骨代謝研究進(jìn)展

1、骨代謝研究的最新進(jìn)展 天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院內(nèi)分泌科 邱明才 前 言 骨組織時(shí)刻處于骨重建的動(dòng)態(tài)變化之中 ，即不間斷的骨形成、骨吸收貫穿生命的 始終。骨重建的范圍非常廣泛，幾乎每10 年成人骨骼完全再生一次。對(duì)于健康青年 人，骨形成量與骨吸收量保持動(dòng)態(tài)平衡。 隨著年齡增長(zhǎng)，骨吸收日益占據(jù)優(yōu)勢(shì)，由 此可導(dǎo)致骨質(zhì)疏松等衰老性疾病的發(fā)生。 骨重建的過(guò)程有賴于兩大類細(xì)胞的活性： 其一是成骨細(xì)胞，負(fù)責(zé)生成新骨（骨形成）； 其二是破骨細(xì)胞，負(fù)責(zé)破壞舊骨（骨吸收）。 成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的功能存在緊密聯(lián)系，成骨 細(xì)胞系通過(guò)合成、分泌某些物質(zhì)，繼而啟動(dòng)和調(diào) 控破骨細(xì)胞分化。 骨代謝研究中的主要問(wèn)題就是研究成骨 細(xì)胞

2、和破骨細(xì)胞分化和活性的調(diào)控機(jī)理 ，以期實(shí)現(xiàn)骨重建的動(dòng)態(tài)平衡，達(dá)到預(yù) 防和治療各種代謝性骨病的目的。 骨重建的調(diào)控機(jī)理極其復(fù)雜，但盡管 如此，由于人們的不懈努力，骨代謝研 究領(lǐng)域不斷有令人興奮的發(fā)現(xiàn)。其中， 瘦素瘦素(Leptin)與骨保護(hù)素骨保護(hù)素(Osteoprotegerin, OPG)是近幾年發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)非常值得重視 的生物活性物質(zhì)，骨代謝研究也因之取 得了突破性進(jìn)展。 一、瘦素與骨形成一、瘦素與骨形成 （一）瘦素簡(jiǎn)介 瘦素是由LEP基因（位于人類染色體7- q32）編碼的一種由167 個(gè)氨基酸組成的 分泌型蛋白質(zhì)，分子量約為14-16kDa。 它主要由白色脂肪組織產(chǎn)生，棕色脂肪 、骨骼肌

3、、胃粘膜、胎盤、胎兒的心臟 、骨、軟骨組織等均可分泌瘦素。 白色脂肪組織分泌瘦素與體內(nèi)脂肪含量 成正比，但受多種因素調(diào)節(jié)，如胰島素 和糖皮質(zhì)激素可促進(jìn)其分泌，禁食和受 體阻滯劑可抑制分泌，交感神經(jīng)系統(tǒng)通 過(guò)3 腎上腺能受體發(fā)揮主要的正性調(diào)節(jié) 作用。骨骼肌與胃粘膜分泌瘦素與進(jìn)食 和 體 內(nèi) 營(yíng) 養(yǎng) 狀 態(tài) 關(guān) 系 密 切 。 瘦素主要受體重調(diào)節(jié): 瘦素進(jìn)入血循環(huán)后或處于游離狀態(tài)，或與 瘦素結(jié)合蛋白結(jié)合，最后通過(guò)位于脈絡(luò)叢 的瘦素受體轉(zhuǎn)運(yùn)至腦脊液中。 瘦素受體屬于I類細(xì)胞因子受體， 目前認(rèn) 為至少有五種同分異構(gòu)體，其中最重要的 是在下丘腦表達(dá)的長(zhǎng)型瘦素受體。 瘦素與下丘腦的長(zhǎng)型瘦素受體結(jié)合后通過(guò)

4、雙向激活激酶(JAK)或信號(hào)傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活 蛋白(STAT) 途徑傳遞信息，影響神經(jīng)肽 等多種神經(jīng)內(nèi)分泌激素分泌。 瘦素的生理功能包括： 感受機(jī)體的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),進(jìn)而抑制食物攝入； 刺激或維持能量消耗； 影響生殖內(nèi)分泌系統(tǒng)； 作為一種代謝激素促進(jìn)一系列代謝過(guò)程， 如胰島素釋放、脂解作用、糖的轉(zhuǎn)運(yùn)等。 最新研究發(fā)現(xiàn)， 瘦素可促進(jìn)天然細(xì)胞 和記憶細(xì)胞的增殖反應(yīng)， 促進(jìn)TH1 型 細(xì)胞因子，抑制TH2型細(xì)胞因子產(chǎn)生。 所以，人們普遍認(rèn)為瘦素與饑餓狀態(tài)下 的免疫功能抑制有關(guān)。瘦素缺乏或瘦素 受體缺陷可導(dǎo)致肥胖和垂體功能異常。 研究表明，腎臟是清除瘦素的主要器 官。瘦素首先以原型形式從腎小球?yàn)V過(guò)， 繼而腎小

5、管攝取原尿中的瘦素并降解并隨 尿排出。各種腎臟疾病造成的腎小球?yàn)V過(guò) 功能或腎小管功能損傷可影響瘦素從體內(nèi) 的清除，導(dǎo)致瘦素在體內(nèi)的聚積，進(jìn)而對(duì) 機(jī) 體 造 成 各 種 不 利 影 響 。 （二）瘦素對(duì)骨形成的調(diào)節(jié)作用 1.瘦素抑制骨形成的生物學(xué)效應(yīng) 由瘦素信號(hào)系統(tǒng)異常導(dǎo)致的垂體功能異 常常合并性腺機(jī)能減退。從傳統(tǒng)意義上 講，性腺機(jī)能減退通?？蓪?dǎo)致骨量丟失 。然而，人們卻驚奇地發(fā)現(xiàn)，瘦素基因 缺陷的小鼠(ob/ob)和瘦素受體基因缺陷 的小鼠(db/db)均有高出野生型小鼠23 倍的骨總量；而且隨著年齡增加，骨量 改變?nèi)遮吤黠@。 迄今為止，ob/ob小鼠和 db/db小鼠是唯一已知的既 有性腺機(jī)

6、能低下又有骨總 量增加的動(dòng)物模型。這兩 種動(dòng)物模型對(duì)于研究骨重 建的分子基礎(chǔ)具有極高的 價(jià)值。這些突變小鼠的骨 量改變與瘦素信號(hào)系統(tǒng)缺 陷導(dǎo)致的高胰島素血癥無(wú) 關(guān)，雜合體小鼠沒(méi)有高胰 島素血癥但仍有骨總量增 加。 2.瘦素抑制骨形成的作用機(jī)理 骨形態(tài)計(jì)量學(xué)分析發(fā)現(xiàn)， 瘦素通過(guò)對(duì)成骨細(xì)胞的作用而抑制骨形成； 瘦素對(duì)破骨細(xì)胞的分化和功能沒(méi)有明顯影響。 一個(gè)非常重要的發(fā)現(xiàn)是，ob/ob小鼠和db/db小鼠 成骨細(xì)胞數(shù)量正常。由此可見(jiàn)瘦素對(duì)成骨細(xì)胞的分 化沒(méi)有影響。如果瘦素對(duì)骨有局部作用，那么瘦素 肯定是影響已分化的成骨細(xì)胞，而不是其祖細(xì)胞。 但是，已分化的成骨細(xì)胞表面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)瘦素受體 表達(dá)；就這一點(diǎn)

7、而言，db/db 小鼠與野生型小鼠的 成骨細(xì)胞培養(yǎng)研究沒(méi)有發(fā)現(xiàn)顯著不同。這些數(shù)據(jù)表 明，瘦素不是直接作用于成骨細(xì)胞。 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，ob/ob小鼠腦室內(nèi)注射瘦素 可完全逆轉(zhuǎn)骨量改變。 由于腦室內(nèi)注射不影 響瘦素的血漿濃度，該項(xiàng)研究可證實(shí)瘦素通 過(guò)中樞神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控骨形成，作用的部位很 可能在下丘腦。 野生型小鼠腦室內(nèi)注射瘦素可導(dǎo)致骨量丟失 ，更表明了瘦素對(duì)骨量的中樞性調(diào)節(jié)是生理 性的。 由此推論，如果說(shuō)瘦素介導(dǎo)的下丘腦或神經(jīng) 中樞的生理性調(diào)控參與骨重建過(guò)程，那么諸 如骨質(zhì)疏松等代謝性骨病也存在瘦素介導(dǎo)的 中樞性調(diào)控。 瘦素作用機(jī)理示意圖 Osteoblast maturation and hy

8、pothalamic regulation of bone formation. (a) Ihh (Indian hedgehog) and Cbfa1 are the only genes known to control the maturation of osteoblasts from mesenchymal cells. Cbfa1 is also involved in osteoblast function. (b) Leptin inhibits bone formation through the hypothalamus. The hypothalamus represen

9、ts a relay between the control of bone formation, body weight and gonadal function. Abbreviation: Cbfa1, core-binding factor 1; Ihh, Indian hedgehog. (三)瘦素對(duì)骨形成進(jìn)行中樞性調(diào) 控的重要臨床意義 瘦素對(duì)骨形成的調(diào)節(jié)不僅限于小鼠。 瘦素信號(hào)系統(tǒng)缺陷的大鼠也表現(xiàn)為骨量增加 。 脂肪細(xì)胞和白色脂肪幾乎完全缺如的廣泛性 脂肪營(yíng)養(yǎng)不良的病人可表現(xiàn)為骨硬化（骨形 成增加）和骨生長(zhǎng)加速。 瘦素基因缺陷的病人是否有骨量增加不易觀 察，因?yàn)檫@類患者將早期接受瘦

10、素治療。 然而有一點(diǎn)早已為人們所認(rèn)識(shí)，即肥胖患者 不易發(fā)生骨量減少性疾病，其原因可能與肥 胖患者多伴有瘦素抵抗有關(guān)。 由上可見(jiàn)，瘦素抑制骨形成作用機(jī)理的闡 明使得人們對(duì)骨質(zhì)疏松等代謝骨病的病因 有了嶄新的認(rèn)識(shí)。據(jù)此筆者曾一度認(rèn)為， 抑制瘦素合成和促進(jìn)瘦素從體內(nèi)清除以降 低血漿瘦素水平可能成為骨質(zhì)疏松等代謝 性骨病的有效治療手段。 但是最新研究發(fā)現(xiàn)，絕經(jīng)后婦女血漿瘦素 水平與骨總量沒(méi)有直接聯(lián)系。這一發(fā)現(xiàn)提 示，瘦素的敏感性和生物效應(yīng)增強(qiáng)在骨質(zhì) 疏松的發(fā)病過(guò)程中更為重要，拮抗瘦素的 生物活性而不是一味追求降低血漿瘦素水 平應(yīng)當(dāng)是骨質(zhì)疏松治療的主要研究方向。 二 、 骨 保 護(hù) 素 與 骨 吸 收二

11、 、 骨 保 護(hù) 素 與 骨 吸 收 （ 一 ） 骨 保 護(hù) 素 簡(jiǎn) 介 骨保護(hù)素屬分泌型糖蛋白，為腫瘤壞死 因子受體超家族成員11B(TNFRSF11B)，又 稱破骨細(xì)胞形成抑制因子(OCIF)。骨保護(hù)素 在體內(nèi)以單體和同源二聚體兩種形式存在 。人、小鼠和大鼠的骨保護(hù)素前肽含401個(gè) 氨基酸殘基，翻譯后加工時(shí)氨基端含21個(gè) 氨基酸殘基的信號(hào)肽被去除，成熟的骨保 護(hù)素含380個(gè)氨基酸殘基。 骨保護(hù)素分子含有7個(gè)功能區(qū)( D1D7) ： 端的D1D4 結(jié)構(gòu)上與腫瘤壞死因子受體 超家族的其它蛋白質(zhì)的細(xì)胞外區(qū)相似，參 與配體的結(jié)合，與抑制破骨細(xì)胞的作用直 接相關(guān)； 靠近端的D5、D6為死亡結(jié)構(gòu)域同源

12、區(qū)， 介導(dǎo)細(xì)胞毒性作用； D7具有一個(gè)肝素結(jié)合位點(diǎn)，該位點(diǎn)的肝素 親和力與骨保護(hù)素 對(duì)破骨細(xì)胞的抑制作用 無(wú)關(guān)；D7還有一個(gè)半胱氨酸殘基(Cys379)， 負(fù)責(zé)同源二聚體的二硫鍵形成。 D7的半胱氨酸被絲氨酸取代，導(dǎo)致無(wú)法形 成同源二聚體，使得部分骨保護(hù)素以單體 形成存在。 兩種形式的骨保護(hù)素在穩(wěn)定性、唾液酸含 量、和抑制破骨細(xì)胞形成的特異活性方面 無(wú)區(qū)別，但同源二聚體形式的骨保護(hù)素與 肝素的親和力強(qiáng)、 初始半衰期短、降低大 鼠血清鈣濃度的生物學(xué)活性高。 體內(nèi)多種組織器官可分泌骨保護(hù)素，對(duì)成 年人而言，心、肺、腎和骨組織合成骨保 護(hù)素較多，其它還可合成骨保護(hù)素的組織 包括胎盤、肝臟、甲狀腺、脊

13、髓、腦、免 疫和造血組織等。 體外培養(yǎng)條件下可高表達(dá)骨保護(hù)素的細(xì)胞 類型包括：成骨細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、主動(dòng)脈 平滑肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、淋巴細(xì)胞和多 種腫瘤細(xì)胞株等。 骨保護(hù)素分泌的調(diào)節(jié) （二）骨保護(hù)素對(duì)骨吸收的抑 制作用 1. 骨保護(hù)素抑制骨吸收的生物學(xué)效應(yīng) 遺傳學(xué)模型研究發(fā)現(xiàn)： (1)過(guò)度表達(dá)骨保護(hù)素的轉(zhuǎn)基因小鼠表現(xiàn)為 早期、進(jìn)行性大理石樣骨病，病變累及長(zhǎng) 骨、脊椎骨和骨盆等多個(gè)部位。與其它類 型的大理石樣骨病動(dòng)物模型不同，這些轉(zhuǎn) 基因小鼠除有代償性髓外造血導(dǎo)致的脾大 外，無(wú)其它骨骼和骨外組織異常表現(xiàn)。 組織學(xué)觀察，這些小鼠的礦化小梁骨普遍 增加，骨髓腔變??； 最有意義的發(fā)現(xiàn)是，小梁骨破骨細(xì)胞數(shù)

14、量 顯著增加，而單核巨噬細(xì)胞系的其它造 血細(xì)胞數(shù)目均正常，表明骨保護(hù)素的過(guò)度 表達(dá)主要通過(guò)抑制破骨細(xì)胞分化的終末階 段來(lái)增加骨總量。 (2)敲除骨保護(hù)素基因的小鼠早期發(fā)生嚴(yán) 重的骨質(zhì)疏松，表現(xiàn)為骨礦密度顯著降低 ，股骨和骨盆皮質(zhì)骨變薄，股骨生長(zhǎng)板損 傷和多發(fā)性骨折。此外，這些小鼠常伴有 大動(dòng)脈鈣化，主要累及主動(dòng)脈和腎動(dòng)脈的 血管中層。 組織學(xué)觀察，小鼠出生后2月小梁骨幾乎 完全缺如；骨皮質(zhì)血管數(shù)量增加，周圍聚 集著大量的破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞。 骨計(jì)量學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，這些小鼠骨吸收和骨 形成均顯著增加，高于野生型小鼠的4倍 ，血清堿性磷酸酶水平則增加得更多。 應(yīng)用外源性骨保護(hù)素進(jìn)行研究亦證實(shí)了骨保 護(hù)

15、素抑制骨吸收的作用。 體外研究表明，骨保護(hù)素的主要作用包括 抑制破骨細(xì)胞形成的終末階段、抑制破骨 細(xì)胞活性和促進(jìn)破骨細(xì)胞凋亡。 體內(nèi)應(yīng)用骨保護(hù)素可顯著抑制生理、病理 情況下的骨吸收，表現(xiàn)為骨礦密度和小梁 骨量的明顯增加。 2. 骨保護(hù)素抑制骨吸收的作用機(jī)理 (1) 骨保護(hù)素配體(OPG ligand, OPGL)： OPGL又稱作 破骨細(xì)胞分化因子(Osteoclast differentiation factor,ODF) 腫瘤壞死因子相關(guān)性活化誘導(dǎo)因子(TRANCE) NF-受體激活物配體(RANKL) OPGL 為腫瘤壞死因子受體配體超家族成員 11(TNFSF11)，由317個(gè)氨基酸殘

16、基組成，屬II 型跨膜蛋白，在體內(nèi)以細(xì)胞結(jié)合型和可溶性羰 基末端兩種形式存在，兩種類型均可被骨保護(hù) 素結(jié)合而失去生物活性。 OPGL 在淋巴組織（淋巴結(jié)、胸腺、脾）和小 梁骨高度表達(dá)，其次是骨髓組織。直接參與骨 代謝的OPGL由成骨細(xì)胞分泌，通過(guò)旁分泌方 式發(fā)揮作用。 OPGL的主要作用機(jī)理是與成熟破骨細(xì)胞及其 祖細(xì)胞膜表面的另一種腫瘤壞死因子受體超家 族成員11A(TNFRSF11A，又稱為NF-受體激 活物，RANK) 結(jié)合，直接促進(jìn)成熟破骨細(xì)胞 活化以及破骨細(xì)胞的生成。 OPGL在破骨細(xì)胞的生成和激活過(guò)程中是不可或 缺的，這是因?yàn)椋?OPGL和巨噬細(xì)胞集落刺激因子( M-CSF)是目前已

17、知 的破骨細(xì)胞生成過(guò)程中唯一必需的兩種細(xì)胞因子； 促進(jìn)破骨細(xì)胞激活的多種生物活性物質(zhì)，包括各種激 素類物質(zhì)、細(xì)胞因子和前列腺素等，均通過(guò)促進(jìn)成骨 細(xì)胞分泌OPGL而激活破骨細(xì)胞； 敲除OPGL基因的小鼠表現(xiàn)為嚴(yán)重的大理石樣骨病和 出牙障礙，同時(shí)伴有T、B淋巴細(xì)胞的早期分化障礙 ，全身淋巴結(jié)缺如，而脾臟結(jié)構(gòu)和淋巴集結(jié)形成、樹 狀細(xì)胞功能正常。 (2)目前已闡明的骨保護(hù)素三條作用途徑： 骨保護(hù)素的最主要作用是與OPGL結(jié)合，拮抗RANK 與 OPGL的結(jié)合，進(jìn)而抑制破骨細(xì)胞的分化和活性。 RANK是破骨細(xì)胞表面介導(dǎo)OPGL生物活性的唯一受體 ，而骨保護(hù)素則是OPGL 特異性抑制物。 破骨細(xì)胞細(xì)胞膜

18、上存在一種分子量為140kDa的蛋白質(zhì)， 骨保護(hù)素可以與該蛋白特異結(jié)合直接抑制破骨細(xì)胞功能 。這一過(guò)程沒(méi)有OPGL及其受體RANK的參與。 通過(guò)干擾基質(zhì)細(xì)胞與破骨細(xì)胞之間的相互作用，誘導(dǎo)破 骨細(xì)胞凋亡。骨保護(hù)素的D5、D6兩個(gè)死亡結(jié)構(gòu)同源區(qū) 與誘導(dǎo)破骨細(xì)胞凋亡的作用有關(guān)，去除D5、D6后，骨 保 護(hù) 素 誘 導(dǎo) 破 骨 細(xì) 胞 凋 亡 的 活 性 明 顯 降 低 。 骨保護(hù)素及其配體對(duì)破骨細(xì)胞作用圖例 （三）骨保護(hù)素抑制骨吸收的 重要臨床意義 大量研究表明，骨保護(hù)素對(duì)于治療多種代謝性骨病可能 有效，當(dāng)前研究最多的是將其用于骨質(zhì)疏松的治療。 在體外培養(yǎng)條件下，雌激素可使成骨細(xì)胞株分泌骨保護(hù) 素增加34倍， 提示絕經(jīng)后雌激素水平下降進(jìn)而影響 骨保護(hù)素分泌與絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松的發(fā)生有關(guān)。 Bekker PJ等臨床研究第一次證實(shí)了單劑骨保護(hù)素可快速 、有效地抑制骨轉(zhuǎn)化，對(duì)于治療絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松具有重 要臨床意義。試驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重副作用和實(shí)驗(yàn)室檢查異 常，僅個(gè)別病人有注射部位的局部瘙癢，血尿鈣輕度降 低、血清PTH增高。 另有研究發(fā)現(xiàn)， 骨髓細(xì)胞合成骨保護(hù)素的能力隨