Piezo1介导流体剪切力...分泌在骨质疏松中的研究进展_陈彦强.pdf

甘肃医药 2023 年 42 卷第 6 期Gansu Medical Journal，2023，Vol.42，No.6骨质疏松症（osteoporosis，OP）是一种系统性、全身性骨骼疾病，其特征是骨量低和骨组织微结构恶化，从而导致骨脆性和骨折易感性增加1，骨密度降低、骨微结构恶化和骨强度降低，增加了对低能量或脆性骨折的易感性。OP 是一个重大的健康问题，可导致疼痛和畸形，特别是在老年妇女中影响最为严重。OP 的病理生理则是破骨细胞过度吸收而没有相应数量的体剪切应力（fluid shear stress，FSS），FSS 是存在于细胞外基质中的一种机械刺激形式，广泛用于体外模拟刺激2。Piezo1 是一种机械敏感离子通道，参与维持骨稳态的各种生物过程3。在最近的一项研究表明 Piezo1 介导的FSS 通过抑制骨细胞中核因子-B 配体（nuclear factor-appaBligand，RANKL）的分泌而抑制 OP 的进展4。基于当前 FSS 在 OP 中的研究热点，本文以 Piezo1 介导的 FSS 及 RANK 分泌相关研究进行综述。1Piezo1 在流体剪切力中的介导作用德国著名医师和解剖学家 JuliusWolff 提出了 Wolff法则，在高压力的区域骨头会生长，而在低压力环境会被吸收5。美国著名外科医生 Harold Frost 首次提出了“Mechanostat”的概念，骨骼系统能够感受力学因素，并且能够释放出生物信号，反过来调节骨骼的生理构造6。Piezo1 蛋白是一种“机械传感器”，存在于人体内多种不同类型的细胞表面，帮助细胞对周围组织的触摸、压力或拉伸做出反应。2020 年，邹卫国教授明确提出力敏感离子通道蛋白-piezo1 是主要的 Mechanostat 分子。在该项工作7中，邹卫国教授利用多种条件敲除小鼠作为生理和病理模型，验证了 Piezo1 在成骨过程中的力学调控功能，并且剖析了在力学刺激条件下，成骨细胞和破骨细胞交流的机制：Piezo1 调控 YAP 信号通路，进而调控不同骨基质蛋白的表达。这些胶原蛋白的表达是通过对机械刺激的 piezo1 依赖反应发生的。研究中发现成骨细胞的 Piezo1 缺陷导致骨量的损失和自发骨折，骨吸收增加。此外，Piezo1 缺陷小鼠对后肢卸载引起的进一步骨损失和骨吸收具有抗性，这表明 Piezo1 可以影响成骨破骨细胞的串扰，以响应机械力。在机械水平上，成骨细胞中的 Piezo1 在响应机械负荷时控制型和型胶原的 YAP 依赖性表达。反过来，这些胶原异构体调节破骨细胞分化。研究表示 Piezo1 是调节骨骼稳态的主要骨骼力学传感器。清华大学药学院肖百龙团队8也运用基因敲除模型证明了成骨细胞中 Piezo1 蛋白对于骨骼系统的重要性。研究表明骨骼系统的机械负荷对骨骼的发育、生长和维持至关重要。然而，机械刺激转化为成骨和骨形成的分子机制尚不清楚。在这项研究中敲除成骨细胞系中的 Piezo1 基因会破坏成骨细胞的成骨，严重损害骨的结构和强度。动物实验表明 Piezo1存在于成骨细胞中，并且确实有助于细胞对显微镜探针戳到的机械冲击做出反应。通过基因工程将 Piezo1从成骨细胞中敲除的小鼠不能正常生长，成年后出现发育不良，这证实了 Piezo1 介导的 FSS 在 OP 的进展过程中的作用。在这些小鼠中，支撑身体大部分重量的骨骼也更短更弱。在患有 OP 的人类患者中，随着年龄的增长，骨骼变得脆弱，Piezo1 水平也相应降低。这些结果表明，Piezo1 是制造健康骨组织所必需的，当施加在骨Piezo1 介导流体剪切力及 RANKL 分泌在骨质疏松中的研究进展陈彦强姜金刘京升兰州大学第二医院，甘肃 兰州 730030【摘要】骨质疏松症（OP）是一种会导致骨脆性和骨折易感性增加的系统性骨骼疾病。OP 已成为老龄化社会严重的健康问题。当前对于 OP 的病理生理基础是破骨细胞和成骨细胞的失衡。Piezo1 蛋白质是一种“机械传感器”，研究发现 Piezo1 可能在机械负荷依赖的骨形成和重塑中发挥重要作用。在力学刺激条件下，Piezo1 可以影响破骨细胞的分化和功能，从而反映 Piezo1 对骨骼系统的重要性。除此之外，破骨细胞分化因子信号通路对破骨细胞增殖和分化至关重要。RANKL/RANK/OPG 系统信号通路对破骨细胞增殖分化至关重要，而破骨细胞循环受 RANKL 信号调控。有研究表示 RANKL 可以通过影响破骨细胞和成骨细胞的形成来间接影响 OP 的发生，但是 Piezo1 介导流体剪切力及 RANKL 分泌在 OP 中的机制研仍需进一步研究，本文对以上相关问题作一综述。【关键词】骨质疏松；成骨细胞；破骨细胞；Piezo1；RANKL中图分类号：R687.3文献标志码：A文章编号：1004-2725（2023）06-0489-04基金项目：甘肃省自然科学基金项目（编号：21JR7RA393）第一作者：陈彦强，男，副主任医师，从事骨创伤疾病研究工作。E-mail：综述489DOI:10.15975/ki.gsyy.2023.06.024甘肃医药 2023 年 42 卷第 6 期Gansu Medical Journal，2023，Vol.42，No.6骼上的机械力减少时，它的损失可能与日益增加的脆弱性有关。2Piezo1 在骨质疏松中的作用2.1Piezo1 在骨质疏松中的机制骨重塑包括通过破骨细胞去除旧的或受损的骨（骨吸收），随后更换成骨细胞形成的新骨（骨形成）。骨骼重塑的主要功能之一是使骨骼材料和结构特性适应骨骼的机械要求，包括机械载荷和承重。在 OP 患者中，骨骼随着年龄的增长而变脆，Piezo1 水平的降低与骨质流失的增加有关。表明 Piezo1 是制造健康骨组织所必需的，并且它的损失可能与施加到骨骼的机械力减少时发生的脆弱性增加有关。Piezo 蛋白正在成为机械应力转导各个方面的重要介质。Piezo1 的表达是内皮细胞沿血流方向排列所必需的，通过感应机械拥挤或拉伸来控制上皮细胞数量或用于先天免疫细胞对肺部静水压力的反应。Piezo1 通道的机械转导调节成骨细胞/骨细胞活性，从而增强骨骼，使其能够适应广泛的机械负荷。发育骨骼中的 Piezo1 基因缺失会导致骨畸形，从而导致自发性骨折，而成年期 Piezo1 的不活动会导致骨质疏松症。Piezo1 由非感觉组织表达，可以感知各种机械应力，包括静压、剪切应力和膜拉伸。据报道9，Piezo1 介导静水压对间充质干细胞命运决定的功能。在 Piezo1 条件敲除小鼠中发现 BMSCs 及其子代细胞中 Piezo1 缺陷的小鼠在负重后表现出骨吸收增加和多发性自发性骨折。Piezo1 缺陷小鼠对机械卸载诱导的进一步骨丢失和破骨细胞聚集具有抵抗力。机制上，Piezo1 缺陷通过降低 YAP 核定位损害 COL2 和 COL9 的产生，引起破骨细胞活性增加。上述所有数据均支持 Piezo1 可以作为机械固定器发挥作用的观点，直接感知机械负荷以协调骨骼中成骨细胞破骨细胞的串扰。2.2Piezo1 在骨骼间的机械应力转导Piezo1 是制造健康骨组织所必需的，而且它的损失可能与施加到骨骼的机械力减少发生的脆弱性增加有关。Piezo1 蛋白在成为机械应力转导各个方面的重要介质。有研究通过鉴定 Piezo 家族的机械激活离子通道，特别是成骨细胞和骨细胞中的Piezo1，证明了骨骼的机械敏感性功能10。有趣的是，Piezo1 的缺失降低了 Wnt1 的表达，Wnt1 是骨形成的关键调节因子。通过对不同骨骼细胞群中具有灭活 Piezo 蛋白的小鼠进行系统分析证实了Piezo1在骨细胞中起机械传感器的作用，并证明它代表了软骨内骨形成过程中必不可少的成骨分化因子9。后一发现支持各种细胞类型参与机械应力转导的假设，机械应力转导不仅与骨重建高度相关，而且与发育和再生过程高度相关。总之，这些综合数据表明 Piezo1 在机械感觉中起着至关重要的作用，Piezo 通道可能是机械卸载诱导的骨丢失中骨合成代谢治疗的一个新的治疗靶点。3RANKL 分泌影响骨质疏松形成的分子机制研究进展3.1RANKL 信号负向调控成骨细胞骨形成RANKL是一种同源三聚体蛋白，由成骨细胞和细胞活化的 T细胞产生，主要由成骨细胞和骨吸收破骨细胞介导11-12。RANKL 是成骨细胞前、成骨细胞、骨细胞和骨膜细胞的分泌物。研究表示 RANKL/RANK/OPG 系统信号通路对破骨细胞增殖分化至关重要13-14。目前，RANKL信号主要被研究在破骨细胞的发生中，其抑制剂 denosumab 已被临床引入治疗 OP。但其在成骨细胞分化和出生后骨形成中的作用尚未明确。研究证明了 RANK在小鼠和人的成骨分化过程中都在骨髓间充质干细胞（BMSCs）的早期表达，并迅速下降。RANKL 信号通路通过促进-catenin 降解和抑制其合成来抑制成骨。相反，RANKL 信号通路对 BMSCs 的脂肪形成无显著影响15。RANK 在骨肉瘤（一种起源于成骨细胞的间充质肿瘤）中过表达，并调节成骨细胞的迁移，对骨建模和重塑至关重要。RANKL 信号通路可能在成骨细胞分化和骨形成中发挥关键作用。另一项研究表明 RANK 在BMSCs 成骨分化早期表达，在成骨分化开始后下调16。RANK 抑制骨髓间充质干细胞成骨分化，对脂肪形成无影响。Prx1-Cre 小鼠 BMSCs 条件敲除 RANK 后，小梁骨量显著增加，骨形成速率加快，并对卵巢切除术（OVX）诱导的骨丢失表现出抗性。RANKL 信号通过抑制 BMSCs 成骨分化和促进破骨细胞形成，同时调控破骨细胞和成骨细胞。3.2RANKL 反向信号传导偶联骨吸收和骨形成骨骼是动态组织，其中骨吸收和形成在这些过程之间的“耦合”稳态机制中不断重复。破骨细胞是吸收骨骼的细胞，而成骨细胞形成骨骼。破骨细胞吸收的骨量严格控制在正常情况下与成骨细胞形成的骨量相等17。如果更年期和衰老等疾病导致骨吸收相对于骨形成增加，则会出现 OP 等代谢性骨疾病。因此，有精确的机制来控制骨吸收和形成之间的耦合。RANKL 在破骨细胞前体细胞结合 RANK 触发破骨细胞生成，在骨重建过程中发挥重要作用，但 RANKL 在成骨细胞的作用不明。RANKL 可以直接与破骨细胞祖细胞结合，这表明细胞上可能存在膜结合受体。有研究表明成熟破骨细胞分泌的囊泡 RANK 结合成骨细胞 RANKL，触发490甘肃医药 2023 年 42 卷第 6 期Gansu Medical Journal，2023，Vol.42，No.6RANKL 反向信号，激活 Runx2 并促进骨形成18。该结果提示 RANKL 反向信号是一个抑制破骨细胞生成相关的骨质减少的潜在药理靶标。在破骨细胞衍生的偶联信号介质中，在 RANKL 刺激后不久，由破骨细胞前分泌的信号素 4D 抑制成骨细胞分化19，而胶原蛋白三螺旋重复序列 1（Cthrc1）是由骨吸收破骨细胞分泌，促进晚期分化。在信号素4D 的抑制作用减弱后，成骨细胞中的 RANKL 反向信号可能为 Cthrc1 促进的成骨细胞进一步成熟做好准备。此外，囊泡 RANK 分泌的时间与 sphingosin-1-phosphate 和 Wnt10b 诱导破骨细胞的时间相似20，表明这些因素共同调节成骨细胞分化。通过 RANKL 刺激成骨细胞和骨细胞吸收骨骼而产生的破骨细胞。已知 RANK是TNF 受体家族的新成员，并且是 T 细胞和树突状细胞相互作用中 RANKL 的受体，但尚未确定负责 RANKL 介导的破骨形成的受体。TNF家族的一些配体与 TNF 受体家族的几种受体结合，并且怀疑 RANKL 可能与 TNF 受体家族的另一个成员结合，但不与 RANK 结合。有研究显示抗可溶性 RANK（sRANK）的多克隆 Ab 通过 RANK 聚类模拟 RANKL功能21。相比之下，sRANK 和抗 RANK 多克隆 Ab 的Fab 片段分别通过与 RANKL 和 RANK