PPARγ 介导的信号通路在骨质疏松症中作用的研究进展

李立，赵泽玉，杨荣，赵刚

（昆明医科大学第二附属医院创伤外科，云南 昆明）

0 引言

骨质疏松症（ osteoporosis，OP）是一种以骨量低，骨组织微结构损坏，导致骨脆性增加，易发生骨折为特征，并严重威胁中老年人健康的全身性骨病。世界卫生组织将其与糖尿病、心血管病共同列为影响中老年人身体健康的三大杀手之一。由于易发生骨折使患者致畸、致残、甚至死亡，已严重影响了广大中老年女性生理健康及生活质量。根据2018 年《中国老年骨质疏松诊疗指南》，将骨质疏松症分为了原发性和继发性两大类[1]。本文主要针对原发性骨质疏松展开。

1 骨重塑生理过程

骨重塑是一个周期性的骨代谢过程，其发生在基本多细胞单位的微环境里[2]。在人的整个生命过程中，激素信号，免疫变化，氧化状态和骨细胞对机械负荷的反应性改变，或独立作用，或联合起作用，调控着骨组织不断地进行重塑[3]。骨重塑以骨溶解和骨吸收为开端，以骨形成为结束，是骨骼局部旧骨代之以形成新骨的过程，是成熟骨组织的一种重要替换机制。破骨细胞是影响骨吸收的主要细胞；成骨细胞是促进骨形成的细胞，能特异性分泌多种生物活性物质，调节并影响骨的形成和重建过程。骨吸收速率与骨形成速率构成骨转换率[4]。骨质疏松是由于骨形成和骨吸收代谢紊乱所致。骨质疏松的发生和发展与间充质干细胞（mesenchymal stem cells， MSCs）向成骨细胞、破骨细胞、脂肪细胞等分化障碍密切相关，现代研究表明，在MSCs 成骨分化及骨代谢过程中存在包括但不限于RANKL /RANK/OPG 信号通路、过氧化物酶增殖物激活受体（Peroxisome proliferator-activated receptors γ， PPARγ）信号通路、Wnt /β-catenin 信号通路、PTH 信号通路等，各个通路间还存在交叉影响[5]。其中PPARγ 信号通路对调节MSCs 成骨分化作用尤为关键，该信号通路调节紊乱将导致MSCs 成骨分化障碍，从而导致OP。

2 PPARγ 介导的信号通路在骨质疏松症中作用

2.1 间充质干细胞成骨分化障碍与OP 的发生密切相关

在人体的骨骼中成骨细胞、骨细胞和破骨细胞三种主要类型的细胞共同参与了人体骨形成与吸收的相互平衡。成骨细胞由间充质干细胞（mesenchymal stem cells， MSCs）分化而来，这一过程需要经历多个阶段的转化，并受到雌激素、细胞因子和基因表达等多方面的调控。骨髓原始间充质干细胞是骨髓基质干细胞，是在哺乳动物的骨髓基质中发现的一种具有分化形成骨、软骨、脂肪等细胞的多种分化潜能的干细胞。在骨骼发育的过程中一部分成骨细胞经过剧烈的形态转化后分化成为骨细胞并埋于骨矿化的基质中[6]。MSCs 数量的减少及向成骨细胞分化障碍直接导致了骨形成的减少，打破平衡关系诱发了OP 的形成。因此MSCs 成骨分化障碍是OP 形成的关键性因素之一。

MSCs 是一种存在骨髓中的成体细胞，能够在体内和体外诱导分化为骨、软骨、肌肉、神经等组织，可自体移植，无致肿瘤性、免疫排斥，且骨髓MSCs 的来源广泛，其在出生后保持多谱系分化和自我更新的能力[7]。MSCs 在体外分离和扩增的特征容易使其成为再生医学中有前途的治疗方式，同时也成为研究成骨分化机制的最佳选择。

在卵巢切除的OP 动物模型和人类衰老引发的老年性OP 中，研究者均观察到了骨密度的降低同时伴随着骨髓脂肪化[8]。目前对于这种病理变化，更多学者的观点认为是MSCs 成骨分化能力降低，同时MSCs 分化为脂肪细胞的能力增加[9]。这一观察结果可能表明成骨细胞和脂肪细胞的分化途径是共同调节的，并且这两个谱系在分化过程中可能存在相互影响[10]。也有研究指出MSCs 向成骨细胞分化受到多种信号的调节，而信号转导的失活更有助于MSCs 向脂肪细胞分化[11]。脂肪细胞和成骨细胞均具有共同的间充质祖先，过度的脂肪生成和骨骼自我更新之间是否存在反比关系？MSCs 过度的脂肪分化是否是原发性OP 发病机制之一？在MSCs 分化调节中成脂与成骨之间平衡的分子机制尚不十分明确，仍需进一步研究。

2.2 核因子信号途径在MSCs 成骨分化中的作用

目前的研究认为，MSCs 的分化是一种多机制调节的共同结果。MSCs 成骨分化过程中通过对多种细胞因子、酶活性的激活或抑制以及上调或下调受体配体的表达等调控多条信号通 路，如Wnt/β-catenin[12]BMPs 及TGF-β[8；13]，核 因 子NFκB[14]和microRNAs[15]参与的等众多信号通路最终影响核内基因表达。Wnt 信号传导是控制MSCs 成骨分化的关键性途径[16]。Huh[10]等认为Wnt 信号在MSCs 中进一步激活并促进向成骨细胞方向分化，该途径能够控制骨形成和脂肪形成之间的平衡。赵芳英等[17]研究发现Wnt 能够通过激活Wnt/β-catenin信号通路，提高RUNX2、β-catenin 及BSPmRNA 和蛋白的表达水平以达到调控人MSCs 成骨分化。非经典途径Wnt5a 可以增强Wnt/β-联蛋白信号传导，促进成骨细胞发生[18]。BMPs 主要通过Smad 途径引发细胞反应，具有丝氨酸/苏氨酸激酶活性的I 型、II 型受体和细胞内Smad 蛋白将信号从细胞表面传递至细胞核并诱导MSCs 成骨[19]。microRNAs 作为非编码小分子物质在成骨分化的各信号转导上起到了转录调节因子的作用[15]。

2.3 PPARγ 信号通路介导BMSCs 向脂肪细胞分化

过氧化物酶增殖物激活受体（Peroxisome proliferator-activated receptors， PPARs）是核激素受体家族中的配体激活受体，其三个主要亚型分别是PPARα、PPARβ/δ、PPARγ，由于其基因编码、分布位置、功能以及配体不同而具有不同的特性[20]。MSCs 分化为脂肪细胞是一个复杂的过程，涉及诱导基因表达并产生脂肪细胞发育的转录因子[21]。PPARγ 在脂肪细胞中表达最高，并且在MSCs 协调成脂分化和成骨分化中起到了关键的作用[22]。

目前的研究发现MSCs 在分化为脂肪细胞前，首先分化为前脂肪细胞，并与祖细胞表现出相似的形态，而不能再次转化为成骨细胞或软骨细胞[23]。Titorencu 等[24]的研究证实了缺乏PPARγ的细胞不能促进脂肪形成信号传导，将导致进一步发生脂肪营养不良。Cao 等[25]发现在MSCs 中表达的PPARγ 是脂肪细胞分化的主要转录因子，并且是MSCs 分化为成骨细胞或脂肪细胞的双转换必不可少的转录调节因子。Wang 等[26]的研究表明PPARγ 上调可以促进脂肪分化，同时抑制软骨和成骨细胞的生成。当PPARγ 的表达减少时，可以抑制脂肪细胞分化，并且增强成骨细胞分化并在空间和时间上控制MSCs 向软骨细胞分化的过程[27]。这些研究结果均强调了PPARγ 在调节MSCs 多向分化潜能中的重要性。PPARγ 的表达与OP 的发病相关性因素，如性激素水平降低、氧化应激升高、成骨细胞系细胞衰老等，存在直接或间接的联系。雌激素作为一种保护性激素通过广谱分子机制影响了PPARγ 的表达，减少过多的脂肪生成[28]。一些抗氧化剂（如褪黑素）在MSCs 中通过减少活性氧含量并使 ERK / GSK-3β 位点磷酸化，进一步阻断了PPARγ 的活化[29]。而相比幼年大鼠的MSCs，老年大鼠MSCs 表现出了更低的成骨能力和更高的PPARγ表达情况，表明了衰老引起的成骨和脂肪生成之间的不平衡可能是降低成骨细胞数量的因素之一[30]。

而且，现有的更多证据指出了PPARγ 激动剂存在潜在的引发骨质流失和骨折风险增加的风险。噻唑烷二酮（thiazolidinediones，TZDs）是PPAR 的合成配体，作为PPARγ 激动剂和胰岛素增敏剂广泛应用于糖尿病的临床治疗[31,32]。TZDs 对PPARγ 的激活以促进脂肪生成而减少成骨细胞形成为代价，导致了对骨骼的相关副作用[33]。Yau 等[34]发现在2 型糖尿病患者中接受6 个月的TZDs治疗可降低MSCs 对成骨细胞生成的作用，并刺激脂肪形成和脂肪细胞前体的形成。TZDs 的使用还会进一步导致老年女性进行性骨质流失和循环骨形成标志物水平降低[35]。在间充质细胞系中，TZDs 激活PPARγ 从而促进脂肪细胞分化和抑制成骨细胞形成，并进一步造成了骨形成减少和骨吸收增加的发生[36]。T0070907是一种使用最广泛的PPARγ 选择性抑制剂，相关文献报道当其浓度在10µM 时能够有效抑制 MSCs 的成脂分化[11,37]，同时通过上调碱性磷酸酶活性促进骨膜来源细胞的成骨细胞分化[38,39]。然而T0070907 在OP 的治疗作用尚未见报道。

3 通过调节PPARγ 信号通路治疗骨质疏松

通过调节PPARγ 信号通路，调节骨量代谢，从而治疗骨质疏松，是一种潜在的有效方式。一项研究发现，当将白藜芦醇添加到成骨培养基中时，Runx2 表达和基质矿化增加，从而促进成骨，白藜芦醇还可抑制PPARγ 基因的表达，进而抑制CyclinD1 基因的表达，细胞周期停留在G1 期，脂肪细胞的增殖受到抑制[40]，PPARγ的拮抗剂双酚A 二缩水甘油醚（BADGE）在体外和体内均可抑制脂肪形成，使用其治疗可导致骨髓脂肪形成减少，并伴随成骨细胞生成增加，此外，BADGE 治疗可改善类固醇相关性骨坏死的骨形成，并减少骨髓脂肪沉积[41]。Staines K 等认为PPARγ 是骨骼间充质细胞谱系分配的调节剂（即成骨细胞对脂肪细胞），且PPARγ拮抗剂剂量依赖性地上骨调矿化作用，从而促进成骨[42]。Smith B J 等发现PPARγ 表达下降与Phex 表达增加同时发生，这一事实支持酸樱桃可通过增强类骨质矿化来增加骨量[3]。T007 是一种PPAARγ 拮抗剂，Xiang Li 等通过切除卵巢小鼠模型发现，它可抑制PPARγ 活化，促进成骨细胞分化为骨细胞，并抑制RANKL 诱导的破骨细胞生成，并通过增加Runx2 表达促进BMSCs 生长，从而增加骨骼形成[43]。

4 总结与展望

骨质疏松症是一种常见的、多发的并且严重危害中老年人的一种骨病，随着对此疾病的研究和认识的深入，已经到达了分子水平，RANKL /RANK/OPG 信号通路、PPARγ 信号通路、Wnt /β-catenin 信号通路、PTH 信号通路等，或单独或共同调节骨质代谢，维持了骨质和骨量的动态稳定。Wnt 信号通路被认为是调节BMSCs 向成骨细胞分化的关键信号途径，而PPARγ 信号途径则被认为是调节BMSCs 向脂肪细胞分化的关键信号途径。可以从分子水平认识骨质疏松发生发展的机制，为治疗骨质疏松提供重要的理论依据。