Wnt信号通路在骨修复和骨重塑中作用的研究进展

赵泽玉，邱俊杰，王伟舟，袁勇

（昆明医科大学第二附属医院，云南 昆明）

0 引言

与人体中的大多数组织不同，骨骼在整个成年生活中都能够自发地进行无疤痕修复，通过产生具有几何结构和生物力学完整性的新骨，骨骼组织在损伤愈合后与周围的骨无明显区别[1]。成人骨骼中骨折愈合是一个复杂的代谢过程，这种高度协调的过程被破坏可导致愈合延迟或不愈合。许多术前、术中和术后因素与骨愈合受损有关，然而，骨折延迟愈合的确切分子机制尚不清楚。

1 骨修复和骨重塑机制

骨是一个动态变化以钙化的基质为框架的多功能器官，在胚胎发育的早期阶段，骨骼由纤维膜和透明软骨组成，到胚胎的第六周或第七周开始骨化[2]。成骨方式可分为软骨内成骨或者膜内成骨机制形成：作为膜内成骨的一部分，间充质干细胞可直接分化为成骨细胞并产生骨组织；软骨细胞从间充质干细胞分化，通过软骨内成骨形成中间软骨，再矿化细胞外基质，经历细胞凋亡并引导血管的生成，使软骨细胞增大、成熟[3]。

骨架的主要功能是结构性的；损伤后的骨修复是一种复杂且组织良好的骨重塑过程，其随着损伤而启动，并有效地恢复了骨骼功能。骨折修复受多种生长因子的调节，Wnt信号传导途径在骨发育，体内平衡以及损伤后的骨修复和骨重塑中具有重要作用。骨折部位的骨祖细胞、成骨细胞和未分化的间充质干细胞（MSCs）都可以促进骨形成[4]。在间接（二期）愈合过程中，骨形成类似于软骨内成骨，这是长骨最先开始的生长方式，骨受伤后，形成由大部分炎性细胞组成的软骨痂，该愈伤组织发育成中间软骨，随后经过钙化，通过几个月的重塑形成层状骨，最终被编织骨替代[5]。通过手术固定，临时固定或两者兼而有之，大多数骨折在数月后愈合。然而，3%至10%的骨折最终不愈合[6]。若通过在断裂处诱导骨形成的疗法，则可以增加骨折愈合率，并且愈合时间减少。

2 Wnt信号通路

2.1 Wnt简介

Wnt信号传导是一种在进化过程中得以保留的信号通路，它调节细胞极性，细胞迁移，参与器官发生和胚胎发育过程中干细胞更新等。过氧化物酶体增殖物激活受体（PPAR）已被公认是脂肪形成的主要诱导剂，而Wnt途径被认为是成骨的主要调节剂[7]。Wnt 信号通路可通过多个方面对骨生长和重塑等过程产生影响，这与骨质疏松等骨疾病的发生和发展息息相关[8]。Wnt蛋白是一种分泌型糖蛋白家族，是调节成骨细胞分化及其活性的关键因子，它们通过自分泌或旁分泌发挥作用[9]。Wnt配体通过触发细胞内信号级联来结合受体细胞表面受体以激活Wnt信号通路[10]。共同受体和配体成功结合的下游效应，启动非经典或经典途径，并且Wnt蛋白及其拮抗剂的表达在严格的时间和空间调节下发生。

细胞内Wnt信号通路分为至少三种主要途径：（1）β连环蛋白依赖性途径（也称为“经典Wnt途径”）；（2）平面细胞极性（PCP）通路；（3）Wnt/Ca 途径[11]。

2.2 经典Wnt信号通路

现在对经典Wnt途径的研究，改进了经典Wnt信号传导如何被调节的模型[12]。19种Wnt蛋白中的至少7种（Wnt 1,2,3a，3b，4,8和10b）可以激活Wnt信号途径，经典Wnt信号传导导致β连环蛋白的积累和易位进入细胞核[13]。β连环蛋白是一种粘附连接相关蛋白，其作用是：使细胞粘附和介导细胞内Wnt信号传导。经典的Wnt途径通过特异性Wnt 配体与LRP-5/6共同受体的结合而被激活[14]。Dickkopf（Dkk）家族是分泌蛋白质，以高亲和力结合LRP5或LRP6，因此可以直接拮抗经典Wnt与LRP5或LRP6结合[15]。Wnt信号级联中的突变导致过度的骨生长或过度的再吸收：共同受体LRP5的功能缺失突变导致以低骨量为特征的综合征，从而易频繁发生骨折[16]。LRP5和β连环蛋白基因表达在骨折愈伤组织中存在的细胞中上调，β连环蛋白也在增殖的骨膜骨祖细胞、软骨细胞以及成骨细胞中表达，这表明经典的Wnt信号通路在软骨内和膜内骨化中均有活性[17]。Wnt、LRP5相互作用调节了骨修复期间生物力学完整性重建，并且经典Wnt途径，特别是LRP5辅助受体是骨折修复的关键组成部分。

2.3 Wnt信号在骨修复及骨重塑平衡中的作用

间充质干细胞是多能祖细胞，具有分化为多种组织类型的潜能，包括骨、软骨、脂肪、肌腱和肌肉[18]。促进MSCs成骨分化的能力可以作为骨缺损区骨形成的有效疗法，MSCs对某一细胞谱系的分化受到一系列生长因子的控制，它可通过分化为成骨细胞以及分泌成骨生长因子和抗炎细胞因子来增强骨再生和重塑[19]。Granero-Moltó[20]等研究表明MSCs通过CXCR4受体向骨折部位迁移，然后通过增加骨痂的软骨和骨含量促进骨折愈合。Wnt信号通路在促进MSCs的成骨分化中具有关键作用，此外，Wnt配体可刺激成骨细胞增殖和成骨细胞的成熟[21]。

Minear等[22]使用小鼠模型证明通过传递含有纯化的Wnt3a蛋白的脂质体囊泡，可通过增强Wnt信号传导促进骨髓间充质干细胞增殖和早期分化而加速的骨折愈合。Ullah等[23]研究证明β连环蛋白可以促进MSCs从成骨细胞前体细胞发育为更成熟的成骨细胞，并且还可以抑制MSCs分化为脂肪和软骨细胞谱系。Kang等研究发现经典Wnt途径还抑制脂肪形成诱导物PPARγ和CCAAT/增强子结合蛋白α的表达，以抑制脂肪形成分化，同时上调成骨调节因子 Runx2，Dlx5和 Osterix[24]。骨形态发生蛋白（BMP），主要是BMP2,6和9，是刺激MSC分化为成骨细胞的有效生长因子[25]。JIANCHENG XI等发现没食子儿茶素3-没食子酸酯可通过Wnt/β连环蛋白信号通路预防小鼠模型继发性骨质疏松[26]。羟基磷灰石涂层中二氧化铈含量的增加可提高细胞活力，并通过Wnt/β连环蛋白信号的上调来更好地保护BMSCs免受H2O2损害，以促进成骨分化；此外，二氧化铈修饰的羟基磷灰石涂层抑制了H2O2导致的BMSC向破骨细胞生成，这通过增加OPG/RANKL的比例来作用，这是由涂层中CeO2的抗氧化性能介导的[27]。Notch途径的激活抑制Wnt/β连环蛋白诱导的成骨分化，在体内和体外实验中过表达Notch与Wnt信号传导降低和成骨细胞生成受损有关[28]。鸭蛋清延生肽VSEE （Val-Ser-Glu-Glu） 可通过调节肠道菌群组成和Wnt/β-catenin信号通路来促进卵巢切除动物模型的骨骼生长并抑制异常脂质代谢[29]。赵芳英等发现Wnt3a是通过激活Wnt/β连环蛋白信号通路调节人BMSCs的成骨分化[30]。越来越多的证据表明miRNA通过骨形态发生蛋白、转化生长因子-β和Wnt信号通路将间充质干细胞向成骨细胞分化和骨形成[31]。Kureel等发现Wnt信号可通过改变MicroRNA（miRNA）诱导成骨分化[32]，许多不同的miRNA分子可以促进或抑制MSC介导的成骨分化。MicroRNA-9-5p在骨质疏松患者的外周血中表达较低，且Mi-croRNA-9-5p通过抑制成骨作用和通过靶向Wnt3a促进成脂来导致骨质疏松的发生和发展[33]；miR-27抑制APC，从而促进经典Wnt信号传导并促进骨形成，miR-335-5p下调Dkk-1，从而促进成骨分化[34]。

3 治疗用途

如果能控制骨骼干细胞自我更新、增殖和分化，将能增加成体骨髓间充质干细胞数量，并在相应的时间诱导其分化，以补充骨骼和软骨组织[35]。Wnt信号通路在骨骼发生中的作用以及Wnt信号传导对干细胞和骨骼细胞的调节功能，是骨修复和维持骨重塑稳态有吸引力的治疗方法[36]。Kim等[37]在骨关节炎的动物模型的骨和软骨中观察到Wnt/β连环蛋白信号异常，这表明β连环蛋白途径可能是骨关节炎的治疗靶标。最近在研究Wnt/β连环蛋白信号传导在骨骼细胞发育和成熟中的作用方面取得了进展，这为开发治疗促进骨折修复的药物提供了新的理论基础。

4 结论和展望

骨修复和重塑期间的Wnt信号传导涉及各种细胞和调节因子之间的相互作用。Wnt信号传导在骨和软骨的胚胎发育过程中起着至关重要作用，并且在成人骨骼中，调节骨稳态、修复和重塑；Wnt途径影响干细胞增殖、分化等。但到目前为止，Wnt和Wnt拮抗剂在骨骼生理学和骨修复、骨重塑方面的作用仍有待完全阐明。进一步研究可能会发现还有其他分子，能够增强Wnt信号通路传导，以增强骨修复和骨重塑作用。