細(xì)胞外ATP激活受體P2X7在骨質(zhì)疏松癥中的作用機制

張浩龍 趙瑞 潘靜 齊雅茜 雷新宇 白金霞 張忠文 王薇 張浩令* 宋志靖,5*

1.馬來西亞理科大學(xué)高級醫(yī)學(xué)和牙科研究所,馬來西亞 檳城 13200

2.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)臨床學(xué)院,甘肅 蘭州 730000

3.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)針灸推拿學(xué)院,甘肅 蘭州 730000

4.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院,甘肅 蘭州 730000

5.敦煌醫(yī)學(xué)與轉(zhuǎn)化教育部重點實驗室,甘肅 蘭州 730000

隨著全球人口逐漸步入老齡化,骨質(zhì)疏松癥已成為全球范圍內(nèi)的一大公共衛(wèi)生挑戰(zhàn)[1]。這種疾病表現(xiàn)為骨密度減低、骨微結(jié)構(gòu)破壞,骨折風(fēng)險增加[2]。當(dāng)前,針對骨質(zhì)疏松癥的治療策略主要包括藥物治療,如抗骨吸收劑(雙膦酸鹽、利塞膦酸鈉、伊班膦酸鹽和唑來膦酸等)、生活方式的調(diào)整(增加鈣和維生素D的攝入、保持適當(dāng)?shù)倪\動)以及定期進行骨密度檢查等[3-4]。然而,這些治療手段大多僅能緩解癥狀,并未能在根本上改變疾病的進程。因此,探索新的治療靶點以開發(fā)更為有效的治療策略,已然成為當(dāng)前研究的關(guān)鍵方向。

近年來,作為由細(xì)胞外腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine-triphosphate,ATP)激活的離子通道,P2X7受體在骨質(zhì)疏松癥的發(fā)展過程中,特別是在骨吸收和破骨細(xì)胞功能方面,已被廣大科研工作者高度認(rèn)可[5]。Kvist等[6]在2017年證實,在骨質(zhì)疏松小鼠模型中,消除P2X7受體可以預(yù)防炎癥性骨質(zhì)流失,同時維持其骨強度。Lu等[7]發(fā)現(xiàn)敲除P2X7受體可以通過調(diào)節(jié)自噬和Ca2+/鈣黃素/NFATc1信號通路來抑制破骨細(xì)胞的分化,進而抑制骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生。因此,P2X7受體有可能成為骨質(zhì)疏松癥治療的新靶點。本文致力于深入探討P2X7受體在骨質(zhì)疏松癥中的作用,以及其作為免疫系統(tǒng)與骨質(zhì)疏松癥之間聯(lián)系的角色,為骨質(zhì)疏松癥的新型治療策略提供新的視角和啟示。

1 P2X7對破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的影響

P2X7受體在骨骼相關(guān)疾病中扮演著至關(guān)重要的角色,特別在破骨細(xì)胞與成骨細(xì)胞的功能調(diào)節(jié)上顯得尤為突出。在破骨細(xì)胞中,P2X7受體的活化能夠誘導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng),啟動NF-κB(核因子激活的B細(xì)胞的κ-輕鏈增強)信號通路,并推動破骨細(xì)胞前體細(xì)胞的分化,從而強化骨質(zhì)吸收活動。在成骨細(xì)胞中,P2X7受體能夠激發(fā)其增殖和分化,進一步促進骨質(zhì)的礦化過程。然而,持久或過度的活化可能誘發(fā)細(xì)胞凋亡,對成骨細(xì)胞產(chǎn)生負(fù)面影響。因此,作為骨骼代謝的核心分子,P2X7受體在維持骨骼健康方面具有至關(guān)重要的價值。

1.1 P2X7對破骨細(xì)胞的影響

P2X7受體在破骨細(xì)胞的活動中發(fā)揮著核心作用,其活化能夠刺激破骨細(xì)胞加強對骨質(zhì)的吸收。在響應(yīng)炎癥部位釋放的刺激或?qū)C械刺激的反應(yīng)時,P2X7核苷酸受體能夠通過NF-κB來調(diào)控破骨細(xì)胞的生成和活性[8-9]。然而,P2X7受體的過度活化會導(dǎo)致骨質(zhì)吸收或骨質(zhì)喪失從而誘發(fā)骨質(zhì)疏松癥和其他骨骼相關(guān)疾病[10]。例如,Zha等[11]的研究揭示了腫瘤壞死因子-α(TNF-α)可以通過磷脂酰肌醇3-激酶/絲氨酸/蘇氨酸激酶(PI3k/Akt)信號通路增強P2X7受體以及NF-κB配體受體激活劑(receptor activator ofnuclear factor kappa-B ligand,RANKL)的表達,促使骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)向破骨細(xì)胞的分化,加速骨質(zhì)的損失并誘發(fā)絕經(jīng)后婦女的骨質(zhì)疏松癥。此外,在長期或高劑量的鉻金屬暴露下,P2X7的活化通過上調(diào)PI3K/AKT通路抑制成骨細(xì)胞活性并刺激破骨細(xì)胞生成誘發(fā)骨質(zhì)疏松癥[12]。阻斷P2X7受體可以抑制TNF-α促進的破骨細(xì)胞分化,明顯延緩骨質(zhì)疏松癥的進展[7]。研究表明,敲除P2X7受體可調(diào)控自噬、Ca2+/鈣黃素/NFATc1信號通路、MAPK信號通路來抑制破骨細(xì)胞的分化[13-14]。Hwang等[15]敲除P2X7受體可抑制溶血磷脂酸(LPA)刺激的破骨細(xì)胞直徑和骨吸收能力。因此,以P2X7受體作為藥物靶點,通過抑制P2X7可以降低破骨細(xì)胞的活性,為骨質(zhì)疏松癥等骨骼疾病的治療開辟新的路徑。

總的來說,P2X7受體的激活可以促進破骨細(xì)胞的生成。然而,關(guān)于細(xì)胞外ATP在調(diào)控骨吸收中的重要作用存在著矛盾的證據(jù)。細(xì)胞外高濃度ATP既有可能誘發(fā)骨吸收,也可能通過啟動細(xì)胞凋亡來降低骨吸收。此外,細(xì)胞內(nèi)ATP水平對破骨細(xì)胞的生存和再吸收具有積極的調(diào)節(jié)作用(圖1)[16-18]。

圖1 P2X7激活調(diào)節(jié)破骨前體細(xì)胞和破骨細(xì)胞的作用機制Fig.1 Mechanism of P2X7 activation regulating the function of osteoclast precursors and osteoclasts

1.2 P2X7對成骨細(xì)胞的影響

成骨細(xì)胞是骨骼形成和礦化的關(guān)鍵細(xì)胞[19]。在成骨細(xì)胞的生物學(xué)功能中,P2X7受體發(fā)揮著重大的影響。P2X7受體的激活能夠刺激成骨細(xì)胞的增殖和分化,進一步推動新骨的生成和骨矩陣的礦化,但過度激活可能對成骨細(xì)胞產(chǎn)生負(fù)面影響。一些研究指出,長期或過度激活P2X7受體可能導(dǎo)致成骨細(xì)胞的過度增殖以及細(xì)胞凋亡。如長期鎘暴露激活P2X7,通過下調(diào)PI3K/AKT信號通路抑制BMSCs和骨髓單核細(xì)胞(BMMs)向成骨細(xì)胞的分化,并促進成骨細(xì)胞凋亡,從而誘發(fā)骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生[12]。因此,P2X7受體活動的平衡在維護骨骼健康中起著至關(guān)重要的作用。失衡的P2X7受體活動對于成骨細(xì)胞的抑制作用,使其成為了在治療骨骼疾病和骨質(zhì)疏松癥等疾病中的潛力靶點。例如,抗菌肽LL37 (Human cathelicidin,Ropocamptide)通過P2X7受體和MAPK信號通路抑制炎癥細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)、TNF-α和RANKL的表達,降低脂多糖(LPS)誘導(dǎo)的成骨抑制作用[20]。低強度脈沖超聲(LIPUS)可以誘導(dǎo)細(xì)胞外ATP通過P2X7受體及其下游的信號通路,促進人類間充質(zhì)干細(xì)胞(hMSCs)的成骨分化[21]。然而,關(guān)于如何精確調(diào)控P2X7受體以優(yōu)化骨骼健康,科研人員仍需要進行更深入的研究。

成骨細(xì)胞的發(fā)育源自間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs),在此過程中,內(nèi)源性ATP的釋放能夠激活P2X7受體,從而推動MSCs向成骨細(xì)胞的分化。細(xì)胞外的ATP通過水解生成ADP/AMP和焦磷酸(PPi),這兩者對成骨細(xì)胞的功能產(chǎn)生抑制作用,而內(nèi)源性ATP(無論是基礎(chǔ)狀態(tài)還是機械刺激誘導(dǎo)的)則具有促成骨效果。P2X7受體信號能夠觸發(fā)一系列下游事件[前列腺素E2(PGE2)的合成/釋放、磷脂酸(LPA)的合成/釋放,以及絲氨酸/蘇氨酸激酶(ERK1/2)的激活],增強成骨細(xì)胞的分化并促進骨組織形成。機械刺激導(dǎo)致ATP的釋放,通過激活P2X7受體,以此來增強受體介導(dǎo)的成骨功能。對于P2X7受體的瞬時激活,其可通過激動劑介導(dǎo),促進成骨細(xì)胞的分化和基質(zhì)礦化;然而,持續(xù)的刺激會導(dǎo)致細(xì)胞外ATP積累,進而誘發(fā)細(xì)胞凋亡,呈現(xiàn)出抗成骨性(圖2)[8,13,22-23]。

圖2 P2X7激活調(diào)節(jié)成骨前體細(xì)胞和成骨細(xì)胞的作用機制Fig.2 Mechanism of P2X7 activation regulating the function of osteoblast precursors and osteoblasts

2 P2X7作為免疫炎性系統(tǒng)和骨質(zhì)疏松癥之間的紐帶

2.1 P2X7與慢性炎癥性骨質(zhì)疏松癥

P2X7受體是一種由ATP激活的離子通道,存在于各類細(xì)胞類型中,尤其在免疫細(xì)胞(如巨噬細(xì)胞和淋巴細(xì)胞等)中表達量較高[24]。此類受體在多種細(xì)胞生理活動中,如信號傳導(dǎo)、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞增殖與凋亡,均發(fā)揮著決定性的作用。近期的研究揭示了P2X7受體在慢性炎癥性骨質(zhì)疏松癥發(fā)展過程中扮演著關(guān)鍵角色[25]。慢性炎癥性骨質(zhì)疏松癥是一種由持久的炎癥狀態(tài)引發(fā)的骨質(zhì)流失疾病,常伴隨發(fā)生于類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和炎癥性腸病等慢性炎癥疾病中。在這類疾病的發(fā)展過程中,炎癥細(xì)胞和細(xì)胞因子的過度活動導(dǎo)致骨骼重塑過程的失衡,即破骨細(xì)胞的骨吸收活動超過了成骨細(xì)胞的骨生成活動,從而引發(fā)了骨質(zhì)疏松癥[6]。

P2X7受體對慢性炎癥性骨質(zhì)疏松癥的影響主要表現(xiàn)在兩個方面:一是調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng),二是直接影響骨骼細(xì)胞。首先,P2X7受體可以調(diào)控炎癥細(xì)胞的活性和細(xì)胞因子的生成,如TNF-α、白介素-1(IL-1)和白介素-6(IL-6),參與炎癥反應(yīng)。這些細(xì)胞因子可以直接刺激破骨細(xì)胞的形成和活化,加快骨吸收[26]。例如,高濃度的TNF-α可以通過PI3K/Akt信號通路,上調(diào)BMSCs中的P2X7受體表達,促進BMSCs向破骨細(xì)胞的分化,進一步加強骨吸收,加劇骨質(zhì)疏松癥的發(fā)展[7]。另一方面,低濃度的TNF-α(1～5 ng/mL)可以通過NF-κB信號通路促進成骨細(xì)胞的分化,同時抑制破骨細(xì)胞的分化[27]。同時,炎癥反應(yīng)會引發(fā)RANKL分泌增加,進一步促進破骨細(xì)胞的分化和功能。除上述細(xì)胞因子外,其他細(xì)胞因子如白介素-12(IL-12)、白介素-18(IL-18)、白介素-33(IL-33)和干擾素α2(IFN-α2)可以抑制破骨細(xì)胞的分化,抑制骨質(zhì)流失[23]。然而,對于P2X7受體如何在微觀層面上影響這些過程,以及如何有效利用這些機制來開發(fā)新的治療策略,仍需要進一步的研究。

炎癥過程中,大量ATP的釋放激活免疫細(xì)胞以及破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞上的P2X7受體。當(dāng)炎癥部位的組織或細(xì)胞受到損傷時,釋放出的ATP可激活骨細(xì)胞上的P2X7受體。同樣,炎癥部位的單核細(xì)胞等免疫細(xì)胞的P2X7受體會被細(xì)胞或組織損傷釋放的ATP激活。這些細(xì)胞上的P2X7受體激活會誘導(dǎo)K+流出和NALP3炎性體激活,導(dǎo)致促炎細(xì)胞因子IL-1、IL-6、IL-1β和TNF-α的加工和釋放。這些因子通過PI3k/AKT途徑促進單核細(xì)胞與破骨細(xì)胞的融合,進而推動骨的吸收。同時,增強成骨細(xì)胞中的RANKL表達可促進破骨細(xì)胞形成并加速骨吸收。此外,一些炎癥細(xì)胞因子(如IL-12、IL-18、IL-33)可抑制破骨細(xì)胞,促進成骨細(xì)胞分化,抑制骨質(zhì)流失(圖3)[8,13,28]。

圖3 P2X7與慢性炎癥性骨質(zhì)疏松癥作用機制Fig.3 Mechanism of P2X7 in chronic inflammatory osteoporosis

2.2 P2X7與免疫系統(tǒng)介導(dǎo)的骨質(zhì)疏松癥

免疫系統(tǒng)在骨質(zhì)疏松癥的發(fā)展過程中扮演著重要的角色,尤其是免疫細(xì)胞和炎癥因子對骨質(zhì)調(diào)控的作用不容忽視。感染或疾病所引發(fā)的炎癥,或者免疫功能失調(diào)導(dǎo)致的病理性問題,都可能對骨質(zhì)產(chǎn)生破壞性的影響,從而增加患者骨質(zhì)疏松和骨折的風(fēng)險。例如,在自身免疫力下降的情況下,由于CD4+細(xì)胞的功能出現(xiàn)問題且數(shù)量有所減少,其對骨保護素(OPG)的共刺激作用相應(yīng)減弱,從而導(dǎo)致OPG的生成量下降。這會使RANKL與OPG的比值增加,提升破骨細(xì)胞的活性,加速骨質(zhì)吸收,進而提高骨質(zhì)疏松癥的風(fēng)險[29]。細(xì)胞外的ATP通過激活P2X7受體-NF-κB(p65)信號通路,促進樹突狀細(xì)胞的成熟,并同時釋放炎癥因子如γ-干擾素 (IFN-γ)和IL-12[30]。此外,樹突狀細(xì)胞的P2X7受體的激活也會產(chǎn)生IL-1β和IL-18等細(xì)胞因子,進一步增強炎癥反應(yīng)[31]。IL-18和IL-12的釋放抑制破骨細(xì)胞活動,同時促進成骨細(xì)胞的分化,從而有助于預(yù)防骨質(zhì)流失[13-15,28]。

2.3 P2X7基因多態(tài)性與骨質(zhì)疏松癥

編碼P2X7受體的基因P2RX7已被證實存在眾多形態(tài)變異,這些變異可能對P2X7受體的功能產(chǎn)生重大影響,并可能與多種疾病的發(fā)病風(fēng)險緊密相關(guān)。關(guān)于P2X7基因多態(tài)性與骨質(zhì)疏松癥關(guān)系的研究尚屬初級階段,但P2X7基因多態(tài)性影響骨骼細(xì)胞,包括成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的活動已被證實。Wang等[32]研究結(jié)果表明,P2X7R rs3751143CC基因型以及rs1718119 G-rs2230911 G-rs3751143C單倍型與骨質(zhì)疏松癥風(fēng)險增加存在顯著關(guān)聯(lián)。同時,P2X7R rs3751143與ER-α PvuⅡ兩個位點的相互作用使中國絕經(jīng)后婦女對骨質(zhì)疏松癥的易感性顯著增加。Xu等[33]的研究也揭示了P2X7R rs3751143功能多態(tài)性可能對中國絕經(jīng)后婦女的骨質(zhì)疏松癥易感性產(chǎn)生影響。Jrgensen等[34]發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)流失率與Arg307Gln氨基酸替代顯著相關(guān),攜帶這種多態(tài)性雜合子的個體骨質(zhì)流失率增加40%。此外,攜帶Ile568Asn變異等位基因也能增加個體骨質(zhì)流失,加速骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生。相比之下,Gln460Arg和Ala348Thr多態(tài)性與防止骨質(zhì)流失有關(guān)。Ala348Thr 多態(tài)性與絕經(jīng)后10年椎體骨折發(fā)生率較低相關(guān)。這項研究進一步驗證了P2X7受體基因多態(tài)性在骨密度調(diào)控方面的重要性。Stéfani等[35]通過對121名巴西人進行 P2X7基因中7個非同義單核苷酸多態(tài)性(SNPs)的基因分型,發(fā)現(xiàn)TL 18147-P2X7受體基因中的單核苷酸多態(tài)性與骨密度和踝關(guān)節(jié)骨折有關(guān)。

P2X7受體以及其編碼基因P2RX7的多態(tài)性構(gòu)成了一個新興而充滿潛力的研究領(lǐng)域,這可能為深化對骨質(zhì)疏松癥的認(rèn)識,以及提供預(yù)防和治療骨質(zhì)疏松癥的新穎思路。然而,仍需更多研究以揭示P2X7受體在骨質(zhì)疏松癥中的確切作用,以及P2RX7基因多態(tài)性如何影響這一過程。此外,還需在更廣大的樣本群體及不同種族中進行更深入的研究,以驗證現(xiàn)有的發(fā)現(xiàn),并確定這些發(fā)現(xiàn)是否具有廣泛的適用性。只有通過這種方式的研究,才能充分發(fā)掘P2X7受體和P2RX7基因多態(tài)性這一具有巨大潛力的研究領(lǐng)域,為骨質(zhì)疏松癥的預(yù)防和治療開拓新的策略。

3 P2X7治療骨質(zhì)疏松癥的潛在治療靶點

通過激活P2X7受體可以實現(xiàn)破骨細(xì)胞骨吸收與成骨細(xì)胞骨形成之間的理想平衡,從而有效地改善骨質(zhì)疏松癥,使其成為治療骨質(zhì)疏松癥的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑及潛在治療靶點[8]。現(xiàn)階段,已有多種P2X7受體調(diào)控劑被應(yīng)用于骨質(zhì)疏松癥的治療,如P2X7受體拮抗劑A438079和A740003[36]。除了P2X7受體調(diào)控劑,一些天然藥物成分如芹菜素、丹參酮ⅡA磺酸鈉(STS)等,被證實或推測對骨質(zhì)疏松癥的治療具有積極效果。這些藥物主要通過靶向調(diào)控破骨細(xì)胞的活動、抑制炎癥反應(yīng)以及誘導(dǎo)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞的分化等方式防止骨質(zhì)流失,治療骨質(zhì)疏松癥[37-38]。此外,P2X7受體還能影響B(tài)MSCs的分化。研究指出,P2X7受體的活性可以推動這些干細(xì)胞向破骨細(xì)胞方向分化,而非成骨細(xì)胞。因此,通過調(diào)控P2X7受體的活性,可能引導(dǎo)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞的方向分化,進而增加骨質(zhì)。

P2X7受體具有成為骨質(zhì)疏松癥治療的潛在靶點的可能性。然而,為了將這些理論應(yīng)用于實際的治療策略,還需要進行更多的研究,包括開發(fā)和測試靶向P2X7受體的藥物,確定其劑量和毒副作用,以及在臨床試驗中驗證其療效和安全性。

4 結(jié)語與展望

P2X7受體因其在調(diào)控炎癥過程、影響骨質(zhì)重塑,以及引導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化等關(guān)鍵環(huán)節(jié)中的作用,被認(rèn)為是治療骨質(zhì)疏松癥的重要新靶點。關(guān)于P2X7受體在骨質(zhì)疏松癥治療中的研究已有一些初步的成果,但仍需針對以下問題進行深入探討。首先,對于P2X7受體在骨質(zhì)重塑和炎癥反應(yīng)中的具體分子和細(xì)胞層面運作機制仍需進一步明確,以便更有效地將P2X7受體作為治療骨質(zhì)疏松癥的新靶點。其次,雖然部分P2X7受體調(diào)節(jié)劑在骨質(zhì)疏松癥治療中得到初步應(yīng)用,但其治療效果和安全性仍需要通過更多的臨床試驗進行驗證。同時,科研人員也需要研發(fā)更為有效且安全的P2X7受體調(diào)節(jié)劑。再者,需要深入探討P2X7受體與其他骨質(zhì)疏松癥治療目標(biāo)的相互作用,這些交互可能影響治療效果,因此,揭示這些交互作用對于優(yōu)化治療策略具有重要價值。而P2X7基因的多態(tài)性決定了不同的人群(如不同種族、年齡、性別等)對P2X7受體調(diào)節(jié)劑的反應(yīng)存在差異,研究人員需要對此進行深入研究,以找出更有效、更安全以及更加個性化的治療策略。最后,針對P2X7受體的研究并不僅限于骨質(zhì)疏松癥治療,其在骨質(zhì)疏松癥預(yù)防以及其他骨相關(guān)疾病(如骨質(zhì)增生、骨腫瘤等)治療中的作用也值得進一步探索。

總體來說,P2X7受體作為治療骨質(zhì)疏松癥的新靶點,其理論意義重大且應(yīng)用前景廣闊。本文期待在深入研究的推動下,發(fā)現(xiàn)更多的P2X7受體調(diào)控策略,并將這些策略應(yīng)用于臨床,以此為骨質(zhì)疏松癥患者帶來實質(zhì)性的益處。