前列腺素E2對骨改建作用的研究進展

劉 蕓，和紅兵

（昆明醫科大學附屬口腔醫院牙周病科 云南 昆明 650500）

骨代謝生物學過程的特征是不斷進行骨的改建，去除舊骨并形成新的骨組織，維持骨的動態平衡，其中成骨細胞和破骨細胞是主要的參與者[1]。成骨細胞來自局部骨祖細胞，并負責骨基質的產生。破骨細胞起源于造血組織，是破壞吸收骨組織的多核細胞。

脂質炎癥介質主要包括前列腺（prostaglandin，PG）、白三烯（leukotriene，LT）和血栓素（thromboxane，TX）以及血小板活化因子。其中 PG 是花生四烯酸的酶促代謝產物，在骨改建過程中具有重要意義[1]。在骨改建周期中，破骨細胞介導的骨吸收與成骨細胞介導的骨形成密切相關。PGE2作為PG家族成員之一，通過4種G蛋白偶聯受體亞型（EP1、EP2、EP3、EP4）參與調控各種炎癥和骨改建[1]。研究發現低濃度的PGE2可促進成骨細胞增殖，從而促進小鼠顱骨骨形成，而較高濃度PGE2則使破骨細胞超微結構變化并促進骨吸收[2]。在動物實驗中，連續給予PGE2可顯著刺激骨吸收，而間歇性給予PGE2則可激活骨形成并增加骨量和厚度。這些變化取決于給予的劑量[3]。骨形態學分析結果顯示出，EP4激動劑不僅促使了骨形成還提升了破骨細胞數目。骨形成是PGE2-EP4通過誘導成骨細胞前體分化而形成成骨細胞產生的，然后該信號可再作用于成熟的成骨細胞，并在新生骨上誘導破骨細胞形成[4]。鑒于PGE2作用的特殊性，本文就其來源及對骨改建與炎癥性骨疾病的影響作用作如下綜述。

1 PGE2的合成和相關調控通路

1.1 PGE2的合成

PG是一種普遍存在的脂肪酸衍生物，可分為A、B、C、D、E、F、G、H、I等類型，其中PGE2是PG家族中主要的一員，在人體內廣泛存在。PGE2可產生于人體所有細胞，主要通過磷脂酶A2（phospholipase A2，PLA2）裂解膜磷脂釋放花生四烯酸（arachidonic acid，AA），AA再經由環氧合酶（cyclooxygenase，COX）作用轉化為PGH2，最終通過PGE異構酶的轉換形成PGE2[5]。

COX是一種膜結合蛋白，目前可分為3類：COX-1、COX-2以及COX-3。COX-1在大多數組織中呈持續穩定中低表達，并支持維持器官和組織動態平衡所需的PG生物合成。在炎癥狀態下，PG的合成主要通過COX-2來實現。COX-3則是COX-1的另一種新型剪接異構體，一些止痛藥和退燒藥（如對乙酰氨基酚、安乃近等）能抑制COX-3，從而在疼痛和發燒時發揮作用[6]。

1.2 COX-2/PGE2相關調控通路

COX-2/PGE2通路作為一條經典的促炎通路，可介導不同的上下游通路，組成復雜的信號調控網絡，調控牙周炎、類風濕關節炎、腫瘤等多種疾病的進展。目前認為，COX-2/PGE2通過與磷脂酰肌醇3激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶 B（protein kinase B，AKT/PKB）之間的相互作用，以維持癌細胞的存活和炎癥狀態；還可通過上調細胞外信號調節激酶（extracellular regulated protein kinase，ERK）和膜蛋白酶促使癌細胞得以侵入；并增加調節性T細胞活性和原腫瘤M2細胞活性來調節免疫系統[7]。Paulissen等[8]研究表明，COX-2/ PGE2途徑在以IL-23和單核細胞獨立的方式驅動Th17介導的類風濕性關節炎滑膜炎癥中起著關鍵作用。另外，COX-2/PGE2通路還通過PI3K/AKT的激活，調控牙齦成纖維細胞處于炎癥狀態[9]。同時，研究也表明PI3K/AKT、有絲分裂原活性蛋白激酶/細胞外信號調節激酶激酶（MAPK/ERK，MEK）、c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，c-JNK）、p38和核因子κB（nuclear factor kappa B，NF-кB)信號傳導，都可介導活化COX-2/PGE2通路[10]。

此外，口腔微生物也是COX-2/PGE2通路活化的重要誘導因素。研究顯示，用紫外線滅活的輕型鏈球菌（streptococcus mitis，S.mitis）可刺激單核細胞和口腔角質細胞表達PGE2[11-12]。金黃色葡萄球菌也可誘導COX-2的表達，并增加HOK細胞（HOK口腔上皮角質細胞）中PGE2的產生。PGE2會促進金黃色葡萄球菌的生長以及與纖連蛋白的結合，促使金黃色葡萄球菌與口腔上皮細胞的黏附[13]。

2 PGE2與骨改建的關系

骨代謝生物學過程的特征是不斷進行骨的改建，而骨代謝平衡的維持主要取決于成骨細胞主導的骨形成與破骨細胞主導的骨吸收之間的動態平衡，任一因素導致它們之間的失衡都可能導致骨沉積過多（骨硬化癥）或骨破壞為主（牙周炎）等骨疾病的發生[14]。

2.1 PGE2與成骨細胞

成骨細胞是成熟的骨形成細胞，來自局部的骨祖細胞，通過產生骨基質蛋白來負責骨形成。成骨細胞表達幾種對激素敏感的受體，主要包括甲狀旁腺激素（parathyroid hormone，PTH）和雌激素以及1，25-二羥基維生素D3（1，25-dihydroxy vitamin D3，1，25（OH）2維生素D3）和其他局部因子如細胞因子和前列腺素。通過這些激素受體及相應激素的激活下，成骨細胞分泌相關的蛋白和蛋白聚糖來促進骨改建[1]。

研究顯示，PGE2可通過激活EP4刺激小鼠顱骨成骨細胞的分化[15]。EP4缺陷小鼠盡管體重和骨大小正常，但其骨質結構強度和骨小梁體積降低[16]。缺乏EP2的小鼠骨也十分脆弱[17]。然而，EP4缺陷小鼠的骨骼對外源性PGE2作用無效[18]。此外，EP4激動劑ONO-4 819可預防卵巢切除后穩定的大鼠的骨質流失[18]。EP2受體選擇性激動劑CP-533，536刺激大鼠骨小梁，皮質內膜和骨膜表面的局部骨形成[19]。PGE2也可通過蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）和ERK信號傳導途徑誘導COX-2表達和PGE2的產生，并增加原代小鼠成骨細胞中的細胞外鈣濃度[20]。核心結合因子α1（Runx2/Cbfa1）是成骨細胞分化過程中缺一不可的轉錄因子。研究表明，PGE2通過EP4受體誘導小鼠成骨細胞Runx2/Cbfa1的表達，從而導致礦化結節形成的增強[18]，促進人間充質干細胞向成骨細胞分化[21]。另外，成骨細胞與細胞外基質成分（包括I型膠原，纖連蛋白和骨唾液蛋白）之間的粘附作用對于成骨細胞的存活，增殖和分化很重要。研究顯示，PGE2可增強小鼠成骨細胞中膠原的合成[22]以及大鼠成骨細胞中纖連蛋白的產生[23]。并且PGE2還能刺激大鼠成骨細胞中骨唾液蛋白mRNA的轉錄[24]。

PGE2增加不僅促進成骨細胞的分化，還可以促進其增殖，減少凋亡。但PGE2對成骨細胞增殖的影響的研究結果常出現相反結論，有研究顯示了增殖增加[25]，又有研究顯示了增殖降低[26]，以及雙相效應[27]。許多因素可能會使此類研究復雜化，包括通過PGE2誘導COX-2來自動增強PGE2效應[28]以及在不同成骨細胞類型或不同分化階段的不同EP受體的表達[29]。在2項顯示PGE2抑制增殖的研究中，抑制作用與MC3T3-E1細胞中的cAMP途徑有關[30]。Xu等人[30]的研究表明，COX-2相關的PGE2對成骨細胞前體的早期細胞生長具有刺激作用，而對較晚成骨細胞的生長具有抑制作用。而生長的增加是由于增殖的增加，并未降低細胞凋亡。PGE2和EP1特異性激動劑17-PT-PGE2激活EP1受體可有效激活EP1/ PKC信號通路，同時促進MG63細胞的體外增殖。在體內和體外，特異性拮抗劑SC51089引起的EP1受體失活和siRNA引起的EP1沉默均降低PKC活性，促進MG63細胞的凋亡[31]。

2.2 PGE2與破骨細胞

破骨細胞起源于造血干細胞，是由單核細胞融合分化而成的唯一具有骨吸收功能的多核細胞，其可分泌出降解骨基質的重要蛋白水解酶：組織蛋白酶 K（cathepsin K，CK）和基質金屬蛋白酶-9（matrix metalloproteinase-9，MMP-9）[32]。

研究顯示，PGE2與RANKL協同增強了小鼠骨髓巨噬細胞向破骨細胞的分化[33]。然而，PGE2對人破骨細胞的直接作用存在爭議。Lader等[34]報道PGE2增加了巨噬細胞集落刺激因子（macrophage colony stimulating factor，M-CSF），IL-1和TNF-α刺激形成的破骨細胞，而Chenu等[35]研究表明，PGE2抑制了用1α，25-（OH）2維生素D3處理的人骨髓細胞中破骨細胞的形成。因此，有可能不同的細胞外刺激導致破骨細胞中EP受體亞型的不同表達譜。Kobayashi等[36]研究顯示在小鼠骨髓來源的巨噬細胞分化為破骨細胞的過程中，EP2和EP4受體被下調。

RANKL-RANK-OPG系統最初是在1990年代后期發現的，RANK/RANKL/OPG對破骨細胞分化起著重要的調控作用。RANKL是破骨細胞生成所需的配體，RANK是RANKL的受體，而骨保護素（osteoprotegerin，OPG）與RANKL競爭性結合。該系統主要通過調節破骨細胞對骨穩態具有重要意義[37]。研究顯示，PGE2可以cAMP依賴的方式刺激RANKL在成骨細胞中的表達[38]，并抑制OPG表達[39]。PGE2也可通過cAMP-PKA依賴途徑促進IL-6和IL-1β表達誘導破骨細胞的形成[40]，而IL-6和IL-1β還可增加COX-2表達和PGE2產生[41-42]。同時，PGE2通過自分泌方式可抑制成骨細胞中OPG的產生[42]。

3 PGE2對炎癥性骨疾病的影響作用

3.1 類風濕關節炎

類風濕關節炎的特征是慢性關節發炎，自身反應性T細胞和巨噬細胞浸潤[43]。T細胞激活滑膜巨噬細胞，釋放出多種細胞因子，導致滑膜炎癥放大并破壞軟骨和骨骼。巨噬細胞源性細胞因子，例如IL-1β和TNF-α誘導人關節軟骨細胞和滑膜成纖維細胞中COX-2的表達[44]。由活化的CD4+T細胞產生的IL-17刺激滑膜組織中小鼠原代成骨細胞中COX-2依賴性PGE2的合成[45]。類風濕關節炎患者滑膜成纖維細胞中mPGES-1的表達隨TNF-α和IL-1β的升高而升高[46]。抗TNF-α療法可抑制類風濕關節炎患者滑膜組織中mPGES-1的表達和PGE2的產生[47]。滑液中存在的PGE2通過EP2和EP4誘導成骨細胞中RANKL表達[48]，產生的破骨細胞可能促進關節破壞。

Zhou等[49]利用CIA 動物模型證明miR-143-3p低表達可能會通過調節其靶基因（Ptgs2，Mrgpre，TNF）來調節促炎介質（PGE2和TNF-α）的水平，從而影響了RA的慢性炎性疼痛和神經性疼痛。Fan等[50]研究發現，1，25-（OH）2D3下調miR-22以抑制成纖維樣滑膜細胞的增殖促進其凋亡，并降低Cox-2的mRNA表達和PGE2的產生。

3.2 骨關節炎

骨關節炎是最常見的關節炎疾病，由于基質降解和肥大的骨變化，包括骨贅的形成和軟骨下板的增厚[51]。在骨關節炎的軟骨降解過程中，PGE2和促炎細胞因子TNF-α和IL-1由滑膜細胞產生，滑膜細胞主要由成纖維樣和巨噬細胞樣滑膜細胞組成[52]。內源性PGE2通過IL-1β刺激的人成纖維細胞樣滑膜細胞中EP2和EP4調節IL-6，M-CSF和血管內皮生長因子（VEGF）的產生[53]。骨關節炎成骨細胞比正常成骨細胞產生更多的PGE2[54]，而骨關節炎軟骨比正常軟骨具有更多的凋亡軟骨細胞[55]。這些結果表明，關節軟骨中PGE2與骨關節炎的癥狀密切相關。

Park等[56]研究表明，人骨關節炎軟骨細胞中IL-1β誘導的MAPK和NF-κB的激活降低了miR-558的表達并誘導了COX-2的表達。Rasheed等[57]發現，茶多酚兒茶素（EGCG）通過上調人OA軟骨細胞中microRNA hsa-miR-199a-3p的表達來抑制IL-1β誘導的COX-2表達或PGE2的產生來抑制骨關節炎。另有研究表明，OA軟骨細胞中IL-1β誘導p38-MAPK的激活下調了miR-199a的表達并誘導了mPGEs和COX-2的表達以及PGE2的產生。抗miR-101-3處理可增加IL-1β刺激的軟骨細胞中COX-2的表達，但miR-101-3的過表達對COX-2的蛋白表達無明顯影響。說明miR-199a的水平與IL-1β刺激的人軟骨細胞中的COX-2 mRNA和蛋白質水平呈負相關[58]。這些結果表明，miRNA-558、microRNA hsa-miR-199a-3p、miR-199a以及可能的miR-101-3的表達可用于治療OA的新型治療策略中。

3.3 牙周炎

牙周炎是一種慢性炎性疾病，其主要特征為牙齒支持組織的破壞—牙周袋形成和炎癥，進行性的附著喪失和牙槽骨吸收并最終導致牙齒脫落[59]。牙齦卟啉單胞菌被認為是牙周病的主要病原體，但是宿主對病原體的反應會誘導牙周病的發生和發展，從而引起包括細胞因子和前列腺素在內的炎癥分子的產生[60]。大量研究表明，類前列腺素，特別是前列腺素E2參與牙周疾病的發病機理。與牙周健康受試者相比，在牙周疾病患者的牙齦和齦溝液中檢出的前列腺素E2水平升高[61]。LPS是牙齦成纖維細胞和巨噬細胞的有效刺激劑，并誘導骨吸收性細胞因子TNF-α 和IL-1 的產生[62]。IL-1誘導牙周膜成纖維結締組織細胞中PGE2的產生和COX-2 mRNA的表達[63]。此外，LPS直接上調牙周膜成纖維細胞，成牙骨質細胞和成骨細胞中COX-2的表達[64]。由于COX-2上調引起的PGE2產量增加可能與牙槽骨吸收有關。此外，LPS誘導的骨吸收在cPLA2α-，mPGES-1和EP4缺陷小鼠中受損[65]。盡管PGE2可能不是影響牙槽骨破壞的唯一因素，但NSAID在牙周炎中可有效抑制牙槽骨損失。一些報道表明PGE2刺激牙周組織中的骨形成[66]，但更有力的證據支持PGE2在牙周炎的骨破壞中的作用。

miR-302-3p的水平會影響人下頜骨成骨樣細胞（HMOBs）中RANKL的mRNA和蛋白表達。PGE2通過PKA信號的PRKACB途徑刺激RANKL表達。當PGE2刺激HMOB中的RANKL時，miR-302a-3p低于基線水平，miRNA-302a-3p有望靶向cAMP/PKA信號的PRKACB。HMOB釋放的RANKL可能會影響炎癥過程中破骨細胞的分化和牙槽骨吸收[67]。

4 小結

不同EP受體在成骨細胞和破骨細胞中表達有差異，在炎癥狀態下受體表達也有不同，最終體現了PGE2對骨改建調控的兩面性。PGE2作為骨改建中的重要調控因子，對骨改建發揮雙向調控作用，這種雙向調控作用可能與PGE2的四個特異性受體、組織特異性、細胞來源、miRNA等相關。因此，進一步闡明其作用機理及不同方向性，對于開發出治療甚至預防炎癥性骨疾病指導臨床工作具有重要意義。