骨内细胞凋亡与骨质疏松症
国外医学・老年医学分册2002年3月第23卷第2期 8 Lord ,W删JA,W址iarm et cd 111e effect ofaⅨmmⅢI y exerc program on tractta-e risk factors in older W ̄'q'lpA].Op Int,1996;6:361-367 12 Fuj/muraR Effec ̄of resistnce aexercksetraining on bonefor— marion and resumption in young n1ale subjects assessed by bicmarkers of b。De.J B0neMinerRes.1997;12(4):656 a/.Site—specific effects 0f 9 Adami S.Gatfi D,Braga V 13王宏,李卓朝,粱旭光et al冬泳与老年人骨代谢.中 strength tra ̄nlng on bone structure and geometry of dtradistal 国骨质疏松杂志,1996;2(3):25 l4王玉昕15徐健身运动对中老年蛆女骨矿含量的影响.广州体 山.运动及控体重对女运动员骨密 radius on postmert ̄pausal women.J Mnat Res,1999;14 (1):120~124 10张林.杨铬让,田中.“运动+钙剂 对绝经后蛆女骨代 谢生化标志物的影响.第三届骨质疏松国际会议论文汇 编.1998 院学报,1995;2:16 红,隆璐娟,金度的影响.中国运动医学杂志,1997;16(1):36 16邵志宏.李前铎.游泳对绝经后妇女骨质疏松的影响.中 国康复医学杂志,1996;11(2):80 (2001—05 28收稿) 11是坚 石崎朔子,山川纯el al女子新体操选手c=与c于 6太腿骨近位部 骨密度、骨盐量 左右差忙,)0、Z-.临 床天水一、y医学,1996;13(8):925 骨内细胞凋亡与骨质疏松症 :ILY, ̄Zq:口腔医学院甑面外科(100081) 高 华综述李盛琳审校 摘要骨内细胞捅亡,包括破骨细胞、成骨细胞和骨细胞的凋亡,与骨质疏松症发病机制和药物治疗有着密切的关系,本 细胞凋亡;骨质疏松症;破骨细胞;成骨细胞;骨细胞 文综述了这一研究热点的最新进展。 美键词1引言 亡而实现。本文就骨质疏松症的发病机理及防治与骨 骨质疏松症是以骨量减少、骨组织显微结构退化 内细胞凋亡的有关进展作一综述。 2破骨细胞的凋亡 1993年,Fuller等第1次报道了0c凋亡。他们 将巨噬细胞集落刺激因子(M—CSF)从培养液中去 除,发现0C出现了细胞捅亡的特征性形态学变化, 提示M~CSF不仅在oC的生成中起重要作用,而且 为特征,从而导致骨的脆性增高及骨折危险性增加的 一种全身性骨病。随着人均寿命的延长,越来越多的 国家步人老龄化社会,骨质疏松症的发病率增加所造 成的危害日趋严重。据美国国家骨质疏松症基金会的 报告估计,全美国1995年用于骨质疏松骨折的医疗 费用高达138亿美元_1 J。为提高防治骨质疏松症的水 平,近些年各国学者对其基础研究也愈加重视。 早在1968年,就有学者利用骨矿物质放射性核 素方法和四环素标记的骨组织形态测定法揭示了骨为 对于oc的存活也是必不可少的。事实上,在早期的 研究中,已经有不少学者在各自的实验中观察到了 oC的解体,但都没有意识到这些细胞是以凋亡方式 死亡的。1993年以后,oC捅亡在骨质疏松发病机制 和防治的研究中逐渐成为热点。 雌激素缺乏是绝经后骨质疏松症的主要病因,并 动态变化的组织,在人一生均处在不断的转换中,周 期性地以新骨代替旧骨。这一过程称为骨再建或骨转 换,基本多细胞单位(BMu)执行了骨再建这一功 能。BMU是由位于前方的破骨细胞(oc)和成骨细 胞(oB)组成的。在骨再建中,oC贴附于骨面消化 且雌激素替代疗法也取得了较为满意的疗教,相应 地,对雌激素作用机制的研究也最为广泛和深入。一 方面,学者们研究了雌激素对0c活性的抑制。0c 中Ⅱ型碳酸酐酶(CAⅡ)通过逆转c 生成H ,然 后质膜上的空泡型质子将H 运转到细胞外,从而使 无机基质降解;同时oc分泌多种溶酶体酶降解有机 骨基质,其中组织蛋白酶K(Cat K)是降解胶原的 吸收骨质,在oc脱离骨面后OB进入吸收陷窝,分 泌娄骨质并矿化。由于骨吸收和新骨形成之间得到了 很好的平衡,正常入全身骨量和骨密度能够保持稳 定。在各种骨代谢疾病中,全身骨量和骨密度的改变 不仅与oC和0/3的生成数量相关,同时也受到两种 细胞生命周期长短的调节,这种调节可以通过细胞捅 主要成分。Kameda等 研究了造成单个oc活性降 低的原因。发现17/ ̄E2以时问和剂量依赖的方式同时 维普资讯 http://www.cqvip.com
国外医学・老年医学分册2002年3月第23卷第2期 一89 使cAⅡ和CatK两者的mRNA水平降低。而更多的 文章报道了雌激素诱导OC凋亡。在Hughes等 j的研 数量。Hoechst 33258染色揭示经小檗碱处理的oCLs 出现了核聚缩和细胞体积缩小,提示小檗碱也是通过 OC凋亡而抑制骨吸收的。选择性雌激素受体调节剂 究中,观察到TGF一0和17口 均能引起混合细胞中 小牛OC凋亡,加入抗转化生长因子一0抗体则能抑 制两者的发生,提示雌激素引起oc凋亡可能由TGF 一( Ms)是近几年开发的抑制骨吸收药物。在Nut— tall等ttsj的实验中,idoxifene引起OC凋亡,但却不 表现促子宫内膜生长活性。另外,Grasser等ll 也报 道了dmloxifene和雌激素均可抑制骨吸收,并引起体 外培养的OC p53表达和细胞凋亡,而droloxifene在 0所介导。Ai'nett等_4 0的发现不支持这一观点,在 他们的实验中,雌激素并不引起分离的新生oc凋亡。 另一部分研究则揭示了雌激素作用的受体介导机制。 近年来,不同的研究小组分别在成熟的OC J、人巨 细胞瘤的OC和OC前体细胞系 中发现功能性雌激 素受体。Kameda 等分离了高度纯化的OC,并观察 到1713E2直接抑制OC骨吸收。在抑制骨吸收有效浓 度下,B对OC凋亡具有时间和剂量依赖性。 ICI164,384和tamoxifen作为完全和部分拮抗剂,分 别完全和部分地阻断了178E2对骨吸收和OC凋亡的 诱导。这些结果提示雌激素部分通过受体介导的机制 直接 I起OC的凋亡,从而起到治疗绝经后骨质疏松 的作用。在稍早些的研究中,Shevde等 7i发现 ICI164,384可以阻断雌激素减少Oc始祖细胞—— 粒细胞集落形成单位(cHJ—GM)的数量.CFU— GM的死亡是以凋亡方式进行的,说明雌激素可通过 受体直接抑制oc始祖细胞的募集 众所周知,凋亡 的特征性形态学变化反映了某些特定的核酸内切酶的 表达,这些内切酶切割DNA成双链寡核苷酸。越来 越多的证据表明apopain/caspase3的激活对引起DNA 的片段化起核心作用t8-9]。Zecchi等 用171 ̄F-2处理 FIG29.1细胞,检测到cas 的酶活性大大增强, 从而证实了雌激素激发oC凋亡的能力。综合 上报 道,我们可以反过来推测绝经后骨质疏松的部分发病 机理:妇女在绝经之后,由于缺乏雌激素,增加的细 胞因子使OC的生成增多、凋亡减少,生命周期延长, 使oc能更长时问贴附在骨表面吸收骨质,穿通整个 骨小梁使之失去连续性,最终导致骨密度明显下降及 骨折等临床症状。 在对其它一些抑制骨吸收药物的研究中,发现 Oc凋亡也起着重要的作用。双膦酸盐是治疗骨质疏 松的有效药物,虽然小肠的吸收率低,但具有在骨定 位和储留的高选择性_1ll。Hughes等 对小鼠的体内 外实验均证明双膦酸盐可 诱导oC捅亡。Reszka等 _1 最近对凋亡的途径进行了研究,OC凋亡依赖于 caspase酶的激活,而且caspase切割Mstl激酶是这一 途径中的一部分。Huiying等_】4 J从一治疗骨质疏松的 中药水提液中分离出小檗碱,并研究了小檗碱对OC 和骨髓细胞共培养体系中Oc样细胞(ocLs)的作 用。研究发现小檗碱呈剂量依赖地掷制牙本质磨片上 吸收陷窝的形成,并且减少了TRAP(+)的OCLs 乳腺组织却起到雌激素拮抗剂的作用,能诱导人类乳 腺癌细胞MCF一7 p53的表达和细胞凋亡。 3成骨细胞和骨细胞的凋亡 由于在技术上较难精确检测体内OB凋亡,oB凋 亡的研究进展比oc缓慢。到达骨再建部位的oB较 最终包裹到骨基质中的骨细胞和位于骨小梁表面的衬 里细胞总和要多。Jilka等[17 3认为这一部分消失的OB 是以凋亡方式死亡的。在体外实验中,不同的研究小 组 0 均观察到一定条件下Og的凋亡。就在最近, Sarkar等 利用回转器模拟太空飞行时的微重力环 境,24h后观察到大量的培养的OB样细胞ROS 17/ 2_8凋亡,提示O13凋亡可能在真正太空飞行所致的 骨丢失中起重要作用。学者们对OB凋亡的机制进行 了研究。Kawakami等 1 首次检测到在人的成骨细胞 系MG63和原代培养的OB高表达Fas抗原,并通过 抗FasIgM诱导细胞凋亡证明Fas蛋白为功能性表达。 激活的外周血单棱细胞(PBMCs)的质膜上高表达 FasL,在其上清中有可溶性FasL产生,二者均能诱 导MG63和原代培养OB凋亡,而Fas嵌合蛋白则可 阻断这一效应。Jilka等【”j检测到撤除血清或加人肿 瘤坏死因子(TNF)所诱导的鼠OB细胞系MC31、3一 El的凋亡,而TGF—B和白介素一6(IL一6)型细胞 因子则可对抗凋亡的发生。他们也证实了抗Fas抗体 诱导MG63细胞凋亡,并发现这一过程伴随着促凋亡 蛋白Bax和抗凋亡蛋白Bcl一2二者比率增高。Tsuboi 等【 J研究了类风湿患者关节周骨质中OB凋亡和局部 细胞因子的可能关系。在体外实验中,他们检测到 MG63细胞和原代培养的OB在加入IL一1B或TNF— a之后Fas表达增高,并且显著地增加Fas介导的细 胞凋亡,二者一起加入则具有叠加效应。结果提示: IL一1B和TNF一Ⅱ通过上调Fas介导的OB凋亡减少 OB数量,可能是引起类风湿关节炎患者关节周骨质 疏松的机制之一。 上研究揭示了Fas—FasL介导的 信号途径在OB凋亡的诱导中起着重要作用 糖皮质激素过量应用常能引起继发性骨质疏松 症,并且在骨质疏松症所有发病原因中列第3位。这 种骨质疏松症以弥漫性骨丢失、骨形成减少及小块骨 坏死为特征。在体外实验中,Jilka等_】 检测到地塞 维普资讯 http://www.cqvip.com
米松可促进鼠骨髓细胞培养中OB祖细胞的凋亡,【L 一6型细胞因子可对抗凋亡的发生。在体内实验中, Weirtstein等【21 J给小鼠泼尼松27d后,小鼠骨密度及 血浆中降钙素水平降低,骨小粱变窄,并伴有骨形成 减少和骨转换降低。同时观察到脊椎骨中0B凋亡增 加了3倍,干骺端皮质骨中28%的骨细胞出现细胞凋 亡。更重要的是,在糖皮质激素应用过量导致的骨质 疏松患者中,约5%的骨细胞和3O%的0B出现细胞 凋亡,而在对照组中却未检测到。骨细胞的功能尚未 被完全了解,但有学者认为骨细胞参与局部微小损害 的“感知”,并传导信号引起骨再建修复。故Manola- gas等 22 J认为,骨细胞凋亡增加可能是糖皮质激素过 量引起“骨坏死”的机制。Protkin等L23j体外研究发 现,糖皮质激素能诱导鼠骨细胞系Mlo—Y4细胞和 从鼠锁骨分离培养的0B凋亡,而双膦酸盐和降钙素 均能对抗细胞凋亡的发生。在体内实验中,皮下植人 泼尼松3d前注射阿伦膦酸钠可以防止骨丢失和阻断 糖皮质激素诱导的0B凋亡增加。这些体内外实验结 果提示,双膦酸盐和降钙素治疗糖皮质激素引起的骨 质疏松的部分机制在于防止OB和骨细胞的凋亡。 4结束语 细胞凋亡是当今医学研究的热点领域之一,众多 研究提示细胞凋亡异常是肿瘤、艾滋病等多种疾病发 病的重要原因。骨内细胞凋亡和骨质疏松症有着密切 关系也是毋庸置疑的。近年来,有关细胞凋亡分子调 控机理的研究取得了广泛的进展。包括caspase家族 的发现,bcl一2、bax、p53等基因及其蛋白质调控细 胞凋亡机理的研究进展,以及线粒体在凋亡过程中的 重要作用等。所有这些进展都太大推动了骨质疏松症 发病机制的研究。尽管如此,在这一领域中仍有很多 问题需要解决,澄清和证实。例如,在早先的概念 中,认为雌激素主要通过促进OC凋亡而抑制骨丢失, 最近有研究却发现雌激素也可抑制OB和骨细胞凋亡 ~ 。可见,即使是雌激素,双膦酸盐及降钙素等 已被广泛应用的药物,其作用机理也未被完全阐明。 除此以外,进一步研究其它药物(如雌激素受体调节 剂及某些中草药)的作用效果及作用机理也是今后的 重点,以期筛选出作用效果好、副作用小的更有前途 的药物,从而最终有益于骨质疏松症的防治。 参考文献 1 Ray NF,Chart JK,Thamer M et a1.J Bone Miner Res, 1997;12:24~35 国外医学t老年医学分册2002年3月第23卷第2期 2 KamedoT,ManoH,YuasaT etO1 J ExpMed,1997;I86: 486~495 3 Hue.h ̄I)F,D A,Tiffee JCelo1 NatMed,1996;2:1132 ~1136 4. ̄--nett TR,Litldsay R,砌b JM et a1.J Endocrinol,1996; 149:503~508 5 OreffoRO,Kttsec V,Virdi AS .Hist ̄chem CAI Bio[, 1999;111:125~133 6 FiorelliG,Gori F,PetillIM et口 ProcNadAcad SdU . 1995;92:2672~2676 7 S.hevde (,Pike JW.13Iood,1996;87:2683--2692 8 Goldberg YP,NictvolsonDW,RasperDM el cd.Nat Genet, 1996;13:442~449 9 Rotonda j,Nicholson DW,Fa KM el Nat Stract Bi0l, 1996;3:619~625 10,Zecchi—Orlandinl S.FomfigliL.Ta血A .BicchemBk> phys Res C ̄nlrnun.1999;255:680~685 儿RusMlRG.RogersMJ Bioplx ̄photmtes:fromthelaborato一 to the clinic and hack a n Bone,1999;25:97~106 12 HughesDE,Wright KR,Uy et .J Bone M ̄nerRes, 1995;10:1478~1487 13 ReszraAA,Hal ̄sy—Nagy JM,Masarachia PJ el a1.J Biol Chem l999;274:34967--34973 14 Huly ̄ng L,Tatsuro M,Yasuhlro T et al Bio Pharm BuU, 1999;22:391~396 15 NuttaU ME,Bradhaer JN,StroupGB el 02.Endocrinology, 1998;139:5224~5234 16 GrasserWA,PanLc,TN3mpsonD0 et .J CollBiochem, 1997;65:159~171 l7 JII1【a RL,WeinstelnRS. doT etO1 J BoneMinerRes, 1998;13:793~802 18 Kawakam[A,Egucht K,Matsuoka N elO1.JBoneMiner Res,1997;12:1637~1646 19 1 b0iM,Kawakaml A.Nakashlma N et a1.J Lab Clin Med.1999:134:222~231 20 Sarkar D,Naga ̄a T.Knga K et a1.J BOne Miner Res, 2O00;15:489~498 21 Weinstein RS,Jilka RL,Rarlitt AM et o1.j ain Invest, 1998;1【)2:174~182 22 Mmdagas sc.Aging Clin Exp Res,1998;10:182~190 23 Protkin L1,Weinstein RS, tt AM et J Clin Invest. 1999;104:1363~1374 24 Tomkinson A,Gevers FF,Wit JM aL.J Bone Miner Res, 1998:13:l243~1250 25 ManoDgasDC,WeinsteinRs,BellidoT el al J B。neM ̄ner Res,1999:14:s169(Abstract) (2o01一仉一03收碚)
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