浅议TGF-β与原发性骨质疏松①

尹君 高传芳

(安徽中医学院附属太和中医院 安徽太和 236600)

骨质疏松症可分为原发性和继发性两类,而原发性者又分为2个亚型(I型为绝经后骨质疏松,II型为老年性骨质疏松)。绝经后骨质疏松症是由于妇女绝经后雌激素水平的急剧下降,对骨吸收的抑制减弱,从而造成骨质丢失,而骨质丢失与骨重建又有着密切联系。在正常骨代谢周期,其骨吸收和骨形成维持在一种动态平衡状态。一旦平衡失衡,骨吸收大于骨形成就发生骨质丢失。因而,任何与骨重建有关的细胞因子都可能对骨质产生影响。其中包括促进吸收的负性影响,促进骨形成的正性影响及同时促进或抑制骨吸收和骨形成的双向影响。

各种细胞都可以产生细胞因子,当细胞因子的产生发生异常时,也参与各种疾病的发生。在骨组织的微环境中存在骨母细胞和破骨细胞及免疫系统的细胞,细胞因子通过自分泌、旁分泌和细胞黏附作用在骨组织代谢中起重要作用。随着对骨质疏松发病研究的深入和免疫学的不断发展,细胞因子在绝经后骨质疏松症发病中的作用越来越受到重视。

转型生长因子(TGF)超家族约有40多个成员,主要包括TGF-β的各种异构体、活化素、抑制素、AMH、生长分化因子(GDF)和骨形态生成蛋白(BMPs)。而TGF-β是TGF超家族的原型分子和首先被鉴定的成员,人TGF-β的异构体包括4种分子(TGF-β1-3和TGF-β5),4种(TGF-β)的作用既有重叠,也有差异,有的甚至相反。在骨组织中,约80%～90%的TGF-β为TGF-β1的异构体,不同TGF-β基因中的启动子差异很大,表明TGF-β的调节机理不相同。

1 主要生物学作用

TGF-β对成骨细胞和破骨细胞均有调节作用。TGF-β对骨生成的调节表现在TGF-β对骨形成和类骨质矿化的作用。可能通过以下机制[1]:(1)募集和制动骨形成细胞于骨形成部位。(2)成骨谱系细胞增殖。(3)前身细胞分化成为骨细胞。(4)纤维蛋白及其受体蛋白合成,骨胶元、骨连蛋白、骨桥蛋白合成。(5)整合素合成。(6)蛋白糖苷合成。(7)TIMP、PAl合成。(8)凝胶酶原(72KI)合成。(9)TGF-β、LTBP及成骨细胞 PG合成。(10)破骨细胞凋亡。TGF-β对类骨质形成有促进作用,对破骨细胞的骨吸收主要表现为抑制效应。研究表明[2]TGF-β减少了基本的骨吸收并且抑制了维生素D介导的骨吸收。因此,TGF-β具有促进骨形成,抑制骨吸收作用。给动物注射TGF-β后,注射部位的骨形成增加,但不导致异位骨形成。同时TGF-β也诱导软骨生成。

2 骨质疏松的机理

在体内,骨质的丢失与破骨细胞的活性有密切关系。破骨细胞活性受多种细胞因子和甲状旁腺素(PTH)、1,25-(OH)2-D3等的影响,同时破骨细胞又可分泌酸和多种水解酶使骨质溶解,并摄取骨基质在细胞内进一步消化,使骨小梁表面骨组织不断移出,骨小梁变细、变薄,甚至穿孔、断裂,形成骨质疏松。老年人体还有一种骨细胞性骨吸收,使骨小梁实质内发生虫蚀样变化,使骨小梁变得疏松,骨的强度和韧性下降,脆性增加。骨重建是通过破骨细胞对自身旧骨的吸收及随后由成骨细胞形成新骨2个过程来完成的。该过程受多种因素的调控,尤其是局部细胞因子,其以旁分泌和自分泌的形式直接作用于骨细胞,在骨的发生、发展中起重要作用。当雌激素缺乏及老龄等因素影响下,激素和免疫平衡发生紊乱,骨微循环环境中细胞因子网络的平衡破坏,致使细胞间信息交流障碍,偶联失去平衡,成骨细胞产生的新骨不足以补充破骨细胞所吸收的旧骨,破骨过多而成骨过少,从而导致骨质疏松。近来研究证实,绝经后妇女随体内雌激素水平的下降,其促进骨吸收的细胞因子产生过剩,进一步加重骨丢失增加。

3 TGF-β与骨质疏松的关系

由于TGF-β是骨组织中的重要细胞因子,在体内无骨形态蛋白诱导异位成骨的作用,在骨组织中可启动新生骨与软骨生成,对骨的生长发育和骨重建有重要的调节功能。Braidman等[3]发现,特发性骨质疏松的青年男性细胞雌激素受体水平降低,雌激素缺乏导致骨量丢失的机理仍未确定。雌激素对骨量的影响是通过调节与骨代谢有关的细胞因子来实现的,而TGF-β是最重要的调节因子之一。可抑制骨关节软骨的破坏,促进软骨细胞的合成代谢和受损软骨的修复。

Erlebacher等[4]通过对转基因鼠的研究发现,TGF-β能够促进成骨细胞的分化,增加骨的沉积,但这种作用并非由其直接作用于成骨细胞,而是作用于破骨细胞导致骨吸收增强而产生骨的自我调节作用的结果。Kalu等[5]认为TGF-β2可能在控制骨髓中破骨细胞前体的增殖中发挥作用。Finkelman等[6]认为卵巢切除术降低了TGF-β在实验鼠骨中的沉积而骨骼中减少的TGF-β含量可能对发生在雌激素缺乏阶段的骨丢失、骨折、微骨折中起作用。

许多研究表明,TGF-β的基因多形性调节着骨质疏松的发生。如Bertoldo等[7]通过调查256名意大利绝经后妇女发现,TGF-β的等位基因713—8delC的变化直接影响着她们的骨矿含量和骨代谢情况:携带TGF-βTt基因型的受试者的髋骨骨密度明显低于携带TT基因型的受试者;携带tt基因型个体骨质疏松严重程度明显大于携带TT和Tt基因型的个体;携带TT基因型的个体发生骨质疏松性骨折的几率明显低于携带Tt和tt基因型的个体。Yamada等[8]通过调查287名日本绝经后妇女亦发现:携带TGF-β CC基因型的个体腰椎骨密度明显高于携带TT和TC基因型的个体,而且,其脊柱骨折的发生率也明显低于携带TT或TC的个体。但Hinke等[9]的研究结果与之相反:在其调查的102名雌激素缺乏的绝经后妇女中,具有TT基因型的妇女腰椎及股骨颈平均骨密度较具有CC基因型的妇女高将近10%,且具有TT基因型的妇女髋骨骨量丢失也比具CC基因型的妇女要少,具有TT基因型的妇女血清TGF-β1水平也比具CC基因型的妇女要高。

对女性骨质横断面的研究发现,血清TGF-β1水平在绝经前妇女明显高于绝经后妇女,两者差异有统计学意义,绝经前后女性各部位BMD已有显著区别,说明其变化与骨密度的变化呈明显正相关。从骨活检组织骨基质中测得的TGF-β1水平与组织形态学上观察到的骨形成和骨吸收指标的变化正相关。国内有人报道女性50岁之前血清TGF-β1水平较高,伴随着骨密度值较稳定,骨丢失较慢;50岁之后随着TGF-β1的下降,骨量快速丢失,骨密度明显下降。我们的观察与此相符合。但在绝经年限不同女性比较,骨密度值有显著区别时,TGF－β1水平不存在明显差异,说明其在反映绝经后女性骨密度的变化方面敏感性不够。

综上所述,随着对细胞因子在骨质疏松中的作用的不断认识,对体内细胞因子的检测已成为对骨质疏松的诊断和检测疗效的方法,各种细胞因子拮抗剂,也将为人类防治骨质疏松开拓一个新前景。由于细胞因子是一个网络的相互关系,具有联合协同作用,又有相互制约性,因此,对细胞因子的调节应从整体着眼,全面考虑,进行更全面、更深入的研究。这正与中医辨证论治的整体观、系统论不谋而合,在今后的研究工作中能够运用现代技术探求中医治疗的效果,能从现代基因学角度阐述中医的治疗机理,将为OP的预防及治疗带来新的希望。从细胞因子的角度来研究中医治疗绝经后骨质疏松症的有效性有待于更全面、更深入的研究。

[1]Antosz ME,Bellows CG,Aubin JE.Biphasic effects of murine opidebbal growth factor on bone nodule fonnation by isolated rat calvarial cell in vitro[J]. Bone Miner Res,1987,2:385.

[2]Fmkelman RD,Bell NH,Stung DD,et al.Ovariectonry selectivel reduces the concentration of transforming growth factor-¦Â in rat bone implications the concentration of estrogen deficiency associated bone loss[J].Prec Natl Acad Sic USA,2002,89:12190.

[3]Braidman I,Baris C,Wood L,et al.Priliminary evidence for impaired estrogen receptor protein expression in osteoblasta and osteocytes from men with idiopathic osteoporosis[J].Bone,2000,26:423.

[4]Erlebacher A,Filvaroff EtI,Ye JQ,et al.Osteoblastic responses to TGF beta during bone remodeling.et al.Mol Biol Cel1,2004,9(7):1903～1918.

[5]Kalu DN,Salerno E,Higami Y,et al.In vivo effects of transforming growth factor-beta2 in ovariectomized rats[J]. Bone M iner,2005,22(3):209～220.

[6]Finkelman RD,Bell NH,Strong DD,et al.Ovariectomy selectively reduces the concentration of transforming growth factor beta in rat bone:implications for estrogen deficiency associated bone loss[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2003,89(24):12190～l2193.

[7]Bertoldo F,D’Agruma L,Furlan F,et a1.Transforming growth factor beta1 gene polymorphism,bone turnover,and bone mass in Italian postmenopausal women[J].Bone Miner Res,2000,15(4):634～639.

[8]Yamada Y,Miyauchi A,Goto J,et al.Association of a polymorphism of the transforming growth factor betal gene with genetic susceptibility to osteoporosis in postmenopausal Japanese women[J]. Bone Miner Res,2006,13(10):1569～1576.

[9]Hinke V,Seek T,Clanget C,et al.Association of transforming growth factor beta1(TGFbeta1)T29 CC gene polymorphism with bone mineral density (BMD),changes in BMD,and serum concentrations of TGF-- betal in a population based sample of postmenopausal german women[J].Calcif Tissue Int,200l,69(6):3l5～320.