骨代謝研究進展

1、骨代謝研究的最新進展,天津醫(yī)科大學總醫(yī)院內(nèi)分泌科 邱明才,前 言,骨組織時刻處于骨重建的動態(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。對于健康青年人，骨形成量與骨吸收量保持動態(tài)平衡。隨著年齡增長，骨吸收日益占據(jù)優(yōu)勢，由此可導致骨質(zhì)疏松等衰老性疾病的發(fā)生。,骨重建的過程有賴于兩大類細胞的活性：其一是成骨細胞，負責生成新骨（骨形成）； 其二是破骨細

2、胞，負責破壞舊骨（骨吸收）。 成骨細胞和破骨細胞的功能存在緊密聯(lián)系，成骨細胞系通過合成、分泌某些物質(zhì)，繼而啟動和調(diào)控破骨細胞分化。,骨代謝研究中的主要問題就是研究成骨細胞和破骨細胞分化和活性的調(diào)控機理，以期實現(xiàn)骨重建的動態(tài)平衡，達到預防和治療各種代謝性骨病的目的。,骨重建的調(diào)控機理極其復雜，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(Leptin)與骨保護素(Osteoproteger

3、in, OPG)是近幾年發(fā)現(xiàn)的兩個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展。,一、瘦素與骨形成,（一）瘦素簡介,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、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

4、其分泌，禁食和β受體阻滯劑可抑制分泌，交感神經(jīng)系統(tǒng)通過β3 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食和體內(nèi)營養(yǎng)狀態(tài)關(guān)系密切。,瘦素主要受體重調(diào)節(jié):,瘦素進入血循環(huán)后或處于游離狀態(tài)，或與瘦素結(jié)合蛋白結(jié)合，最后通過位于脈絡(luò)叢的瘦素受體轉(zhuǎn)運至腦脊液中。 瘦素受體屬于I類細胞因子受體， 目前認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的長型瘦素受體。 瘦素與下丘腦的長型瘦素受體結(jié)合后通過雙向激活激酶(JAK)

5、或信號傳導和轉(zhuǎn)錄激活蛋白(STAT) 途徑傳遞信息，影響神經(jīng)肽Ｙ等多種神經(jīng)內(nèi)分泌激素分泌。,瘦素的生理功能包括：感受機體的營養(yǎng)狀態(tài),進而抑制食物攝入；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一系列代謝過程，如胰島素釋放、脂解作用、糖的轉(zhuǎn)運等。,最新研究發(fā)現(xiàn)， 瘦素可促進天然Ｔ細胞和記憶Ｔ細胞的增殖反應(yīng)， 促進TH1 型細胞因子，抑制TH2型細胞因子產(chǎn)生。 所以，人們普遍認為瘦素與饑餓狀態(tài)下的

6、免疫功能抑制有關(guān)。瘦素缺乏或瘦素受體缺陷可導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濾過，繼而腎小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濾過功能或腎小管功能損傷可影響瘦素從體內(nèi)的清除，導致瘦素在體內(nèi)的聚積，進而對機體造成各種不利影響。,（二）瘦素對骨形成的調(diào)節(jié)作用,1.瘦素抑制骨形成的生物學效應(yīng),由瘦素信號系統(tǒng)異常導致的垂體功能異常常合并性腺機能減退。從傳統(tǒng)意義上講，性

7、腺機能減退通?？蓪е鹿橇縼G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2～3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能低下又有骨總量增加的動物模型。這兩種動物模型對于研究骨重建的分子基礎(chǔ)具有極高的價值。這些突變小鼠的骨量改變與瘦素信號系統(tǒng)缺陷導致的高胰島素血癥無關(guān)，雜合體小鼠沒有高胰島素血癥但仍

8、有骨總量增加。,2.瘦素抑制骨形成的作用機理,骨形態(tài)計量學分析發(fā)現(xiàn)，瘦素通過對成骨細胞的作用而抑制骨形成；瘦素對破骨細胞的分化和功能沒有明顯影響。,一個非常重要的發(fā)現(xiàn)是，ob/ob小鼠和db/db小鼠成骨細胞數(shù)量正常。由此可見瘦素對成骨細胞的分化沒有影響。如果瘦素對骨有局部作用，那么瘦素肯定是影響已分化的成骨細胞，而不是其祖細胞。 但是，已分化的成骨細胞表面沒有發(fā)現(xiàn)瘦素受體表達；就這一點而言，db/db 小鼠與野生型小鼠的

9、成骨細胞培養(yǎng)研究沒有發(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胞。,進一步研究發(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，該項研究可證實瘦素通過中樞神經(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)注射瘦素可導致骨量丟失，更表明了瘦素對骨量的中樞性調(diào)節(jié)是生理性的。由此推論，如果說瘦素介導的下丘腦或神經(jīng)中樞的生理性調(diào)控參與骨重建過程，那么諸如骨質(zhì)疏松等代謝性骨病也存

10、在瘦素介導的中樞性調(diào)控。,瘦素作用機理示意圖,Osteoblast maturation and hypothalamic regulation of bone formation. (a) Ihh (Indian hedgehog) and Cbfa1 are the only genes known to control the maturation of osteoblasts from mesenchymal cells. Cb

11、fa1 is also involved in osteoblast function. (b) Leptin inhibits bone formation through the hypothalamus. The hypothalamus represents a relay between the control of bone formation, body weight and gonadal function. Abbre

12、viation: Cbfa1, core-binding factor 1; Ihh, Indian hedgehog.,(三)瘦素對骨形成進行中樞性調(diào)控的重要臨床意義,瘦素對骨形成的調(diào)節(jié)不僅限于小鼠。瘦素信號系統(tǒng)缺陷的大鼠也表現(xiàn)為骨量增加。脂肪細胞和白色脂肪幾乎完全缺如的廣泛性脂肪營養(yǎng)不良的病人可表現(xiàn)為骨硬化（骨形成增加）和骨生長加速。瘦素基因缺陷的病人是否有骨量增加不易觀察，因為這類患者將早期接受瘦素治療。然而有一點早已為人

13、們所認識，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，瘦素抑制骨形成作用機理的闡明使得人們對骨質(zhì)疏松等代謝骨病的病因有了嶄新的認識。據(jù)此筆者曾一度認為，抑制瘦素合成和促進瘦素從體內(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)增強在骨質(zhì)疏松的發(fā)病過程中更為重要，拮抗瘦素的生物活

14、性而不是一味追求降低血漿瘦素水平應(yīng)當是骨質(zhì)疏松治療的主要研究方向。,二、骨保護素與骨吸收,（一）骨保護素簡介,骨保護素屬分泌型糖蛋白，為腫瘤壞死因子受體超家族成員11B(TNFRSF11B)，又稱破骨細胞形成抑制因子(OCIF)。骨保護素在體內(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素前肽含401個氨基酸殘基，翻譯后加工時氨基端含21個氨基酸殘基的信號肽被去除，成熟的骨保護素含380個氨基酸殘基。,骨保護素分子含有7個功能

15、區(qū)( D1～D7) ：Ｎ端的D1～D4 結(jié)構(gòu)上與腫瘤壞死因子受體超家族的其它蛋白質(zhì)的細胞外區(qū)相似，參與配體的結(jié)合，與抑制破骨細胞的作用直接相關(guān)；靠近Ｃ端的D5、D6為死亡結(jié)構(gòu)域同源區(qū)，介導細胞毒性作用；D7具有一個肝素結(jié)合位點，該位點的肝素親和力與骨保護素 對破骨細胞的抑制作用無關(guān)；D7還有一個半胱氨酸殘基(Cys379)，負責同源二聚體的二硫鍵形成。,D7的半胱氨酸被絲氨酸取代，導致無法形成同源二聚體，使得部分骨保護素以單體形

16、成存在。 兩種形式的骨保護素在穩(wěn)定性、唾液酸含量、和抑制破骨細胞形成的特異活性方面無區(qū)別，但同源二聚體形式的骨保護素與肝素的親和力強、 初始半衰期短、降低大鼠血清鈣濃度的生物學活性高。,體內(nèi)多種組織器官可分泌骨保護素，對成年人而言，心、肺、腎和骨組織合成骨保護素較多，其它還可合成骨保護素的組織包括胎盤、肝臟、甲狀腺、脊髓、腦、免疫和造血組織等。體外培養(yǎng)條件下可高表達骨保護素的細胞類型包括：成骨細胞、內(nèi)皮細胞、主動脈平滑肌細胞、

17、成纖維細胞、淋巴細胞和多種腫瘤細胞株等。,骨保護素分泌的調(diào)節(jié),（二）骨保護素對骨吸收的抑制作用,1. 骨保護素抑制骨吸收的生物學效應(yīng),遺傳學模型研究發(fā)現(xiàn)： (1)過度表達骨保護素的轉(zhuǎn)基因小鼠表現(xiàn)為早期、進行性大理石樣骨病，病變累及長骨、脊椎骨和骨盆等多個部位。與其它類型的大理石樣骨病動物模型不同，這些轉(zhuǎn)基因小鼠除有代償性髓外造血導致的脾大外，無其它骨骼和骨外組織異常表現(xiàn)。,組織學觀察，這些小鼠的礦化小梁骨普遍增加，骨髓腔變??；

18、 最有意義的發(fā)現(xiàn)是，小梁骨破骨細胞數(shù)量顯著增加，而單核－巨噬細胞系的其它造血細胞數(shù)目均正常，表明骨保護素的過度表達主要通過抑制破骨細胞分化的終末階段來增加骨總量。,(2)敲除骨保護素基因的小鼠早期發(fā)生嚴重的骨質(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，股骨生長板損傷和多發(fā)性骨折。此外，這些小鼠常伴有大動脈鈣化，主要累及主動脈和腎動脈的血管中層。,組織學觀察，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

19、破骨細胞和成骨細胞。骨計量學研究發(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)用外源性骨保護素進行研究亦證實了骨保護素抑制骨吸收的作用。體外研究表明，骨保護素的主要作用包括抑制破骨細胞形成的終末階段、抑制破骨細胞活性和促進破骨細胞凋亡。體內(nèi)應(yīng)用骨保護素可顯著抑制生理、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. 骨保護素抑制骨吸收的作用機理,(1) 骨保

20、護素配體(OPG ligand, OPGL)：OPGL又稱作 破骨細胞分化因子(Osteoclast differentiation factor,　ODF) 腫瘤壞死因子相關(guān)性活化誘導因子(TRANCE) NF-κβ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個氨基酸殘基組成，屬II型跨膜蛋白，在體內(nèi)以細胞結(jié)合型和可溶性羰基末端兩種形式

21、存在，兩種類型均可被骨保護素結(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，其次是骨髓組織。直接參與骨代謝的OPGL由成骨細胞分泌，通過旁分泌方式發(fā)揮作用。OPGL的主要作用機理是與成熟破骨細胞及其祖細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-κβ受體激活物，RANK) 結(jié)合，直接促進成熟破骨細胞活化以及破骨細胞的生成。,OPGL在破骨細胞的生成和激活過程中是不

22、可或缺的，這是因為：①OPGL和巨噬細胞集落刺激因子( M-CSF)是目前已知的破骨細胞生成過程中唯一必需的兩種細胞因子；②促進破骨細胞激活的多種生物活性物質(zhì)，包括各種激素類物質(zhì)、細胞因子和前列腺素等，均通過促進成骨細胞分泌OPGL而激活破骨細胞；③敲除OPGL基因的小鼠表現(xiàn)為嚴重的大理石樣骨病和出牙障礙，同時伴有T、B淋巴細胞的早期分化障礙，全身淋巴結(jié)缺如，而脾臟結(jié)構(gòu)和淋巴集結(jié)形成、樹狀細胞功能正常。,(2)目前已闡明的骨保護素

23、三條作用途徑：①骨保護素的最主要作用是與OPGL結(jié)合，拮抗RANK 與OPGL的結(jié)合，進而抑制破骨細胞的分化和活性。RANK是破骨細胞表面介導OPGL生物活性的唯一受體，而骨保護素則是OPGL 特異性抑制物。②破骨細胞細胞膜上存在一種分子量為140kDa的蛋白質(zhì)，骨保護素可以與該蛋白特異結(jié)合直接抑制破骨細胞功能。這一過程沒有OPGL及其受體RANK的參與。③通過干擾基質(zhì)細胞與破骨細胞之間的相互作用，誘導破骨細胞凋亡。骨保護素的D5

24、、D6兩個死亡結(jié)構(gòu)同源區(qū)與誘導破骨細胞凋亡的作用有關(guān)，去除D5、D6后，骨保護素誘導破骨細胞凋亡的活性明顯降低。,骨保護素及其配體對破骨細胞作用圖例,（三）骨保護素抑制骨吸收的重要臨床意義,大量研究表明，骨保護素對于治療多種代謝性骨病可能有效，當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，雌激素可使成骨細胞株分泌骨保護素增加3～4倍， 提示絕經(jīng)后雌激素水平下降進而影響骨保護素分泌與絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松的發(fā)生有關(guān)。Bekker

25、PJ等臨床研究第一次證實了單劑骨保護素可快速、有效地抑制骨轉(zhuǎn)化，對于治療絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松具有重要臨床意義。試驗中未發(fā)現(xiàn)嚴重副作用和實驗室檢查異常，僅個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)，骨髓細胞合成骨保護素的能力隨著年齡增長而下降；短期應(yīng)用糖皮質(zhì)激素即可顯著降低血清骨保護素水平。這些研究提示骨保護素對于治療老年性骨質(zhì)疏松和藥物性骨質(zhì)疏松亦可能有效。,在免疫性骨關(guān)節(jié)損害過程中，OPGL的全

26、身性表達和局部表達均增加。抗原刺激可系統(tǒng)性激活T淋巴細胞，促進其分泌OPGL。應(yīng)用骨保護素抑制OPGL 的生物活性已成為免疫性骨關(guān)節(jié)疾病治療的又一新思路。動物試驗已經(jīng)表明，佐劑性關(guān)節(jié)炎的模型大鼠用骨保護素治療可以預防或減輕骨和軟骨損害。,另有研究證實，骨保護素可使惡性腫瘤并發(fā)體液性高鈣血癥的小鼠血鈣迅速下降。,可見，骨保護素/OPGL 是骨代謝研究中的又一個里程碑式發(fā)現(xiàn)。在不久的將來，骨保護素很可能成為治療多種骨骼系統(tǒng)疾病的理想藥物。

27、,三、結(jié) 語,骨形成被瘦素中樞性調(diào)控與骨吸收受骨保護素有效抑制是骨代謝研究領(lǐng)域近年來取得的兩個最具代表性的重大發(fā)現(xiàn)。這些重要發(fā)現(xiàn)均直接得益于基因重組技術(shù)的飛速發(fā)展。我們相信，隨著分子生物學及其研究手段的進一步發(fā)展，尤其是人類基因組計劃的最終完成，骨代謝過程中的更多奧秘將被發(fā)現(xiàn)，從而為探索各種代謝性骨病更新、更有效的治療手段提供理論基礎(chǔ)。,另一方面，盡管應(yīng)用現(xiàn)有的科研成果指導臨床實踐是臨床醫(yī)學的迫切需要,但在我們積極開發(fā)新療法的同時，