成骨细胞与破骨细胞的相互作用对骨重塑的调节

ste m cells f or treat m ent of therapy-resistant graft-versus -host disease1Trans p lantati on,2006;81(10):1390–1397
19　Bocelli-Tyndall C,B racci L,Spagnoli G et al1Bone mar2 r ow mesenchy mal str omal cells(BM-MSCs)fr om healthy donors and aut o-i m mune disease patients reduce the p r o2 liferati on of aut ol ogousand all ogeneic-sti m ulated ly mpho2 cytes in vitr o1Rheu mat ol ogy,2007;46(3):403–408 20　Gerdoni E,Gall o B,Casazza S et al1Mesenchy mal ste m cells effectively modulate pathogenic i m mune res ponse in experi m ental aut oi m mune encephal omyelitis1Ann Neur ol, 2007;61(3):219–227
21　Augell o A,Tass o R,Negrini S M et al1Cell therapy using all ogeneic bone marr ow mesenchy mal ste m cells t o p revent
tissue da mage in collagen-induced arthritis1A rthritis Rheu m,2007;56(4):1175–1186
22　English A,Jones E A,Corscadden D et al1A comparative assess ment of cartilage and j oint fat pad as a potential s ource of cells f or aut ol ogous therapy devel opment in knee osteoarthritis1Rheumat ol ogy,2007;46(11),1676–1683
23　Pisati F,Boss olasco P,MeregalliM et al1I nducti on of neu2 r otr ophin exp ressi on via hu man adult mesenchy mal ste m cells:i m p licati on f or cell therapy in neur odegenerative dis2 eases1Cell Trans p lant,2007;16(1):41–55
(2009-04-14收稿)
成骨细胞与破骨细胞的相互作用对骨重塑的调节汕头大学医学院第一附属医院(515041) 陈　斌综述 李学东　杜世新审校
摘　要　骨骼是一个动态活性组织,它通过持续的重塑来维持其矿化平衡及自身的结构完整。

在骨重塑的过程中,协调成骨细胞,骨细胞和破骨细胞之间的活性,能保持骨重塑过程的动态耦联平衡,其中成骨细胞(骨形成功能)和破骨细胞(骨吸收功能)在骨重塑过程中起关键作用。

成骨细胞和破骨细胞之间的相互调节在骨重塑过程实现骨形成和骨吸收平衡的基础。

两组细胞实现细胞间相互作用主要有三种方式:直接接触,分泌旁分泌因子及细胞与骨基质作用,成骨细胞和破骨细胞之间3种相互作用方式对骨重塑过程起重要调节作用。

关键词　骨重塑;成骨细胞;破骨细胞
骨是高活性组织,通过持续的重塑修复自身微损伤,保持结构、荷载和钙的内稳态平衡,每年有10%的骨质代谢重塑[1],骨骼系统的内稳态平衡就是靠骨重塑来实现的。

骨重塑也称为骨的再生循环,人为划分为:活化,吸收,逆转及骨形成四阶段。

成骨细胞(O steoblast,OB)和破骨细胞(O s2 teoclast,OC)是骨重塑过程中的两种主要细胞,协调OB与OC的生成与活性,能平衡骨的吸收与形成过程。

在骨重塑过程中,OB及OC间的相互作用发生在基本多细胞单位[2],通过直接接触,分泌旁分泌因子及细胞与骨基质作用3种主要方式相互调节,进而精确影响骨的重塑过程。

本文就骨重塑过程中OB与OC间的上述3种相互作用方式加以概述。

1　细胞间缝隙连接细胞间通讯
缝隙连接(gap juncti on,GJ)是相邻细胞间的通道结构,GJ的主要功能是细胞与细胞间的通讯(cell-cell communicati on),又称缝隙连接细胞间通讯(gap juncti on intercellular communicati on, GJ I C)是细胞间最重要的信息交流形式,许多与生长、分化密切相关的小分子物质(﹤1000Da,如钙离子、c AMP、I P3、单糖、氨基酸、核苷酸、维生素和激素等),可以通过GJ从一个细胞至另一个细胞,从而影响组织细胞的生长、增殖、分化及迁移[3]。

GJ由连接蛋白(connexin,CX)组成, CX是多基因家族成员,在人类已证实的有21种CX表达,依据分子量的不同而命名为CX26、CX40、CX43等。

研究显示CX几乎表达于所有的组织细胞,不同组织可表达不同的CX,同一组织也可表达多种CX。

在多细胞生物体中,细胞通过CX及介导的GJ I C以调节它们的发育和组合、控制它们的生长和增殖、协调它们的代谢和功能。

因此,GJ I C是组织保持内稳态的核心。

在骨骼的发育和重塑过程中GJ I C也发挥了重要的作用。

研
究[4-6]显示肢体的形成、骨骼的发育和OB的分化与CX43密切关联。

例如,用反义寡核苷酸技术抑制鸡胚胎CX43的表达,可导致鸡肢体畸形;CX43基因诱变可导致斑马鱼短鳍表型;至少40多种CX43基因突变引起可致人口-齿-指发育异常症(ocul odent odigital dys p lasia,ODDD)。

体外实验[7-8]证实:OB分化时表达的CX43及GJ I C上调,抑制GJ I C可延迟OB分化,降低其矿化细胞外基质的能力,减少成骨分化相关的基因表达,可促其转分化为脂肪样细胞;Chung等[9]证实条件敲除CX43基因,可使小鼠骨量的峰值低,OB的数量少,OB对甲状旁腺激素刺激后的合成代谢反应滞后。

以上一切均表明CX43对骨骼发育、重塑和OB分化及功能均有重要调控作用。

缝隙连接对OC 的形成及功能也同样具有重要调控作用。

例如, OC表达CX43,用18a-glycyrrhetinic acid和olea m2 ide预处理抑制OC间的GJ I C后,可降低OC的活性[10]。

OC不仅与OC间形成缝隙连接,而且通过透射电镜扫描证实小鼠胫骨的OC和OB也存在缝隙连接[11]。

Suda等[12]构建OB和OC共同培养体系,发现OB可以促进OC生成及活性。

用半透膜将OC前体与成骨基质细胞在共同培养体系中分隔开,抑制二者细胞间通讯形成后,尽管培养液中加入诱导因子,但是不能诱导生成成熟的OC。

由此可见,成骨基质细胞与OC前体的缝隙连接形成,是OC形成、分化过程中必不可少的因素之一。

2　分泌旁分泌因子
OB能合成、储存骨基质增加骨重量,而OC 能完成骨的吸收,骨的生长和重塑过程由两者功能决定,受雌激素、甲状旁腺激素、1,25(OH) 2D3、生长因子和细胞因子等众多因素紧密调节,其中由OB及其前体细胞合成的骨保护素(osteo2 p r otegerin,OPG)和核因子κB受体激活蛋白配体(recep t or activat or of nuclear fact or K B ligand, RANK L)起主要的调节作用。

RANK L与表达于OC及其前体细胞表面的RANK结合,对于OC的分化、存活是必需的,OPG可以抑制二者的结合,从而抑制OC的形成并诱导OC凋亡[13]。

RANK L/ OPG的比值对于正常骨转换是重要的,是评估骨重塑过程的指标[2],RANK L基因敲除可致小鼠石骨症,而OPG基因敲除可致小鼠骨质减少[14-15]。

因而RANK L/OPG是OB影响OC的生成及活性,调节骨的重塑过程重要因子。

此外,单核细胞趋化因子1(monocyte che motactic p r otein1,Mcp-1)是骨重塑过程中OB对OC生成及活性发挥重要调控作用的细胞因子之一。

在骨吸收阶段,OB分泌的MCP-1或单核细胞趋化蛋白-1等趋化因子可以刺激的OC前体募集[16],促使OC活化。

骨吸收到骨形成过程中有一个过渡阶段,也就是OC诱导OB活化促进骨形成过程,在此过程中OC分泌偶联因子是OB活化的关键。

大量研究表明由OC分泌的鞘氨醇1磷酸(S1P),血小板衍生生长因子二聚体(P DGF BB)和肝细胞生长因子(HGF)等细胞因子是潜在的偶联因子,在骨吸收过程中启动OB活化发挥关键作用。

例如,S1P不仅能促进OB分化,而且能增加RANK L的表达激活OC,进而以正反馈方式激活OB[17]。

血小板衍生生长因子二聚体能促进成骨前体细胞增殖但是却抑制其分化[18-19]。

OC凋亡时血小板衍生生长因子二聚体分泌减少,益于OB从增殖状态进入分化状态。

OC 分泌的肝细胞生长因子,能与表达于OB、OC上的肝细胞生长受体结合,从而增加这两类细胞的DNA合成和增殖[20]。

综上所述,细胞因子的分泌是骨重塑的过程OB、OC相互调节的重要环节。

3　细胞与骨基质作用
在骨重塑过程中,OB与OC通过与骨基质间相互作用是实现对彼此调节的另一主要方式。

OB 能够释放骨钙素,胎球蛋白-A,胶原蛋白I型等化学诱导因子,这些因子在骨形成过程中沉积于骨基质中,并能促进OC融合并包埋于骨基质中[21]。

伴随着骨吸收,OC溶解骨质并释放转化生长因子-B,骨形态发生蛋白(骨形成蛋白)和胰岛素样生长因子(I GF)-Ⅱ等细胞因子,从而激活OB 骨形成[22],研究[23]显示:在体内从骨基质中提取上述因子能促进OB分化及骨形成。

上述研究表明:骨基质不仅是OB、OC发挥生物学效应的靶组织,而且是OB和OC发挥相互调节作用的媒介。

4　展望
骨重塑是一个复杂的生物学过程,在这一过程中,OC完成骨的吸收功能、OB主导骨的形成功能,二者生成及活性的协调是骨重塑过程维持骨骼结构完整的关键。

在骨重塑过程中OB的生成及活性调节着OC的数量和功能,反之OC对OB也同样发挥调节作用。

因此,深入探讨OC和OB相互间的调节及机制,不仅能加深对骨质疏松,骨性关节炎,骨折修复的机制认识,而且能对骨代谢疾病防治提供策略。

参考文献
1　Deal C1Potential ne w drug targets for osteopor osis1Nat Clin Pract Rheu mat ol,2009;5(1):20-27
2　Hadjidakis DJ,Andr oulakis II1Bone re modeling1Ann N Y Acad Sci,2006;1092:385–396
3　Mese G,R ichard G,W hite T W1Gap juncti ons:basic struc2 ture and functi on1J I nvest Der mat ol,2007;127(11): 2516-2524
4　Becker DL,M cGonnell I,M akarenkova HP et al1Roles f or al pha1connexin in mor phogenesis of chick e mbryos revealed using a novel antisense app r oach1Dev Genet,1999;24(1 -2):33-42
5　Hop tak-Solga AD,Klein K A,DeRosa AM et al1Zebrafish short fin mutati ons in connexin43lead t o aberrant gap junc2 ti onal intercellular communicati on1FE BS Lett,2007;581
(17):3297-3302
6　Laird DW1Cl osing the gap on aut os o mal dom inant connexin -26and connexin-43mutants linked t o hu man disease1J
B i ol Che m,2008;283(6):2997-3001
7　J iang JX,Siller-Jacks on AJ,Burra S1Roles of gap junc2 ti ons and he m ichannels in bone cell functi ons and in signal trans m issi on of mechanical stress1Fr ont B i osci,2007;12: 1450-1462
8　Schiller PC,D’I ppolit o G,B ra mbilla R et al1I nhibiti on of gap-juncti onal communicati on induces the trans-differen2 tiati on of osteoblasts t o an adi pocytic phenoty pe in vitr o1J B i2 ol Che m,2001;276(17):14133-14138
9　Chung DJ,Castr o CH,W atkins M et al1Low peak bone mass and attenuated anabolic res ponse t o parathyr oid hor2 mone in m ice with an osteoblast-s pecific deleti on of con2 nexin431J Cell Sci,2006;119(20):4187-4198
10　Ransj M,Sahli J,L ie A1Exp ressi on of connexin43mR2 NA in m icr ois olated murine osteoclasts and regulati on of bone res or p ti on in vitr o by gap juncti on inhibit ors1B i oche m
B i ophys Res Commun,2003;303(4):1179-1185
11　Matsuo K,Irie N1O steoclast-osteoblast communica2 ti on1A rch B i oche m B i ophys,2008;473(2):201-209 12　Suda T,Udaga wa N,M iyaura C1Modulati on of osteoclast differentiati on by l ocal fact ors1Bone,1995;17(2):87S
-91S
13　Fouque-Aubert A,Chapurlat R1I nfluence of RANK L in2 hibiti on on i m mune syste m in the treat m ent of bone disea2 ses1Joint Bone Sp ine,2008;75:5-10
14　Kong YY,Yoshida H,Sar osi I et al1OPG L is a key regula2 t or of osteoclast ogenesis,ly mphocyte devel opment and ly mph-node organogenesis1Nature,1999;397:315-323
15　Bucay N,Sar osi I,Dunstan CR et al1O steop r otegerin-de2 ficient m ice devel op early onset osteopor osis and arterial calcificati on1Genes Dev,1998;12:1260-1268
16　Graves DT,J iang Y,Valente AJ1The exp ressi on of mono2 cyte che moattractant p r otein-1and other che mokines by osteoblasts1Fr ont B i osci,1999;4:D571-D580
17　Ryu J,Ki m HJ,Chang EJ et al1Ki m S phingosine1-phos2 phate as a regulat or of osteoclast differentiati on and osteo2 clast-osteoblast coup ling1E MBO J,2006;25(24): 5840-5851
18　Kubota K,Sakika wa C,Katsu mata M et al1Platelet-de2 rived gr owth fact or BB secreted fr om osteoclasts acts as an osteoblast ogenesis inhibit ory fact or1J Bone M iner Res, 2002;17(2):257-265
19　O’Sullivan S,Naot D,Call on K et al1I m atinib p r omotes os2 teoblast differentiati on by inhibiting P DGFR signaling and inhibits osteoclast ogenesis by both direct and str omal cell-
dependent mechanis m s1J Bone M iner Res,2007;22
(11):1679-1689
20　Grano M,Gali m i F,Za mbonin G et al1Hepat ocyte gr owth fact or is a coup ling fact or f or osteoclasts and osteoblasts in vitr o1Pr oc Natl Acad Sci U S A,1996;93(15):7644 -7648
21　M al one JD,Teitelbau m S L,Grifhn G L et al1Recruit m ent of osteoclast p recurs ors by purihed bone matrix constituents1J Cell B i ol,1982;92:227–230
22　Mohan S,Baylink DJ1Bone gr owth fact ors1Clin O rthop Re2 lat Res,1991;30–48
23　Hauschka P V,M avrakos AE,I afratiMD et al1Gr owth fac2 t ors in bone matrix1Is olati on of multi p le types by affinity chr omat ography on heparin-sephar ose1J B i ol Che m, 1986;261:12665–12674
(2009-06-19收稿)。