成骨细胞调节破骨细胞功能的机制及途径研究进展

王瑞，杨谛

1中国医科大学口腔医学院附属口腔医院，辽宁沈阳 110002；2辽宁省口腔疾病重点实验室；3中国医科大学口腔医学院中心实验室

骨组织在微观结构上由骨细胞、胶原纤维和骨基质组成，其作用是为人体提供机械支持、物理保护及为全身矿物稳态提供储存场所等。骨在人的一生中都进行着重塑及修复过程，主要包括三个阶段：破骨细胞激活并介导骨吸收、破骨细胞功能抑制和成骨细胞激活、骨形成[1]。骨组织中细胞主要是成骨细胞及破骨细胞等。成骨细胞主要负责骨形成，还能合成M-CSF、MCP-1、RANKL等细胞因子调节破骨细胞功能[2]，破骨细胞则介导骨吸收，两者间的作用是骨重塑及骨修复的关键。由于破骨细胞是人体内惟一介导骨吸收的细胞[3]。因此，成骨细胞调节破骨细胞生成及功能可能成为治疗骨相关疾病新的方向。成骨细胞主要调节破骨细胞在骨面的附着、分化、凋亡及在骨重塑逆转阶段，抑制破骨细胞骨吸收等[4]。成骨细胞调节破骨细胞的途径包括旁分泌途径、近分泌途径及旁分泌、近分泌两途径协同[2]。现就成骨细胞调节破骨细胞的机制及途径研究进展情况综述如下。

1 成骨细胞调节破骨细胞功能的机制

Rodan和Martin在1981年首次提出成骨细胞参与破骨细胞骨吸收功能调节的理论[4]。成骨细胞可以调节破骨细胞在骨表面的附着、分化和凋亡，还可以抑制骨重塑逆转阶段破骨细胞骨吸收。

1.1 成骨细胞调节破骨细胞在骨表面的附着 成熟的骨质表面被覆一层扁平的成骨细胞—骨衬里细胞。研究表明，骨衬里细胞(成骨细胞的亚群)与附着在骨上的破骨细胞密切接触[5]。如果将破骨细胞与被覆有骨衬里细胞的骨组织相接触，不能发生骨吸收现象。破骨细胞生成启动主要取决于覆盖在骨表面的成骨细胞受到骨代谢调节因子的作用，胞体变圆，从矿化的骨表面移开，同时分泌蛋白酶，消化骨表面的类骨质，暴露矿化的骨面，为破骨细胞的附着提供条件[3,5]。在成骨细胞合成的非胶原蛋白中，骨唾酸蛋白及骨桥蛋白等物质含有Ary-Gly-Asp氨基酸序列，该序列可与破骨细胞膜上的整合素结合，从而提供破骨细胞与骨基质附着的位置。

1.2 成骨细胞调节破骨细胞分化 Everts等发现，骨衬里细胞(成骨细胞的亚群)与附着在骨上的破骨细胞密切接触。破骨细胞生成的启动主要取决于这两个细胞之间的相互作用[5]。成骨细胞能够分泌巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF),可与破骨细胞表达的c-FMS受体结合，进而促进破骨细胞的分化[2]。成骨细胞还能够产生单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)，可与破骨细胞前体细胞表达的受体结合，进而促进破骨细胞分化[2]。成骨细胞分泌的基质细胞衍生因子(SDF-1，也称为CXCL12)也是破骨细胞前体候选招募者[2]。

研究发现，OPG/RANKL在破骨细胞形成中起着关键作用。RANKL被称为破骨细胞分化因子，可由成骨细胞分泌,并且成骨细胞的外泌体内也检测到RANKL[6]。RANK是TNF受体超家族的Ⅰ型跨膜蛋白成员，在破骨细胞祖细胞膜上高表达，RANK与RANKL结合后，激活TNF受体相关因子家族。RANK/TRAF通过JNK/AP-1、κK/NF-κB、c-myc和钙调神经磷酸酶/NFATC1信号通路调节破骨细胞的分化。成骨细胞也可以产生骨保护素(OPG),与RANK结合，抑制破骨细胞分化。成骨细胞还能够表达NFATC1,其是破骨细胞分化及发挥功能过程中重要的转录因子[7]。有研究表明，富含亮氨酸的G蛋白偶联受体4(LGR4，又称GPR 48)也是RANKL受体，成骨细胞表达RANKL后，RANKL可与LGR4结合，进而调节破骨细胞分化[8]。在承受疲劳负荷的骨骼中，凋亡细胞附近的活骨细胞除了高RANKL/OPG比外，还表达增加的血管内皮生长因子和单核细胞趋化蛋白1，从而促进局部破骨细胞增多[2]。成骨细胞还表达另一种转录因子，早期B细胞因子2，与β-catenin-TCF/LEF协同结合并激活OPG启动子，进而抑制破骨细胞分化。近年来，还发现成骨细胞还可通过EphB4抑制破骨细胞的分化[9]。HAYASHI等发现，成骨细胞分泌的Sema3A呈剂量依赖性的抑制破骨细胞生成[10]。SIMS等发现，溶血磷脂酸(LPA)可由成骨细胞产生，其可以调节破骨细胞中钙的信号传导，并诱导NFATc1的核积累[11]，而这个信号通路是破骨细胞生成的重要信号通路。目前还发现，分化的成骨细胞的Wnt信号诱导RANKL受体骨保护蛋白的表达，抑制破骨细胞分化[12]。研究表明，成骨细胞分泌Galectin-3可通过干扰RANKL信号通路抑制破骨细胞分化[13]。文献证实，成骨细胞表达游离脂肪酸受体4(FFAR4)，FFAR4通过抑制NK-κβ，从而抑制破骨细胞分化[14]。成骨细胞特定的Notch1缺失导致OPG生成减少，从而导致破骨细胞数量增加[15]。实验证实，神经调节素(NMB)可由成骨细胞产生[16]，沉默破骨细胞神经调节素受体(NMBR)可抑制破骨细胞分化。有研究表明，IDH2缺乏症通过限制成骨细胞中RANKL的表达来增加骨质，减少破骨细胞生成[17]。

1.3 成骨细胞诱导破骨细胞凋亡 KRUM等发现，雌激素通过上调成骨细胞FasL的表达而诱导前破骨细胞凋亡[18]，他莫昔芬和雷洛昔芬也通过相同的成骨细胞依赖性机制诱导前破骨细胞凋亡。GARCIA等认为，17b-雌二醇通过使成骨细胞表达的FasL裂解和溶解，介导破骨细胞凋亡[19]。Wang等发现，成骨细胞通过FAS配体(FASL)/FAS信号传导诱导破骨细胞凋亡[2]，成骨细胞中条件性敲除FasL可导致破骨细胞数量、活性增加。研究表明，NMB可由成骨细胞产生，沉默NMBR可促进破骨细胞凋亡[16]。成骨细胞还可以产生FFAR4(GPR120),诱导破骨细胞凋亡[20]。

1.4 成骨细胞抑制破骨细胞骨吸收 在骨重塑逆转阶段，当成熟破骨细胞不与成骨细胞接触时，破骨细胞介导骨吸收。但当破骨细胞与成骨细胞接触时，骨吸收会被抑制[21]。

2 成骨细胞调节破骨细胞功能的途径

成骨细胞调节破骨细胞功能的具体途径主要包括旁分泌途径、近分泌途径以及旁分泌、近分泌两途径协同作用。

2.1 旁分泌途径 主要为成骨细胞分泌一些细胞因子对破骨细胞进行间接的调节作用。

2.1.1 细胞产生细胞因子等作用于破骨细胞 外泌体是承载细胞因子的主要介质之一。成骨细胞能够通过分泌核因子κB受体活化因子配体(RANKL)来调控破骨细胞的分化和功能。RANKL是肿瘤坏死因子家族的成员之一，可由跨膜蛋白的形式存在于成骨细胞，也可以可溶性的形式(sRANKL)由成骨细胞分泌至胞外，与破骨细胞表面受体RANK相结合，启动其下游信号，促进破骨生成。RANKL/RANK及sRANKL/RANK激活活化NFATc1，促进NFATc1去磷酸化及核内转移，调节其下游破骨细胞特有基因cathepsin K、破骨细胞相关受体、抗酒石酸酸性磷酸酶表达，从而调节破骨细胞分化，也可以调节破骨细胞的凋亡[7]。成骨细胞还产生骨保护素(OPG)，作为RANKL的诱饵受体，阻止RANKL结合到RANK，从而抑制破骨细胞分化。RANKL与OPG的比例关系是成骨细胞影响破骨细胞形成、调控其及活性、调节骨重塑过程重要因素，其可作为评估骨改建过程处于不同阶段或状态的指标。单核细胞趋化因子1(MCP-1)是骨改建过程中成骨细胞对破骨细胞形成、活性调节起重要调控作用的细胞因子之一。由成骨细胞分泌的MCP-1等趋化因子可刺激破骨细胞前体的迁移及募集，调节破骨细胞分化。成骨细胞也产生LPA，LPA通过作用于成熟破骨细胞的多个受体亚型诱导细胞收缩和提升细胞胞质中Ca2+浓度，激活转录因子NFATc1，进而促进破骨细胞分化。LPA还促进破骨细胞融合，导致形成较大的细胞[12]；M-CSF也是成骨细胞调节破骨细胞重要的细胞因子。孙俊认为，高糖环境下成骨细胞通过MCP-1/c-fos/NFATC1通路促进破骨细胞分化[22]。研究表明，NO是成骨细胞与破骨细胞间重要的偶联因子，细胞因子作用于成骨细胞，刺激成骨细胞可以产生NO，进而抑制破骨细胞分化，及促进破骨祖细胞的凋亡[23]。成骨细胞在骨组织中产生Lm-332，在通过抑制破骨细胞形成来控制正常骨重塑中起关键作用[24]。

2.1.2 破骨细胞骨吸收释放基质中细胞因子 成骨细胞的主要生物学功能是分泌和形成骨基质，在发挥基础功能的同时，成骨细胞还会分泌一些细胞因子，包埋在骨基质中，在发生生理及病理性的骨吸收过程时，包埋在骨基质中的细胞因子，会被释放出来，进一步调节骨代谢过程，这包括调节成骨细胞的分化和功能，也能间接调节破骨细胞的分化和功能[25]。

2.2 近分泌途径 主要包括细胞直接接触、细胞间缝隙连接。

2.2.1 直接接触 成骨细胞膜表面与破骨细胞膜表面配体和受体相结合，启动破骨细胞内信号转导，进而调节破骨细胞的分化。EphB4受体和其配体ephrinB2是细胞之间近分泌调控的重要位点，二者均为跨膜蛋白，通过酪氨酸残基的磷酸化，介导双向的信号传递。EphB4表达在成骨细胞膜上，其配体ephrinB2可同时表达于成骨细胞和破骨细胞膜上。成骨细胞和破骨细胞相接触后，正向信号传递为ephrinB2-EphB4，EphB4调控下游的Osx及RunX2来促进成骨细胞分化，负向信号传递为EphB4-ephrinB2，ephrinb2抑制c-Fos和NFATC1介导的转录级联反应来抑制破骨细胞的分化[9]。激活EphB4/ephrinb2介导的双向信号转导可通过调控成、破骨细胞的功能，从而维持骨组织稳态。经由EphB4/ephrin b2介导的双向信号转导系统，调控骨改建中骨吸收向骨生成的转化不受RANKL、CSF-1及OPG等因子的调控。Ephrinb2介导的双向信号转导，也可通过与其他信号传导系统的相互协调发挥作用。

2.2.2 缝隙连接 缝隙连接是由连接蛋白(CX)组成的，是相邻细胞之间的通道结构，通道内可以通过钙离子、激素、氨基酸、IP3及环磷酸腺苷等一些小分子物质，从而实现细胞间通讯的功能。透射电子显微镜照片显示成熟破骨细胞和成骨细胞之间存在缝隙连接[2,26]。研究表明，成骨细胞与破骨细胞之间存在缝隙连接，且染料的扩散被缝隙连接的抑制剂辛醇抑制[27]。也有研究表明，骨衬里细胞(成骨细胞的亚群)与附着在骨上的破骨细胞密切接触，两者之间相互作用，最终促进破骨细胞分化[5]。CX43、CX37已被证明在成骨细胞及破骨细胞中表达[28]；此外通过使用油酸酰胺预处理抑制缝隙连接介导的细胞间通讯，能够降低破骨细胞的骨吸收活性，ILVERSARO等也证实，抑制缝隙连接将会导致破骨细胞的凋亡变化[29]。

2.3 旁分泌与近分泌协同作用 有研究表明，当成骨细胞表达EphB4下降时，RANKL的表达反而升高。EphB4与其他所有的酪氨酸激酶受体一样，是一种跨膜蛋白，其胞外区域与ephrinB2相结合，胞质区部分含有高度保守具有催化蛋白底物酪氨酸磷酸化的激酶区。DOKs是存在于胞质中与酪氨酸激酶相关的信号分子，可以作为Eph的底物而被磷酸化[30]。DOK3是DOK家族中的一员，与骨组织发育密切相关。来源于DOK3敲除鼠的成骨细胞表达RANKL下降，DOK3-/-成骨细胞与破骨细胞前体共培养后，破骨生成能力下降[31]。DOK3作为衔接蛋白，与5′肌醇特异性脂质磷酸酶-SHIP1形成复合物，抑制JNK通路的激活[32]。在成骨细胞中，RANKL的表达受到JNK通路的正向调控[32]。

综上所述，成骨细胞可以调节破骨细胞在骨表面的附着、调节破骨细胞分化，调节破骨细胞的凋亡及骨重塑逆转阶段抑制破骨细胞骨吸收，主要通过旁分泌、近分泌及旁分泌、近分泌协同作用等途径发挥作用，这种调节在骨重塑及骨修复的过程中发挥着至关重要的作用。现有特殊的基因给药方法可以实现特异性靶向骨表面，从而准确使成骨细胞细胞因子或者具有重要作用的蛋白稳定的表达，从而实现治疗作用，是一种具有前景的方法[33]。虽然这种治疗方法仍有一些不良反应未明，仍需大型动物相关实验检验不良反应，但其优势也是极其明显的，临床前景广阔，具有较强探索及研究价值。相信未来，基因疗法的攻克，就可以通过调节成骨细胞内细胞因子的表达，从而调节破骨细胞生成及功能，最终实现骨重塑和骨重建。