前列腺素E2对骨改建作用的研究进展

刘 芸，和红兵

（昆明医科大学附属口腔医院牙周病科 云南 昆明 650500）

骨代谢生物学过程的特征是不断进行骨的改建，去除旧骨并形成新的骨组织，维持骨的动态平衡，其中成骨细胞和破骨细胞是主要的参与者[1]。成骨细胞来自局部骨祖细胞，并负责骨基质的产生。破骨细胞起源于造血组织，是破坏吸收骨组织的多核细胞。

脂质炎症介质主要包括前列腺（prostaglandin，PG）、白三烯（leukotriene，LT）和血栓素（thromboxane，TX）以及血小板活化因子。其中 PG 是花生四烯酸的酶促代谢产物，在骨改建过程中具有重要意义[1]。在骨改建周期中，破骨细胞介导的骨吸收与成骨细胞介导的骨形成密切相关。PGE2作为PG家族成员之一，通过4种G蛋白偶联受体亚型（EP1、EP2、EP3、EP4）参与调控各种炎症和骨改建[1]。研究发现低浓度的PGE2可促进成骨细胞增殖，从而促进小鼠颅骨骨形成，而较高浓度PGE2则使破骨细胞超微结构变化并促进骨吸收[2]。在动物实验中，连续给予PGE2可显著刺激骨吸收，而间歇性给予PGE2则可激活骨形成并增加骨量和厚度。这些变化取决于给予的剂量[3]。骨形态学分析结果显示出，EP4激动剂不仅促使了骨形成还提升了破骨细胞数目。骨形成是PGE2-EP4通过诱导成骨细胞前体分化而形成成骨细胞产生的，然后该信号可再作用于成熟的成骨细胞，并在新生骨上诱导破骨细胞形成[4]。鉴于PGE2作用的特殊性，本文就其来源及对骨改建与炎症性骨疾病的影响作用作如下综述。

1 PGE2的合成和相关调控通路

1.1 PGE2的合成

PG是一种普遍存在的脂肪酸衍生物，可分为A、B、C、D、E、F、G、H、I等类型，其中PGE2是PG家族中主要的一员，在人体内广泛存在。PGE2可产生于人体所有细胞，主要通过磷脂酶A2（phospholipase A2，PLA2）裂解膜磷脂释放花生四烯酸（arachidonic acid，AA），AA再经由环氧合酶（cyclooxygenase，COX）作用转化为PGH2，最终通过PGE异构酶的转换形成PGE2[5]。

COX是一种膜结合蛋白，目前可分为3类：COX-1、COX-2以及COX-3。COX-1在大多数组织中呈持续稳定中低表达，并支持维持器官和组织动态平衡所需的PG生物合成。在炎症状态下，PG的合成主要通过COX-2来实现。COX-3则是COX-1的另一种新型剪接异构体，一些止痛药和退烧药（如对乙酰氨基酚、安乃近等）能抑制COX-3，从而在疼痛和发烧时发挥作用[6]。

1.2 COX-2/PGE2相关调控通路

COX-2/PGE2通路作为一条经典的促炎通路，可介导不同的上下游通路，组成复杂的信号调控网络，调控牙周炎、类风湿关节炎、肿瘤等多种疾病的进展。目前认为，COX-2/PGE2通过与磷脂酰肌醇3激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶 B（protein kinase B，AKT/PKB）之间的相互作用，以维持癌细胞的存活和炎症状态；还可通过上调细胞外信号调节激酶（extracellular regulated protein kinase，ERK）和膜蛋白酶促使癌细胞得以侵入；并增加调节性T细胞活性和原肿瘤M2细胞活性来调节免疫系统[7]。Paulissen等[8]研究表明，COX-2/ PGE2途径在以IL-23和单核细胞独立的方式驱动Th17介导的类风湿性关节炎滑膜炎症中起着关键作用。另外，COX-2/PGE2通路还通过PI3K/AKT的激活，调控牙龈成纤维细胞处于炎症状态[9]。同时，研究也表明PI3K/AKT、有丝分裂原活性蛋白激酶/细胞外信号调节激酶激酶（MAPK/ERK，MEK）、c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，c-JNK）、p38和核因子κB（nuclear factor kappa B，NF-кB)信号传导，都可介导活化COX-2/PGE2通路[10]。

此外，口腔微生物也是COX-2/PGE2通路活化的重要诱导因素。研究显示，用紫外线灭活的轻型链球菌（streptococcus mitis，S.mitis）可刺激单核细胞和口腔角质细胞表达PGE2[11-12]。金黄色葡萄球菌也可诱导COX-2的表达，并增加HOK细胞（HOK口腔上皮角质细胞）中PGE2的产生。PGE2会促进金黄色葡萄球菌的生长以及与纤连蛋白的结合，促使金黄色葡萄球菌与口腔上皮细胞的黏附[13]。

2 PGE2与骨改建的关系

骨代谢生物学过程的特征是不断进行骨的改建，而骨代谢平衡的维持主要取决于成骨细胞主导的骨形成与破骨细胞主导的骨吸收之间的动态平衡，任一因素导致它们之间的失衡都可能导致骨沉积过多（骨硬化症）或骨破坏为主（牙周炎）等骨疾病的发生[14]。

2.1 PGE2与成骨细胞

成骨细胞是成熟的骨形成细胞，来自局部的骨祖细胞，通过产生骨基质蛋白来负责骨形成。成骨细胞表达几种对激素敏感的受体，主要包括甲状旁腺激素（parathyroid hormone，PTH）和雌激素以及1，25-二羟基维生素D3（1，25-dihydroxy vitamin D3，1，25（OH）2维生素D3）和其他局部因子如细胞因子和前列腺素。通过这些激素受体及相应激素的激活下，成骨细胞分泌相关的蛋白和蛋白聚糖来促进骨改建[1]。

研究显示，PGE2可通过激活EP4刺激小鼠颅骨成骨细胞的分化[15]。EP4缺陷小鼠尽管体重和骨大小正常，但其骨质结构强度和骨小梁体积降低[16]。缺乏EP2的小鼠骨也十分脆弱[17]。然而，EP4缺陷小鼠的骨骼对外源性PGE2作用无效[18]。此外，EP4激动剂ONO-4 819可预防卵巢切除后稳定的大鼠的骨质流失[18]。EP2受体选择性激动剂CP-533，536刺激大鼠骨小梁，皮质内膜和骨膜表面的局部骨形成[19]。PGE2也可通过蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）和ERK信号传导途径诱导COX-2表达和PGE2的产生，并增加原代小鼠成骨细胞中的细胞外钙浓度[20]。核心结合因子α1（Runx2/Cbfa1）是成骨细胞分化过程中缺一不可的转录因子。研究表明，PGE2通过EP4受体诱导小鼠成骨细胞Runx2/Cbfa1的表达，从而导致矿化结节形成的增强[18]，促进人间充质干细胞向成骨细胞分化[21]。另外，成骨细胞与细胞外基质成分（包括I型胶原，纤连蛋白和骨唾液蛋白）之间的粘附作用对于成骨细胞的存活，增殖和分化很重要。研究显示，PGE2可增强小鼠成骨细胞中胶原的合成[22]以及大鼠成骨细胞中纤连蛋白的产生[23]。并且PGE2还能刺激大鼠成骨细胞中骨唾液蛋白mRNA的转录[24]。

PGE2增加不仅促进成骨细胞的分化，还可以促进其增殖，减少凋亡。但PGE2对成骨细胞增殖的影响的研究结果常出现相反结论，有研究显示了增殖增加[25]，又有研究显示了增殖降低[26]，以及双相效应[27]。许多因素可能会使此类研究复杂化，包括通过PGE2诱导COX-2来自动增强PGE2效应[28]以及在不同成骨细胞类型或不同分化阶段的不同EP受体的表达[29]。在2项显示PGE2抑制增殖的研究中，抑制作用与MC3T3-E1细胞中的cAMP途径有关[30]。Xu等人[30]的研究表明，COX-2相关的PGE2对成骨细胞前体的早期细胞生长具有刺激作用，而对较晚成骨细胞的生长具有抑制作用。而生长的增加是由于增殖的增加，并未降低细胞凋亡。PGE2和EP1特异性激动剂17-PT-PGE2激活EP1受体可有效激活EP1/ PKC信号通路，同时促进MG63细胞的体外增殖。在体内和体外，特异性拮抗剂SC51089引起的EP1受体失活和siRNA引起的EP1沉默均降低PKC活性，促进MG63细胞的凋亡[31]。

2.2 PGE2与破骨细胞

破骨细胞起源于造血干细胞，是由单核细胞融合分化而成的唯一具有骨吸收功能的多核细胞，其可分泌出降解骨基质的重要蛋白水解酶：组织蛋白酶 K（cathepsin K，CK）和基质金属蛋白酶-9（matrix metalloproteinase-9，MMP-9）[32]。

研究显示，PGE2与RANKL协同增强了小鼠骨髓巨噬细胞向破骨细胞的分化[33]。然而，PGE2对人破骨细胞的直接作用存在争议。Lader等[34]报道PGE2增加了巨噬细胞集落刺激因子（macrophage colony stimulating factor，M-CSF），IL-1和TNF-α刺激形成的破骨细胞，而Chenu等[35]研究表明，PGE2抑制了用1α，25-（OH）2维生素D3处理的人骨髓细胞中破骨细胞的形成。因此，有可能不同的细胞外刺激导致破骨细胞中EP受体亚型的不同表达谱。Kobayashi等[36]研究显示在小鼠骨髓来源的巨噬细胞分化为破骨细胞的过程中，EP2和EP4受体被下调。

RANKL-RANK-OPG系统最初是在1990年代后期发现的，RANK/RANKL/OPG对破骨细胞分化起着重要的调控作用。RANKL是破骨细胞生成所需的配体，RANK是RANKL的受体，而骨保护素（osteoprotegerin，OPG）与RANKL竞争性结合。该系统主要通过调节破骨细胞对骨稳态具有重要意义[37]。研究显示，PGE2可以cAMP依赖的方式刺激RANKL在成骨细胞中的表达[38]，并抑制OPG表达[39]。PGE2也可通过cAMP-PKA依赖途径促进IL-6和IL-1β表达诱导破骨细胞的形成[40]，而IL-6和IL-1β还可增加COX-2表达和PGE2产生[41-42]。同时，PGE2通过自分泌方式可抑制成骨细胞中OPG的产生[42]。

3 PGE2对炎症性骨疾病的影响作用

3.1 类风湿关节炎

类风湿关节炎的特征是慢性关节发炎，自身反应性T细胞和巨噬细胞浸润[43]。T细胞激活滑膜巨噬细胞，释放出多种细胞因子，导致滑膜炎症放大并破坏软骨和骨骼。巨噬细胞源性细胞因子，例如IL-1β和TNF-α诱导人关节软骨细胞和滑膜成纤维细胞中COX-2的表达[44]。由活化的CD4+T细胞产生的IL-17刺激滑膜组织中小鼠原代成骨细胞中COX-2依赖性PGE2的合成[45]。类风湿关节炎患者滑膜成纤维细胞中mPGES-1的表达随TNF-α和IL-1β的升高而升高[46]。抗TNF-α疗法可抑制类风湿关节炎患者滑膜组织中mPGES-1的表达和PGE2的产生[47]。滑液中存在的PGE2通过EP2和EP4诱导成骨细胞中RANKL表达[48]，产生的破骨细胞可能促进关节破坏。

Zhou等[49]利用CIA 动物模型证明miR-143-3p低表达可能会通过调节其靶基因（Ptgs2，Mrgpre，TNF）来调节促炎介质（PGE2和TNF-α）的水平，从而影响了RA的慢性炎性疼痛和神经性疼痛。Fan等[50]研究发现，1，25-（OH）2D3下调miR-22以抑制成纤维样滑膜细胞的增殖促进其凋亡，并降低Cox-2的mRNA表达和PGE2的产生。

3.2 骨关节炎

骨关节炎是最常见的关节炎疾病，由于基质降解和肥大的骨变化，包括骨赘的形成和软骨下板的增厚[51]。在骨关节炎的软骨降解过程中，PGE2和促炎细胞因子TNF-α和IL-1由滑膜细胞产生，滑膜细胞主要由成纤维样和巨噬细胞样滑膜细胞组成[52]。内源性PGE2通过IL-1β刺激的人成纤维细胞样滑膜细胞中EP2和EP4调节IL-6，M-CSF和血管内皮生长因子（VEGF）的产生[53]。骨关节炎成骨细胞比正常成骨细胞产生更多的PGE2[54]，而骨关节炎软骨比正常软骨具有更多的凋亡软骨细胞[55]。这些结果表明，关节软骨中PGE2与骨关节炎的症状密切相关。

Park等[56]研究表明，人骨关节炎软骨细胞中IL-1β诱导的MAPK和NF-κB的激活降低了miR-558的表达并诱导了COX-2的表达。Rasheed等[57]发现，茶多酚儿茶素（EGCG）通过上调人OA软骨细胞中microRNA hsa-miR-199a-3p的表达来抑制IL-1β诱导的COX-2表达或PGE2的产生来抑制骨关节炎。另有研究表明，OA软骨细胞中IL-1β诱导p38-MAPK的激活下调了miR-199a的表达并诱导了mPGEs和COX-2的表达以及PGE2的产生。抗miR-101-3处理可增加IL-1β刺激的软骨细胞中COX-2的表达，但miR-101-3的过表达对COX-2的蛋白表达无明显影响。说明miR-199a的水平与IL-1β刺激的人软骨细胞中的COX-2 mRNA和蛋白质水平呈负相关[58]。这些结果表明，miRNA-558、microRNA hsa-miR-199a-3p、miR-199a以及可能的miR-101-3的表达可用于治疗OA的新型治疗策略中。

3.3 牙周炎

牙周炎是一种慢性炎性疾病，其主要特征为牙齿支持组织的破坏—牙周袋形成和炎症，进行性的附着丧失和牙槽骨吸收并最终导致牙齿脱落[59]。牙龈卟啉单胞菌被认为是牙周病的主要病原体，但是宿主对病原体的反应会诱导牙周病的发生和发展，从而引起包括细胞因子和前列腺素在内的炎症分子的产生[60]。大量研究表明，类前列腺素，特别是前列腺素E2参与牙周疾病的发病机理。与牙周健康受试者相比，在牙周疾病患者的牙龈和龈沟液中检出的前列腺素E2水平升高[61]。LPS是牙龈成纤维细胞和巨噬细胞的有效刺激剂，并诱导骨吸收性细胞因子TNF-α 和IL-1 的产生[62]。IL-1诱导牙周膜成纤维结缔组织细胞中PGE2的产生和COX-2 mRNA的表达[63]。此外，LPS直接上调牙周膜成纤维细胞，成牙骨质细胞和成骨细胞中COX-2的表达[64]。由于COX-2上调引起的PGE2产量增加可能与牙槽骨吸收有关。此外，LPS诱导的骨吸收在cPLA2α-，mPGES-1和EP4缺陷小鼠中受损[65]。尽管PGE2可能不是影响牙槽骨破坏的唯一因素，但NSAID在牙周炎中可有效抑制牙槽骨损失。一些报道表明PGE2刺激牙周组织中的骨形成[66]，但更有力的证据支持PGE2在牙周炎的骨破坏中的作用。

miR-302-3p的水平会影响人下颌骨成骨样细胞（HMOBs）中RANKL的mRNA和蛋白表达。PGE2通过PKA信号的PRKACB途径刺激RANKL表达。当PGE2刺激HMOB中的RANKL时，miR-302a-3p低于基线水平，miRNA-302a-3p有望靶向cAMP/PKA信号的PRKACB。HMOB释放的RANKL可能会影响炎症过程中破骨细胞的分化和牙槽骨吸收[67]。

4 小结

不同EP受体在成骨细胞和破骨细胞中表达有差异，在炎症状态下受体表达也有不同，最终体现了PGE2对骨改建调控的两面性。PGE2作为骨改建中的重要调控因子，对骨改建发挥双向调控作用，这种双向调控作用可能与PGE2的四个特异性受体、组织特异性、细胞来源、miRNA等相关。因此，进一步阐明其作用机理及不同方向性，对于开发出治疗甚至预防炎症性骨疾病指导临床工作具有重要意义。