快速老化SAMP6小鼠骨代謝及其分子機(jī)制研究進(jìn)展

馬紹勇,楊 夢(mèng),王佳佳,楊亞軍

(廣東醫(yī)科大學(xué)藥理學(xué)教研室,廣東天然藥物研究與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 湛江 524023)

老年性骨質(zhì)疏松(senile osteoporosis,SOP)及其所致脆性骨折是醫(yī)療費(fèi)升高的原因之一。年老體衰,骨量漸失,骨質(zhì)量下降,但SOP癥狀隱匿,后果嚴(yán)重,診療滯后[1]。因此,盡早地預(yù)防、診斷和治療SOP,是老齡化社會(huì)亟待解決的重要問題之一。SOP的發(fā)病過程復(fù)雜,機(jī)制未明,目前仍需憑借實(shí)驗(yàn)動(dòng)物開展廣泛而深入的研究,根據(jù)需要可以選擇自然衰老性SOP模型、快速老化SOP模型和D-半乳糖致衰老性SOP模型[2]。自然衰老性SOP模型存在死亡率高、管理成本高、實(shí)驗(yàn)周期長等諸多弊端,而快速老化小鼠P6品系(senescence accelerated mouse prone 6,SAMP6)小鼠是通過AKR/J系小鼠近交繁殖培育出的一種模型小鼠,具有衰老快、壽命短(平均約7.9個(gè)月)、骨骼早衰等特征,表現(xiàn)為骨微結(jié)構(gòu)受損、骨量減少和骨脆性增加,是目前公認(rèn)的SOP模型之一[3]。本文綜述了SAMP6小鼠骨骼的力學(xué)性能、微結(jié)構(gòu)和基質(zhì)組成,并總結(jié)了遺傳基因、功能分子等與骨代謝相關(guān)的機(jī)制。

1 SAMP6小鼠的骨生物力學(xué)性能

骨生物力學(xué)性能是評(píng)估骨質(zhì)量的直接可靠方法,可用于評(píng)價(jià)骨骼在受外力作用后的力學(xué)特性和生物效應(yīng)。相比于SAMR1小鼠,SAMP6小鼠在整體上顯示較差的力學(xué)性能。全骨模量降低了23%,屈服強(qiáng)度降低了37%,極限強(qiáng)度降低了40%,全骨韌性降低了62%。此外,SAMP6小鼠的脛骨硬度和彎曲矩減少了20%～25%。在股骨方面,屈服力矩和最終力矩分別減少了20%和35%,關(guān)節(jié)位移和骨折能量減少了70%[4]。這些結(jié)果表明,SAMP6小鼠的脛骨和股骨易碎、韌性差、抗骨折能力較弱。然而,與脛骨和股骨不同的是,SAMP6小鼠的椎骨在力學(xué)性能上與SAMR1小鼠相比,差異無顯著性。盡管椎骨骨小梁體積減少,但這一變化被骨質(zhì)礦化和皮質(zhì)骨厚度的增加所抵消[5],說明椎骨和四肢骨在力學(xué)性能上存在差異。進(jìn)一步觀察四肢骨,相比于SAMR1小鼠,SAMP6小鼠的股骨和脛骨的皮質(zhì)骨模量增加了8%,硬度增加了11%。此外,股骨的皮質(zhì)骨模量和硬度均高于脛骨[6],表明SAMP6小鼠的皮質(zhì)骨礦化程度高,且硬度較大。另有研究發(fā)現(xiàn),低、中、高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)可以提高SAMP6小鼠股骨的斷裂強(qiáng)度,從而改善其生物力學(xué)性能[7]。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于預(yù)防和治療骨質(zhì)疏松癥具有重要意義。總之,SAMP6小鼠在整體和四肢骨方面均表現(xiàn)出較差的生物力學(xué)性能特征。

2 SAMP6小鼠的骨微結(jié)構(gòu)特征

從整體來看,SAMP6小鼠與SAMR1小鼠在椎骨高度、股骨、脛骨長度、骨組織重量等方面,差異無顯著性,但骨組織微結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)指標(biāo)均發(fā)生了不同程度的改變。在椎骨方面,隨著年齡增長,SAMP6小鼠的椎骨總面積和骨內(nèi)面積增加了15%和38%,而皮質(zhì)骨厚度減少了18%[5]。此外,SAMP6小鼠椎骨的骨小梁體積分?jǐn)?shù)(bone volume/total volume,BV/TV)在不同區(qū)域呈現(xiàn)差異,中部區(qū)域小于1%,而頂端和尾端比SAMR1小鼠減少了35%。SAMP6小鼠的骨小梁結(jié)構(gòu)模型指數(shù)(structure model index,SMI)明顯高于SAMR1小鼠[5]。這表明椎骨在不同區(qū)域的骨小梁變化不同,且骨小梁形狀發(fā)生了改變。在股骨和脛骨方面,SAMP6小鼠的骨髓腔面積、骨內(nèi)膜周長和骨外膜周長均高于SAMR1小鼠,但皮質(zhì)骨面積和厚度差異無顯著性[8]。然而,股骨和脛骨松質(zhì)骨中的骨小梁發(fā)生了不同變化。與SAMR1小鼠相比,SAMP6小鼠的股骨BV/TV下降了15%～16%,骨小梁數(shù)量(trabecular number,Tb.N)和骨小梁厚度(trabecular thickness,Tb.Th)也明顯降低,而骨小梁分離度(trabecular separation,Tb.Sp)和骨小梁模式因子(trabecular bone pattern factor,TB.Pf)則明顯增加。SAMP6小鼠的脛骨中BV/TV下降了18%,同時(shí)Tb.N、Tb.Th、SMI、TB.Pf與股骨的變化趨勢(shì)相似[9]。這表明SAMP6小鼠的股骨、脛骨與SAMR1小鼠相比,在外觀上沒有明顯差別,但骨組織微結(jié)構(gòu)中的骨小梁數(shù)量減少,分離度增大,桿狀結(jié)構(gòu)增多,骨微結(jié)構(gòu)受到了一定程度的損傷。

骨形態(tài)計(jì)量學(xué)參數(shù)進(jìn)一步說明了SAMP6小鼠的骨量和骨形態(tài)的變化。與3月齡SAMR1小鼠相比,同齡的SAMP6小鼠股骨的骨小梁吸收表面長度、骨礦沉積率和骨小梁面積明顯減少,表明SAMP6小鼠具有骨吸收活躍、骨形成減少和低骨量的特點(diǎn)。與3月齡SAMP6小鼠相比,6月齡SAMP6小鼠的皮質(zhì)骨寬度平均數(shù)和類骨質(zhì)面積明顯減少,表明隨著年齡的增加,骨質(zhì)疏松程度進(jìn)一步加重。這些骨形態(tài)計(jì)量學(xué)參數(shù)顯示SAMP6小鼠骨微結(jié)構(gòu)受到了破壞,是骨吸收加快和骨形成減少共同作用的結(jié)果[10]。

綜上所述,SAMP6小鼠的椎骨、股骨和脛骨與SAMR1小鼠在外觀上無明顯差異,但出現(xiàn)骨微結(jié)構(gòu)損壞、骨代謝失衡、骨量低下等骨質(zhì)疏松的發(fā)病特征,且嚴(yán)重程度隨年齡增加進(jìn)一步加劇。

3 SAMP6小鼠的骨基質(zhì)組成成份

骨基質(zhì)由有機(jī)質(zhì)和無機(jī)質(zhì)組成。有機(jī)質(zhì)中的膠原纖維占90%以上;無機(jī)質(zhì)主要由鈣、磷、鎂等成分組成,以羥磷灰石結(jié)晶的形式存在。骨密度(bone mineral density,BMD)是評(píng)價(jià)骨礦含量水平的國際金標(biāo)準(zhǔn)之一[11]。在SAMP6小鼠骨骼的有機(jī)質(zhì)中,總蛋白減少5%,膠原含量減少13%,且定向性較差[12]。在無機(jī)質(zhì)方面,SAMP6小鼠的骨鈣、骨磷水平明顯降低,而血鈣、血磷水平明顯升高,表明骨骼的無機(jī)質(zhì)流失加快。SAMP6小鼠的椎骨灰分增加18%,有機(jī)含量降低11%,水分降低了28%,表明其椎骨礦化程度更高[5]。SAMP6小鼠的BMD測(cè)量結(jié)果表明,頭部區(qū)域的BMD最高,其次是脊柱、尾巴和腿部[13]。在1月齡時(shí),SAMP6小鼠全身的BMD與SAMR1小鼠相比差異無顯著性,但在2月齡時(shí)開始低于SAMR1小鼠;兩者的全身BMD在4～5月齡時(shí)達(dá)到峰值,SAMP6小鼠的峰值較低。然而,SAMP6小鼠的全身骨礦含量和骨組織面積持續(xù)增加至8月齡[14],原因未明。總之,隨著年齡增加,SAMP6小鼠的膠原和總蛋白含量降低,而灰分和礦物質(zhì)含量增加,這種無機(jī)質(zhì)和有機(jī)質(zhì)水平的變化對(duì)于研究SOP提供了重要參考。

4 SAMP6小鼠的骨代謝細(xì)胞和功能分子

骨髓中存在多種與骨代謝相關(guān)的細(xì)胞,包括骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone mesenchymal stem cells,BMSCs)、骨骼干細(xì)胞(skeletal stem cells,SSCs)、成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞等,在骨代謝中均發(fā)揮重要作用。與SAMR1小鼠相比,1～2月齡SAMP6小鼠BMSCs數(shù)量差異無顯著性,在3～4月齡時(shí),BMSCs數(shù)量減少,并伴隨骨形成下降和骨量減少[15]。在衰老過程中,SAMP6小鼠的骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞衰退,出現(xiàn)線粒體腫脹和髓鞘樣結(jié)構(gòu)[16],破骨細(xì)胞抗酒石酸酸性磷酸酶陽性率較高,破骨活性增強(qiáng)[17],過氧化物酶體增殖物激活物γ的表達(dá)增加,脂肪細(xì)胞分化增強(qiáng)[18]。體外培養(yǎng)的SAMP6小鼠BMSCs的細(xì)胞增殖和代謝活性降低,細(xì)胞凋亡比例增高,成骨分化潛能受損,脂肪分化能力增強(qiáng)[15,19-20]。這些現(xiàn)象提示,SAMP6小鼠的BMSCs出現(xiàn)衰老的特征。總之,SAMP6小鼠骨量低下是多種細(xì)胞共同作用的結(jié)果。近年來,SSCs對(duì)骨骼發(fā)育和修復(fù)的作用越來越受到重視,但其在SAMP6小鼠中的研究尚未見報(bào)道。

SAMP6小鼠的骨代謝過程受到多種因素的調(diào)控,其中甲狀旁腺激素(parathyroid hormone,PTH)是重要的參與者之一。與SAMR1小鼠相比,SAMP6小鼠的甲狀旁腺分泌顆粒數(shù)量增加,甲狀旁腺顆粒內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基復(fù)合體體積增加,而溶酶體體積減少[21],呈甲狀旁腺功能亢進(jìn)狀態(tài)。此外,SAMP6小鼠的尿cAMP和尿鈣水平較高,血鈣、血磷和PTH水平也明顯升高,提示甲狀旁腺功能亢進(jìn)會(huì)導(dǎo)致骨吸收增加,骨量減少[22]。研究表明,PTH對(duì)皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的作用相反:一方面,低劑量PTH可以增加皮質(zhì)骨中c-fos的表達(dá),促進(jìn)破骨細(xì)胞成熟,增強(qiáng)骨吸收,抑制Ι型膠原的合成,阻礙成骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨形成活動(dòng),導(dǎo)致皮質(zhì)骨孔隙率增大,骨密度降低[23];另一方面,低劑量PTH可以改善SAMP6小鼠松質(zhì)骨骨小梁微結(jié)構(gòu),增加干骺端的骨強(qiáng)度[24]。白介素11(interleukin 11,IL-11)作為一種抑炎因子,也會(huì)影響SAMP6小鼠的骨代謝過程。在SAMP6小鼠骨髓基質(zhì)細(xì)胞中,IL-11表達(dá)減少,若增強(qiáng)TGF-β水平和AP-1活性,有可能促進(jìn)IL-11表達(dá)的增加,破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的生成也相應(yīng)增強(qiáng)[25];補(bǔ)充IL-11,則會(huì)抑制成脂分化,同時(shí)會(huì)促進(jìn)成骨分化與破骨分化[18]。可見,PTH的增加和IL-11的異常減少可能是導(dǎo)致SAMP6小鼠骨代謝異常的主要原因。

5 SAMP6小鼠的遺傳基因和分子機(jī)制

SAMP6小鼠具有骨密度低下、遺傳穩(wěn)定的特征,其骨量主要受多個(gè)基因的共同調(diào)控,但與骨骼相關(guān)的基因位于不同染色體上。簡言之,第11號(hào)染色體上的位點(diǎn)可以調(diào)控骨內(nèi)膜和骨膜的形成,從而影響股骨橫斷面的形狀。13號(hào)染色體上的Pbd2位點(diǎn)與成熟前的骨形成有關(guān),是增加峰值骨密度的位點(diǎn),并能增加干骺端的骨小梁和皮質(zhì)骨體積,但不影響骨骼的幾何形狀[26]。X染色體上的Pbd3位點(diǎn)與成熟后的骨丟失率相關(guān),但不影響峰值骨量[27]。

Wnt/β-catenin信號(hào)通路在骨形成調(diào)控中扮演著重要角色。低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白5/6和Frizzled受體與Wnt結(jié)合,促進(jìn)β-catenin轉(zhuǎn)位入核,與TCF/LEF轉(zhuǎn)錄因子相互作用,最終激活成骨細(xì)胞的分化[28]。分泌型卷曲相關(guān)蛋白4(secreted frizzled-related protein 4,SFRP4)作為受體阻遏物,妨礙Wnt信號(hào)在細(xì)胞內(nèi)的傳遞,抑制成骨分化,導(dǎo)致骨密度下降。在SAMP6小鼠中,SFRP4的表達(dá)水平明顯增高,影響骨代謝過程。然而,在松質(zhì)骨和密質(zhì)骨中,SFRP4的作用途徑并不一致。松質(zhì)骨缺失SFRP4基因,典型的Wnt信號(hào)通路激活,骨小梁數(shù)量增加;皮質(zhì)骨缺失SFRP4基因,通過激活非典型的Wnt通路,增強(qiáng)BMP信號(hào),導(dǎo)致硬化蛋白表達(dá)增加,皮質(zhì)骨變薄[29]。低劑量PTH和IL-11通過激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路,促進(jìn)骨形成。研究表明,PTH通過抑制MEF2C的表達(dá),降低骨硬化蛋白(sclerostin,SOST)的表達(dá),從而促進(jìn)Wnt信號(hào)傳遞,增加骨密度。另據(jù)報(bào)道,IL-11通過抑制Dickkopf相關(guān)蛋白1(Dickkopf-related protein 1,DKK1)和DKK2的表達(dá),激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路,促進(jìn)成骨細(xì)胞分化[30]。然而,在SAMP6小鼠中,IL-11是否通過DKK1和DKK2來激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路,目前尚不明確(Fig 1)。

Fig 1 SAMP6 mouse bone metabolism-related

綜上所述,SAMP6小鼠是一種用于研究SOP分子機(jī)制的模型。盡管已經(jīng)取得了一些進(jìn)展,但仍需要進(jìn)一步的研究來揭示SAMP6小鼠SOP的詳細(xì)機(jī)制和潛在治療靶點(diǎn)。

6 總結(jié)與展望

SAMP6小鼠具有遺傳穩(wěn)定、骨量低下等特點(diǎn),在骨骼形態(tài)、結(jié)構(gòu)組成和BMD力學(xué)性能方面均與人類相似,椎骨除外。SAMP6小鼠骨量低下的原因較為復(fù)雜,根據(jù)現(xiàn)有的研究報(bào)道,其發(fā)病機(jī)制可能與BMSCs衰老、成骨細(xì)胞減少、破骨細(xì)胞與脂肪細(xì)胞增多、IL-11和PTH表達(dá)異常有關(guān)。目前,以SAMP6小鼠作為模型研究與開發(fā)防治SOP的藥物,已經(jīng)取得了一系列研究成果,尤其是抗骨質(zhì)疏松中藥及其天然產(chǎn)物。例如,黃芪可以通過Vitamin-D/FGF-23/Klotho通路影響骨形成活動(dòng),進(jìn)而提高鈣、磷含量,改善SAMP6小鼠骨質(zhì)疏松[31]。白藜蘆醇能夠增強(qiáng)線粒體功能,改善細(xì)胞代謝,促進(jìn)成骨分化,從而增加SAMP6小鼠的骨形成功能[32]。肉蓯蓉總糖苷和肉蓯蓉多糖可以通過激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路,改善SAMP6小鼠的骨質(zhì)疏松癥狀[33]。此外,小檗堿、干發(fā)酵大豆食品、膳食根皮苷、補(bǔ)腎壯骨顆粒均可提高SAMP6小鼠BMD,對(duì)SOP具有很好的治療潛力。前述研究為解決老齡化社會(huì)中SOP問題提供了有希望的治療策略,并促進(jìn)了對(duì)SOP發(fā)病機(jī)制的深入了解,為未來進(jìn)一步研究和臨床應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。