高胆固醇对骨代谢影响的研究进展

乔铭薪 朱舟 万乾炳

四川大学华西口腔医院，四川 成都 610041

随着人们生活水平的提高及人口老龄化，脂代谢异常及骨代谢异常发病率逐年上升，且常合并发生。研究表明脂质代谢和骨代谢关系密切[1]，骨密度(bone mineral density，BMD)及骨量与低密度脂蛋白胆固醇(low-density lipoprotein cholesterol，LDL-C)、高密度脂蛋白胆固醇(high density liptein cholesterol，HDL-C)等胆固醇之间存在显著关系[2-4]。临床研究显示血脂异常与低骨密度间正相关[5-6]，特别是绝经女性[7]，对其行激素替代治疗可减少骨质流失，降低血清总胆固醇(TC)和LDL-C水平[2,8]，可见高脂血症极可能破坏骨代谢平衡[9]。胆固醇作为脂代谢的重要部分，其血液浓度超量是导致高脂血症发生的主要危险因素。据此，本文从胆固醇对骨代谢细胞的影响和对骨髓间充质干细胞(bone mesenchymal stem cells，BMSC)分化的调控及相关机制等方面展开阐述，以期为脂代谢紊乱相关的骨代谢疾病的防治提供理论依据。

1 胆固醇与成骨细胞

1.1 高脂血症对成骨细胞的影响

成骨细胞是起源于BMSC，参与骨代谢的单核细胞。据报道，高脂血症/高胆固醇血症对成骨细胞的活性会产生负面影响[10-11](图1)。高胆固醇(HCD)喂养的大鼠血清骨吸收标志物水平显著升高；停止HCD骨形成标志物(BGP、ALPL、PINP)升高[6]。高胆固醇血症也会引起成骨相关基因及通路的下调：如Runx2、TGF-β/BMP和Wnt通路等[10]。对大鼠原代成骨细胞体外研究表明，高剂量胆固醇对成骨细胞具有明显毒性，而治疗剂量的胆固醇依浓度不同作用效果也不一致[6]。综上，血清总胆固醇水平升高会抑制成骨细胞活性及骨形成。但最近有研究显示胆固醇对成骨细胞活动并非只有负面影响。如低于20 μg/mL胆固醇在体外可直接增加成骨功能基因的表达[6]。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Hedgehog信号介导骨髓基质细胞成骨反应所必需的，这表明胆固醇在调节成骨细胞分化和对Hedgehog途径激活具有双重作用[12]。

1.2 胆固醇种类及产物对成骨细胞的影响

不同类型胆固醇对成骨细胞的作用并不同(表1)。研究报道BMD和低密度脂蛋白(LDL)间通常存在负相关关系[3]。载脂蛋白E(ApoE)可促进LDL的细胞摄取及清除，ApoE-/-小鼠会出现骨量丢失，原因可能是氧化型LDL(oxLDL)激活了炎症反应，促进了单核/巨噬细胞增多以及IL-1β、IL-6和TNF的表达增加，最终导致成骨细胞凋亡[3]。同样ApoE-/-导致的LDL堆积也会抑制Wnt/β-catenin通路，使成骨基因及相关配体表达下调。而高密度脂蛋白(HDL)的浓度与骨量及BMD呈正相关[4,13]。HDL可实现胆固醇的逆转运，减少oxLDL引起的成骨细胞凋亡。研究发现载脂蛋白A1(ApoA1-/-HDL主要成分)缺陷小鼠骨量明显减少，成骨细胞相关因子(Runx2、Osterix、Col1a1)表达下降，分析其原因可能是ApoA1缺陷使HDL合成受损所导致[4]。可见HDL对成骨细胞功能活性有正调节作用，但也有认为两者间为负相关，这可能与遗传、年龄、饮食和代谢状态等因素有关[14]。研究显示20(S)-羟基胆固醇和辛伐他汀通过Raf/MEK/ERK通路协同促进MSC成骨分化[15]。此外，部分羟胆固醇也能促进BMSC成骨基因表达且与BMP2协同诱导成骨细胞分化和增殖[16]，其中Hedgehog通路可能参与羟胆固醇介导的成骨过程[17]。

2 胆固醇与破骨细胞

2.1 高脂血症对破骨细胞的影响

破骨细胞起源于血系单核巨噬细胞系统，其分化需要巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)和核因子κB受体活化因子配体(RANKL)[18]。高脂血症/高胆固醇血症通常会增加破骨细胞的活性，导致骨量丢失[10-11,19](图1)。小鼠高脂饮食会升高其血清胆固醇水平，导致破骨细胞数量增加，最终降低小鼠BMD，提示破骨细胞在胆固醇诱导的骨丢失中起重要作用[19]。基因研究显示，高脂血症小鼠破骨相关基因c-Fos、TRAP等表达较高[10]。此外，一种参与脂肪因子分泌和成骨/破骨细胞分化的肌动蛋白——虹膜蛋白的缺失会诱导机体出现高脂血症，同时检测到破骨细胞数量增加和RANKL的高表达[20]。内质网应激是由多种代谢因子如胆固醇引起的，用特异性抑制剂抑制内质网应激可减弱破骨细胞相关基因的表达和CREBH(内质网应激诱导破骨细胞分化的下游效应器)的激活[21]。以上表明，高胆固醇可刺激机体产生破骨细胞因子，激活RANKL/RANK/OPG通路，上调破骨基因表达来增加破骨细胞的分化成熟。

2.2 胆固醇种类及产物对破骨细胞的影响

不同类型胆固醇及产物对破骨细胞的作用并不单一(表1)。比如oxLDL上调破骨细胞活性，oxLDL不仅能直接刺激成骨细胞RANKL、CD36和肝X受体的表达，还能诱发炎性反应，来增强破骨细胞分化[19]。另有研究发现，Toll样受体2亦可通过诱导骨髓细胞Lox-1(oxLDL的受体)表达上调，模拟oxLDL的激活促进破骨细胞形成[22]。然而，尚有研究者认为LDL和oxLDL可能会抑制破骨细胞分化成熟[23-24]。HDL则诱导破骨细胞凋亡，HDL处理破骨细胞后，核固缩细胞增加，这可能因为HDL上调了ABCG1(ATP结合盒转运体G1)的表达，促进了破骨细胞内的胆固醇外流，破坏了细胞胆固醇稳态，从而促进了破骨细胞的凋亡[25]。HDL亦可通过调节炎症反应抑制破骨细胞的功能：HDL可抑制T淋巴细胞与巨噬细胞的相互作用，降低炎症反应，从而减弱炎症对RANK/RANKL的活化，削弱破骨细胞前体细胞的激活，最终抑制破骨细胞的活性[14]。27-羟基胆固醇(27-HC)可触发巨噬细胞分泌TNFα和IL-8，最终通过多途径刺激破骨细胞生成，该机制可能是27-HC通过抑制miR-139的表达和激活STAT3/c-Fos/NFATc1而导致的[26]。

表1 胆固醇及产物对成骨/破骨细胞的影响Table 1 The effect of cholesterol and its products on the activity of osteoblasts and osteoclasts

3 胆固醇对BMSC分化的调控

3.1 脂/骨代谢通路

脂肪细胞与成骨细胞均源自共同的祖细胞即BMSC。BMSC是联系脂骨代谢的核心，骨髓脂肪量和骨量紧密相关且相互制约。脂代谢与骨代谢之间具有多条调控通路，包括无翼型MMTV整合位点通路(Wnt/β-catenin)、过氧化物酶体增殖物激活受体γ通路(PPARγ)、瘦素调节通路、骨形态发生蛋白通路、低密度脂蛋白受体相关蛋白5(LRP5)通路、固醇调节元件结合蛋白通路、氧化应激通路等[32]。其中PPARγ、Wnt/β-catenin是两者相互影响的重要分子基础。Wnt/β-catenin通路已被证明可促进BMSC向成骨细胞分化，阻碍脂肪细胞分化[33-34]。部分Wnt蛋白激活了不针对β-catenin的非经典途径[34-35]。在成骨过程中，能够激活非经典途径的Wnt5a和Wnt11的mRNA水平随着ARL4C(GTP结合蛋白的ADP核糖基化因子)的敲低而降低[35]。PPARγ是促进脂肪细胞分化增殖的主要转录因子。脂肪酸长链和氧化衍生物可以结合并活化PPARγ[28]，Wnt也可通过PPARγ影响脂肪细胞的分化[36]。可见Wnt通路与PPARγ在BMSC分化过程具有相互拮抗作用。

3.2 胆固醇对BMSC分化的影响

血清总胆固醇升高会促进BMSC向脂肪细胞分化，干扰成骨细胞分化。据报道，高胆固醇血症患者体内产生的氧化脂质一方面可以直接激活 PPARγ，使BMSC分化向脂肪细胞倾斜[29]。同时过多的氧化脂质还会诱发炎症反应，刺激破骨细胞成熟，诱导成骨细胞凋亡。然而不同类型胆固醇对BMSC分化的影响不同，部分氧固醇如25-羟基胆固醇在BMSC分化过程中有促成骨和抗脂肪的作用，它对脂肪生成的抑制可能与PPARγ低表达有关[37]。ApoA1-/-小鼠的BMSC表现出成脂细胞调节因子PPARγ和CEBPα表达的升高[4]，而成骨相关通路受损。胆固醇对BMSC的调节与Wnt信号通路也有关，LRP5作为LDL受体可抑制成骨细胞凋亡，其机制可能是LRP5上调β-catenin和LEF/TCF转录因子水平，从而增加成骨相关基因表达[38]。并且非经典Wnt信号通路中Wnt-5a能刺激成骨细胞生成，通过CaMKII-TAK1/TAB2-NLK途径抑制PPARγ诱导的脂肪生成[27]。ABCG1作为脂肪生成调节因子和胆固醇转运蛋白，可通过Wnt/β-catenin和AMPK通路在成骨过程中发挥重要作用[39]，其高表达抑制成骨，促进成脂。近年部分研究显示，氧化应激介导的 FoxO-β-catenin-PPARγ信号轴的平衡，对 BMSCs分化的调控至关重要[36]。高胆固醇等因素会下调Wnt/β-catenin，增高核因子 κB 水平，最终刺激破骨细胞分化[32]。使用PPARγ拮抗剂的大鼠因PPARγ低表达阻滞了c-Fos表达，导致破骨细胞合成缺陷性骨硬化病[40]。综上，Wnt通路及PPARγ在调节BMSC平衡分化及破骨细胞活性方面均发挥重要作用(图1)。

图1 脂代谢与骨代谢疾病作用机制示意图Fig.1 Schematic diagram of the mechanism of the relationship between lipid metabolism and bone metabolic diseases注：“→ ”代表促进作用；“-| ”代表抑制作用

4 他汀类药物与脂骨代谢

4.1 他汀类药物的多效性能

他汀类药物作为HMG-CoA还原酶的特异性抑制剂，是经典有效的降胆固醇药物[31]。研究者将他汀类药物通过改性或联合其他材料制备成新型生物复合材料，以期达到降脂、成骨、成血管等多效性能。Huang等[15]将20(S)-羟基胆固醇和辛伐他汀联合应用协同增强BMSC的成骨分化；另有研究将磷灰石(HAP)包裹的阿托伐他汀(AT)负载于PLGA微粒，形成PLGA-AT-HAP可注射复合材料用于骨组织工程[41]；二者均是利用他汀类药物促进了骨骼的再生。Zhou等[42]得出辛伐他汀通过调节自噬流量改善高胆固醇饮食所致的大鼠颌骨微结构缺损，说明他汀类药物可修复高脂血症引起的骨缺损。以上研究肯定了他汀类药物对骨代谢的作用，但其疗效取决于细胞类型、药物种类、剂量及给药途径和治疗时间等多种因素。

4.2 他汀类药物对脂骨代谢的作用机制

他汀类药物可以通过激活Wnt通路和抑制PPARγ[43-44]，来促进BMSC向成骨细胞分化。同时他汀类药物可通过上调BMP-2和Runx2基因、抑制FPP和GGPP合成并调节Wnt/β-catenin及TGFβ/Smad3信号通路来激活成骨细胞分化，抑制其凋亡[31,43,45-46]。其次，他汀类药物直接调节RANKL/RANK/OPG通路来抑制破骨细胞分化，从而发挥骨保护作用[42]；此外，他汀类药物可通过刺激雌激素受体(ER)表达间接影响破骨细胞活性[47]。总体来说(图2)，他汀类药物主要通过调节BMSC选择性分化、促进成骨、抑制破骨等方面发挥多效性骨保护机制。

图2 他汀类药物影响脂骨代谢的信号通路Fig.2 Signal pathways of statins affecting lipid-bone metabolism注：“→ ”代表促进作用；“-| ”代表抑制作用

5 总结及展望

高胆固醇血症/高脂血症作为脂代谢疾病，对骨代谢影响通常是负面的。然而不同胆固醇类型对骨代谢影响不尽相同，如LDL为骨形成负调节因子而HDL却有骨保护作用。因此，胆固醇对骨代谢的影响取决于疾病状况，机体复杂的调控机制，胆固醇的类型、水平、来源及靶细胞类型等多个因素，不能一概而论。胆固醇还参与早期BMSC分化的调控，其中Wnt/β-catenin通路及PPARγ是较为重要的两条彼此拮抗通路。对脂骨代谢分子机制深入了解不仅可以为治疗骨代谢疾病提供新靶点，而且可以研制针对高脂血症的骨缺损修复材料(如他汀类药物)，以达到降脂与成骨的双重作用。综上所述，胆固醇对骨代谢影响的研究已取得一定进展，进一步了解彼此间的相关性及分子机制，将有助于为骨代谢疾病开发新的防治措施。