P2X7受体在骨科疾病中作用的研究进展

程实 梁晨 马英凯 吕松岑 闫景龙

P2X7受体属于嘌呤能受体，是P2X受体家族的成员，位于细胞表面的一种三聚体配体门控阳离子通道[1]。目前已经证实在很多细胞类型表面都有表达，包括造血干细胞、间充质干细胞、白细胞、红细胞、骨细胞、皮肤细胞，甚至各种恶性肿瘤细胞。同时，P2X7受体存在很多亚型。在人体中，P2X7受体变异大约有10种蛋白剪切体变化亚型；P2X7受体从A到J；P2X7受体A是保留完整长度的受体。P2X7受体B、E、G、J缺乏C末端结构[2]。该受体的配体是ATP，介导Na+、K+离子内流和Ca2+阳离子外流的快速通过[3]。激活的P2X7受体还可以使其在细胞表面的孔隙扩大，允许非选择性的最大900Da的有机亲水性阳离子通过；带阳性电荷的胆碱基和荧光染料，例如乙啶基[4-5]。但是，这一功能不是P2X7受体独有的作用，P2X受体家族里其他成员也有类似的功能。

最早发现并证实在肥大细胞中游离或者带有四碱基的ATP可以激活P2X7受体[6]，但是并没有确定使P2X7受体通道激活的最佳配体ATP浓度。此受体分布广泛，参与很多的生理和病理活动，包括炎症的激活、炎症因子的释放[7]、细胞表面分子标志物的改变、溶酶体的融合、自噬和与活性氧和氮共同参与胞内病原菌的破坏[8]。在与骨组织相关的研究中已经证实，P2X7受体表达在成骨细胞、破骨细胞、骨细胞和关节滑膜细胞中[9]。敲除P2X7受体可以减少皮质骨膜的形成[10]。激活破骨细胞的P2X7受体，可以促进成骨细胞和破骨细胞之间钙信号的传导[11]。目前的研究认为，P2X7受体对很多信号转导过程都具有生物学效应，是很多疾病，包括骨科常见疾病的潜在治疗靶点[11-12]。

1.P2X7受体对骨质疏松具有双重影响作用：骨质疏松是一个常见的骨代谢相关的疾病。目前研究认为雌激素、体内炎症状态、成骨细胞和破骨细胞功能的平衡状态是发病的影响因素。P2X7受体与这些影响因素的关系密切。P2X7受体的多样性突变增加绝经后女性骨质疏松的发生风险[13-14]。使用P2X7受体敲除的纯合子和野生型进行比较研究证实，P2X7受体缺失会影响雌激素缺乏性骨丢失的状态，加剧骨丢失；这个情况在P2X7受体功能多态性缺失的绝经后妇女中可见[15]。P2X7受体是炎症反应中的关键因子；炎症因子可能促进骨质疏松发生。P2X7受体耦合的信号通路在炎症反应和骨代谢调节中起关键作用[16]。当炎症发生时，胞外的ATP浓度升高[17-18]。ATP激活P2X7受体后可介导NLRP3炎症小体激活并促进IL-1β成熟；IL-1β释放到细胞质中，进一步促进炎症反应；P2X7受体可能加重这一反应过程[16]。研究发现，绝经期妇女骨质疏松的原因可能是雌激素水平降低引起的炎症因子水平升高[19-21]。绝经后妇女血清中TNF-α水平增加，血清中炎症因子水平高的者更容易患骨质疏松，可能是高浓度水平的TNF-α促进了破骨细胞分化[22]。而炎症因子水平与雌激素的关系密切。研究发现卵巢切除术后女性血清中IL-1和TNF-α水平升高，经雌激素替代治疗4周后，血清中白细胞介素(IL-1)和TNF-α水平下降[23]。

P2X7受体可能在雌激素缺乏造成骨质疏松的过程中有作用。卵巢去势手术28 d的后的小鼠与正常小鼠对比，同样的力刺激条件下，骨细胞的Ca2+内流数量减少。免疫荧光染色证实小鼠切除卵巢后，P2X7受体的数量下降了一半以上[24]。绝经后骨质疏松患者的血清炎症因子水平和P2X7受体水平高于正常水平[25-26]。雌激素替代治疗后，炎症因子的水平受到限制[27]。P2X7受体在成骨细胞和破骨细胞表面都有表达，承担成骨细胞和破骨细胞之间通讯的作用。成骨细胞和破骨细胞的功能状态对骨质疏松症的发生发展具有重要的影响作用，所以，P2X7受体可通过维持破骨细胞和成骨细胞之间的功能平衡来改善骨质疏松症状态。一旦这个平衡被打破，破骨细胞过度活跃，就会导致骨量丢失增加，发生骨质疏松症的风险增加。激活P2X7受体可刺激成骨细胞分化，增强成骨细胞矿化[28]。如果敲除P2X7受体，小鼠骨膜形成减少，骨小梁吸收增加[29]。

P2X7受体参与破骨细胞的形成，激活P2X7受体促进骨髓造血干细胞向破骨细胞分化。表达增多后可进一步促进RANKL表达增加，抑制P2X7受体降低TNF-α对造血干细胞的促分化作用。同时在体外的研究中发现，用P2X7受体拮抗剂可以抑制人血单核细胞形成破骨细胞样细胞[30-31]。但是，P2X7受体不是破骨细胞形成必需的，其表达增加可促进RANKL的增加，因此进一步促进破骨细胞的分化和形成。也有研究结果表明P2X7受体促进骨髓造血干细胞(bone marrow hematopoietic stem cell，BMHSCs)分化为更多功能性破骨细胞[19]。研究证实抑制P2X7受体可显著降低TNF-α对血液中造血干细胞的促分化作用，减少破骨细胞的形成；因此，P2X7受体是潜在的治疗骨质疏松的靶点[19]。

但是，破骨细胞表面的P2X7受体作用具有双重性。当胞外ATP浓度达到20～200 μm的时会对破骨细胞产生不利影响，形成溶解性孔隙，导致细胞的凋亡和持续的炎症[32]。细胞外ATP浓度增加超过一定范围后可降低骨吸收，可能与活化的P2X7受体对破骨细胞的细胞毒性作用有关[33]。胞外ATP的浓度变化通过P2X7受体对破骨细胞的形成产生影响[16]。

研究证实P2X7受体可以通过调节成骨细胞功能，缓解骨质疏松状态。P2X7受体激活后参与成骨细胞下游LPA合成与释放、PGE2合成与释放和ERK1/2激活，促进成骨细胞分化和骨形成[34-36]。但是，胞外ATP浓度达到1 mm以上时会抑制骨矿化[37]。P2X7受体是成骨过程中不可缺少的，发挥着重要的作用[38]。P2X7受体敲除的小鼠长骨的骨膜形成下降，机械应力条件下，成骨能力下降，与人类的成骨细胞研究结果类似[10,28]。

骨组织的P2X7受体在肌肉机械拉力刺激下会表达增加，促进成骨细胞分化，具有降低骨折风险的作用。P2X7受体促进成骨分化的作用可能和细胞的Ca2+内流的增加有一定的相关性[39]。机械力学刺激触发的ATP释放可以增强P2X7受体介导的成骨分化功能；P2X7受体激动剂促进成骨细胞分化和基质矿化[40-41]。但是P2X7受体不是介导该过程的必需的受体，在敲除的纯合子中，机械应力刺激也可以增加骨量，改善皮质和骨小梁质量[15]。

2.P2X7受体促进骨性关节炎的发展：骨性关节炎是一种常见的软骨退行性改变导致的疾病。关节内软骨的炎症反应是骨性关节炎主要病理特点之一[42]。近来有研究证实，P2X7受体与炎症反应和疼痛的关系密切[43]。

用胶原诱导的骨关节炎模型，阻滞P2X7受体信号可能减少IL-17A的分泌，缓解肢体肿胀，减弱Ⅱ型胶原介导的关节损害[44]。在膝关节骨性关节炎动物模型中，使用P2X7受体抑制剂以后，可以显著降低关节内IL-1β、IL-6、TNF-α、基质金属蛋白酶(MMP-13)、P物质和地诺前列酮(PGE2)等炎症因子的浓度。这些炎性因子浓度的降低可能与P2X7受体阻滞剂使用相关，缓解了骨性关节炎的疼痛[45]。P2X7受体激活后，抑制核因子(NF)-κB信号通路可以降低IL-1β、IL-6、TNF-α、MMP-13、P物质和PGE2的浓度，缓解因P2X7受体激活引起的骨源性疼痛和炎症反应。实验也证实了P2X7受体激活导致的疼痛和炎症反应作用是通过激活NF-κB信号通路发挥作用[46]。研究发现在抗体加脂多糖诱导关节炎动物模型的比较中，P2X7受体缺陷小鼠的发生率和严重程度均小于野生型小鼠；所以，P2X7受体可能是关节炎治疗的潜在靶点[47]。骨性关节炎时，肥大细胞会分泌炎性介质，引起膝关节疼痛。P2X7受体在这一过程中发挥促进肥大细胞炎性介质分泌的作用[48]。因此，P2X7受体信号通路可能是治疗骨性关节炎的新靶点。

3.P2X7受体介导类风湿性关节炎的发展：P2X7受体参与炎症反应性关节炎的病理过程[49]。类风湿关节炎(Rheumatoid arthritis,RA)是一种病因不明的慢性自身免疫性疾病，以慢性滑膜炎症、关节破坏和进行性关节损伤为特征，导致关节畸形、生活质量降低，甚至其他器官系统功能受损[11,44]。研究表明，P2X7受体是一个参与和调控RA炎症的潜在的位点[50]。

P2X7受体的基因在1068和1513位点的多态性被认为可能是RA的易感基因位点[51]。另外动物研究证实，P2X7受体基因SNP导致RA患者的P2X7受体功能的变化，可能参与了RA的发病[52]。在研究P2X7受体的变异在伊朗人群的RA发病机制中的作用显示，P2X7受体基因的多样性与类风湿关节炎的易感性存在关系，新发RA的P2X7受体基因表达水平更高；因此认为P2X7受体可能是治疗RA的一个潜在药物靶点[25]。研究发现RA患者的外周血单核细胞中P2X7受体表达量明显增加[44]，在RA患者滑膜组织中P2X7受体表达水平升高，对诊断RA具有重要的价值[53]。类风湿性关节炎患者的B型滑膜细胞中表达功能性P2X7受体，可能参与调节滑膜液中IL-6的释放[54]。RA患者受累细胞的P2X7受体水平的升高后，在脂多糖与ATP的刺激下，外周血单核细胞中IL-1β的含量明显升高[55]。RA患者滑膜组织中IL-1β、IL-6表达水平与P2X7R水平呈正相关[53]。在RA的炎症反应阶段，P2X7受体参与介导了许多细胞因子独立的信号通路，包括甘油三酯(TG2)和组织蛋白酶通路[49,56]。P2X7受体介导的TG2在胞外聚积，参与到RA的病理过程中，是一个潜在的治疗靶点[49]。

由于中性粒细胞凋亡在炎症调节中起重要作用，P2X7受体也可能通过中性粒细胞抗凋亡信号转导间接促进RA炎症的发生[57]。血清淀粉样蛋白A(serum amyloid A，SAA)是一种与活动性关节炎症相关的急性期反应物，在RA患者的循环和组织中被发现升高[58]。体外实验表明，从RA患者血浆中纯化的SAA能有效抑制膜蛋白(α-CD95)单抗诱导的人中性粒细胞凋亡。而P2X7受体拮抗剂氧化ATP可完全消除SAA的抗凋亡作用;这表明SAA可能通过依赖P2X7受体的机制增加中性粒细胞的存活[59]。所以,阻断P2X7受体导致了中性粒细胞凋亡增加，导致了RA炎症的发生。类风湿性关节炎的病理过程中关键因素之一是IL-17A的产生;其来源于Th17细胞。研究证实，阻滞P2X7受体可以抑制Th17细胞产生IL-17A，缓解类风湿性关节炎患者的关节肿胀程度[44]。同时，P2X7受体阻断后，IL-1β、TGF-β1、IL-23、和IL-6的释放也会减少，有益于缓解类风湿性关节炎的症状[44]。Th17细胞的P2X7受体的表达与IL-1b、C反应蛋白、红细胞沉降率、抗环瓜氨酸肽抗体、白蛋白、补体C4水平密切相关；这些数据提示Th17细胞P2X7受体表达的增加与RA患者的疾病活动性和一些炎症介质在功能上呈正相关[60]。

4.P2X7受体在骨关节感染性疾病中的作用因细菌不同而不一致：机体在受到病毒、细菌、真菌和寄生虫感染后，会引起包括免疫细胞在内的体内细胞释放ATP。这些ATP会激活P2X7受体，在免疫的不同阶段发挥作用[61]。P2X7受体参与介导细菌感染引起的免疫反应[62]。细菌的产物可以导致炎性小体的激活，诱导ATP从免疫细胞中释放，激活P2X7受体，从而参与介导免疫反应[61]。

P2X7受体对单胞菌引起的感染具有免疫促进作用。单胞菌可以刺激巨噬细胞来源的免疫细胞释放ATP。ATP激活P2X7受体后，引起K+离子外流，NLRP3炎性小体的激活，最终诱导IL-1β分泌和细胞死亡[63]。单胞菌菌毛会刺激P2X7受体依赖的巨噬细胞分泌IL-1β[64]。与正常小鼠的淋巴液对比，敲除P2X7受体的转基因小鼠的IL-17和干扰素(IFN)-γ含量较少[65]。这些都会促进免疫细胞分泌炎症因子，加速清除单胞菌。

P2X7受体在结核菌感染的细胞中表达增加，诱导巨噬细胞清除结核菌，是免疫调节的重要因素之一。结核菌感染的患者血液中，外周血单核细胞表面的P2X7受体表达增加[66]。多项研究也证实，细胞外ATP可以通过P2X7受体诱导巨噬细胞加速清除结核杆菌，其可能的机制是诱导被感染细胞中磷脂酶D的活化与凋亡[56]。在体内研究中发现，P2X7受体敲除的小鼠对结核杆菌的易感性因细菌菌株和毒力不同而有差异[67]。当暴露在高毒性实验室结核菌株H37Rv条件下时，与正常小鼠相比，P2X7受体敲除的小鼠更容易受到感染[67]。但另一研究认为，与野生型小鼠相比，P2X7敲除的转基因鼠不易受到高毒性结核菌的感染[68]。最近一项研究发现表达P2X7受体的骨髓间充质干细胞在结核菌感染过程中具有促进作用[69]。

P2X7受体与病毒感染有一定的关系，但病毒感染不是骨科的常见的感染类型。P2X7受体是所有P2受体中与炎症关系最密切的，在几乎所有的先天性免疫和获得性免疫的免疫细胞表面都有表达[61]。其中重组蛋白炎症小体与P2X7受体关系密切，但是具体的产生机制不明确。P2X7受体与艾滋病(HIV)的传播有一定关系。因为其可能通过刺激自分泌ATP，激活P2X7受体，促进携带艾滋病毒的微囊泡释放[70]。在治疗新型冠状病毒肺炎(COVID-19)的患者中，由于其与炎症因子的密切相关性，所以P2X7受体是未来治疗该疾病感染患者的一个新靶点[71]。

5.P2X7受体研究展望：P2X7受体是一种广泛分布在多种细胞表面的离子通道，对体内的多种生理过程和病理过程都发挥作用。P2X7受体越来越被认为是一种与炎症相关的有前景的治疗靶点；许多P2X7受体抑制剂已被宣布在临床试验中应用[72]。许多P2X7受体拮抗剂也用于骨质疏松症的治疗，如A-438079用于动物研究的实验中[73]。葛根素是葛根的主要成分，是一种异黄酮，可以通过抑制P2X7受体的表达抑制IL-1的释放[74]。丹参酮II-A磺酸盐(TIIAS)是丹参的主要成分，能在低摩尔浓度下完全阻断P2X7受体介导的Ca2+内流，从而改变离子电流，可治疗一些P2X7受体相关疾病。淫羊藿可以使P2X7受体基因的表达上升，抑制骨形成，刺激成骨细胞分化，增加矿化[75]。这些药物被认为可以通过激活P2X7受体的功能治疗骨质疏松。

但是，未来仍然有许多问题需要更深入的研究。首先，虽然对P2X7受体介导的骨代谢调控进行了许多研究，但P2X7受体在成骨细胞中的全功能作用尚未完全阐明，一直存在争议；因此需要进一步阐明P2X7受体功能与炎性骨丢失之间的关系。P2X7受体是骨质疏松症的一个新兴和重要的治疗靶点，特别是在运动治疗中，是否有可能通过运动改善体内炎症，从而改善骨质疏松症的治疗效果，还有待进一步探讨；有类似文章也指出了这个问题[16]。未来需要我们进一步更深入的研究P2X7受体在疾病中的作用，通过临床实验验证这一新靶点治疗疾病的有效性。其次，虽然很多研究证实了P2X7受体在很多骨科疾病中发挥作用，但是由于P2X7受体的高多态性会导致了治疗效果和研究结果的差异性。这对发挥P2X7受体的治疗作用价值有巨大的影响作用。因此，需要进一步研究确定P2X7受体发挥作用的主要功能结构，研发靶向治疗的药物，减少非靶向治疗药物的不良反应。更深入的了解P2X7受体的结构和生理学功能有助于更有效的治疗疾病。

利益冲突：所有作者均声明不存在利益冲突