李晉蒙，王新濤

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院骨科，哈爾濱 150081)

骨質(zhì)疏松癥可以影響骨量的形成和礦物質(zhì)的產(chǎn)生，以及骨組織結(jié)構(gòu)改變，包括宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)，是一種全身性骨代謝性疾病[1]。骨質(zhì)疏松癥可以造成骨脆性增加，這是由于成骨細(xì)胞活性與破骨細(xì)胞活性失衡引起的一種常見骨病，常導(dǎo)致骨折的發(fā)生[2]。隨著人口老齡化加劇，骨質(zhì)疏松癥患者逐漸增多，嚴(yán)重威脅老年人的健康。近年通過使用骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cell,BMSC)進(jìn)行的替代療法已被認(rèn)為是未來治療骨質(zhì)疏松癥的重要策略[3]。BMSC是骨髓中含量最豐富的細(xì)胞，存在于體內(nèi)結(jié)締組織和器官間質(zhì)[4]。BMSC還具有分化為多種干細(xì)胞的潛能，如成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞等[5]。BMSC具有快速增殖、分化及取材方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于骨組織工程的種子細(xì)胞[6]。BMSC向成骨細(xì)胞分化的過程中涉及多個(gè)復(fù)雜的信號(hào)通路，目前BMSC的成骨機(jī)制尚不明確。

Wnt信號(hào)通路在BMSC向成骨細(xì)胞分化過程中發(fā)揮重要作用，Wnt信號(hào)通路分為兩類：有β聯(lián)蛋白(β-catenin)參與的Wnt經(jīng)典信號(hào)通路(即Wnt/β-catenin信號(hào)通路)和無β-catenin參與的非經(jīng)典Wnt信號(hào)通路。經(jīng)典Wnt信號(hào)通路是近年備受關(guān)注的信號(hào)通路，也是Wnt信號(hào)通路中探索最清楚的信號(hào)通路，其對(duì)BMSC向成骨細(xì)胞分化進(jìn)而促進(jìn)成骨過程有重要影響。因此，Wnt/β-catenin信號(hào)通路被認(rèn)為是決定間充質(zhì)干細(xì)胞命運(yùn)的調(diào)節(jié)因子[7]。此外，Wnt/β-catenin信號(hào)通路也是骨質(zhì)疏松癥治療干預(yù)的一個(gè)有前景的靶點(diǎn)[8]。隨著對(duì)Wnt/β-catenin信號(hào)通路研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)無論是在骨質(zhì)疏松癥還是非骨質(zhì)疏松癥環(huán)境下均存在多種物質(zhì)可以通過Wnt/β-catenin信號(hào)通路促進(jìn)成骨，進(jìn)一步證實(shí)Wnt/β-catenin信號(hào)通路在成骨過程中的重要性?，F(xiàn)就Wnt/β-catenin信號(hào)通路在骨質(zhì)疏松癥和非骨質(zhì)疏松癥環(huán)境下促進(jìn)成骨的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 Wnt/β-catenin信號(hào)通路概述

1984年Wnt基因被首次發(fā)現(xiàn)，Nusse等[9]在小鼠乳腺癌中發(fā)現(xiàn)Int-1基因，并且Int-1與Sharma和Chopra[10]在1976年發(fā)現(xiàn)的果蠅無翅基因Wingless具有較高的同源性，故將兩個(gè)基因合稱為Wnt基因[11]。這是人類首次提出Wnt基因。在2001年，Wnt信號(hào)通路被證實(shí)與骨量調(diào)節(jié)有關(guān)，因此Wnt信號(hào)通路受到骨科界的密切關(guān)注[12]。

在Wnt信號(hào)通路中，依據(jù)是否依賴β-catenin分為Wnt/β-catenin信號(hào)通路和非經(jīng)典Wnt信號(hào)通路。經(jīng)典Wnt信號(hào)通路即Wnt/β-catenin信號(hào)通路，其轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑是Wnt蛋白通過自分泌或旁分泌與細(xì)胞膜上受體結(jié)合形成復(fù)合物，該受體由7次跨膜的卷曲蛋白受體以及低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白5/6共同組成，當(dāng)形成復(fù)合物時(shí)，復(fù)合物活化散亂蛋白，觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，進(jìn)而抑制由糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)、結(jié)腸癌抑制因子和軸蛋白等構(gòu)成的蛋白降解復(fù)合物，使細(xì)胞質(zhì)中的β-catenin水平增加并進(jìn)入細(xì)胞核，β-catenin與核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子T細(xì)胞因子/淋巴樣增強(qiáng)因子結(jié)合，并特異性地激活下游靶基因轉(zhuǎn)錄；在沒有Wnt蛋白作用的情況下，β-catenin蛋白在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中含量較低或缺失，這是由于β-catenin的N端被GSK-3β、軸蛋白和腸腺瘤性息肉病蛋白組成的復(fù)合物磷酸化，進(jìn)而與泛素蛋白結(jié)合，將β-catenin泛素化而降解，GSK-3β可能有多種底物，但在典型的Wnt信號(hào)通路背景下，其活性受到包括腸腺瘤性息肉病蛋白和軸蛋白在內(nèi)的多個(gè)蛋白形成復(fù)合物的調(diào)節(jié)[13]。Wnt/β-catenin信號(hào)通路中許多蛋白表達(dá)水平均可影響B(tài)MSC向成骨細(xì)胞分化的過程。Gong等[12]研究發(fā)現(xiàn)低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白5基因突變可以影響成骨，導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥或骨化癥，這也首次揭示了Wnt/β-catenin信號(hào)通路對(duì)骨發(fā)育起著至關(guān)重要的作用。

Wnt/β-catenin信號(hào)通路對(duì)成骨各個(gè)階段的影響也不同。在早期階段，β-catenin的表達(dá)可以調(diào)控BMSC分化為破骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞或軟骨細(xì)胞等，同時(shí)，還對(duì)早期成骨標(biāo)志物(如堿性磷酸酶、Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2)的表達(dá)產(chǎn)生影響，β-catenin在早期的活化也促進(jìn)了成骨細(xì)胞的增殖；在后期，β-catenin信號(hào)下調(diào)是成骨細(xì)胞分化和骨鈣素表達(dá)所必需的，因此，Wnt/β-catenin信號(hào)通路對(duì)骨骼的再生和骨骼的發(fā)育過程有重要影響[14]。除經(jīng)典 Wnt信號(hào)通路外，Wnt蛋白還可以通過不同受體誘導(dǎo)非經(jīng)典Wnt信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，這些非經(jīng)典Wnt信號(hào)通路較Wnt/β-catenin信號(hào)通路更加繁雜，包括的信號(hào)通路種類眾多，常見的有Wnt/Ca2+通路、Wnt/c-Jun氨基端激酶通路和Wnt/Ror2通路等[15]。

2 Wnt/β-catenin信號(hào)通路在骨質(zhì)疏松癥中的作用

2.1骨質(zhì)疏松內(nèi)環(huán)境下β-catenin的改變 骨質(zhì)疏松癥是一種常見的退行性疾病，主要影響高齡女性，近年的一項(xiàng)研究表明，50歲以上的男性中有16%患有骨質(zhì)疏松癥，而50歲以上的女性中有29.9%患有骨質(zhì)疏松癥[2]，尤其是絕經(jīng)后女性，是骨質(zhì)疏松癥患者的高發(fā)人群。Shi等[16]分析了絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥患者的BMSC，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄β-catenin的CTNNB1(Catenin beta 1)基因明顯低于健康對(duì)照細(xì)胞，同時(shí)，實(shí)時(shí)熒光定量聚合酶鏈反應(yīng)和蛋白質(zhì)印跡(Western blot)結(jié)果顯示，在BMSC成骨分化過程中CTNNB1的mRNA和蛋白表達(dá)水平升高。在骨質(zhì)疏松癥患者中，2型糖尿病也是導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥的危險(xiǎn)因素之一。Li等[17]研究發(fā)現(xiàn)2型糖尿病導(dǎo)致的骨質(zhì)疏松主要是由于骨形成受損所致而不是骨吸收增加，在2型糖尿病中骨吸收和骨形成的變化程度不同，導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)在骨和干細(xì)胞等外周組織中表達(dá)的腦和肌肉芳香烴受體核轉(zhuǎn)位蛋白1在2型糖尿病中表達(dá)降低，通過增加芳香烴受體核轉(zhuǎn)位蛋白1的表達(dá)可抑制Wnt/β-catenin信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中GSK-3β的表達(dá)，進(jìn)而顯著改善BMSC驅(qū)動(dòng)的骨再生；相反，增加芳香烴受體核轉(zhuǎn)位蛋白1表達(dá)可抑制GSK-3β并啟動(dòng)Wnt/β-catenin通路，顯著改善BMSC驅(qū)動(dòng)的骨再生。Dong等[2]發(fā)現(xiàn)用于治療2型糖尿病的安奈格列汀具有治療骨質(zhì)疏松癥的潛在作用，安奈格列汀可通過Wnt/β-catenin信號(hào)通路顯著增加MC3T3-E1細(xì)胞的成骨細(xì)胞分化和礦化，以及成骨關(guān)鍵因子重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2和Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2的表達(dá)。

2.2骨質(zhì)疏松內(nèi)環(huán)境下體內(nèi)外物質(zhì)通過Wnt/β-catenin信號(hào)通路促進(jìn)成骨 在骨質(zhì)疏松的內(nèi)環(huán)境下，許多體內(nèi)外物質(zhì)可以通過Wnt/β-catenin信號(hào)通路影響成骨。Yang等[8]研究發(fā)現(xiàn)普遍存在于細(xì)胞外基質(zhì)的纖維連接蛋白1(fibronectin 1，F(xiàn)N-1)可以通過Wnt/β-catenin信號(hào)通路影響骨質(zhì)疏松癥患者的成骨，F(xiàn)N-1與β-catenin在體外相互作用和調(diào)節(jié)，F(xiàn)N-1過表達(dá)可以啟動(dòng)Wnt/β-catenin信號(hào)通路，進(jìn)而促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化和成骨；此外，研究還發(fā)現(xiàn)整合素β1可與FN-1相互作用，且整合素β1對(duì)FN-1介導(dǎo)的Wnt/β-catenin信號(hào)通路的激活是必不可少的。Oh等[18]研究發(fā)現(xiàn)采用Wnt/β-catenin信號(hào)通路的抑制劑Dickkopf-1(DKK-1)預(yù)處理可抑制海產(chǎn)品中赤貝蛋白衍生肽AWLNH和PHDL誘導(dǎo)的堿性磷酸酶活化和鈣化，而DKK-1也可降低Wnt信號(hào)分子的mRNA表達(dá)，提示AWLNH和PHDL可以通過典型的Wnt/β-catenin信號(hào)通路促進(jìn)BMSC向成骨細(xì)胞分化。Liu等[19]在去卵巢大鼠和原代成骨細(xì)胞中分別給予女貞子水提取物和含藥血清，結(jié)果首次證明女貞子可以抑制去卵巢大鼠和原代成骨細(xì)胞中DKK1和骨硬化素過表達(dá)，進(jìn)而誘導(dǎo)典型的Wnt/β-catenin信號(hào)通路來保持骨質(zhì)量，表明女貞子可能為預(yù)防骨質(zhì)疏松癥的新來源。Chen等[1]研究發(fā)現(xiàn)鳶尾素在人類血液循環(huán)中的水平與骨質(zhì)疏松性癥有關(guān)，鳶尾素可能通過增加自噬相關(guān)蛋白12-自噬相關(guān)蛋白5-自噬相關(guān)蛋白16L復(fù)合物而上調(diào)BMSC自噬，進(jìn)而提高BMSC的成骨分化能力；此外，結(jié)果還表明，在鳶尾素誘導(dǎo)BMSC自噬后，Wnt/β-catenin信號(hào)通路被激活，促進(jìn)成骨；而BMSC自噬被抑制時(shí)則出現(xiàn)相反的結(jié)果。

3 Wnt/β-catenin信號(hào)通路在非骨質(zhì)疏松癥中的作用

3.1體內(nèi)物質(zhì)通過Wnt/β-catenin信號(hào)通路促進(jìn)成骨 Wnt/β-catenin信號(hào)通路在小鼠和人的骨再生和改建過程中起重要作用。Wnt/β-catenin信號(hào)通路已成為骨代謝的重要信號(hào)通路，幾乎影響骨骼生理學(xué)的各個(gè)方面。Liu等[20]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Wnt信號(hào)通路的激活可促進(jìn)微循環(huán)的形成，特別是促進(jìn)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子和基質(zhì)金屬蛋白酶9的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)成年和老年雄性小鼠干骺端的骨折愈合。Liu等[21]發(fā)現(xiàn)分布于骨髓和血管中的感覺神經(jīng)纖維分泌的神經(jīng)肽Y可以促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化，上調(diào)和促進(jìn)β-catenin的表達(dá)，此外，神經(jīng)肽還可促進(jìn)β-catenin向細(xì)胞核內(nèi)移位，表明神經(jīng)肽可能通過激活典型的Wnt/β-catenin信號(hào)通路介導(dǎo)BMSC向成骨細(xì)胞分化。Shi等[22]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)血管活性腸肽可通過激活經(jīng)典Wnt信號(hào)通路促進(jìn)BMSC在體外成骨和促進(jìn)血管生成及分化，并通過激活經(jīng)典Wnt信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路刺激體內(nèi)骨修復(fù)功能。Shares等[23]發(fā)現(xiàn)活躍的線粒體通過促進(jìn)β-catenin乙酰化從而促進(jìn)成骨細(xì)胞分化。

在人體中，許多基因也可以通過Wnt/β-catenin信號(hào)通路促進(jìn)成骨。Lang等[24]證實(shí)miR-25基因在骨折大鼠中通過激活Wnt信號(hào)通路而過表達(dá)，進(jìn)一步促進(jìn)骨折愈合。Zhang等[14]實(shí)驗(yàn)證實(shí)miR-335-5p基因在體內(nèi)和體外均能抑制Wnt/β-catenin信號(hào)通路的拮抗劑DKK-1的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)BMSC向成骨細(xì)胞分化。Mulati等[25]發(fā)現(xiàn)在人類各種癌癥中均有l(wèi)ncRNAs結(jié)直腸腫瘤差異表達(dá)基因的過表達(dá)，該基因可以在體內(nèi)外促進(jìn)BMSC向成骨細(xì)胞分化，并在體內(nèi)調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的增殖。Liu等[26]發(fā)現(xiàn)在成骨祖細(xì)胞中高表達(dá)的G蛋白偶聯(lián)受體可通過穩(wěn)定β-catenin來激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路，進(jìn)而促進(jìn)成骨分化和礦化；相反，G蛋白偶聯(lián)受體基因敲除通過促進(jìn)β-catenin的降解，使Wnt/β-catenin信號(hào)通路失活，從而抑制成骨分化和礦化。

Wnt/β-catenin信號(hào)通路被認(rèn)為是成骨細(xì)胞分化的主要調(diào)節(jié)因子，也是脂肪細(xì)胞分化的抑制因子。Wnt/β-catenin信號(hào)通路可以通過抑制BMSC向脂肪細(xì)胞的分化而促進(jìn)向成骨細(xì)胞分化。Jeong等[27]發(fā)現(xiàn)具有破骨細(xì)胞功能的重要調(diào)節(jié)因子跨膜蛋白64基因在小鼠體內(nèi)被敲除后，可以顯著增加成骨細(xì)胞的數(shù)量，減少BMSC向成脂細(xì)胞分化，還可提高胞質(zhì)內(nèi)β-catenin的表達(dá)水平，進(jìn)而導(dǎo)致β-catenin向核內(nèi)轉(zhuǎn)移增多；相反，跨膜蛋白64過表達(dá)可抑制BMSC向成骨細(xì)胞分化進(jìn)而加速向脂肪細(xì)胞的分化，并抑制β-catenin表達(dá)。Pan等[28]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Yes相關(guān)蛋白具有促進(jìn)成骨和抑制脂肪細(xì)胞生成的作用，并揭示了Yes相關(guān)蛋白在成人成骨和骨穩(wěn)態(tài)過程中對(duì)β-catenin信號(hào)的正向調(diào)節(jié)作用。Luo等[29]發(fā)現(xiàn)Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子1通過經(jīng)典Wnt信號(hào)通路促進(jìn)BMSC向成骨細(xì)胞分化，并且可以抑制BMSC向脂肪細(xì)胞分化。

3.2體外物質(zhì)通過Wnt/β-catenin信號(hào)通路促進(jìn)成骨 體外物質(zhì)也可以通過Wnt/β-catenin信號(hào)通路影響成骨，如許多金屬材料可以通過經(jīng)典的Wnt信號(hào)通路促進(jìn)成骨。Hung等[30]證實(shí)Mg2+通過激活經(jīng)典的Wnt信號(hào)通路在骨髓腔誘導(dǎo)成骨效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致BMSC向成骨細(xì)胞分化。Abuna等[31]發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)于納米鈦上的細(xì)胞可通過干擾Wnt/β-catenin信號(hào)通路中的卷曲蛋白4基因表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)成骨細(xì)胞分化。無機(jī)非金屬材料硅磷酸鈣(Si-CaP)具有良好的生物相容性和生物降解性，其成分與人骨中的無機(jī)成分非常接近[32]。Cameron等[33]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Si-CaP可促進(jìn)BMSC的附著和增殖，且與單純羥基磷灰石相比，Si-CaP促進(jìn)成骨的能力更強(qiáng)，Si-CaP在體外可增加骨基質(zhì)的產(chǎn)生，在體內(nèi)表現(xiàn)為更強(qiáng)的促進(jìn)成骨作用。當(dāng)硅濃度為0.8wt%時(shí)，Si-CaP促進(jìn)成骨分化的能力最強(qiáng)[32]。Han等[34]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Si在調(diào)節(jié)BMSC增殖和Wnt/β-catenin信號(hào)通路中起重要作用。而Si-CaP是由Si取代了CaP中的一個(gè)磷離子，所以推測(cè)Si-CaP也可以通過Wnt/β-catenin信號(hào)通路促進(jìn)BMSC向成骨細(xì)胞分化，但還需進(jìn)一步證實(shí)。

除金屬材料外，許多中藥物質(zhì)也可以通過Wnt/β-catenin信號(hào)通路促進(jìn)成骨。Sharma和Nam[35]實(shí)驗(yàn)證實(shí)，山柰酚可以通過Wnt/β-catenin信號(hào)通路促進(jìn)成骨細(xì)胞分化。Zhao等[36]實(shí)驗(yàn)證實(shí)GSK3-β的特異性抑制劑溴-靛玉紅-3′-肟可以促進(jìn)β-catenin進(jìn)入細(xì)胞核進(jìn)而在細(xì)胞核內(nèi)積聚，從而激活Wnt/β-catenin信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。在中藥方面也有相關(guān)報(bào)道，Zhou等[37]發(fā)現(xiàn)中草藥物苔黑酚葡萄糖苷可以通過Wnt/β-catenin信號(hào)通路在體外促進(jìn)BMSC向成骨細(xì)胞分化，還可以抑制BMSC向成脂細(xì)胞分化。Zhu等[38]實(shí)驗(yàn)證明梓醇可以通過激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路促進(jìn)BMSC向成骨細(xì)胞的分化。Mo等[39]研究發(fā)現(xiàn)老鸛草素可以提高細(xì)胞核內(nèi)β-catenin的表達(dá)水平，這是其成骨作用的重要機(jī)制。

4 結(jié) 語(yǔ)

骨質(zhì)疏松癥是全球老年人普遍存在的一種疾病，在骨質(zhì)疏松癥內(nèi)環(huán)境下促進(jìn)成骨是學(xué)者們研究的難題之一。成骨過程中涉及許多信號(hào)通路，其中Wnt/β-catenin信號(hào)通路是促進(jìn)成骨過程中不可或缺的通路。在骨質(zhì)疏松癥環(huán)境下，可導(dǎo)致Wnt/β-catenin信號(hào)通路中的一些蛋白表達(dá)發(fā)生改變，進(jìn)而影響成骨。在治療方面，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)無論是體內(nèi)的一些基因還是體外的藥物甚至一些金屬離子都可以通過Wnt/β-catenin信號(hào)通路影響成骨。相信隨著研究深入，Wnt/β-catenin信號(hào)通路對(duì)于骨科疾病的治療也會(huì)起到關(guān)鍵作用。但是目前β-catenin與T細(xì)胞因子/淋巴樣增強(qiáng)因子結(jié)合后作用的下游靶基因尚未研究清楚。還有研究指出Wnt/β-catenin信號(hào)過度激活可能導(dǎo)致BMSC衰老[40]，但最終成骨機(jī)制尚不明確。同時(shí)，Wnt/β-catenin信號(hào)通路成骨過程中涉及的蛋白眾多，仍有待深入研究。