細胞發(fā)育的轉錄因子[21]。PPARγ 在脂肪細胞中表達最高，并且在MSCs 協(xié)調成脂分化和成骨分化中起到了關鍵的作用[22]。

目前的研究發(fā)現(xiàn)MSCs 在分化為脂肪細胞前，首先分化為前脂肪細胞，并與祖細胞表現(xiàn)出相似的形態(tài)，而不能再次轉化為成骨細胞或軟骨細胞[23]。Titorencu 等[24]的研究證實了缺乏PPARγ的細胞不能促進脂肪形成信號傳導，將導致進一步發(fā)生脂肪營養(yǎng)不良。Cao 等[25]發(fā)現(xiàn)在MSCs 中表達的PPARγ 是脂肪細胞分化的主要轉錄因子，并且是MSCs 分化為成骨細胞或脂肪細胞的雙轉換必不可少的轉錄調節(jié)因子。Wang 等[26]的研究表明PPARγ 上調可以促進脂肪分化，同時抑制軟骨和成骨細胞的生成。當PPARγ 的表達減少時，可以抑制脂肪細胞分化，并且增強成骨細胞分化并在空間和時間上控制MSCs 向軟骨細胞分化的過程[27]。這些研究結果均強調了PPARγ 在調節(jié)MSCs 多向分化潛能中的重要性。PPARγ 的表達與OP 的發(fā)病相關性因素，如性激素水平降低、氧化應激升高、成骨細胞系細胞衰老等，存在直接或間接的聯(lián)系。雌激素作為一種保護性激素通過廣譜分子機制影響了PPARγ 的表達，減少過多的脂肪生成[28]。一些抗氧化劑（如褪黑素）在MSCs 中通過減少活性氧含量并使 ERK / GSK-3β 位點磷酸化，進一步阻斷了PPARγ 的活化[29]。而相比幼年大鼠的MSCs，老年大鼠MSCs 表現(xiàn)出了更低的成骨能力和更高的PPARγ表達情況，表明了衰老引起的成骨和脂肪生成之間的不平衡可能是降低成骨細胞數(shù)量的因素之一[30]。

而且，現(xiàn)有的更多證據(jù)指出了PPARγ 激動劑存在潛在的引發(fā)骨質流失和骨折風險增加的風險。噻唑烷二酮（thiazolidinediones，TZDs）是PPAR 的合成配體，作為PPARγ 激動劑和胰島素增敏劑廣泛應用于糖尿病的臨床治療[31,32]。TZDs 對PPARγ 的激活以促進脂肪生成而減少成骨細胞形成為代價，導致了對骨骼的相關副作用[33]。Yau 等[34]發(fā)現(xiàn)在2 型糖尿病患者中接受6 個月的TZDs治療可降低MSCs 對成骨細胞生成的作用，并刺激脂肪形成和脂肪細胞前體的形成。TZDs 的使用還會進一步導致老年女性進行性骨質流失和循環(huán)骨形成標志物水平降低[35]。在間充質細胞系中，TZDs 激活PPARγ 從而促進脂肪細胞分化和抑制成骨細胞形成，并進一步造成了骨形成減少和骨吸收增加的發(fā)生[36]。T0070907是一種使用最廣泛的PPARγ 選擇性抑制劑，相關文獻報道當其濃度在10μM 時能夠有效抑制 MSCs 的成脂分化[11,37]，同時通過上調堿性磷酸酶活性促進骨膜來源細胞的成骨細胞分化[38,39]。然而T0070907 在OP 的治療作用尚未見報道。

3 通過調節(jié)PPARγ 信號通路治療骨質疏松

通過調節(jié)PPARγ 信號通路，調節(jié)骨量代謝，從而治療骨質疏松，是一種潛在的有效方式。一項研究發(fā)現(xiàn)，當將白藜蘆醇添加到成骨培養(yǎng)基中時，Runx2 表達和基質礦化增加，從而促進成骨，白藜蘆醇還可抑制PPARγ 基因的表達，進而抑制CyclinD1 基因的表達，細胞周期停留在G1 期，脂肪細胞的增殖受到抑制[40]，PPARγ的拮抗劑雙酚A 二縮水甘油醚（BADGE）在體外和體內均可抑制脂肪形成，使用其治療可導致骨髓脂肪形成減少，并伴隨成骨細胞生成增加，此外，BADGE 治療可改善類固醇相關性骨壞死的骨形成，并減少骨髓脂肪沉積[41]。Staines K 等認為PPARγ 是骨骼間充質細胞譜系分配的調節(jié)劑（即成骨細胞對脂肪細胞），且PPARγ拮抗劑劑量依賴性地上骨調礦化作用，從而促進成骨[42]。Smith B J 等發(fā)現(xiàn)PPARγ 表達下降與Phex 表達增加同時發(fā)生，這一事實支持酸櫻桃可通過增強類骨質礦化來增加骨量[3]。T007 是一種PPAARγ 拮抗劑，Xiang Li 等通過切除卵巢小鼠模型發(fā)現(xiàn)，它可抑制PPARγ 活化，促進成骨細胞分化為骨細胞，并抑制RANKL 誘導的破骨細胞生成，并通過增加Runx2 表達促進BMSCs 生長，從而增加骨骼形成[43]。

4 總結與展望

骨質疏松癥是一種常見的、多發(fā)的并且嚴重危害中老年人的一種骨病，隨著對此疾病的研究和認識的深入，已經(jīng)到達了分子水平，RANKL /RANK/OPG 信號通路、PPARγ 信號通路、Wnt /β-catenin 信號通路、PTH 信號通路等，或單獨或共同調節(jié)骨質代謝，維持了骨質和骨量的動態(tài)穩(wěn)定。Wnt 信號通路被認為是調節(jié)BMSCs 向成骨細胞分化的關鍵信號途徑，而PPARγ 信號途徑則被認為是調節(jié)BMSCs 向脂肪細胞分化的關鍵信號途徑?？梢詮姆肿铀秸J識骨質疏松發(fā)生發(fā)展的機制，為治療骨質疏松提供重要的理論依據(jù)。