胆固醇对骨代谢影响的研究进展

徐晓丽 孙迎 丁燕 孟碧莹 向光大*

1. 南方医科大学第一临床医学院，广东 广州 510515

2. 中国人民解放军中部战区总医院内分泌科，湖北 武汉 430070

3. 武汉科技大学，湖北 武汉 430081

随着人类社会的发展、生活方式的转变，人们普遍出现脂肪摄入增加、体力劳动减少、运动量下降，导致许多健康问题。血脂异常、高胆固醇血症和胰岛素抵抗综合征等代谢性疾病的患病率逐年攀升。高胆固醇血症会损害骨骼健康[1]，胆固醇及其代谢产物通过调节成骨细胞和破骨细胞的分化和活化来影响骨代谢的动态平衡。本文将主要通过介绍骨代谢及胆固醇生理病理、胆固醇对骨代谢成骨及破骨的影响和目前降胆固醇药物对骨代谢的作用等几个方面展开综述。

1 骨代谢概述

骨代谢是骨形成和骨吸收连续循环的动态平衡过程，主要通过成骨细胞、破骨细胞、成熟骨细胞三种细胞类型维持[2-4]。在机体的生命活动中，骨不断地进行重塑，在这个过程中，旧骨被破骨细胞吸收移除，破骨细胞释放H+离子溶解骨水泥，分泌多种蛋白水解酶溶解骨基质，接着由成骨细胞合成分泌类骨质和非胶原蛋白进行重建，成骨细胞被合并到新形成的类骨质中，最终成为嵌入钙化骨中的成熟骨细胞[5-7]。

成骨细胞由骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs)分化而来，主要通过BMP/Smads、Wnt/β-catenin等信号通路促进成骨细胞的成骨作用，Runt 相关转录因子2(runt-related transcription factor 2,Runx 2)、骨钙素(osteocalcin，OCN)、Osterix等是成骨分化的特异性转录因子[8-9]。破骨细胞来源于骨髓多核巨噬细胞(bone marrow macrophages, BMMs)，骨保护素(osteoprotegerin, OPG)、核因子κB 受体活化因子(receptor activator of nuclear factor -kappa B, RANK) 和核因子κB 受体活化因子配体 (receptor activator of nuclear factor -kappa B ligand, RANKL)共同调节破骨细胞功能。RANKL与其受体RANK结合可以促进破骨细胞的生成和分化，而由成骨细胞分泌的OPG作为一种旁分泌抑制剂，可与RANKL竞争性结合RANK抑制破骨活动。通过OPG/RANK/RANKL调节轴激活下游NF-κB、MAPK、mTOR等主要信号通路，破骨分化的特异性转录因子包括抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatase, TRACP)、组织蛋白酶K(cathepsin K)、降钙素受体等[10-12]。

甲状旁腺素(PTH)、钙三醇、降钙素、雌激素等激素及其他细胞因子共同调节骨代谢平衡[12-13]。当骨形成和骨吸收的动态平衡被破坏时，就会引起骨代谢紊乱，进而引起一系列骨代谢相关疾病，如骨形成大于骨吸收引起骨硬化疾病，骨吸收大于骨形成引起骨量丢失导致骨质疏松症、关节病、骨软骨化等疾病[14]。

2 胆固醇与相关代谢性疾病的联系

胆固醇是构成细胞膜的重要成分，有助于胆汁酸和类固醇激素的合成。胆固醇主要通过脂蛋白在循环中运输，正常水平的胆固醇浓度是人体所必须的，但当胆固醇循环浓度过高时就会成为潜在的危险因素[15]。

胆固醇与糖尿病、心血管疾病之间关系密切。Tajima等[16]的Meta分析表明，高胆固醇摄入(273～501.2 mg/d)与低胆固醇摄入(124.9～185 mg/d)相比，其患2型糖尿病的风险升高。胆固醇代谢紊乱进一步可使胰岛β细胞功能受损导致糖尿病[17]。目前研究已经证实胆固醇是心血管疾病的独立危险因素。杨菊容[18]通过冠心病患者与健康对照人群的血脂检测对比发现，冠心病患者高密度脂蛋白胆固醇(high density lipoprotein cholesterol, HLD-C)水平显著低于对照组，而脂蛋白A1、脂蛋白B和低密度质蛋白胆固醇(low density lipoprotein cholesterol, LDL-C)水平均显著高于对照组。Duran等[19]在对27 552名参与者进行12年的队列研究发现，LDL-C是心脑血管疾病发生发展的独立危险因素，并且与健康对照人群相比，高水平的残余胆固醇使心脑血管疾病发生的风险增加2倍，同时使冠心病心肌梗死发生的风险增加3倍，使外周动脉疾病发生的风险增加2.5倍。值得注意的是，大量流行病学研究[20-21]表明心血管疾病与骨质疏松症之间的风险呈正相关关系。荟萃分析[22]也显示，与没有患糖尿病的人群相比，糖尿病患者的骨转换减少。这提示胆固醇与骨代谢呈直接或间接相关，胆固醇对骨代谢的影响也成为研究人员感兴趣的领域之一。

研究[23-24]表明高血清总胆固醇(total cholesterol, TC)和高血清LDL-C与低骨密度之间存在正相关关系。以往认为HDL-C是有益胆固醇，因为它与降低心血管疾病的风险有关[25]。在骨代谢活动中，De Pergola等[26]的研究发现血清HDL-C水平与成骨标志物OCN呈正相关关系，提示血清HDL-C可能也对骨代谢有益。然而，Li等[27]对790名中国绝经后女性调查后发现，血清HDL-C水平>1.55 mmol/L比HDL-C水平≤1.54 mmol/L的人群发生骨质疏松症的风险更大。Jiang等[28]通过对来自中国5个医疗中心的14 147名参与者进一步调查分析发现，男性及绝经后女性的HDL-C水平越高，骨量越小，患骨质疏松症的风险也越高，同样也表明HDL-C与低骨密度呈正相关关系，是骨质疏松症及骨量减少的独立危险因素。胆固醇特别是胆固醇及其载脂蛋白种类与骨代谢之间的关系并未完全揭示。

3 胆固醇对骨形成的作用

胆固醇和骨形成(成骨细胞分化和活化)之间的关系复杂，目前主要是通过细胞、动物模型来评估血清胆固醇、细胞胆固醇及胆固醇脂蛋白对成骨细胞增殖和分化的影响。Parhami等[29]的研究发现内源性胆固醇促进成骨细胞分化，胆固醇通过靶向抑制3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A (HMG-CoA，胆固醇生物合成的限速酶)还原酶生物合成途径，在不改变Runx 2、Col1a 1和Bgalp表达的情况下，降低成骨基因碱性磷酸酶(ALP)的活性和表达，减少骨矿化。Li等[30]也发现BMSCs经胆固醇干预后其成骨标志物增加，并且有更多的矿化结节形成。Sheng等[31]进一步发现胆固醇可以通过与Wnt信号通路膜受体的蓬乱蛋白(Dvl)结合选择性地激活经典Wnt信号通路而不是非经典Wnt信号通路促进成骨活动。然而，You等[32]的研究结果与前述相反，他们发现实验大鼠在胆固醇饮食下成骨的TGF-β/BMP2和Wnt信号通路受到抑制，胆固醇对小鼠前成骨细胞(MC3T3-E1细胞)增殖和分化的抑制作用呈剂量依赖性，胆固醇干预降低了成骨基因如ALP、Col1a 1、BMP 2和Runx 2的表达。最近的一项研究似乎对这一相反的结论提供了新见解，Li等[33]发现胆固醇对成骨分化有双重作用，外源性胆固醇抑制成骨细胞分化，生理水平的内源性胆固醇是BMSCs成骨分化的必要条件。这些发现提示，胆固醇对成骨活动的不同作用可能取决于细胞的种类，胆固醇类型和胆固醇浓度。Tsushima等[34]利用ScapF/F;Prx1-Cre(颅后体细胞侧板中胚层细胞特异性敲除胆固醇生物合成调节元件Scap)和ScapF/F;Col2a1-Cre(软骨细胞特异性敲除Scap)条件性基因敲除小鼠模型发现小鼠软骨发育不全，生长板紊乱，导致四肢短小；通过敲除Insig1/2(减弱胆固醇生物合成的调节元件)构建的Insig1F/F;Insig2-/-;Prx1-Cre 或Insig1F/F;Insig2-/-;Col2a1-Cre小鼠虽然细胞内胆固醇升高，但生长板区域和软骨形成的缺陷，也导致四肢短小，提示胆固醇及其代谢产物是骨代谢的重要影响因子。这些胆固醇对动物及细胞干预的结果表明胆固醇生物合成途径的产物对于BMSCs向成骨分化和形成矿化基质是必须的，但胆固醇浓度过高或过低将会抑制成骨活动，并破坏骨代谢动态平衡。

载脂蛋白A-I (apolipoprotein A-I, ApoA-I)是HDL-C的主要脂蛋白成分，Blair等[35]发现与野生型小鼠相比，在相同的分化条件下，ApoA-1基因敲除小鼠的BMSCs分化表现为成骨细胞减少，而脂肪细胞增加，这表明ApoA-1是正常骨细胞分化所必需的，至少在一定程度上平衡BMSCs成骨和成脂分化。载脂蛋白D(apolipoprotein D, ApoD)也参与HDL-C的转运，Martineau等[36]发现ApoD缺乏与老年雌性小鼠高骨周转率、低骨量和成骨功能受损有关。载脂蛋白B-100 (apolipoprotein B-100, Apo- B-100)是LDL-C的特征性脂蛋白，临床研究发现携带家族性缺陷Apo- B-100的受试者股骨颈、腰椎和全身的骨密度显著低于非携带者[37]。这些结果提示不同胆固醇脂蛋白颗粒参与胆固醇转运途径不同，对骨代谢成骨分化也有不同程度的影响。

4 胆固醇对骨吸收的作用

胆固醇对骨吸收(破骨细胞分化及活化)作用也与胆固醇种类有关。Luegmayr等[38]发现，体外破骨细胞的形成高度依赖于外源性LDL-C，缺乏低密度脂蛋白受体(LDLr)会破坏破骨细胞的形成，减少细胞融合，并通过影响Akt, mTOR /S6 通路改变破骨细胞功能。与LDL-C作用相反， HDL-C诱导破骨细胞凋亡。Huang等[39]发现HDL3(HDL的一个亚型)上调了ABCG1(ATP结合盒转运子A)的表达，促进了破骨细胞的胆固醇外排，破坏了破骨细胞的胆固醇稳态，从而增加了破骨细胞的凋亡。饮食引起的小鼠高胆固醇血症使其破骨细胞生成增加，导致骨密度、骨体积分数和骨小梁数目下降，并使骨小梁间距增加[40]。Zheng等[41]进一步发现通过抑制胆固醇合成的关键转录因子SREBP2(甾醇调节元件结合蛋白2)，可以抑制RANKL介导的破骨细胞分化来保护骨量。在大鼠模型中，高胆固醇饮食增加了血清过氧化反应(HEL)水平，维生素C可通过降低高胆固醇饮食大鼠血清脂质过氧化作用，抑制破骨细胞分化，并降低RANKL和NF-κB在牙槽骨表面的表达[42]。说明胆固醇可以促进破骨细胞骨吸收，且主要是由LDL-C介导。

另外，也有相关载脂蛋白对破骨细胞影响的研究。ApoA 在体外实验中虽然促进BMSCs向成骨分化，但对破骨分化无明显影响[35]。目前研究较多的是载脂蛋白E (apolipoprotein E, ApoE)，ApoE参与不同密度胆固醇的转运，可以通过NF-κB通路抑制RANKL诱导的破骨分化，降低破骨特异性基因c-Fos、Nfatc1的转录，但不影响RANKL诱导的对ERK、JNK和p38 MAPK信号通路的激活[43]。ApoE缺乏使血浆氧化低密度脂蛋白(OxLDL)升高，LDL-C升高，HDL-C下降，并且ApoE基因敲除鼠的破骨基因TLR2、 TLR4及 RANKL转录表达较野生对照鼠增多[44]。Huan等[45]的研究也表明循环ApoE浓度随年龄的增长而降，ApoE干预可以促进骨折愈合。以上结果说明ApoE能抑制骨吸收，可能是骨保护性载脂蛋白因子。

5 降胆固醇药物对骨代谢影响

他汀类药物是临床常用的降脂药，可以竞争性地抑制HMG-CoA还原酶活性从而降低胆固醇浓度。他汀类药物对骨代谢影响的研究较多，临床和动物研究证实，他汀类药物通过促进骨形成，同时抑制溶骨性转移，在降低骨折风险方面发挥积极作用[46-47]。Mundy等[48]在小鼠颅骨皮下注射了他汀类药物(洛伐他汀和辛伐他汀)，发现治疗后的动物骨形成量显著增加。体外研究[49-50]表明，他汀类药物刺激骨形态发生蛋白2(BMP 2)、血管内皮生长因子(VEGF)、OCN和骨涎蛋白(BSP)的表达以增强矿化，主要通过上调Akt和Erk1/2活性，从而增加BMP-2的表达来增强成骨细胞分化。除了经典的他汀类降脂药物对骨代谢的有益作用外，其他降低胆固醇的药物分子也有类似作用。有研究[51]发现用于治疗糖尿病的常用药物二肽基肽酶-4(DPP-4)抑制剂也能降低胆固醇，Wang等[52]发现DPP-4抑制剂西格列汀可以通过抑制RANKL诱导的破骨分化，从而缓解卵巢切除小鼠骨量的丢失。Zhu等[53]也发现DPP-4抑制剂阿格列汀也能有效缓解高脂饮食引起的骨量丢失，但没有探讨具体机制。另外，Gui等[54]发现用于治疗骨质疏松的雌激素(雌二醇)促进成骨分化过程中ApoE的表达增加，而其他载脂蛋白表达减少。总之，一些特定的作用于胆固醇药物能促进骨形成或减少骨吸收，从而延缓骨质流失，减少骨质疏松相关骨折风险。

6 小结与展望

胆固醇及其代谢产物是脂质代谢的重要分子物质，同时也对骨代谢发挥复杂功能。虽然研究已证实胆固醇能影响成骨细胞、破骨细胞生成及活性，但其影响成骨及破骨的胞内分子信号机制仍不明确，有待进一步深入研究探讨。某些特定的降胆固醇药物如他汀类药物具有多效性作用，有利于骨代谢，这是大多数动物和细胞培养实验研究所支持的。然而，在人体研究中，降胆固醇药物和骨代谢之间的关系并不十分明确，可能需要更大规模人群的流行病学调查及药物研究。胆固醇是影响骨代谢的一个重要因素，也是骨代谢分子调控网络的一个重要成员，可以是今后研究的一个方向。骨代谢的稳态有赖于骨形成和骨吸收的准确协调，然而胆固醇对骨代谢平衡的不同环节的作用机制尚不明确。既然胆固醇对骨代谢是有相当程度影响作用的，那么作用于骨细胞的细胞因子、激素等分子是否也直接或间接通过影响胆固醇水平来调控骨细胞的功能，目前还尚处于探索阶段。

明确胆固醇对成骨及破骨影响的分子作用机制及胆固醇对骨代谢微生态平衡的综合作用，将有助于加深对胆固醇与骨代谢之间临床关系的理解，为探索相关药物及分子对脂代谢及骨代谢的作用提供理论基础，并可能为骨病特别是合并脂代谢紊乱的骨病治疗提供新的思路。