骨骼對中樞神經系統調控作用的研究進展

赫明超 王娜妮 杜塵 張巖 付勇芳 施杞 王擁軍*

1. 上海中醫藥大學附屬龍華醫院脊柱病研究所，上海200032 2. 教育部筋骨理論與治法重點實驗室，上海 200032 3. 浙江省中醫藥研究院，浙江 杭州310007 4. 上海中醫藥大學附屬岳陽中西醫結合醫院中醫婦科，上海 200437

骨骼是人體運動系統的一部分，具有運動、支持和保護身體、造血、儲藏鈣和磷酸鹽的作用。骨骼一直被認為是惰性器官，近年來研究發現骨骼還具有內分泌功能，具有感知和整合不同刺激以及向其他組織發送信號的能力[1]，骨源性因子如骨鈣素、脂質運載蛋白2等能穿越血腦屏障，調節大腦功能[2-3]。骨與中樞神經系統之間的交互作用越來越受到人們重視，本文就骨骼對中樞神經系統的調控作用作一綜述。

1 骨源性因子

1.1 骨鈣素

骨鈣素(osteocalcin，OCN)是由成骨細胞分泌的一種非膠原酸性糖蛋白，因其分子中含有依賴維生素K的羧基谷氨酸殘基，故又名羧基谷氨酸蛋白[4]。OCN不僅是骨形成的代表指標，還具有調節葡萄糖代謝、刺激胰島素釋放、影響性激素產生的作用[5]。臨床和動物實驗均證明體內OCN的水平和認知功能呈正相關，與年齡呈負相關。小鼠2月齡到9月齡間循環OCN水平下降了70 %，與 2～3歲的恒河猴相比，13～15歲的恒河猴循環OCN水平下降超過50 %，人類的循環OCN水平也隨著年齡的增長呈現下降趨勢[6]。可能的原因是OCN可以通過血腦屏障，促進海馬區神經元樹突棘密度增加，突觸可塑性增強。Khrimian等[7]將正常3月齡小鼠的血漿注射到16月齡的老年小鼠體內時，老年小鼠高架十字迷宮實驗中在開臂中停留的時間更長、進入的次數更多，Morris水迷宮實驗中找到平臺所需時間明顯減少，而將16月齡小鼠的血漿及3月齡OCN敲除小鼠的血漿同樣注射到16月齡小鼠體內時則并無明顯變化。OCN還可以與腦干、中腦和海馬中的神經元結合，促進單胺類神經遞質的合成，抑制γ-氨基丁酸的合成，防止焦慮和抑郁的發生。OCN敲除小鼠大腦結構出現異常，神經遞質水平也出現下降，表現出明顯的焦慮及記憶障礙，腦室內注射OCN，可糾正焦慮及記憶障礙[8]。以上研究表明外源性OCN顯著減少了老年小鼠的焦慮行為、增強了空間學習記憶能力和認知功能。提示OCN可能具有作為治療衰老引起的認知衰退治療靶點的潛力。

1.2 骨硬化蛋白

骨硬化蛋白(sclerostin, SOST)又稱硬骨素，是一種由骨細胞釋放的糖蛋白，具有抑制成骨細胞活性和骨形成作用，SOST缺失可導致高骨量疾病硬化癥的發生[9]。研究顯示，SOST可以與骨組織表面的低密度脂蛋白受體相關蛋白5(low-density lipoprotein receptor-related protein 5, LRP5)及低密度脂蛋白受體相關蛋白6(low-density lipoprotein receptor-related protein 6, LRP6)結合，抑制Wnt/β-catenin信號通路，促進神經退行性疾病的發生和發展。Wnt/β-catenin信號具有調節記憶和突觸可塑性的作用[10-12]，是阿爾茲海默癥(Alzheimer’s disease, AD)患者認知能力下降的關鍵信號途徑[13]。臨床研究[14]發現，AD患者腦中β-catenin水平呈進行性下降，且下降水平與癥狀持續時間正相關。另外，抑制Wnt/β-catenin信號可以促進tau樣蛋白的磷酸化[15]及淀粉樣前體蛋白加工過程，加速β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein, Aβ)產生，最終導致學習認知能力下降[16]。SOST的產生受到機械應力的調節，機械應力減少可刺激骨細胞中SOST的轉錄[17]。老年人活動量減少，導致骨骼分泌SOST增多，可能通過抑制Wnt/β-catenin信號通路而影響其認知功能，這或許是AD發病的機制之一，目前仍需相關研究作進一步驗證。

1.3 Dickkopf相關蛋白1

Dickkopf相關蛋白1(Dickkopf-related protein-1, Dkk1)主要由成骨細胞和骨細胞分泌，在骨組織中高表達[18]。與SOST類似，Dkk1在骨力學轉導中發揮作用，通過與LRP6結合抑制Wnt/β-catenin通路[19]。已經有研究[20]發現Dkk1蛋白在AD患者和轉基因AD小鼠的大腦中過表達，Dkk1蛋白在小鼠海馬中的過表達，導致了學習和記憶的損害。此外，神經元相關研究[21-24]表明，Dkk1蛋白表達增加可能促進神經元死亡，誘發腦缺血、癲癇和神經退行性疾病發生。Ross等[25]開展了一項為期18個月的隨機、雙盲臨床試驗，研究103名社區老年人的血清Dkk1水平和認知功能，發現血清Dkk1的水平與認知呈顯著負相關。目前尚不清楚骨骼分泌的循環Dkk1是否可以穿過血腦屏障，但是循環Dkk1水平很有潛力成為預測認知惡化的重要診斷因子。

1.4 脂質運載蛋白2

脂質運載蛋白2(lipocalin 2, Lcn2)是一種主要由成骨細胞分泌的糖蛋白，Lcn2的表達隨著成骨細胞的分化而增加。骨是Lcn2表達的主要器官，Lcn2在骨中的表達水平是脂肪組織的10倍以上[26]。研究表明，Lcn2具有調節腎小管細胞氧化應激、胰島素釋放和能量代謝作用。Lcn2能夠穿過血腦屏障在下丘腦積聚，與下丘腦室旁核和腹內側核神經元中的黑素皮質激素4受體(melanocortin-4 receptor, MC4R)結合后抑制食欲。Lcn2還能誘導胰島素分泌，維持葡萄糖穩態[27]，改善葡萄糖耐受性和胰島素敏感性[28]，2型糖尿病患者血清Lcn2水平與體重呈負相關。在病理條件下，Lcn2通過免疫細胞和膠質細胞，特別是小膠質細胞和星形膠質細胞的募集和激活來促進神經炎癥[29]。帕金森病患者黑質中Lcn2表達較正常同齡人顯著升高，多巴胺能神經元的缺失可能與腦中Lcn2表達的增加有關[30]。也有基礎研究[31]發現，帕金森病動物模型星形膠質細胞的Lcn2表達較正常組上調。這些都提示，抑制Lcn2的表達或活性可能有助于保護大腦黑質紋狀體多巴胺系統，防治帕金森病。

1.5 成纖維細胞生長因子23

成纖維細胞生長因子23(fibroblast growth factor 23, FGF23)是由成骨細胞和骨細胞分泌的含有251個氨基酸殘基的多肽激素[32]，主要作用是保持血磷穩態及抑制維生素D合成，在骨骼、下丘腦、海馬及腦脊液等均有表達[33-35]。研究表明，腦脊液中FGF23水平與沖動程度相關。Li等[36]檢測了96名正常中國男性腦脊液中FGF23的水平，發現腦脊液中FGF23水平為12.8～99.3 pg/mL，且腦脊液FGF23水平與Barratt沖動量表(BIS-11)得分呈正相關。血清FGF23水平升高與慢性腎臟病患者心血管發病率增加和認知障礙也密切相關[37-38]。FGF23過表達小鼠表現為嚴重的低磷血癥，在Morris水迷宮實驗中逃避潛伏期明顯延長，定位平臺的路徑長度也明顯延長，基底前腦處乙酰膽堿轉移酶陽性神經元減少，海馬區三磷酸腺苷含量下降，表現出認知功能障礙、空間學習受損和記憶障礙，而高磷酸鹽飲食攝入改善了FGF23過表達小鼠的上述癥狀[39]。在神經元中，維生素D可抑制氧化應激及神經炎癥，刺激神經營養因子的形成，從而提供神經保護[40]。FGF23過表達可能通過繼發性低磷血癥及抑制維生素D合成，間接介導中樞神經系統異常。

2 骨源性細胞

2.1 骨髓間充質干細胞

骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs)是存在于骨髓中的非造血干細胞，具有向神經元、骨細胞、脂肪細胞、軟骨細胞、心肌細胞分化的潛能[41-43]。BMSCs能夠進入外周循環，穿過血管壁到達靶組織[44]，并通過分泌趨化因子、生長因子等幫助組織再生[45]。Yao等[46]將含有BMSCs的水凝膠注射進創傷性腦損傷大鼠的腦部，發現BMSCs可以通過營養供應和抑制凋亡，加速腦損傷區域的愈合過程，促進內源性神經細胞的存活和增殖，從而促進神經功能的恢復。Sun等[47]發現尾靜脈注射BMSCs可減少AD大鼠Aβ沉積及Morris水迷宮實驗中找到平臺所需時間。

2.2 骨髓來源的小膠質樣細胞

近期研究證明，腦內除了固有存在的小膠質細胞，還存在另外一種骨髓來源的小膠質樣細胞(bone marrow-derived microglia-like cells, BMDML)[48]。BMDML在病理條件下受到集落刺激因子(colony stimulating factor -1, CSF-1)影響[49]，穿過血腦屏障分化為小膠質細胞，高表達CD1lc，具有比腦內固有小膠質細胞更強的抗原提呈和吞噬能力[50]，經Aβ激活后聚集在Aβ周圍[51]，在減少Aβ沉積中發揮主要作用。研究發現，原代培養的小鼠BMDML具有吞噬Aβ的能力，而且將BMDML注射進AD模型小鼠海馬區，可觀察到BMDML向Aβ斑塊方向遷移并吞噬，使Aβ斑塊的數量和面積均有減少，同時AD小鼠模型的認知功能障礙也得到了明顯改善[52]，表明BMDML具有治療AD的潛力。

3 總結

骨骼可通過分泌骨源性因子(OCN、SOST、Dkk1、Lcn2、FGF23)和骨源性細胞(BMSCs、BMDML)調控中樞神經系統功能，其中OCN水平與大腦認知功能呈正相關，而SOST、Dkk1、FGF23水平與大腦認知功能呈負相關，Lcn2水平與大腦神經炎癥、帕金森病密切相關，腦部注射BMSCs、BMDML都具有治療AD的潛力。但目前仍存在一些問題，如骨骼分泌的骨源性因子能否通過血腦屏障直接發揮生物調控作用，BMSCs到達靶組織的過程十分復雜，如何提高BMSCs的歸巢能力和長期植入損傷部位的能力都影響著其治療效果。但加深骨中樞神經系統調控作用的研究與認識，對于尋找中樞系統疾病治療干預的新靶點有著重要意義。