雌激素缺乏在PMO 发病中的作用机制研究进展

李立军 综述，倪东馗 审校

（天津医科大学第二医院骨科，天津 300211）

近年来，骨质疏松症已成为危害老年人健康的重大公共卫生问题。我国50 岁以上女性人群骨质疏松症患病率为20.7%，60 岁以上女性人群骨质疏松症患病率明显增加[1]。中年女性骨质流失的主要危险因素是绝经期的到来，特别是在绝经期后的最初5 年骨量丢失极快，是骨质疏松的高发期。绝经后骨质疏松症（PMO）是由于女性雌激素缺乏介导的骨质疏松症。雌激素缺乏通过多重机制调控骨重塑，包括通过雌激素受体（ER）调控成骨细胞、破骨细胞的增殖及活性；通过激活氧化应激，在骨微环境中调控细胞内信号的传递，调节许多基本的细胞过程[2]，如增殖、分化、凋亡；通过调节T 细胞和B 细胞的激活和调节骨转换的细胞因子的产生，诱发免疫反应，调控骨重塑[3]。因此，本综述旨在概述雌激素缺乏对骨重塑的直接调控机制以及雌激素缺乏诱发氧化应激和免疫反应调控骨重塑的机制。

1 雌激素对骨重塑的直接调控作用

骨骼是一个动态的结构，是由不断重复并相互耦联的骨吸收和骨形成过程维持，即“骨重塑”[1]。雌激素是骨稳态的重要调节因子。其通过两种受体发挥作用，即ER α 和ERβ。ERα 在骨代谢调节中更为重要。雌激素通过与ERα 结合，诱导成骨细胞中Fas配体（FasL）的转录，激活破骨细胞Fas/ FasL 通路，同时，雌激素增加了基质金属蛋白酶3（MMP3）的转录，FasL 被MMP3 从细胞表面分裂，形成可溶性FasL，从而诱导破骨细胞凋亡[4]。雌激素通过与ERα结合，促进间充质干细胞（MSCs）向成骨细胞前体细胞的方向增殖和分化，同时增加成骨细胞的活性。

在生理条件下，骨重塑特别是骨吸收受到核因子κB 受体活化因子-核因子κB 受体活化因子配体-骨保护素（RANK-RANKL-OPG）信号通路的严格调控。据报道，雌激素可同时增加OPG 和RANKL的表达，但与RANKL 相比，OPG 表达持续的时间更长，从而导致更大的OPG/RANKL 比值[5]。雌激素缺乏将降低OPG/RANKL 比值，导致破骨细胞活性增加，破骨增多。

骨重塑开始于破骨细胞对骨的重吸收。长期以来骨内衬细胞一直被认为是雌激素调控骨吸收的“守门人”，可直接控制破骨细胞的骨吸收[6]。OVX 大鼠及小鼠实验研究显示，雌激素主要通过靶向骨内衬细胞中RANKL 的表达来调节骨代谢，在雌激素缺乏状态下观察到的骨吸收增加主要是由于ERα介导的对骨内膜细胞中RANKL 表达的抑制作用减弱所致。实验表明，雌激素主要通过以ERα 依赖的方式，调节骨内衬细胞中RANKL 的表达，从而调节骨转换[6]。

2 雌激素缺乏与氧化应激

2.1 骨重塑中的氧化应激 氧化应激是指由于活性氧簇（ROS）的产生和抗氧化反应之间的不平衡，过量的自由基压倒了机体的正常抗氧化能力，造成脂质氧化、细胞膜结构改变、蛋白质和核酸氧化，导致细胞的损伤，最终影响细胞功能[7-8]。ROS 的积累已被确定为雌激素缺乏诱导的骨丢失的重要通路。有研究报道，绝经后妇女血清丙二醛（MDA）、4-羟基烯醛和氧化脂蛋白水平高于育龄妇女，提示绝经后妇女体内氧化应激水平升高[5]。ROS 是一种高活性分子，由多种化学物质组成，包括自由基氧和非自由基氧，如超氧化物、过氧化氢和羟基自由基。在这些物质中，过氧化氢的氧化活性和稳定性最高，可能在细胞内信号的传递中发挥重要作用，如增殖、分化、凋亡、修复过程和炎症[2]。

氧化应激及其诱导的分子和细胞机制被认为是骨质疏松的重要发病机制，在骨丢失中发挥关键作用。氧化应激可改变骨重塑过程，导致破骨细胞和成骨细胞活性的不平衡，这可能导致骨质疏松和代谢性骨疾病。骨稳态依赖于不同骨骼细胞功能之间的平衡，氧化应激被认为是影响骨稳态和骨密度的一个重要因素。氧化还原状态的变化也与骨重塑过程有关，骨重塑过程通过骨细胞、成骨细胞、破骨细胞的协同作用实现骨再生。ROS 诱导成骨细胞和骨细胞凋亡，有利于破骨的发生，抑制矿化和骨的形成。过度的骨细胞凋亡与氧化应激相关，导致破骨细胞生成的失衡，从而导致骨重塑和骨丢失的周转率增加[2]。

2.2 雌激素缺乏增加ROS 的产生 雌激素具有抗氧化作用，可阻止过多ROS 的产生。绝经后女性雌激素水平下降，可能导致细胞内还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶的增加。NADPH氧化酶是一种完整的膜蛋白，可使电子从膜一侧的NADPH 传递到另一侧，传递到氧气上，产生过氧化氢。NADPH 氧化酶家族包含7 种亚型，其中NOX4是体内ROS 的重要来源[9]。现已证实转化生长因子β（TGFβ）是一种NOX4 表达的强诱导剂。

另一项研究显示，雌激素通过对p66shc 的影响，调控ROS 的产生。p66shc 是shcA 适配器蛋白家族的一种亚型，在线粒体ROS（mtROS）的生成中发挥关键作用，p66shc 能够放大线粒体产生ROS 的作用[10]。P66shc 通过蛋白激酶C（PKC）β 的磷酸化而被激活。研究发现，雌激素可以阻断PKCβ 磷酸化p66shc 的能力，从而限制ROS 的产生。雌激素缺乏状态下，p66shc 的活性增强，从而使线粒体ROS 的产生增多。因此，在雌激素缺乏的情况下，由于线粒体和（或）过氧化物酶体产生更多的ROS，或抗氧化系统的有效性降低，或两者兼有，最终造成细胞的氧化状态[11]。

2.3 ROS 在破骨细胞增殖中发挥重要作用 ROS可作为第二信使参与核因子-κB、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）和Ca2+介导的信号通路[12]。有证据表明，ROS 通过介导了核因子κB 抑制因子（IκBα）的磷酸化和降解，激活核因子-κB，而不是通过过氧化氢直接激活核因子-κB 的表达，促进破骨细胞增殖。在破骨细胞中，主要是由过氧化氢介导MAPK的激活，促进破骨细胞增殖。ROS 通过几种不同的方式影响细胞内腔室中Ca2+存储的动员。ROS 介导的信号通路诱导活化T-细胞核因子1（NFATc1）的初始激活，在低水平转录破骨细胞特异性基因，产生早期的破骨细胞分化。破骨细胞分化后期，在早期分化中最初被激活的通路仍然存在，ROS 的产生在此时达到峰值，于此同时细胞Ca2+水平达到高值。ROS 的增加最终导致NFATc1 的自动扩增以及大量基因和破骨细胞特异性基因的转录增加，促进破骨细胞的持续增殖[13]。

3 雌激素缺乏与免疫反应

3.1 雌激素缺乏的促炎作用机制 大量证据表明，雌激素缺乏引起机体免疫功能改变，体内多种细胞因子介导的免疫反应加剧[6]。绝经后妇女通常经历的潮热及体重增加均与低级别全身炎症相关，表现为较高水平的循环白细胞介素（IL）-8 和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）[14]。没有其他促炎疾病的绝经后妇女的IL-1、IL-6 和TNF-α 水平高于绝经前妇女[15]。

在T 淋巴细胞中，CD4+T 细胞表达的ERα 水平高于ERβ，而B 淋巴细胞表达的ERβ 水平高于ERα。雌激素调控T 细胞和B 细胞中的作用主要是由ERα 介导的，尽管B 细胞中ERβ 的表达较高[16]。

在炎症过程中，免疫系统的细胞，如T 细胞、B 细胞、巨噬细胞或树突状细胞，被激活并产生炎症细胞因子，这是骨免疫学中最重要的介质之一。部分细胞因子刺激破骨细胞，也有些细胞因子具有抗破骨细胞作用[17]。活化的T 细胞产生骨吸收细胞因子，如TNF-α 和RANKL 是破骨细胞发生的主要刺激因子。活化的T 细胞在骨质疏松症的发生中起重要作用[17-18]。

有证据表明，B 细胞直接参与了骨吸收的调节，是RANK/RANKL/OPG 系统的活跃调节因子[19]。B 细胞系，而不是成骨细胞系，可能是骨微环境中OPG的主要来源，另一方面，最近已经证明B 细胞被激活后能够过表达RANKL[3]。T 细胞通过共刺激分子CD40L 和CD40 向B 细胞发出信号，调控破骨细胞形成，调节骨稳态[3]。

3.2 免疫反应对破骨细胞的影响 雌激素缺乏通过下调基质细胞产生的TGF-β，间接调节T 细胞中TNF-α 和γ-干扰素（INF-γ）的产生[16]。此外，雌激素缺乏通过增加IL-7 的产生，上调T 细胞IFN-γ和TNF-α 的分泌[16，20]。对于T 细胞亚群，雌激素可减弱IL-17 和RANKL 分泌辅助性T 细胞（Th17），同时诱导调节性T 淋巴细胞（Treg 细胞）中FOXP3的表达，刺激TGF-β、IL-4 和IL-10 的活性和分泌[16]。雌激素缺乏上调TNF-α 产生的另一种解释是通过刺激编码Ⅱ类反激活因子（CⅡTA）的基因，增加巨噬细胞中MHCⅡ的呈递，从而激活T 细胞分泌TNF-α[16]。

TNF-α 间接诱导破骨细胞形成，刺激骨髓基质细胞产生RANKL 和巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF），间接增加破骨细胞的生成[21]。TNF-α 还与RANKL协同作用，通过增加破骨细胞前体的RANK 表达，从而改善破骨细胞的发生[22]。TNF-α 还能减少成骨细胞OPG 的释放，从而间接刺激破骨细胞的发育和功能[17]。

IFN-γ 对破骨细胞分化的作用有争议，因为它可以抑制或刺激破骨细胞的形成。IFN-γ 可以通过诱导TNF 受体相关因子6（TRAF6）等蛋白的降解，或通过避免细胞分化，来阻断RANK 介导的破骨细胞激活[16，23]。然而，IFN-γ 也可以通过诱导T 细胞产生RANKL 和TNF-α 来间接刺激破骨细胞的发生[24]。

IL-7 是骨髓和胸腺基质细胞产生的细胞因子，通过直接和间接的作用刺激破骨细胞形成。IL-7 通过与破骨细胞前体中的IL-7R 结合，并通过信号转导与转录激活因子（STAT）5 促进破骨细胞的形成[25]。IL-17 是主要由人类Th17 产生的细胞因子，是T 细胞亚群（Th17 细胞、CD4+T 细胞）的标志性细胞因子，它通过上调RANKL 来诱导的OCs 形成，促进骨吸收[3，17]。

还有其他的细胞因子，如IL-6、IL-11、IL-15 和IL-17 参与雌激素缺乏介导的骨丢失，单独或相互协同作用，参与甚至独立于RANKL/RANK 发挥作用。

3.3 免疫反应对成骨细胞的影响 免疫系统对成骨的调控作用还没有完全明确。细胞因子IL-1、IL-17、TNF-α 和IFN-γ 对成骨细胞分化的作用存在着相互矛盾的结果[26]。有研究发现，细胞因子IL-6 也可以通过抑癌素M（OSM）-STAT3 信号通路诱导成骨，提示一定水平的炎症可以启动成骨细胞分化[26]。此外，在体外细胞实验发现，激活IFN-γ 和TNF-α后，MSCs 的旁分泌作用显著改变，IL-6、肝细胞生长因子、血管内皮生长因子和TGF-β 的分泌水平显著升高，促进成骨细胞的增殖和迁移，并刺激成骨细胞的成熟和矿化[27]。

MSCs 和巨噬细胞之间的细胞间接触导致前列腺素E2（PGE2）的产生，并通过巨噬细胞上的EP2/4受体诱导OSM 的产生。OSM 通过MSC 上的OSM和白血病抑制因子（LIF）受体激活STAT3 磷酸化，并启动成骨细胞分化基因程序。STAT3 信号通路也会导致OSM 受体的上调，以放大其作用[28]。PGE2已被证明可直接促进成骨细胞分化。随着巨噬细胞从M1 到M2 的极化，从M1 介导的炎症微环境到M2介导的再生微环境的转化，这种转化是骨形成的必需部分[29]。

M2 巨噬细胞来源的因子，如BMP2 和TGF-β，可促进成骨细胞分化并增加骨矿化[26]。细胞因子IL-23、IL-17、TNF 和TGF-β，这些因子与基质和造血前体细胞接触，通过骨细胞的转录激活来促进骨形成[30]。一些促炎细胞因子包括TNF 和IL-23 调控NFATc1 的激活。虽然破骨细胞中的NFATc1 会诱导成骨细胞的骨丢失，当小鼠表达NFATc1 变异体（NFATc1nuc）时，发展为诱导骨形成[30]。

3 结语

更年期导致的雌激素减少给女性带来了生理上的挑战，因为雌激素的快速减少，雌激素对骨骼保护作用显著减弱。骨质疏松带来了脆性骨折的风险，导致绝经后女性椎体、髋关节和其他部位受到轻微损伤而发生脆性骨折的风险明显增高。雌激素缺乏通过诱发多重机制联合作用引起骨重塑的失衡。相应的骨重塑的不利变化偏向于骨吸收的增加，是引起绝经后骨质疏松症的主要因素。这些机制是进行干预的潜在途径。例如，抑制破骨细胞的药物、促进成骨活性的药物、激素替代疗法以及具有抗氧化剂和抗炎活性的植物雌激素，都是预防绝经后骨质疏松症的有效方法。随着科学研究的持续深入，未来会逐步揭示绝经后骨质疏松症发生、发展更深层次的分子生物学机制，为新的药物研发及骨质疏松治疗提供精准治疗靶点。