破骨细胞及其分化调节机制的研究进展

蒋鹏 宋科官

. 综述 Review .

破骨细胞及其分化调节机制的研究进展

蒋鹏 宋科官

破骨细胞；细胞分化；核因子 κB 受体活化因子配体；巨噬细胞集落刺激因子；信号传导

人体骨骼是一个动态的、不断更新的组织，据调查，成年人每年大约有 10% 的骨骼会发生骨重建[1]，骨重建主要涉及骨吸收和骨形成两个方面，二者保持动态平衡维系着骨的正常代谢，如果二者失去平衡将会引起相应的骨骼疾病[2-5]。骨质疏松症和关节假体周围骨溶解均是常见的骨代谢性疾病，主要原因就是由骨吸收功能强于骨形成，二者失去平衡引起。破骨细胞是人体惟一的具有骨吸收功能的细胞，因此研究破骨细胞的分化机制具有重要意义。然而正常人体破骨细胞数量少，且生存时间短，难以从骨质中分离出来，这使对于破骨细胞形成的研究在很长一段时间内停滞不前。在过去的十几年内，随着体外类破骨样细胞模型的建立，人们对破骨细胞的研究取得了巨大的突破[6-7]，发现在破骨细胞分化过程中有众多的细胞因子参与其中，而核因子 κB 受体活化因子配体 ( receptor activator for nuclear factor-κB ligand，RANKL ) 和巨噬细胞集落刺激因子 ( macrophage colony-stimulating factor，MCSF ) 是最关键的两种因子[8-10]。现就破骨细胞的生物学特点及其分化机制的研究进展作一综述。

一、破骨细胞的生物学研究

破骨细胞的形成是骨重建的核心。在正常的骨代谢过程中，破骨细胞吸收旧骨在原部位形成一个骨吸收陷窝，然后成骨细胞发挥成骨作用，在陷窝内形成新骨，将陷窝填平，从而保证骨骼的完整，这种骨吸收和骨形成在时空上的紧密偶联维持着骨重建的正常进行，缺乏破骨细胞或者破骨细胞生成过多均将引起骨代谢的失衡。骨硬化病是一种以高骨密度为特点的先天性疾病，经研究证明，这是由于体内缺少有功能的破骨细胞[11-12]。破骨细胞前体细胞向破骨细胞的分化需要特定的微环境，需要细胞因子的参与，Yoshida 等[13]在研究中已经证明，MCSF 是破骨细胞形成过程中的关键因子，先天骨石化症小鼠正是因为缺少MCSF，导致破骨细胞合成受到影响，骨吸收功能减弱，进而表现为骨硬化症。而骨溶解和骨质疏松症恰与骨硬化病相反，是由于体内破骨细胞形成过多，导致骨吸收强于骨形成而引起的。

在 20 纪 80 年代，Takahashi 等[14]将骨髓细胞和成骨细胞在体外进行共培养，成功得到了成熟的多核破骨细胞，这为破骨细胞在体外的研究提供了实验基础。通过这个共培养体系，使破骨细胞前体细胞和成骨细胞之间的联系逐渐被人们重视，在研究中发现，成骨细胞表达的细胞因子通过与破骨细胞前体细胞表面上的膜结合分子结合，细胞信号发生传递，来诱导破骨细胞的分化，其中，RANK / RANKL 信号通路是破骨细胞分化最重要的调节方式[15-16]。

二、破骨细胞分化信号通路：RANK / RANKL / OPG

核因子-κB 受体活化因子 ( RANK )，是肿瘤坏死因子( TNF ) 受体家族成员之一，属于 I 型跨膜蛋白，由位于染色体 18q22.1 上的基因编码，在破骨细胞前体细胞及成熟的破骨细胞表面均有高度的表达[17]。人的 RANK 蛋白有616 个氨基酸残基，与小鼠有 70% 的同源性，其胞外结构域为 N-末端，包含 208 个氨基酸，主要功能是与 RANKL的 C-端结合发生作用，产生并传递信号，在胞内的区域有 383 个氨基酸，因为其缺乏内在的活性激酶去磷酸化激活下游的信号分子，因此需要转接分子 TRAFs ( 肿瘤坏死因子受体相关因子 ) 的参与，来诱导激发 NF-κB 和 c-Jun氨基端激酶 ( JNK ) 的活性[18-22]。NF-κB 途径和 JNK 途径是 RANK 和 RANKL 结合后介导破骨细胞分化的重要调节途径[23]。

RANKL，是 TNF 超家族成员之一，属于 II 型跨膜蛋白，由位于染色体 13q14 上的基因编码，其启动子区含有成骨细胞分化的关键转录因子核心结合因子-α1 ( Cbf-α1 )的结合位点，RANKL 的表达依赖于 Cbf-α1 的活性，因此 Cbf-α1 也被认为是联系成骨细胞与破骨细胞的纽带[24-25]。人的 RANKL 蛋白含有 317 个氨基酸，与小鼠有87% 的同源性。RANKL mRNA 在淋巴组织及骨组织中含量高，而在心、胎盘、骨骼肌等非淋巴样组织中仅有低度表达[26-27]。在体内，RANKL 主要以膜结合型和可溶型两种形式存在[28]，膜结合型 RANKL 的生理功能较可溶型RANKL 更强[29-30]，关于 RANKL 的研究大多都是针对结合形式的 RANKL。RANKL 有三个亚型，分别是 RANKL1、RANKL2、RANKL3，在细胞内，这三种亚型之间形成同源或异源三聚体，这种三聚体结构对 RANKL 定位到膜上至关重要[31-32]，并且这三种亚型具有共同的羧基末端活性受体结合域，因此他们能与相同的受体结合发挥作用[33-34]。研究表明，RANKL 的主要作用就是与破骨细胞前体细胞表面上的 RANK 结合，启动下游的一系列信号通路，诱导破骨细胞的分化[35-37]。

骨保护蛋白 ( OPG )，也属于 TNF 受体超家族成员，是一种分泌型糖蛋白，含有 401 个氨基酸残基[26,38-39]。在体内，OPG 主要有两种形式[40]，通常以单体形式在细胞内合成，然后以二聚体的形式分泌到胞外，单体的半衰期要比二聚体更长，而二聚体则比单体有更强的肝素结合能力[41]，但是，二者的热、酸稳定性很相似，并且都具有抑制破骨细胞形成的能力。人体骨组织 OPG 主要在成骨细胞合成，淋巴组织中也可产生。OPG 主要功能是与RANKL 竞争性的结合，阻断 RANKL / RANK 通路，抑制破骨细胞分化成熟[42-43]，另外，OPG 还可与肿瘤坏死因子相关性细胞凋亡诱导配体 ( TRAIL ) 结合，抑制 TRAIL 引导的细胞凋亡[44]。

RANK / RANKL / OPG 系统被广泛认为是诱导破骨细胞分化过程中最重要的信号转导通路，大部分的细胞因子都通过这个通路来调控成骨细胞和破骨细胞之间的动态平衡[45-46]。成骨细胞表达并释放 RANKL，和破骨细胞前体细胞表面的 RANK 结合后，募集 TNF 受体相关因子( TRAFs ) 结合到 RANK 的胞质区，其中 TRAF2、TRAF5、TRAF6 都能与 RANK 结合，并通过 JNK 途径、NF-κB 途径和 Akt 途径，启动并传递破骨细胞的分化信号[47-48]。TRAF2、TRAF5 与 RANK 结合激活 c-Jun 氨基端激酶 ( JNK )，JNK 诱导 c-Jun / Fos 活化蛋白 1 ( AP-1 )活化，调节 c-Fos 的表达，促进破骨细胞前体发生增生、分化。TRAF6 与 RANK 结合激活磷脂酰肌醇 -3- 激酶( PI-3K )，继而活化蛋白激酶 B ( PKB、Akt )，参与 NF-κB活化，使 c-Fos 的表达增加，c-Fos 与活化的 T 细胞核因子 ( NFAT-c1 ) 结合，启动破骨细胞特异性基因的转录，诱导破骨细胞前体分化为成熟破骨细胞[49-50]。OPG 可与RANKL 竞争性结合，且结合能力要比 RANK 更强，从而能有效阻断 RANK / RANKL 信号通路，抑制破骨细胞分化，防止破骨细胞过度增长[51]。RANKL / OPG 比值关系着破骨细胞分化的强弱，如果比值减小，成骨细胞表面的RANKL 全部被 OPG 竞争性结合，而不能与破骨细胞前体上的 RANK 结合产生转录信号，从而导致破骨细胞的分化受到抑制；如果比值过度增大，OPG 难以拮抗 RANKL 和RANK 的结合，使破骨细胞生成增多，骨吸收能力增强，因此 RANKL / OPG 保持一定的比值关系，对于维持破骨细胞分化和骨代谢平衡具有重要意义[52]。

巨噬细胞集落刺激因子 ( M-CSF ) 又称为集落刺激因子-1 ( csf-1 )，是一种具有多种生物学功能的细胞因子，在临床上应用非常广泛。M-CSF 可由巨噬细胞、内皮细胞、成纤维细胞以及众多肿瘤细胞产生，也可由成骨细胞与间充质细胞产生，在微生物感染、炎症及免疫应答过程中，MCSF 的合成和分泌均有明显增高。在对 op / op 小鼠的研究过程中发现，M-CSF 在破骨细胞的分化过程中也具有重要的作用[53]。M-CSF 基因缺陷的 op / op 小鼠表现为天生的骨硬化症，小鼠体内巨噬细胞少，缺乏破骨细胞，而在髓腔注入 M-CSF 后，破骨细胞数量明显增多。M-CSF 对破骨细胞的作用是通过与其位于破骨细胞前体细胞膜上的受体 c-fms 的结合来实现的。M-CSF 与 c-fms结合后，可激活 c-fms 的酪氨酸激酶活性，导致其自身磷酸化，磷酸化后为磷脂酰肌醇 3-激酶 ( PI3K )、生长因子受体结合蛋白 2 ( Grb2 ) 提供了结合区[54-55]。随后，与c-fms 结合的 Grb2 激活细胞外调节蛋白激酶 ( ERK )，而PI3K 则激活蛋白激酶 B ( Akt )，由此促进破骨细胞前体的存活[56-57]。此外，M-CSF 可诱导骨髓细胞表达 RANK受体，RANKL 与 RANK 发生结合，诱导破骨细胞分化[58-60]。并且，M-CSF 可通过激活 Akt 及 ERK 信号通路与 RANKL 相互作用，进而参与破骨细胞分化形成的晚期阶段[56]。

三、RANK / RANKL / OPG 信号通路与骨质疏松症

骨质疏松症是一种全身性骨骼退化相关的代谢障碍性疾病，可由多种病因引起，RANK / RANKL / OPG 系统在其致病过程中发挥着重要的作用。雌激素缺乏相关性骨质疏松症也被称为绝经后骨质疏松症，是女性常见的一种骨质疏松症。研究表明，雌激素一方面可以上调 OPG mRNA 的表达和蛋白的分泌，另一方面抑制 MCSF 的表达，同时还可以下调 JNK 途径，抑制 RANKL 诱导破骨细胞分化[61-63]。雌激素缺乏导致 OPG 分泌减少，生物效应降低，而 MCSF 和 RANKL 的生物学作用增强，破骨细胞分化增多，骨吸收功能增强。糖皮质激素性骨质疏松症，糖皮质激素可以直接上调成骨细胞中 RANKL 的表达，使RANKL / OPG 的比值增大，增加破骨细胞数量[64]。类风湿性关节炎，在患病关节中存在多种炎症因子，这些炎症因子同样可以促进 RANKL 的表达，使 RANKL / OPG 比值上调[65-66]。

四、RANK / RANKL / OPG 信号通路与人工关节假体无菌性松动

人工关节置换术是目前治疗严重关节疾患、重建关节功能的重要手段，但是假体松动问题严重影响着关节假体的使用质量和寿命。经研究发现[67]，引起关节假体松动的主要原因在于假体植入人体后随关节活动过程中会产生大量的磨损颗粒，这些磨损颗粒在关节周围引起机体反应，使假体与人体骨之间形成一层界膜组织，而形成的界膜组织中含有大量的单核巨噬细胞，这些细胞在磨损颗粒的刺激下释放大量的细胞因子，并通过 RANK / RANKL / OPG 信号转导通路发挥作用，诱导破骨细胞分化，使破骨细胞形成增多，骨吸收功能增强，进而导致关节假体周围发生骨溶解[68-69]。Ramage 等[70]在关节假体周围的界膜组织中发现了大量的 RANKL，Masui 等[71]同样发现在松动的关节假体周围，RANKL / OPG 比值明显增高。这些均证明了磨损颗粒刺激 RANKL 释放增多，导致了骨溶解的发生。目前人们正在积极寻找一种可以有效抑制磨损颗粒诱导的破骨细胞过度增长的方法，减少假体松动的发生。有学者在研究中[72]，以期过表达 OPG 蛋白，使 RANKL / OPG 比值下降，降低 RANKL 的作用，进而使破骨细胞分化减少，但在结果中发现破骨细胞并没有显著的变化。高坤等[73]利用 RNA 干扰技术，降低 RANKL mRNA 的水平，发现破骨细胞生成可明显受到抑制，但是这种抑制作用在 2～3 天后逐渐下降。这说明单独干扰 RANKL mRNA存在一定的缺陷，因为人体内还存在另外一种促进破骨细胞分化的关键因子——MCSF。有研究[74]发现当假体周围磨损颗粒较多的情况下，MCSF 等炎性因子可不通过RANK / RANKL / OPG 系统，而是直接发挥作用来诱导破骨细胞的分化。目前，我们正致力于构建一种慢病毒可以在抑制 RANKL 表达的同时还可以抑制 MCSF 的表达，使这两种因子联合沉默，并证实这种方法可以有效抑制磨损颗粒诱导的破骨细胞性骨溶解，从而为预防和治疗假体无菌性松动提供新的手段。

五、问题与展望

在骨髓微环境中，存在众多的细胞因子参与调解破骨细胞的分化与增殖，而在这些因子中，RANKL 和 M-CSF是最关键两种因子[75]。在骨吸收过程中，成骨细胞在骨吸收刺激因子的作用下，分泌 RANKL 和 M-CSF，二者分别与破骨细胞前体细胞表面的 RANK 和 c-fms 结合，经过下游一系列的复杂的信号转导过程，诱导破骨细胞分化。破骨细胞的增多使骨吸收功能增强，导致骨重建失衡，引起临床上常见的骨质疏松症和人工关节假体无菌性松动。研究 RANKL 和 MCSF 两种因子的生物特性，找到能够抑制这两种因子表达的有效可行的办法，减少破骨细胞的生成，进而缓解和治疗病症。近年来，有关 RANKL 和M-CSF 对破骨细胞分化的研究已取得巨大突出的成绩，但尚没有相关研究能够证明二者在表达上存在何种相关关系，如果能证实这一点，将为预防和治疗假体周围骨溶解提供新的思路。

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( 本文编辑：裴艳宏 )

Research progress on osteoclast and its differentiation regulation mechanism

JIANG Peng, SONG Ke-guan. The

SONG Ke-guan, Email: songkeguan@sohu.com

Osteoclasts derive from mononuclear hematopoietic stem cells in the bone marrow, which are the major bone resorption cells in the human body and play an important role in the reconstruction of bone. The differentiation and maturation of osteoclasts are regulated by many factors, such as receptor activator for nuclear factor-κ B ligand ( RANKL ), macrophage colony-stimulating factor ( MCSF ), interleukin-1 ( IL-1 ), interleukin-6 ( IL-6 ) and tumor necrosis factor-alpha ( TNF-α ), which can promote osteoclast differentiation and increase osteoclast formation. And there are some other factors, such as osteoprotegerin ( OPG ) and interleukin-10 ( IL-10 ), which can inhibit osteoclast differentiation and thereby prevent excessive growth of osteoclasts. RANK / RANKL / OPG pathway is the hub of signal transduction in the process of osteoclast mobilization and differentiation. Most cytokines play roles in osteoclast differentiation through this transduction pathway. To explore its mechanism and make feasible and effective measures to prevent the impact which is caused by the increase or reduction of osteoclasts on the organism has become an important research fi eld in recent years.

Osteoclasts; Cell differentiation; Receptor activator for nuclear factor-κB ligand ( RANKL ); Macrophage colony-stimulating factor ( MCSF ); Signal transduction

10.3969/j.issn.2095-252X.2017.03.013

Q291

国家自然科学基金资助项目 ( 81270635 )

150001 黑龙江，哈尔滨医科大学附属第一医院

宋科官，Email: songkeguan@sohu.comfi rst Aff i liated Hospital of Harbin Medical University, Harbin, Heilongjiang, 150001, China

2016-08-30 )