脂肪因子调控骨代谢作用研究进展

韩升龙 孔令俊 邓叶龙 李万潭 李想 张金磊

1.甘肃中医药大学,甘肃 兰州 730000 2.甘肃省中医院,甘肃 兰州 730050

肥胖已成为全球突出的健康问题,并与骨质疏松症(osteoporosis,OP)等许多慢性骨代谢异常疾病密切相关[1-2]。人体内能量摄入超过能量消耗导致脂肪组织(adipose tissue,AT)过度积累就会发生肥胖。当AT达到其能量最大储存能力时,就会释放脂肪因子如内脂素、网膜素-1(Omentin-1)、趋化素(Chemerin)、脂钙素-2(lipocalin 2,LCN2)、Vaspin、视黄醇结合蛋白-4(RBP-4)、奈斯法汀-1(Nesfatin-1)、Apelin和脂联素(APN)等,导致异位脂质沉积在肝脏、骨骼肌等组织中,影响骨代谢相关疾病的发展[3-5]。而成骨细胞(osteoblast,OB)介导的骨形成和破骨细胞(osteoclast,OC)介导的骨吸收之间的平衡是骨代谢保持稳态的原因。但目前关于脂肪因子与骨代谢疾病之间联系的分子机制还不清楚,因此,深入研究脂肪因子作用于骨骼细胞的分子机制意义重大,可以为骨代谢疾病提供新的治疗靶点。本研究通过查阅大量国内外研究文献,就脂肪因子与骨代谢疾病作用机制做一总结,以期为后续临床治疗骨代谢疾病提供新思路与基础。

1 脂肪因子同时调控OB、OC影响骨代谢

1.1 内脂素同时调控OB、OC影响骨代谢

内脂素也称为前B细胞集落增强因子(pre-B cell colony-enhancing factor,PBEF)或烟酰胺磷酸核糖转移酶(nicotinamide phosphoribosyltransferase,NAMPT),主要由内脏脂肪组织合成[6]。内脂素具有促进血管内皮细胞生长[7]、抑制细胞凋亡[8]的作用。其对于骨稳态作用主要通过靶向抑制OC介导的骨吸收和OB介导的骨形成来影响骨代谢。研究发现内脂素通过抑制核因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)受体激活蛋白(receptor activator of NF-κB,RANK)、活化T细胞-c1(nuclear factor of activated T cells-c1,NFATc1)、组织蛋白酶-K(Cathepsin-K)和核因子标志物的产生,抑制OC前体分化为酒石酸盐抗酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatase,TRAP)阳性多核细胞,从而抑制OC形成[9]。内脂素诱导胰岛素受体底物1(insulin receptor substrate 1,IRS1)和胰岛素受体底物2(insulin receptor substrate 2,IRS2)以及人OB中胰岛素受体的酪氨酸磷酸化来促进OB增殖,当敲低小鼠骨髓基质细胞内脂素水平会抑制OB形成[10],这与降低关键OB标志物碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)和Runt相关转录因子2(Runx2)的矿化和表达活性有关。国外一项临床研究表明,绝经后骨质减少和OP妇女的血清内脂素水平低于非OP妇女,提示内脂素是腰椎和髋部骨密度(bone mineral density,BMD)的独立阳性预测因子[11]。

1.2 Omentin-1同时调控OB、OC细胞影响骨代谢

Omentin-1也称intelectin-1,其主要在脂肪组织的基质血管细胞中表达。已发现Omentin-1具有重要的抗炎、抗氧化、抗凋亡和保护骨稳态的作用[12]。Omentin-1与促炎因子白细胞介素6(interleukin-6,IL-6)和肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor α,TNF-α)等的水平呈负相关,当促炎因子IL-6、TNF-α异常升高,OC形成和骨组织破坏增加、成骨活性受损。静脉注射腺病毒递送的Omentin-1给卵巢切除术(OVX)诱导的OP小鼠后,小鼠骨强度明显增强[13],深入研究发现Omentin-1通过下调促炎因子IL-6、TNF-α刺激骨保护素(osteoprotegerin,OPG)的产生和减少OB中核因子κB配体(Receptor activator of NF-κB ligand,RANKL)受体激活剂的分泌抑制OC分化保护骨骼。另一项研究表明,Omentin-1通过增加与骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)、Runt相关因子1(Runx1)、胶原蛋白1、骨桥蛋白(osteopontin,OPN)、骨钙素(osteocalcin,OCN)和骨质mRNA蛋白表达,使MC1T2-E1中的转化生长因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)/信号转导蛋白(Smad)信号通路激活促进OB分化保护骨骼[14]。动物实验研究发现,敲除小鼠体内Omentin-1后,小鼠骨折愈合延迟,同时炎症和OC形成增加,血管生成减少[15]。临床试验也证实,Omentin-1与绝经后女性的BMD呈显著的正相关关系,并且也是髋部BMD的强预测因子[5]。

1.3 Chemerin同时调控OB、OC影响骨代谢

Chemerin也称为视黄酸受体应答因子2(Rarres2)或他扎罗汀诱导基因2(TIG2),于1997年由Nagpal等在研究银屑病时发现[16]。进一步研究发现,Chemerin是一种由脂肪组织和肝脏分泌的14-kDa蛋白[17],其主要通过与其受体趋化因子样受体1(Chemokine-like receptor 1,CMKLR1)结合发挥生物学功能[18]。Chemerin对于骨细胞作用是通过抑制Wnt/β-连环蛋白(Wnt/β-catenin)信号传导来影响重塑周期,减少OB分化,并通过激活RANK信号刺激OC分化和增殖[19]。深入研究表明,在体内Chemerin与CMKLR1结合影响关键成脂和成骨转录因子趋化因子样受体5(Chemokine-like receptor 5,CMKLR5)和组织蛋白酶K mRNA表达水平升高,限制OB Wnt信号传导,导致骨质流失增加;在体外Chemerin通过细胞外信号调节激酶63(extracellular signal-regulated kinase-63,ERK63)磷酸化诱导成熟OC的骨吸收活性增加加速骨破坏。最近国外一项研究发现,敲低小鼠Chemerin可导致MC64T3-E3和Raw1.264细胞中成骨形成相关基因表达增强和破骨形成相关基因表达抑制,使小鼠BMD、骨小梁厚度增加[20]。另一项国内研究表明,当血清Chemerin增高后,导致OC活性增加,加速OP进展[21]。

1.4 LCN2同时调控OB、OC影响骨代谢

LCN2是一种OB衍生的新型脂肪因子,由198个氨基酸组成,也被称为中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白(neutrophil gelatinase-associated lipocalin,NGAL)[22],可参与包括细胞凋亡、细胞分化、代谢稳态等多种生理功能[23]。LCN2的过度表达会损害OB的分化并增加OC形成,最终导致骨骼脆性。研究发现,LCN2对骨代谢的调节可能与成纤维细胞生长因子23(function of fibroblast growth factor 23,FGF23)的表达相关,FGF23是一种重要的骨因子,主要来源于骨骼和骨髓。FGF23刺激骨细胞中环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)信号传导激活,使肾脏中产生过量LCN2[24],同时LCN2过表达刺激RANKL和IL-6的产生,导致OC形成增加和OB分化减少[25],加重骨骼疾病进展。因此,通过抑制FGF23降低LCN2水平可作为改善慢性骨代谢疾病结局的治疗方法。Cervellati 等[27]进行动物实验发现,与野生型(WT)小鼠相比,LCN2缺失小鼠全身骨质明显减少,表现出较低的小梁骨体积、较少的小梁数目,骨表面的OB数量较低,骨形成率显著降低,而OC数量改变不明显。国外一项临床研究也证实[26],LCN2与绝经后妇女的BMD呈负相关,并且这种作用受到IL-6水平的影响。

2 脂肪因子调控OB影响骨代谢

2.1 Vaspin调控OB影响骨代谢

Vaspin是一种新型脂肪因子,来源于内脏脂肪组织,是丝氨酸蛋白酶抑制剂家族的成员,具有抗炎、抗细胞凋亡、促细胞自噬活性的作用[28-29]。近年来关于Vaspin调节骨代谢的研究越来越多,研究认为Vaspin对人OB影响可通过激活丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)/ERK信号通路上调Bcl-2和下调Bax来抑制OB凋亡来实现[4]。Ma等[30]在研究Vaspin缓解长链非编码RNA淋巴增强因子1-反义RNA1(LncRNA LEF1-AS1)诱导血管平滑肌细胞(VSMCs)成骨分化作用中发现,Vaspin能消除LEF1-AS1介导的VSMCs成骨表型转换调控Hippo/YAP通路加速VSMCs的成骨分化,加速骨形成。在体内,用Vaspin治疗喂食高脂肪饮食(HFD)的小鼠时发现,Vaspin能明显改善小鼠全身代谢状态、减轻小鼠体重、增强小鼠骨强度,同时还上调成骨相关基因Runx2、Osx、Colla1的mRNA表达及Runx2、Smad2/3、p-Smad2/3的蛋白表达[31]。一项横断面临床研究证实,Vaspin与绝经后妇女BMD之间存在正相关性[32]。

2.2 RBP-4调控OB影响骨代谢

RBP-4作为新型脂肪因子,有抗炎、促进VSMC增殖的作用[33]。研究发现RBP-4可促进OB分化影响骨代谢[4]。动物实验表明RBP-4参与小鼠长骨生长,特别是肢体继发性骨化中心的形成[34]。国外一项临床试验证实,原发性OP患者RBP-4与不同部位BMD呈正相关性,是OP的显著预测因子[35]。

3 脂肪因子Nesfatin-1调控OC影响骨代谢

Nesfatin-1是一种源自前体蛋白核苷蛋白-2(NUCB2)的氨基酸多肽,于2006年在大鼠下丘脑中首次发现[36]。已知Nesfatin-1有抗炎、抗氧化、抗凋亡的作用[37-38]。而骨代谢异常常与OC过度增殖有关。研究表明,Nesfatin-1可刺激骨矿化并抑制OC形成,经Nesfatin-1治疗可使已确诊骨质减少的雌性OVX大鼠骨强度明显增加[39],这可能与Nesfatin-1调节了RANKL与OPG之间的关系抑制了OC的活性有关。当通过腹腔内注射给予OVX诱导骨质减少大鼠持续8周的Nesfatin-1治疗,可减轻大鼠胫骨和股骨双能X线吸收法(dual energy X-ray absorptiometry,DXA)参数的不良变化,增强骨密度[40]。另一项评价Nesfatin-1对大鼠肱骨力学影响的研究发现,给予Nesfatin-1后,在各种机械负荷刺激下测得的大鼠骨强度参数增加[41]。但目前尚缺乏其影响骨代谢的临床研究,临床研究者或可加强这方面研究寻求靶向药的研发。

4 脂肪因子调控骨髓间充质干细胞(bone marrow stem cells,BMSCs)影响骨代谢

4.1 Apelin调控BMSCs影响骨代谢

Apelin是一种内源性的脂肪因子,在包括骨髓组织在内的多种组织中表达,参与骨稳态的调节[42]。其对骨稳态的调节是通过影响BMSCs分化增强OB生成和抑制OB凋亡来实现。Apelin在BMSCs的成骨过程中不断表达,通过激活Wnt/β-catenin信号通路表达,诱导BMSCs的成骨分化促进骨形成发生[43],Wnt/β-catenin信号通路是介导Apelin参与骨形成的关键途径。Apelin-13是Apelin的一种异构体,据报道,经局部注射Apelin-13处理大鼠胫骨截骨模型后,发现缺损大鼠胫骨骨愈合明显加强[44],其作用机制就是Apelin-13促进Wnt/β-catenin信号通路表达显着上调了BMSCs中成骨特异性基因和蛋白质的表达,增强了成骨细胞分化加速了骨表面矿物质沉积。在Apelin-13缺陷小鼠中,观察到Wnt/β-catenin信号通路相关分子和胶原成熟相关基因loxl3和loxl4的表达明显降低[45]。临床试验也表明[46],Apelin-13与OP患者BMD呈正相关性。另有研究表明,Apelin通过与其内源性配体G蛋白偶联受体APJ相结合,形成Apelin/APJ系统,激活PI3K/Akt信号通路,加强c-Jun N端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)磷酸化后,促进OB增殖维护骨稳态[47]。

4.2 APN调控BMSCs影响骨代谢

APN是主要的脂肪因子之一,在骨骼肌重塑[48]、上皮细胞修复[49]、造血干细胞分化[50]等方面发挥至关重要的作用。APN信号传导在骨稳态中的作用复杂,通过与其具有酶活性的两种受体AdipoR1和AdipoR2结合发挥促进骨形成、抑制骨吸收的作用。研究发现,APN缺乏小鼠骨量明显减少,当APN与其受体AdipoR1、AdipoR2结合体激活可促进小鼠前OB增殖和BMSCs的成骨作用,并通过抑制骨髓微环境中RANKL/OPG比率及NF-kB和p38信号通路来抑制OC形成[51-52],发挥维持骨稳态的作用。但另一项临床研究发现[53],OP患者的APN水平较低,OP合并骨质减少女性患者的APN与T评分呈极强的负相关关系,这与本研究内容相反。

5 小结与展望

慢性骨代谢异常相关疾病(如OP)严重影响人民的生命健康,给当今社会发展造成的负担日益加重。由相关脂肪组织产生的脂肪因子被证实与骨代谢疾病的发展密切相关,它们可通过促进BMSCs分化为OB的能力、加强OB介导的骨形成、抑制OC介导的骨吸收保护骨稳态,发挥治疗骨代谢异常疾病的作用。目前临床上关于骨代谢异常疾病的治疗也多从抗骨吸收与促骨形成入手,病情严重导致脆性骨折发生则通过手术配合药物治疗的方式达到治疗目的。但目前临床使用药物缺少靶向促进、抑制剂,而不同脂肪因子对于骨代谢异常疾病作用的靶点不同,可以针对不同靶点途径发挥促进骨形成、抑制骨吸收的作用,进而治疗OP等骨代谢异常疾病。因此,未来临床药物研发中或可结合现代新型科学技术,如大数据和基因工程等配合循证医学方法加强脂肪因子靶向药物的研发,为骨代谢异常患者治疗提供新药物,为临床治病提供新思路和新方法。但这需要进一步的基础实验来探索和临床试验来验证。