糖皮质激素诱导骨质疏松发病机制的研究进展

周于琳 冯正平

重庆医科大学附属第一医院内分泌科，重庆 400016

骨质疏松症是一种常见的全身性骨骼疾病，导致骨量减少、骨骼脆性增高，高血浆皮质醇水平、绝经后妇女、高龄等人群有更高的骨折风险。糖皮质激素诱导骨质疏松(glucocorticoid-induced osteoporosis，GIOP)是常见的继发性骨质疏松症之一，表现为骨形成减少、骨吸收增加。当皮质醇增多的原发性疾病治愈或停止使用糖皮质激素后，骨折风险迅速降低[1]。本文对近年来糖皮质激素诱导骨质疏松的分子机制作一综述，旨在为临床更好地防治GIOP提供参考。

1 糖皮质激素对成骨细胞的影响

成骨细胞主要由内外骨膜和骨髓基质内的间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSC)分化而来，起着促进骨形成的作用。迄今研究表明，糖皮质激素可影响成骨细胞分化、增殖及凋亡。

1.1 Wnt/β-catenin信号通路

Wnt蛋白与细胞表面受体结合，信号转导入胞内抑制糖原合成激酶3β(GSK3β)，使β-catenin向细胞核移动，与转录因子TCG/LEF结合启动转录，正向调控成骨细胞分化。研究显示[2-4]，生理量糖皮质激素诱导下，小鼠成骨细胞内Wnt9a、Wnt10b表达上调，激活Runx2和Osx，促进成骨细胞分化。超生理量糖皮质激素显著降低了小鼠成骨细胞内Wnt16水平，同时增强Wnt信号通路的拮抗蛋白(如Sost、Dkk1、sFRP-1)及负性调节因子Axin-2的表达，抑制成骨细胞分化。

1.2 BMP/Smads信号通路

骨形成蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)是诱导骨形成的主要因子。BMP与细胞表面跨膜受体结合并募集Smad1/5/8，转至核内调节下游基因表达，诱导成骨细胞分化。Huang等[5]证实，糖皮质激素通过降低成骨细胞内BMP2/6/7、Smad1/5/8的水平，抑制BMP/Smads信号通路传导，阻碍成骨细胞分化。

1.3 Notch信号通路

Notch信号的传递主要需要Notch受体(Notch1/2/3/4)、配体(如Jagged1/2、DLL1/3/4)及细胞内效应器的共同作用。Notch受体与配体结合，Notch受体胞内结构域自细胞膜易位至细胞核，与免疫球蛋白κJ区的重组信号结合蛋白相结合，激活编码抑制性转录因子的Hes/Hey家族表达，抑制成骨细胞分化。Zanotti等[6]证实，超生理量的糖皮质激素刺激小鼠成骨细胞内Notch受体(主要指Notch1/2)过度表达，Hes1、Hey1等活化增强，阻碍成骨细胞分化；生理量糖皮质激素作用下，Hey1/L等表达受抑制，则有利于成骨细胞分化。这说明Notch信号通路受糖皮质激素影响，一旦超过生理量，则过度激活该信号，减少成骨细胞分化，抑制骨重塑。

1.4 PI3K/Akt信号通路

磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)是一种脂质激酶，可激活软骨内骨化调节因子蛋白激酶B(Protein Kinase B，Akt)与BMP2共同调节成骨细胞分化。Chen等[7]观察到，PI3K/Akt通路激活后，BMP2、ALP等骨形成标志物表达上调，促进成骨细胞分化和增殖。而地塞米松处理后的小鼠，成骨细胞内PI3K、Akt磷酸化及抗凋亡蛋白Bcl2减少，GSK3β上调，成骨细胞凋亡增多[8]。

1.5 成骨细胞铁死亡

铁死亡是依赖于铁介导的氧化损伤的一种新型细胞死亡形式，其发生与谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)受抑制密切相关。近年来，大量研究探索了铁死亡与骨稳态的关系，证实了铁死亡参与了糖尿病性骨质疏松、癌性骨病、骨关节病等的发生，并认为调控铁死亡是骨病治疗潜在方向。目前研究表明，糖皮质激素可能通过诱导成骨细胞发生铁死亡参与骨质疏松的发生发展。研究发现[9-10]，暴露于地塞米松的MC3T3-E1细胞中铁蛋白重链、GPX4及具有抗氧化作用的胱氨酸/谷氨酸逆向转运蛋白SLC7A11减少，环氧合酶2增加，导致细胞内活性氧(reactive oxidative species，ROS)含量增高，促进细胞内铁死亡，成骨细胞凋亡增加，但使用铁死亡抑制剂Fer-1后，成骨细胞凋亡显著减少，证明了铁死亡在GIOP中的重要作用。

1.6 成骨细胞自噬

自噬是细胞实现细胞自身代谢及细胞器更新的进程。近年研究证实，自噬影响骨代谢，在绝经后骨质疏松、骨硬化症等骨骼疾病中有重大意义，在GIOP中也发挥重要作用。

自噬空泡具有分泌磷灰石晶体的载体作用，参与成骨细胞矿化。在GIOP中，糖皮质激素过度激活自噬，导致了成骨细胞凋亡增加，成骨细胞矿化减少[11]。陈俊名等[12]发现，随着地塞米松浓度增高，MC3T3-E1细胞增殖能力逐渐减弱，凋亡增多，并且胞内自噬小体及自噬调控蛋白Beclin-1、LC-3B、NCOA增多，p62减少。使用自噬抑制剂3-MA后[13-14]，Liu等[13]发现MC3T3-E1细胞凋亡减少；Han等[14]则观察到MC3T3-E1细胞凋亡反而增加，这可能表明一定强度的自噬对于骨骼具有保护作用，自噬过度增强或减弱都不利于成骨细胞分化、增殖。

1.7 外泌体与成骨细胞

外泌体是胞内体与细胞膜融合释放到细胞外基质的膜性囊泡，含有大量的蛋白分子、DNA、RNA、mRNA、miRNA，吞入细胞后可介导细胞间信号传递。近年来，外泌体对骨代谢影响的研究逐渐深入。

既往研究发现，在糖皮质激素诱导下，成骨细胞中miR-199a-5p显著增多，并通过靶向Wnt信号，抑制成骨细胞分化；近期临床研究也发现[15]，糖皮质激素治疗后类风湿关节炎患者血清内miR-199a-5p水平明显增高，进一步证实了糖皮质激素促进miR-199a-5p表达。Garcia等[16]研究中，成骨细胞来源的miR-433-3p具有靶向减少11β-羟基类固醇脱氢酶1(11β-hydroxysteroid dehydrogenase，11β-HSD1)的作用，但在糖皮质激素诱导下，miR-433-3p减少，11β-HSD1增多，导致细胞内活化糖皮质激素的水平增高，骨质破坏加重。以上研究证实，糖皮质激素可能通过调控不同类型外泌体表达水平，促进GIOP发生发展。

2 糖皮质激素对MSC分化的影响

MSC是成骨细胞及脂肪细胞的共同祖细胞，研究发现，糖皮质激素可能通过外泌体及FoxO通路等影响其分化[17]。

2.1 FoxO-β-catenin-PPARγ信号轴

氧化应激介导的FoxO-β-catenin-PPARγ信号轴的平衡对MSC分化具有重要作用，糖皮质激素促进氧化应激，抑制Wnt信号通路，同时也上调PPARγ及KLF15、C/EBPα、aP2等脂肪细胞生成相关蛋白的表达[18-19]，使MSC分化的“天秤”向脂肪细胞倾斜，导致成骨细胞分化相对减少。

2.2 外泌体与MSC

研究显示[20-21]，在GIOP模型小鼠中，MSC来源的miR-708高表达并靶向作用于Smad3，Let-7f-5p表达则受抑制，并伴有成骨相转录因子Runx2、Osx及骨形成标志物ALP、OCN、PINP等的降低，均提示MSC的成骨细胞分化减少，表明糖皮质激素可能通过调控外泌体表达抑制MSC的成骨细胞分化。

综上所述，糖皮质激素通过多种信号通路、细胞自噬、外泌体等分子机制调控成骨细胞分化、增殖、凋亡，从而抑制骨形成。

3 糖皮质激素对破骨细胞的影响

破骨细胞是来源于造血干细胞的组织特异性巨噬细胞，其增殖与活化是GIOP早期骨吸收明显增强的原因。

3.1 RANK/RANKL/OPG信号通路

早在20世纪90年代末，核因子κB受体活化因子配体(receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL)及其受体RANK在调节破骨细胞形成和活性方面的重要性就已经在RANKL缺失小鼠中得到证实。骨保护素(osteoprotegerin，OPG)作为RANKL的诱饵受体，可阻止RANK与RANKL结合，维持骨量[22]。糖皮质激素通过刺激成骨细胞和骨细胞分泌RANKL，抑制OPG分泌，促进破骨细胞分化，增强骨吸收[23-24]。

3.2 MAPK信号通路

丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)信号通路是RANK/RANKL信号通路的下游通路，MAPK的亚家族成员包括ERK、JNK、p38。Zhu等[25]证明，地塞米松处理后，小鼠破骨细胞内磷酸化的ERK、JNK、p38明显增多，破骨细胞活性增强。也有研究认为[26]，ERK在糖皮质激素诱导下活化受到抑制，通过影响成骨细胞间接调控破骨细胞分化，在超生理量糖皮质激素诱导下，PI3K/AKT信号通路、Wnt/β-catenin信号传递被抑制，间隙连接蛋白-43去磷酸化增强，ERK1/2活化受阻，成骨细胞内活化的ERK1/2减少，一方面，无法介导活化下游成骨相关转录因子，抑制成骨细胞分化；另一方面，去磷酸化的ERK1/2刺激成骨细胞分泌RANKL，促进破骨细胞分化，最终导致骨质疏松发生。

3.3 氧化应激

ROS在细胞传导及机体内环境稳定中具有重要作用。糖尿病性骨质疏松、类风湿性关节炎等骨病中均发现了ROS的过度表达。Hua等[27]发现，糖皮质激素增强促凋亡蛋白Bim、Bak表达，促进钙内流，诱导富含脯氨酸的酪氨酸激酶2(proline-rich tyrosine kinase 2，pyk2)、JNK活化，进而激活p66Shc激酶，导致ROS累积，增加成骨细胞、骨细胞及破骨细胞凋亡，但凋亡的细胞释放更多的细胞因子，诱导破骨细胞募集。但Sato等[28]指出，pyk2具有抑制破骨细胞凋亡的作用，并在pyk2基因缺失的小鼠中观察到，糖皮质激素诱导下的骨量丢失减少。以上研究表明，糖皮质激素促进氧化应激，对成骨细胞及破骨细胞均有一定促凋亡作用，但其通过诱导pyk2活化延长破骨细胞寿命，以凋亡细胞所释放细胞因子促进破骨细胞募集，最终表现出对破骨细胞功能维持的正向作用，促进骨吸收，破坏骨稳态。

3.4 破骨细胞自噬

部分研究探索了糖皮质激素诱导下自噬在破骨细胞分化中的作用，Lin等[29]选择性删除破骨细胞前体中的自噬相关基因7后，糖皮质激素诱导的小鼠骨吸收减轻，由此推测糖皮质激素具有诱导自噬以促进破骨细胞分化的作用。

3.5 破骨细胞与外泌体

除了对成骨细胞及MSC来源外泌体影响外，也有研究表明[30]，RANKL诱导分化的破骨细胞前体细胞RAW 264.7的外泌体中miR-23a-5p表达水平增高，参与抑制成骨细胞活性，并证明了其靶基因为Runx2。既往研究已肯定，随着体内皮质醇水平升高，RANKL增多，由此推断，miR-23a-5p也增多，最终抑制骨形成。

综上所述，糖皮质激素对于骨骼健康有重要影响。长期暴露于超生理量糖皮质激素会导致骨形成减少，骨吸收增强，骨折风险显著升高，其具体分子机制可能与糖皮质激素影响Wnt、BMP、Notch等信号通路相关。近年的研究发现，GIOP也可能与糖皮质激素影响细胞自噬、外泌体、铁死亡以调控成骨细胞、破骨细胞的分化、增殖、凋亡密切相关，未来可通过分子生物学技术进一步明确其主要分子机制，为GIOP的防治打下基础。