骨質(zhì)疏松的分子生物學(xué)研究6

骨質(zhì)疏松發(fā)生機(jī)制的

分子生物學(xué)途徑

MolecularbiologyPathwayforosteoporosis羅湖醫(yī)院骨科劉新主任醫(yī)師提綱骨質(zhì)疏松從宏觀到微觀破骨細(xì)胞與成骨細(xì)胞OPG/RANK/RANKL系統(tǒng)與破骨細(xì)胞Wnt/β-catenin信號通路與成骨細(xì)胞靶點(diǎn)信號傳導(dǎo)分子治療人工關(guān)節(jié)內(nèi)置物骨溶解松動的靶點(diǎn)治療骨質(zhì)疏松引起宏觀人體形態(tài)改變X片可見椎體壓縮骨折脊柱骨質(zhì)疏松模式圖放大鏡下椎體骨質(zhì)疏松結(jié)構(gòu)低倍電鏡下骨質(zhì)疏松結(jié)構(gòu)圖電鏡下骨質(zhì)疏松骨吸收圖片電鏡下骨質(zhì)疏松骨吸收結(jié)構(gòu)破骨細(xì)胞模式圖顯微鏡下活體破骨細(xì)胞吸收軌跡電鏡下破骨細(xì)胞結(jié)構(gòu)破骨細(xì)胞再吸收示意圖破骨細(xì)胞的生長HorowitzMC,etal.ImmunolRev.2005;208:141-153.單核細(xì)胞巨噬細(xì)胞多能前體前單核細(xì)胞Pu.1GM-CSFNF-B,c-FosNFAT

單核破骨細(xì)胞前體成熟破骨細(xì)胞RANK–RANK+RANKLAbbreviations:GM-CSF,granulocytemacrophagecolony-stimulatingfactor;NF-κB,nuclearfactorkappaB;NFAT,nuclearfactorofactivatedT-cells;RANK,receptoractivatorfornuclearfactorkappaB.干細(xì)胞骨髓間充質(zhì)細(xì)胞CBFA1

BMPs

TGFs增殖增殖BMPs

TGF-sCBFA1

Msx-2

PTH

TGF-

IGF-I,II

VitaminD3

c-fos增殖CBFA1

Glucocorti-coids

VitaminD3

PGE2

PTH

TGF-

IGF-I,II成熟的成骨細(xì)胞CBFA1

Dlx-5

fra-2/jun-D礦化成骨細(xì)胞LianJB,etal.InOsteoporosis.2nded.MarcusR,etal,eds.Stanford,CA:AcademicPress,2001.承諾沒有回頭路骨母細(xì)胞確定如何隨著時間的推移激活許多單位都確定的分化，功能，這些細(xì)胞和祖細(xì)胞的死亡信號，如何積極和平衡的基本多細(xì)胞單位，是否在周期結(jié)束時，骨量會獲得丟失，或穩(wěn)定CanalisEetal.NEnglJMed2007;357:905-916骨重建成骨細(xì)胞堆積成新的板層骨.

骨細(xì)胞是骨基質(zhì)中的成骨細(xì)胞破骨細(xì)胞吸收骨基質(zhì)OsteocytesOsteoclasts反轉(zhuǎn)凋亡的破骨細(xì)胞LiningCells骨細(xì)胞激活Osteocytes骨形成成骨細(xì)胞Osteocytes骨吸收靜止期破骨細(xì)胞破骨細(xì)胞骨重建類骨質(zhì)襯細(xì)胞骨細(xì)胞前成骨細(xì)胞骨重建周期

人體骨組織處于不斷重建過程之中，正常成人體內(nèi)的成骨細(xì)胞骨礦沉積與破骨細(xì)的骨質(zhì)吸收處于平衡狀態(tài).OP的發(fā)生與骨重建失衡引起的骨丟失密切相關(guān).在病理狀態(tài)下，骨重建率增加，由于骨形成的周期較骨吸收的周期長，新骨的形成相對舊骨的吸收不足，從而導(dǎo)致骨丟失為什么骨重建?提供骨骼支架應(yīng)對機(jī)械負(fù)荷修復(fù)和阻止微損傷（“磨損”和“撕裂”）保持骨質(zhì)量釋放儲存在細(xì)胞內(nèi)的生長因子和礦物質(zhì)（鈣和磷酸鹽）到循環(huán)中AllbonecellsparticipateinremodelingConsiderableenergyexpendedtoremodeltheskeleton所有骨細(xì)胞參與重塑相當(dāng)多的能源消耗重塑骨架

成骨細(xì)胞及骨髓基質(zhì)細(xì)胞表達(dá)RANKL，與破骨細(xì)胞前體細(xì)胞或破骨細(xì)胞表面上的RANK結(jié)合后，促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化和激活，并抑制破骨細(xì)胞的凋亡。由成骨細(xì)胞分泌的OPG可以與RANKL結(jié)合，競爭性抑制RANKL與RANK之間的結(jié)合，從而抑制成熟破骨細(xì)胞的生成WhyteM.NEnglJMed2006;354:860-863OPG/RANK/RANKL系統(tǒng)與破骨細(xì)胞OPG/RANK/RANKL蛋白OPG：骨保護(hù)蛋白;RANK：核因子-κβ受體活化因子RANKL：核因子-κβ受體活化因子配體骨形態(tài)發(fā)生蛋白：多肽的轉(zhuǎn)化生長因子β超家族，其中包括activins和抑制素的成員。這些蛋白質(zhì)結(jié)合并激活特定的受體啟動的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和影響內(nèi)導(dǎo)致osteoblastogenesis的事件Wnt信號：使用一個Wnt-β-catenin信號通路。Wnt信號綁定到特定的受體，低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白5和6（LRP5和LRP6的）。這穩(wěn)定的translocates進(jìn)入細(xì)胞核，調(diào)節(jié)基因表達(dá)的β-catenin的。IGF-I:：在肝臟和其他組織，包括骨骼，介導(dǎo)生長激素的縱向骨生長的影響。IGF-Ⅰ對骨的直接行動，是對骨骼發(fā)育和維持骨量的必要。同時作為循環(huán)增長激素依賴性激素和PTH的影響作為一個地方的骨骼生長因子。IGF-I的主要影響成骨細(xì)胞的分化功能，防止成骨細(xì)胞凋亡CanalisEetal.NEnglJMed2007;357:905-916Wnt/β-catenin信號通路與成骨細(xì)胞Dkk

Sclerostin

WntFrizzledLigandedStateAPCaxinGsk3-Catenin-Catenin-CateninDshFrat-1-Cateninp300/CBPSMRT/NCoRTcf/LdfAlteredTranscriptionofGenesNuclearLocalizationNucleusBONEFORMATION

WIFsFRPLRP5/6OSTEOBLASTWithpermissionfrom

ShobackD.JClinEndocrinolMetab.

2007;92:747-753.Dkk

Sclerostin

WntFrizzled配體狀態(tài)APCaxinGsk3-Catenin-Catenin-CateninDshFrat-1-Cateninp300/CBPSMRT/NCoRTcf/LefAlteredTranscriptionofGenes核定位細(xì)胞核成骨細(xì)胞

骨形成

WIFsFRPAPCP蛋白酶體降解LRPFrizzledLRP5/6LRP5/6Kremenaxin-CateninGsk3(沒有新骨形成Dkk

Sclerostin

UnligandedState~PathwayDead~LRP5/6LRP5/6LRP5/6Withpermissionfrom

ShobackD.JClinEndocrinolMetab.

2007;92:747-753.Wnt/β-catenin經(jīng)典途徑：

其主要組分包括:細(xì)胞外因子(Wnt)、跨膜受體(frizzled)、胞質(zhì)蛋白(β-catenin)及核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子(TCFS/LEF),即當(dāng)細(xì)胞外因子與跨膜受體結(jié)合后,受體作用于胞質(zhì)內(nèi)的蓬亂蛋白（Dsh或Dvl),Dsh能切斷β-catenin的降解途徑,抑制β-catenin蛋白降解和磷酸化,使其在胞質(zhì)內(nèi)累積,進(jìn)而入核內(nèi)與T細(xì)胞因子(TCF/LEF)相互作用,啟動靶基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá),調(diào)節(jié)細(xì)胞生長。Wnt/β-catenin在促進(jìn)成骨細(xì)胞分化的同時增強(qiáng)了OPG的表達(dá),從而使與RANK的競爭性作用增強(qiáng),使OPG與更多的RANKL假性結(jié)合,抑制成骨細(xì)胞的分化,降低破骨細(xì)胞的活動,減少骨量的丟失。Wnt經(jīng)典信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路通過促進(jìn)干細(xì)胞更新，刺激成骨前體細(xì)胞增殖，誘導(dǎo)成骨分化，抑制成骨細(xì)胞及骨細(xì)胞凋亡等機(jī)制增加骨量。上調(diào)或下調(diào)經(jīng)典Wnt通路中相關(guān)因子的表達(dá)可引起骨量的變化。正常的骨重建循環(huán)襯里細(xì)胞休眠Bone骨吸收在一個密封吸收空泡內(nèi)破骨細(xì)胞吸收骨Bone反轉(zhuǎn)凋亡破骨細(xì)胞前成骨細(xì)胞Bone成熟的成骨細(xì)胞，骨樣組織礦化建設(shè)骨形成BoneIllustrationCopyright?2009NucleusMedicalArt,Allrightsreserved.

多因素調(diào)節(jié)骨重建休眠BoneBone反轉(zhuǎn)BoneBone骨形成骨吸收GM-CSFIL-1IL-6RANKLPGE2TNF-FormationOPGTGF-EstrogenResorptionAbbreviations:GM-CSF,granulocytemacrophagecolony-stimulatingfactor;IL,interleukin;OPG,osteoprotegerin;RANKL,RANK-ligand,

PGE2,prostaglandinE2;TGF,transforminggrowthfactor;

TNF,tumornecrosisfactor.IllustrationCopyright?2009NucleusMedicalArt,Allrightsreserved.RANK配體是破骨細(xì)胞形成、功能和生存最重要的調(diào)節(jié)介質(zhì)成骨細(xì)胞骨基質(zhì)干細(xì)胞激活破骨細(xì)胞人骨髓巨核系祖細(xì)胞前融合破骨細(xì)胞多核破骨細(xì)胞激素生長因子細(xì)胞因子PTH

PGE2

Glucocorticoids

VitaminD

IL-11

IL-6

IL-1

PTHrP

TNF-RANKLRANKBoneFormationBoneResorptionAdaptedfromBoyleWJ,etal.Nature.2003;423:337-342.M-CSFCFU-M=colonyformingunitmacrophageM-CSF=macrophagecolonystimulatingfactorForInternalUseOnly.AmgenConfidential.骨保護(hù)素（OPG）防止RANKL配體結(jié)合RANK并抑制破骨細(xì)胞形成、功能和生存Hormones

GrowthfactorsCytokinesBoneFormationAdaptedfromBoyleWJ,etal.Nature.2003;423:337-342.骨吸收抑制破骨細(xì)胞形成，功能和生存抑制CFU-MOsteoclastPrecursorCFU-M=colonyformingunitmacrophageM-CSF=macrophagecolonystimulatingfactorOsteoblastsRANKLRANKOPGRANKL促進(jìn)在破骨細(xì)胞活性增加

RANK配體/OPG比值的改變是那些因?yàn)楣俏赵黾佣鴮?dǎo)致骨骼疾病最重要的的發(fā)病機(jī)制RANKLigandOPG防止

OCactivation促進(jìn)

OCactivationOsteoclastActivity1HofbauerLC,etal.JAMA.2004;292:490-5.2LaceyDL,etal.Cell.1998;93:165-76.3BoyleWJ,etal.Nature.2003;423:337-42.OC=osteoclast雌激素糖皮質(zhì)激素Normal4weeksofageOPGApoETg8weeksofageRANKLKO4weeksofageOPGKO8weeksofageRANKKO4weeksofage小鼠功能基因組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)OPG/RANK/RANKL為骨量的關(guān)鍵調(diào)節(jié)OPG/RANK/RANKL系統(tǒng)與骨質(zhì)疏松癥

骨保護(hù)素(OPG)、核因子κB受體活化因子（RANK)和核因子κB受體活化因子配體(RANKL)系統(tǒng)是近年來發(fā)現(xiàn)的一組調(diào)控破骨細(xì)胞分化激活的細(xì)胞因子，三者均屬腫瘤壞死因子受體超家族。成骨細(xì)胞及骨髓基質(zhì)細(xì)胞表達(dá)RANKL，與破骨細(xì)胞前體細(xì)胞或破骨細(xì)胞表面上的RANK結(jié)合后，促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化和激活，并抑制破骨細(xì)胞的凋亡。由成骨細(xì)胞分泌的OPG可以與RANKL結(jié)合，競爭性抑制RANKL與RANK之間的結(jié)合，從而抑制成熟破骨細(xì)胞的生成。研究表明許多激素、細(xì)胞因子等均通過直接或間接地調(diào)節(jié)OPG、RANKL和RANK的表達(dá)，介導(dǎo)破骨細(xì)胞的分化和功能，而達(dá)到抗骨質(zhì)疏松或致骨質(zhì)疏松的作用。靶點(diǎn)信號傳導(dǎo)分子治療

人源RANKL單克隆抗體（稱為AMG-162或denosumab）重組人骨保護(hù)素Fc融合蛋白Fc-OPG12/15-l脂氧合酶抑制劑:由Alox15IL-4介導(dǎo)的骨吸收調(diào)控的基因編碼?？诜}敏感受體拮抗劑：

調(diào)節(jié)內(nèi)源性甲狀旁腺激素的短暫上升，類似間歇性調(diào)節(jié)外源性甲狀旁腺激素骨硬化劑抑制劑：硬化蛋白是由骨細(xì)胞產(chǎn)生，并抑制骨形成。硬化拮抗作用可影響骨合成代謝。例如，硬化的單克隆抗體，為防止其結(jié)合Wnt信號輔助受體，增強(qiáng)Wnt信號在嚙齒類動物和靈長類動物的骨量增加。整合蛋白受體拮抗劑：整合蛋白介導(dǎo)的破骨細(xì)胞的骨表面的粘附，骨吸收的一個重要的初始步驟蛋白酶-K抑制劑-組織蛋白酶K是一種蛋白酶，可能發(fā)揮作用，在破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收。DKK-1受體拮抗劑：LRP5和LRP6的（WNT輔助受體），導(dǎo)致受損DKK-1結(jié)合的突變與骨量增加。DKK-1的抗體，這表明，DKK-1抑制劑，專門針對骨同化方法在治療骨質(zhì)疏松癥的可能有潛在的增加骨密度，骨小梁體積，在嚙齒類動物和骨形成?？扇苄约せ钏厥荏w：激活素增強(qiáng)破骨細(xì)胞，骨形成的影響是有爭議的。二，可溶性激活受體結(jié)合激活素和可能骨形態(tài)發(fā)生蛋白3，減少骨吸收，增強(qiáng)在嚙齒類動物的骨形成。成骨細(xì)胞蛋白酶及其抑制劑：蛋白處理系統(tǒng)的抑制劑，可能取消或提高合成代謝途徑。蛋白酶抑制劑的使用將取決于他們的骨骼的特異性和安全性，因?yàn)檫@種抑制劑可誘導(dǎo)細(xì)胞毒性作用和細(xì)胞內(nèi)積累的錯誤折疊的蛋白質(zhì)。骨溶解機(jī)制EnzymesCollagenase,MMPsOsteoclastPrecursorsActivatedOsteoclasts12345Cytokines&ChemokinesIL-1,TNF-,PGE2,IL-6

12345磨損顆粒破骨細(xì)胞炎癥介質(zhì)抑制破骨細(xì)胞形成增強(qiáng)內(nèi)置物固定Shanbhag,Rubashetal.CORR,ProceedingsofHipSociety,2006在參與無菌性假體松動的信號通路DreesP

etal.(2007)MechanismsofDisease:molecularinsightsintoasepticlooseningoforthopedicimplants

NatClinPractRheumatol

3:

165–171doi:10.1038/ncprheum0428人工關(guān)節(jié)無菌性松動是影響關(guān)節(jié)假體壽命的最主要因素。近年來人們認(rèn)識到,人工關(guān)節(jié)后期松動除主要與假體長期磨損或離解產(chǎn)生的顆粒（聚乙烯顆粒,金屬顆粒,氧化鋁陶瓷顆粒,骨水泥顆粒等）所誘導(dǎo)的生物學(xué)反應(yīng)有關(guān),尤其是破骨細(xì)胞性骨溶解在關(guān)節(jié)假體松動中起重要作用。目前絕大多數(shù)學(xué)術(shù)研究都支持無菌性松動的過程包括:(1)磨損顆粒誘發(fā)炎癥反應(yīng)釋放炎癥因子(IL-1、IL-6、TNF、VEGF等);(2)炎癥因子激活破骨細(xì)胞(OPG/RANKL/RANK信號傳導(dǎo)途徑);(3)破骨細(xì)胞溶骨。針對無菌性松動的發(fā)病機(jī)制,藥物和基因治療主要針對:①抑制巨嗜細(xì)胞對磨損顆粒的炎癥反應(yīng),減少炎癥因子的釋放;②抑制破骨細(xì)胞的激活和骨吸收功能。人工關(guān)節(jié)松動的藥物和基因治療進(jìn)展中國矯形外科雜志2009磨損顆粒刺激假體周圍膜形成并影響假體周圍細(xì)胞的細(xì)胞因子表達(dá)，其刺激作用的強(qiáng)弱與顆粒的大小和濃度有關(guān)。每克組織超過1×1010個磨損顆粒是產(chǎn)生假體周圍骨溶解的先決條件。在刺激細(xì)胞因子產(chǎn)生方面，0.1～1.0m大小的顆粒在體積濃度為10～100m3顆粒/細(xì)胞時具有最強(qiáng)的生物學(xué)活性。磨損顆粒一方面刺激巨噬細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和成骨細(xì)胞表達(dá)RANKL。另一方面，顆?？纱碳ぜ袤w周圍細(xì)胞合成誘導(dǎo)RANKL表達(dá)的前炎性細(xì)胞因子。這種不平衡也可能是導(dǎo)致假體周圍組織中破骨細(xì)胞過度分化和激活的因素之一。假體周圍微環(huán)境持續(xù)動態(tài)變化的最終結(jié)果決定了假體的使用壽命,隨著對關(guān)節(jié)假體周圍微環(huán)境研究的進(jìn)一步深入,不斷探索新的治療方法,從而可以更好的預(yù)防和治療人工假體周圍骨溶解和假體松動,以避免翻修術(shù)給病人帶來的痛苦。OPG/RANK/RANKL系統(tǒng)為治療開辟新思路OPG/RANK/RANKL系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)及它們在調(diào)節(jié)骨代謝方面的作用，如OPG、RANK－Fc、抗RANKL抗體是預(yù)防和治療包括骨質(zhì)疏松在內(nèi)的骨溶解疾病的理想靶點(diǎn)。外源性的OPG、抗RANKL抗體、RANK－Fc及Fc－OPG融合蛋白等拮抗劑能夠有效地抑制RANKL對破骨細(xì)胞的作用。靶向信號傳導(dǎo)分子治療RANK/RANKL/OPG系統(tǒng)參與了不同疾病的骨吸收導(dǎo)致一系列溶骨性病變。骨代謝疾病中RANKL和OPG的問題，為治療方案提供了新的靶標(biāo)，近年來，靶向信號傳導(dǎo)分子治