骨质疏松进程中破骨细胞能量代谢重编程研究进展

张宗瑞 尹恒,2 张强 李绍烁 胡卓仪 马勇 郭杨 张亚峰,2*

1．南京中医药大学，江苏 南京 210023 2．南京中医药大学无锡附属医院，江苏 无锡 214000

骨质疏松症(osteoporosis，OP)是一种骨微结构改变、骨骼强度下降并引起骨折风险上升的全身代谢性骨病。随着人口老龄化程度的不断加深，OP已成为全球公共卫生健康的沉重负担[1]。成年人的骨骼处于不断重建的过程，每年替换约占骨骼总质量的10 %以确保其结构和功能的完整性[2]。该过程首先由破骨细胞吸收旧骨，然后由成骨细胞形成相同数量的新骨保持动态平衡。破骨细胞主导的骨吸收活动强于骨形成活动时，造成骨形成与骨吸收之间的稳态失衡，是骨质减少及骨质疏松症发生的根本原因[3]。破骨细胞是由来源于造血干细胞的单核巨噬细胞融合而成的大型多核运动细胞[4]，通过对小鼠系统中破骨细胞的来源研究得知，体外利用基质细胞与脾细胞或骨髓细胞共培养能够形成破骨细胞[5]。破骨细胞的前体细胞通过生物能量的支持，来产生多种蛋白诱导融合，并促进破骨细胞的分化[6]。完成分化后的破骨细胞则黏附于骨表面，形成封闭的区域，骨组织被H+、Cl-和催化酶降解。骨的无机成分在盐酸建立的酸性环境下被再吸收。有机成分则被各种酶降解，包括CtsK和MMP-9[7-8]。因此，破骨细胞的形成和骨吸收都经历复杂的能量代谢步骤，需要积极的代谢重编程。

越来越多的数据强调细胞代谢过程和先天免疫细胞及适应性免疫细胞的功能特性的相互影响。促炎巨噬细胞增加糖酵解活性并关闭线粒体呼吸，而抗炎巨噬细胞则显示增加线粒体呼吸。这些不同巨噬细胞亚群的代谢适应似乎支持不同的激活和分化程序，从而促进炎症的发生或解决[9]。代谢重编程最早于癌细胞中被发现，是指当癌细胞即使在供氧充足的情况下，依旧大量摄取细胞外葡萄糖利用糖酵解方式作为主要的能量代谢途径为自身供能，这一现象称为有氧糖酵解(Warburg effect)[10]。通过近年来对不同疾病领域的相关研究，有氧糖酵解相关的代谢物及酶类不断被挖掘，证明代谢重编程具有重要的研究价值。但目前关于破骨细胞的代谢重编程的认知较浅，深入探索细胞能量代谢如何调控破骨细胞分化活动，对破骨细胞代谢重编程精准靶向干预，具有重要的科研价值，也是代谢手段调节骨质疏松症治疗的新策略。在本综述中，我们总结了在破骨细胞发生和骨吸收过程中关于代谢重编程的最新见解，研究细胞代谢如何塑造破骨细胞，从糖代谢、脂肪酸代谢、相关信号通路对骨质疏松症中破骨细胞能量代谢重编程进行综述。

1 OP进程中的糖代谢转变

葡萄糖是骨组织进行新陈代谢重要的能量底物，为维持骨形成与骨吸收之间内环境稳态提供重要的作用[11]。对糖尿病骨质疏松症患者研究[12]结果显示，糖代谢失调可导致骨脆弱及增加骨质疏松性骨折的风险。因此，无论是正常或病理状态下，糖代谢对骨代谢的调节起着重要的作用。

葡萄糖的分解方式取决于不同细胞类型的代谢特点及供氧状况。糖分解供能的主要方式是有氧氧化，当机体绝大多数组织供氧充足时，葡萄糖在果糖-6-磷酸激酶-1、丙酮酸激酶、己糖激酶等酶的作用下，利用氧通过糖酵解从而生成丙酮酸，经氧化脱羧后生成乙酰CoA，再经三羧酸循环进行氧化磷酸化释放能量为机体供能。而当机体在不能利用氧或氧供应不足时，糖通过无氧氧化经糖酵解及乳酸生成为机体快速供能。

葡萄糖以存在于不同组织细胞中的葡萄糖转运蛋白家族(glucose transporter，GLUT)为载体进入细胞内进行能量代谢，调控破骨细胞的功能[13]。在破骨细胞形成过程中，葡萄糖转运蛋白1 (Glut1)和糖酵解基因表达水平升高，而敲除低氧诱导因子1-α (HIF1-α)以及葡萄糖剥夺后，抑制了破骨细胞的骨吸收功能，同时抑制Glut1和糖酵解基因的表达[14]。一个氧调节亚基HIF1-α和一个稳定亚基HIF1-β构成转录因子HIF-1[15]。有氧状态下，HIF1-α经过一系列酶的催化作用快速降解。而在缺氧状态下，HIF1-α与HIF1-β形成一个活跃的转录复合物，利用COMMD1/E2F1途径使糖酵解活动增加，从而促进了破骨细胞的形成[16]。同时，在破骨分化过程中，RANKL可激活HIF1-α并诱导GLUT1及糖酵解酶的表达[17-18]。

Indo等[14]研究发现，用抑制糖酵解途径或在培养基中添加葡萄糖耗尽的抑制剂治疗可抑制破骨细胞的发生，这意味着破骨细胞分化中糖酵解起着重要的作用。在破骨细胞分化过程中，相对于静止的前体细胞，糖酵解率没有增加，但成熟的破骨细胞已经被证明有更高的糖酵解率。目前认为，糖酵解是成熟破骨细胞骨吸收的影响因素之一[19]。仅含有葡萄糖的培养基中成熟破骨细胞的分化过程中，I型胶原降解的活性增强，乳糖的糖酵解速率则降低。免疫组化检测发现，与糖酵解相关途径的酶PKM2和GAPDH位于成熟破骨细胞的肌动蛋白环附近，也就是骨吸收发生的位置[20-21]。同样在破骨细胞的分化过程中，乳酸脱氢酶催化丙酮酸生成乳酸，而下调LDHA或LDHB则会降低破骨细胞分化[22]。上述证据表明，破骨细胞的分化过程与糖酵解途径密切相关，破骨细胞骨吸收的过程中，糖酵解是其重要的能量驱动途径[23]。

2 OP进程中的脂肪酸转变

脂肪酸是人类饮食结构中重要的组成部分，主要分为长链脂肪酸(LCFA)，包括不饱和脂肪酸(LCPUFAs)、单不饱和脂肪酸(LCMUFAs)、饱和脂肪酸(LCSFAs)，中/短链脂肪酸(MCFAs/SCFAs)及其代谢产物等[24]。脂肪酸活化形成脂酰CoA，提高其反应活性并增加脂肪酸的水溶性。脂肪酸在线粒体中经β-氧化，通过反复脱氢、加水、再脱氢及硫解过程，生成大量ATP为机体供能。

研究[25-26]表明，长链脂肪酸可以抑制破骨细胞的形成及其活性。饱和脂肪酸(SFA)通过TLR4依赖的方式组织细胞进行凋亡，从而促进破骨细胞的存活[27]。癸酸是一种中链游离脂肪酸[28]，通过对癸酸影响破骨细胞肌动蛋白细胞骨架形成及重组研究，发现癸酸可以阻碍破骨细胞骨架组织形成[29]，抑制RANKL引起的破骨细胞分化，并加速破骨细胞凋亡[30]。短链脂肪酸(SCFAs)，如乙酸、丁酸和丙酸，是肠道微生物发酵膳食纤维产生能量的重要来源，对宿主的能量代谢和炎症反应产生有益的作用[31]。在破骨细胞的分化过程中，成熟的破骨细胞是由破骨前体细胞经过氧化磷酸化(OXPHOs)分化而来，依赖糖酵解完成骨吸收。丙酸(C3)和丁酸(C4)通过减少氧化磷酸化的方式增强破骨细胞糖酵解，下调破骨细胞分化的必要基因如TRAF6和NFATc1诱导破骨细胞代谢重编程。实验[32]证明，对破骨细胞前体用C3和C4处理，可使代谢在分化的早期时间点 (24～48 h)向糖酵解转变，导致细胞应激，阻止破骨细胞分化，使骨吸收显著降低[33]，预防绝经后骨量流失[34]。

骨细胞容易受到环境变化的影响。细胞的环境变化，如炎症、饮食、运动和其他代谢性疾病或脂质类代谢关键蛋白的基因突变，会改变细胞的代谢途径，导致骨细胞的代谢适应。高脂血症会使骨吸收增加和破骨发生[35-36]。破骨前体细胞——巨噬细胞内的低密度脂蛋白受体(LDLR)可以通过促进载脂蛋白内化，提高细胞内胆固醇的水平，当胆固醇水平升高后，则下调LDLR表达以抑制胆固醇的摄入。低密度脂蛋白(LDL)通过诱导胆固醇的传递，显著提高破骨细胞的活力，而低密度脂蛋白的消耗则抑制破骨细胞的形成[37]。使用高密度脂蛋白或环糊精处理去除破骨细胞中的胆固醇，可以导致肌动蛋白破坏、核浓缩和半胱氨酸蛋白酶-3活化，剂量依赖性地诱导破骨细胞凋亡。此外，环糊精显著抑制了M-CSF和RANKL诱导的破骨细胞Akt、mTOR和S6K的生存信号通路[38]。相反，添加胆固醇可挽救低密度脂蛋白缺陷导致的破骨细胞生成受损，提示巨噬细胞可能需要低密度脂蛋白介导的胆固醇摄取来实现破骨细胞生成。

3 相关信号通路

3.1 mTOR在骨代谢方面对骨质疏松症的作用

哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)作为进化保守的丝/苏氨酸蛋白质激酶，参与处理各种刺激因素如生长因子、能量、应激、激素等，并调控基因转录、蛋白质的起始翻译、核糖体生成物合成、细胞自噬等过程。心血管类疾病、移植排斥及自体免疫紊乱、癌症、糖尿病等疾病的病理过程均与mTOR信号失调相关[39]。mTOR在细胞内以mTORC1及mTORC2两种不同的复合物形式存在[40]。mTORC1由mTOR、Raptor、mLST8、PRAS40和Deptor组成[41]，通过促进核糖体生物发生、蛋白质合成、脂质与核苷酸合成以及抑制自噬在细胞生长中发挥关键作用[42-43]。mTORC2由mTOR、Rictor、mSIN1、mLST8和Deptor组成。mTORC2对肌动蛋白细胞的骨架组织及细胞形态起着调控作用，并充分激活AKT信号分子。与mTORC1不同，mTORC2对雷帕霉素不敏感。长期使用雷帕霉素可以阻止部分细胞类型中mTORC2的组装，并间接抑制mTORC2表达[44]。

mTORC1的失调可导致各种骨骼疾病，包括骨关节炎和骨质疏松症等[45]。mTORC1在破骨细胞中有较高的活性，破骨细胞分化培养中mTORC1活性被RANKL降低。造血干细胞中早期Raptor缺失会钝化破骨细胞的形成，而破骨细胞前体中晚期Raptor缺失反而会增强破骨细胞的形成[46]。但是所有由Raptor缺陷介导的效应都可以通过过表达构成性活性S6K1或者雷帕霉素治疗得到挽救，这表明mTORC1作为营养传感器在破骨细胞发育中起主导作用[14,47]。对结节性硬化症合并TSC1/2突变患者的研究[48]表明，骨代谢和mTOR信号通路之间存在负相关。TSC1基因缺失小鼠骨量明显高于对照组小鼠，在其破骨细胞或髓系细胞中发现构成性高的mTOR信号，支持mTOR激活在破骨细胞中的负作用[49]。mTOR的激活通过直接抑制破骨细胞分化以及活性，或通过与MSCs的耦合来促进骨矿物质的增加。所以，mTOR以降低破骨细胞分解代谢的活性，调控破骨细胞分化和骨质量。

mTORC1通过诱导及调节HIF1-α和Myc来促进糖酵解。在缺氧条件下，HIF1-α蛋白水平稳定并积累，从而增强编码糖酵解酶和效应因子的基因的转录诱导，从而上调糖酵解[50]。mTORC2通过Akt依赖和独立的机制控制糖酵解。Akt的激活足以增加葡萄糖代谢速率[51]和通过HIF1-α诱导糖酵解基因[52]。mTORC1对脂肪生成有正调节作用，而对脂肪分解有负调节作用[53]。研究[54]表明，肝脏中缺乏mTORC2会阻止Akt介导的脂肪生成。Akt激活不能促进肝特异性基因敲除小鼠的肝脏脂肪生成。破骨细胞能量代谢重编程过程中，mTOR通过糖脂代谢调控骨代谢。

3.2 HIF1-α在骨代谢及骨血管方面对骨质疏松症的作用

在骨质疏松症患者中，髓内供血体系弱化使骨组织处于低氧的状态，破骨细胞作为氧感应细胞，对环境的变化十分敏感[55]。当机体处于缺氧环境中时，缺氧诱导因子(HIF1-α)通过转录诱导改变基因的表达，促进无氧糖酵解和血管生成以适应内环境的变化。HIF1-α可通过OPG/RANK/RANKL等相关信号通路对破骨细胞的分化产生影响。Shao等[56]研究发现，破骨细胞活性的重要调节因子——骨保护素(OPG)可被HIF1-α上调，进而抑制破骨细胞的吸收活性。Kang等[57]发现HIF1-α可以上调骨保护素OPG及白介素33(IL-33)的表达，从而抑制破骨细胞生成。而朱杰等[58]研究则指出，缺氧环境中表达上调的HIF1-α增加了RANKL的表达，促进了破骨前体细胞向破骨细胞的转化，在24 h效果最为显著，之后RANKL的表达则随着低氧时间的延长而逐渐下降。

同样，骨组织具有庞大的血供系统，骨细胞的生长分化由血液提供着丰富的营养物质及氧。骨组织因骨骼血液灌流不足而处于低氧环境，从而诱导HIF1-α的表达上调。内质网应激传感器OASIS作为一种对骨形成具有重要作用的转录因子，使OASIS缺陷小鼠胚胎成纤维细胞中HIF1-α靶基因，如血管内皮生长因子A (VEGFA)的表达水平下降，使血管生成受阻[59]。Costa等[60]的实验表明，HIF-1α在低氧环境中使miRNA-675-5p 表达下降，从而促使血管的生成及恢复间充质干细胞(MSC)的表型，调控骨代谢。因此，HIF1-α对破骨细胞的机制及相关因素仍需广泛且深入的研究。

3.3 TGF-β对骨质疏松症的影响

TGF-β是一种具有多种生物学特性的因子，如细胞分化、增殖、迁移、凋亡、自噬或产生细胞外基质[61]。在骨环境中，骨骼发育以及骨稳态的维持中TGF-β起着重要的作用[62]。TGF-β可上调OPG的水平，促进OPG与RANKL两者结合并拮抗RANK的作用，从而抑制破骨细胞的分化成熟。Karst等[63]通过研究发现，低浓度TGF-β通过影响RANKL/OPG比值来刺激破骨细胞分化，而高浓度TGF-β则通过多种途径抑制破骨细胞分化。在破骨细胞分化过程中，TGF-β与其受体结合并形成一个活性Smad复合物，进入细胞核并诱导多个靶基因的转录，对RANKL/RANK信号转导起着非常重要的作用[64]。TGF-β1通过增加ALK5/TβR1的表达和激活R-Smad2/3复合物介导破骨细胞存活，从而激活成熟破骨细胞中的促生存因子Mcl-1[65]。

4 总结与展望

近年来破骨细胞的生理及病理条件下的生物能量变化引起了越来越多的关注，但代谢重编程仍是破骨细胞生物学中一个相对较新的领域。破骨细胞分化及骨吸收过程中的能量代谢变化，以及能量代谢重编程中相关信号通路及相关联因子如何影响其代谢的研究较少，仍需广泛且深入的探索。

原发或继发性骨质疏松症发病进程中伴随着内环境的失调，衰老或代谢性疾病影响代谢物的供应及骨骼健康。同样，破骨细胞在不同疾病环境下的细胞代谢状态需要特性分析，其代谢状态也会因内环境的改变而受到影响，进而影响染色质或蛋白质修饰的表观遗传调控。代谢物可以通过转录后修饰直接调控基因表达，进一步将代谢与转录组学相结合的综合研究是必要的[66]。研究健康和疾病两种不同的状态下破骨细胞之间的代谢差异，抗吸收疗法对破骨细胞代谢网络的影响，以及破骨细胞对营养物质变化的感知，可以为不同代谢环境中调控破骨细胞功能提供更多样的治疗办法。

系统深入地对破骨细胞生成和分化代谢特征的研究，将为破骨细胞介导的骨疾病发病过程中发生的变化提供更加深刻的见解。能为研究骨量丢失相关疾病提供重要的科研价值，为临床早期调控骨质疏松症提供新兴治疗方式。