糖皮質激素誘導骨質疏松發病機制的研究進展

周于琳 馮正平

重慶醫科大學附屬第一醫院內分泌科，重慶 400016

骨質疏松癥是一種常見的全身性骨骼疾病，導致骨量減少、骨骼脆性增高，高血漿皮質醇水平、絕經后婦女、高齡等人群有更高的骨折風險。糖皮質激素誘導骨質疏松(glucocorticoid-induced osteoporosis，GIOP)是常見的繼發性骨質疏松癥之一，表現為骨形成減少、骨吸收增加。當皮質醇增多的原發性疾病治愈或停止使用糖皮質激素后，骨折風險迅速降低[1]。本文對近年來糖皮質激素誘導骨質疏松的分子機制作一綜述，旨在為臨床更好地防治GIOP提供參考。

1 糖皮質激素對成骨細胞的影響

成骨細胞主要由內外骨膜和骨髓基質內的間充質干細胞(mesenchymal stem cells，MSC)分化而來，起著促進骨形成的作用。迄今研究表明，糖皮質激素可影響成骨細胞分化、增殖及凋亡。

1.1 Wnt/β-catenin信號通路

Wnt蛋白與細胞表面受體結合，信號轉導入胞內抑制糖原合成激酶3β(GSK3β)，使β-catenin向細胞核移動，與轉錄因子TCG/LEF結合啟動轉錄，正向調控成骨細胞分化。研究顯示[2-4]，生理量糖皮質激素誘導下，小鼠成骨細胞內Wnt9a、Wnt10b表達上調，激活Runx2和Osx，促進成骨細胞分化。超生理量糖皮質激素顯著降低了小鼠成骨細胞內Wnt16水平，同時增強Wnt信號通路的拮抗蛋白(如Sost、Dkk1、sFRP-1)及負性調節因子Axin-2的表達，抑制成骨細胞分化。

1.2 BMP/Smads信號通路

骨形成蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)是誘導骨形成的主要因子。BMP與細胞表面跨膜受體結合并募集Smad1/5/8，轉至核內調節下游基因表達，誘導成骨細胞分化。Huang等[5]證實，糖皮質激素通過降低成骨細胞內BMP2/6/7、Smad1/5/8的水平，抑制BMP/Smads信號通路傳導，阻礙成骨細胞分化。

1.3 Notch信號通路

Notch信號的傳遞主要需要Notch受體(Notch1/2/3/4)、配體(如Jagged1/2、DLL1/3/4)及細胞內效應器的共同作用。Notch受體與配體結合，Notch受體胞內結構域自細胞膜易位至細胞核，與免疫球蛋白κJ區的重組信號結合蛋白相結合，激活編碼抑制性轉錄因子的Hes/Hey家族表達，抑制成骨細胞分化。Zanotti等[6]證實，超生理量的糖皮質激素刺激小鼠成骨細胞內Notch受體(主要指Notch1/2)過度表達，Hes1、Hey1等活化增強，阻礙成骨細胞分化；生理量糖皮質激素作用下，Hey1/L等表達受抑制，則有利于成骨細胞分化。這說明Notch信號通路受糖皮質激素影響，一旦超過生理量，則過度激活該信號，減少成骨細胞分化，抑制骨重塑。

1.4 PI3K/Akt信號通路

磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)是一種脂質激酶，可激活軟骨內骨化調節因子蛋白激酶B(Protein Kinase B，Akt)與BMP2共同調節成骨細胞分化。Chen等[7]觀察到，PI3K/Akt通路激活后，BMP2、ALP等骨形成標志物表達上調，促進成骨細胞分化和增殖。而地塞米松處理后的小鼠，成骨細胞內PI3K、Akt磷酸化及抗凋亡蛋白Bcl2減少，GSK3β上調，成骨細胞凋亡增多[8]。

1.5 成骨細胞鐵死亡

鐵死亡是依賴于鐵介導的氧化損傷的一種新型細胞死亡形式，其發生與谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)受抑制密切相關。近年來，大量研究探索了鐵死亡與骨穩態的關系，證實了鐵死亡參與了糖尿病性骨質疏松、癌性骨病、骨關節病等的發生，并認為調控鐵死亡是骨病治療潛在方向。目前研究表明，糖皮質激素可能通過誘導成骨細胞發生鐵死亡參與骨質疏松的發生發展。研究發現[9-10]，暴露于地塞米松的MC3T3-E1細胞中鐵蛋白重鏈、GPX4及具有抗氧化作用的胱氨酸/谷氨酸逆向轉運蛋白SLC7A11減少，環氧合酶2增加，導致細胞內活性氧(reactive oxidative species，ROS)含量增高，促進細胞內鐵死亡，成骨細胞凋亡增加，但使用鐵死亡抑制劑Fer-1后，成骨細胞凋亡顯著減少，證明了鐵死亡在GIOP中的重要作用。

1.6 成骨細胞自噬

自噬是細胞實現細胞自身代謝及細胞器更新的進程。近年研究證實，自噬影響骨代謝，在絕經后骨質疏松、骨硬化癥等骨骼疾病中有重大意義，在GIOP中也發揮重要作用。

自噬空泡具有分泌磷灰石晶體的載體作用，參與成骨細胞礦化。在GIOP中，糖皮質激素過度激活自噬，導致了成骨細胞凋亡增加，成骨細胞礦化減少[11]。陳俊名等[12]發現，隨著地塞米松濃度增高，MC3T3-E1細胞增殖能力逐漸減弱，凋亡增多，并且胞內自噬小體及自噬調控蛋白Beclin-1、LC-3B、NCOA增多，p62減少。使用自噬抑制劑3-MA后[13-14]，Liu等[13]發現MC3T3-E1細胞凋亡減少；Han等[14]則觀察到MC3T3-E1細胞凋亡反而增加，這可能表明一定強度的自噬對于骨骼具有保護作用，自噬過度增強或減弱都不利于成骨細胞分化、增殖。

1.7 外泌體與成骨細胞

外泌體是胞內體與細胞膜融合釋放到細胞外基質的膜性囊泡，含有大量的蛋白分子、DNA、RNA、mRNA、miRNA，吞入細胞后可介導細胞間信號傳遞。近年來，外泌體對骨代謝影響的研究逐漸深入。

既往研究發現，在糖皮質激素誘導下，成骨細胞中miR-199a-5p顯著增多，并通過靶向Wnt信號，抑制成骨細胞分化；近期臨床研究也發現[15]，糖皮質激素治療后類風濕關節炎患者血清內miR-199a-5p水平明顯增高，進一步證實了糖皮質激素促進miR-199a-5p表達。Garcia等[16]研究中，成骨細胞來源的miR-433-3p具有靶向減少11β-羥基類固醇脫氫酶1(11β-hydroxysteroid dehydrogenase，11β-HSD1)的作用，但在糖皮質激素誘導下，miR-433-3p減少，11β-HSD1增多，導致細胞內活化糖皮質激素的水平增高，骨質破壞加重。以上研究證實，糖皮質激素可能通過調控不同類型外泌體表達水平，促進GIOP發生發展。

2 糖皮質激素對MSC分化的影響

MSC是成骨細胞及脂肪細胞的共同祖細胞，研究發現，糖皮質激素可能通過外泌體及FoxO通路等影響其分化[17]。

2.1 FoxO-β-catenin-PPARγ信號軸

氧化應激介導的FoxO-β-catenin-PPARγ信號軸的平衡對MSC分化具有重要作用，糖皮質激素促進氧化應激，抑制Wnt信號通路，同時也上調PPARγ及KLF15、C/EBPα、aP2等脂肪細胞生成相關蛋白的表達[18-19]，使MSC分化的“天秤”向脂肪細胞傾斜，導致成骨細胞分化相對減少。

2.2 外泌體與MSC

研究顯示[20-21]，在GIOP模型小鼠中，MSC來源的miR-708高表達并靶向作用于Smad3，Let-7f-5p表達則受抑制，并伴有成骨相轉錄因子Runx2、Osx及骨形成標志物ALP、OCN、PINP等的降低，均提示MSC的成骨細胞分化減少，表明糖皮質激素可能通過調控外泌體表達抑制MSC的成骨細胞分化。

綜上所述，糖皮質激素通過多種信號通路、細胞自噬、外泌體等分子機制調控成骨細胞分化、增殖、凋亡，從而抑制骨形成。

3 糖皮質激素對破骨細胞的影響

破骨細胞是來源于造血干細胞的組織特異性巨噬細胞，其增殖與活化是GIOP早期骨吸收明顯增強的原因。

3.1 RANK/RANKL/OPG信號通路

早在20世紀90年代末，核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL)及其受體RANK在調節破骨細胞形成和活性方面的重要性就已經在RANKL缺失小鼠中得到證實。骨保護素(osteoprotegerin，OPG)作為RANKL的誘餌受體，可阻止RANK與RANKL結合，維持骨量[22]。糖皮質激素通過刺激成骨細胞和骨細胞分泌RANKL，抑制OPG分泌，促進破骨細胞分化，增強骨吸收[23-24]。

3.2 MAPK信號通路

絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)信號通路是RANK/RANKL信號通路的下游通路，MAPK的亞家族成員包括ERK、JNK、p38。Zhu等[25]證明，地塞米松處理后，小鼠破骨細胞內磷酸化的ERK、JNK、p38明顯增多，破骨細胞活性增強。也有研究認為[26]，ERK在糖皮質激素誘導下活化受到抑制，通過影響成骨細胞間接調控破骨細胞分化，在超生理量糖皮質激素誘導下，PI3K/AKT信號通路、Wnt/β-catenin信號傳遞被抑制，間隙連接蛋白-43去磷酸化增強，ERK1/2活化受阻，成骨細胞內活化的ERK1/2減少，一方面，無法介導活化下游成骨相關轉錄因子，抑制成骨細胞分化；另一方面，去磷酸化的ERK1/2刺激成骨細胞分泌RANKL，促進破骨細胞分化，最終導致骨質疏松發生。

3.3 氧化應激

ROS在細胞傳導及機體內環境穩定中具有重要作用。糖尿病性骨質疏松、類風濕性關節炎等骨病中均發現了ROS的過度表達。Hua等[27]發現，糖皮質激素增強促凋亡蛋白Bim、Bak表達，促進鈣內流，誘導富含脯氨酸的酪氨酸激酶2(proline-rich tyrosine kinase 2，pyk2)、JNK活化，進而激活p66Shc激酶，導致ROS累積，增加成骨細胞、骨細胞及破骨細胞凋亡，但凋亡的細胞釋放更多的細胞因子，誘導破骨細胞募集。但Sato等[28]指出，pyk2具有抑制破骨細胞凋亡的作用，并在pyk2基因缺失的小鼠中觀察到，糖皮質激素誘導下的骨量丟失減少。以上研究表明，糖皮質激素促進氧化應激，對成骨細胞及破骨細胞均有一定促凋亡作用，但其通過誘導pyk2活化延長破骨細胞壽命，以凋亡細胞所釋放細胞因子促進破骨細胞募集，最終表現出對破骨細胞功能維持的正向作用，促進骨吸收，破壞骨穩態。

3.4 破骨細胞自噬

部分研究探索了糖皮質激素誘導下自噬在破骨細胞分化中的作用，Lin等[29]選擇性刪除破骨細胞前體中的自噬相關基因7后，糖皮質激素誘導的小鼠骨吸收減輕，由此推測糖皮質激素具有誘導自噬以促進破骨細胞分化的作用。

3.5 破骨細胞與外泌體

除了對成骨細胞及MSC來源外泌體影響外，也有研究表明[30]，RANKL誘導分化的破骨細胞前體細胞RAW 264.7的外泌體中miR-23a-5p表達水平增高，參與抑制成骨細胞活性，并證明了其靶基因為Runx2。既往研究已肯定，隨著體內皮質醇水平升高，RANKL增多，由此推斷，miR-23a-5p也增多，最終抑制骨形成。

綜上所述，糖皮質激素對于骨骼健康有重要影響。長期暴露于超生理量糖皮質激素會導致骨形成減少，骨吸收增強，骨折風險顯著升高，其具體分子機制可能與糖皮質激素影響Wnt、BMP、Notch等信號通路相關。近年的研究發現，GIOP也可能與糖皮質激素影響細胞自噬、外泌體、鐵死亡以調控成骨細胞、破骨細胞的分化、增殖、凋亡密切相關，未來可通過分子生物學技術進一步明確其主要分子機制，為GIOP的防治打下基礎。