膽固醇對骨代謝影響的研究進(jìn)展

徐曉麗 孫迎 丁燕 孟碧瑩 向光大*

1. 南方醫(yī)科大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，廣東 廣州 510515

2. 中國人民解放軍中部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院內(nèi)分泌科，湖北 武漢 430070

3. 武漢科技大學(xué)，湖北 武漢 430081

隨著人類社會(huì)的發(fā)展、生活方式的轉(zhuǎn)變，人們普遍出現(xiàn)脂肪攝入增加、體力勞動(dòng)減少、運(yùn)動(dòng)量下降，導(dǎo)致許多健康問題。血脂異常、高膽固醇血癥和胰島素抵抗綜合征等代謝性疾病的患病率逐年攀升。高膽固醇血癥會(huì)損害骨骼健康[1]，膽固醇及其代謝產(chǎn)物通過調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的分化和活化來影響骨代謝的動(dòng)態(tài)平衡。本文將主要通過介紹骨代謝及膽固醇生理病理、膽固醇對骨代謝成骨及破骨的影響和目前降膽固醇藥物對骨代謝的作用等幾個(gè)方面展開綜述。

1 骨代謝概述

骨代謝是骨形成和骨吸收連續(xù)循環(huán)的動(dòng)態(tài)平衡過程，主要通過成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞、成熟骨細(xì)胞三種細(xì)胞類型維持[2-4]。在機(jī)體的生命活動(dòng)中，骨不斷地進(jìn)行重塑，在這個(gè)過程中，舊骨被破骨細(xì)胞吸收移除，破骨細(xì)胞釋放H+離子溶解骨水泥，分泌多種蛋白水解酶溶解骨基質(zhì)，接著由成骨細(xì)胞合成分泌類骨質(zhì)和非膠原蛋白進(jìn)行重建，成骨細(xì)胞被合并到新形成的類骨質(zhì)中，最終成為嵌入鈣化骨中的成熟骨細(xì)胞[5-7]。

成骨細(xì)胞由骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs)分化而來，主要通過BMP/Smads、Wnt/β-catenin等信號通路促進(jìn)成骨細(xì)胞的成骨作用，Runt 相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(runt-related transcription factor 2,Runx 2)、骨鈣素(osteocalcin，OCN)、Osterix等是成骨分化的特異性轉(zhuǎn)錄因子[8-9]。破骨細(xì)胞來源于骨髓多核巨噬細(xì)胞(bone marrow macrophages, BMMs)，骨保護(hù)素(osteoprotegerin, OPG)、核因子κB 受體活化因子(receptor activator of nuclear factor -kappa B, RANK) 和核因子κB 受體活化因子配體 (receptor activator of nuclear factor -kappa B ligand, RANKL)共同調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞功能。RANKL與其受體RANK結(jié)合可以促進(jìn)破骨細(xì)胞的生成和分化，而由成骨細(xì)胞分泌的OPG作為一種旁分泌抑制劑，可與RANKL競爭性結(jié)合RANK抑制破骨活動(dòng)。通過OPG/RANK/RANKL調(diào)節(jié)軸激活下游NF-κB、MAPK、mTOR等主要信號通路，破骨分化的特異性轉(zhuǎn)錄因子包括抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatase, TRACP)、組織蛋白酶K(cathepsin K)、降鈣素受體等[10-12]。

甲狀旁腺素(PTH)、鈣三醇、降鈣素、雌激素等激素及其他細(xì)胞因子共同調(diào)節(jié)骨代謝平衡[12-13]。當(dāng)骨形成和骨吸收的動(dòng)態(tài)平衡被破壞時(shí)，就會(huì)引起骨代謝紊亂，進(jìn)而引起一系列骨代謝相關(guān)疾病，如骨形成大于骨吸收引起骨硬化疾病，骨吸收大于骨形成引起骨量丟失導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥、關(guān)節(jié)病、骨軟骨化等疾病[14]。

2 膽固醇與相關(guān)代謝性疾病的聯(lián)系

膽固醇是構(gòu)成細(xì)胞膜的重要成分，有助于膽汁酸和類固醇激素的合成。膽固醇主要通過脂蛋白在循環(huán)中運(yùn)輸，正常水平的膽固醇濃度是人體所必須的，但當(dāng)膽固醇循環(huán)濃度過高時(shí)就會(huì)成為潛在的危險(xiǎn)因素[15]。

膽固醇與糖尿病、心血管疾病之間關(guān)系密切。Tajima等[16]的Meta分析表明，高膽固醇攝入(273～501.2 mg/d)與低膽固醇攝入(124.9～185 mg/d)相比，其患2型糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)升高。膽固醇代謝紊亂進(jìn)一步可使胰島β細(xì)胞功能受損導(dǎo)致糖尿病[17]。目前研究已經(jīng)證實(shí)膽固醇是心血管疾病的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。楊菊容[18]通過冠心病患者與健康對照人群的血脂檢測對比發(fā)現(xiàn)，冠心病患者高密度脂蛋白膽固醇(high density lipoprotein cholesterol, HLD-C)水平顯著低于對照組，而脂蛋白A1、脂蛋白B和低密度質(zhì)蛋白膽固醇(low density lipoprotein cholesterol, LDL-C)水平均顯著高于對照組。Duran等[19]在對27 552名參與者進(jìn)行12年的隊(duì)列研究發(fā)現(xiàn)，LDL-C是心腦血管疾病發(fā)生發(fā)展的獨(dú)立危險(xiǎn)因素，并且與健康對照人群相比，高水平的殘余膽固醇使心腦血管疾病發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)增加2倍，同時(shí)使冠心病心肌梗死發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)增加3倍，使外周動(dòng)脈疾病發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)增加2.5倍。值得注意的是，大量流行病學(xué)研究[20-21]表明心血管疾病與骨質(zhì)疏松癥之間的風(fēng)險(xiǎn)呈正相關(guān)關(guān)系。薈萃分析[22]也顯示，與沒有患糖尿病的人群相比，糖尿病患者的骨轉(zhuǎn)換減少。這提示膽固醇與骨代謝呈直接或間接相關(guān)，膽固醇對骨代謝的影響也成為研究人員感興趣的領(lǐng)域之一。

研究[23-24]表明高血清總膽固醇(total cholesterol, TC)和高血清LDL-C與低骨密度之間存在正相關(guān)關(guān)系。以往認(rèn)為HDL-C是有益膽固醇，因?yàn)樗c降低心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)[25]。在骨代謝活動(dòng)中，De Pergola等[26]的研究發(fā)現(xiàn)血清HDL-C水平與成骨標(biāo)志物OCN呈正相關(guān)關(guān)系，提示血清HDL-C可能也對骨代謝有益。然而，Li等[27]對790名中國絕經(jīng)后女性調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，血清HDL-C水平>1.55 mmol/L比HDL-C水平≤1.54 mmol/L的人群發(fā)生骨質(zhì)疏松癥的風(fēng)險(xiǎn)更大。Jiang等[28]通過對來自中國5個(gè)醫(yī)療中心的14 147名參與者進(jìn)一步調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，男性及絕經(jīng)后女性的HDL-C水平越高，骨量越小，患骨質(zhì)疏松癥的風(fēng)險(xiǎn)也越高，同樣也表明HDL-C與低骨密度呈正相關(guān)關(guān)系，是骨質(zhì)疏松癥及骨量減少的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。膽固醇特別是膽固醇及其載脂蛋白種類與骨代謝之間的關(guān)系并未完全揭示。

3 膽固醇對骨形成的作用

膽固醇和骨形成(成骨細(xì)胞分化和活化)之間的關(guān)系復(fù)雜，目前主要是通過細(xì)胞、動(dòng)物模型來評估血清膽固醇、細(xì)胞膽固醇及膽固醇脂蛋白對成骨細(xì)胞增殖和分化的影響。Parhami等[29]的研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)源性膽固醇促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，膽固醇通過靶向抑制3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A (HMG-CoA，膽固醇生物合成的限速酶)還原酶生物合成途徑，在不改變Runx 2、Col1a 1和Bgalp表達(dá)的情況下，降低成骨基因堿性磷酸酶(ALP)的活性和表達(dá)，減少骨礦化。Li等[30]也發(fā)現(xiàn)BMSCs經(jīng)膽固醇干預(yù)后其成骨標(biāo)志物增加，并且有更多的礦化結(jié)節(jié)形成。Sheng等[31]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)膽固醇可以通過與Wnt信號通路膜受體的蓬亂蛋白(Dvl)結(jié)合選擇性地激活經(jīng)典Wnt信號通路而不是非經(jīng)典Wnt信號通路促進(jìn)成骨活動(dòng)。然而，You等[32]的研究結(jié)果與前述相反，他們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)大鼠在膽固醇飲食下成骨的TGF-β/BMP2和Wnt信號通路受到抑制，膽固醇對小鼠前成骨細(xì)胞(MC3T3-E1細(xì)胞)增殖和分化的抑制作用呈劑量依賴性，膽固醇干預(yù)降低了成骨基因如ALP、Col1a 1、BMP 2和Runx 2的表達(dá)。最近的一項(xiàng)研究似乎對這一相反的結(jié)論提供了新見解，Li等[33]發(fā)現(xiàn)膽固醇對成骨分化有雙重作用，外源性膽固醇抑制成骨細(xì)胞分化，生理水平的內(nèi)源性膽固醇是BMSCs成骨分化的必要條件。這些發(fā)現(xiàn)提示，膽固醇對成骨活動(dòng)的不同作用可能取決于細(xì)胞的種類，膽固醇類型和膽固醇濃度。Tsushima等[34]利用ScapF/F;Prx1-Cre(顱后體細(xì)胞側(cè)板中胚層細(xì)胞特異性敲除膽固醇生物合成調(diào)節(jié)元件Scap)和ScapF/F;Col2a1-Cre(軟骨細(xì)胞特異性敲除Scap)條件性基因敲除小鼠模型發(fā)現(xiàn)小鼠軟骨發(fā)育不全，生長板紊亂，導(dǎo)致四肢短小；通過敲除Insig1/2(減弱膽固醇生物合成的調(diào)節(jié)元件)構(gòu)建的Insig1F/F;Insig2-/-;Prx1-Cre 或Insig1F/F;Insig2-/-;Col2a1-Cre小鼠雖然細(xì)胞內(nèi)膽固醇升高，但生長板區(qū)域和軟骨形成的缺陷，也導(dǎo)致四肢短小，提示膽固醇及其代謝產(chǎn)物是骨代謝的重要影響因子。這些膽固醇對動(dòng)物及細(xì)胞干預(yù)的結(jié)果表明膽固醇生物合成途徑的產(chǎn)物對于BMSCs向成骨分化和形成礦化基質(zhì)是必須的，但膽固醇濃度過高或過低將會(huì)抑制成骨活動(dòng)，并破壞骨代謝動(dòng)態(tài)平衡。

載脂蛋白A-I (apolipoprotein A-I, ApoA-I)是HDL-C的主要脂蛋白成分，Blair等[35]發(fā)現(xiàn)與野生型小鼠相比，在相同的分化條件下，ApoA-1基因敲除小鼠的BMSCs分化表現(xiàn)為成骨細(xì)胞減少，而脂肪細(xì)胞增加，這表明ApoA-1是正常骨細(xì)胞分化所必需的，至少在一定程度上平衡BMSCs成骨和成脂分化。載脂蛋白D(apolipoprotein D, ApoD)也參與HDL-C的轉(zhuǎn)運(yùn)，Martineau等[36]發(fā)現(xiàn)ApoD缺乏與老年雌性小鼠高骨周轉(zhuǎn)率、低骨量和成骨功能受損有關(guān)。載脂蛋白B-100 (apolipoprotein B-100, Apo- B-100)是LDL-C的特征性脂蛋白，臨床研究發(fā)現(xiàn)攜帶家族性缺陷Apo- B-100的受試者股骨頸、腰椎和全身的骨密度顯著低于非攜帶者[37]。這些結(jié)果提示不同膽固醇脂蛋白顆粒參與膽固醇轉(zhuǎn)運(yùn)途徑不同，對骨代謝成骨分化也有不同程度的影響。

4 膽固醇對骨吸收的作用

膽固醇對骨吸收(破骨細(xì)胞分化及活化)作用也與膽固醇種類有關(guān)。Luegmayr等[38]發(fā)現(xiàn)，體外破骨細(xì)胞的形成高度依賴于外源性LDL-C，缺乏低密度脂蛋白受體(LDLr)會(huì)破壞破骨細(xì)胞的形成，減少細(xì)胞融合，并通過影響Akt, mTOR /S6 通路改變破骨細(xì)胞功能。與LDL-C作用相反， HDL-C誘導(dǎo)破骨細(xì)胞凋亡。Huang等[39]發(fā)現(xiàn)HDL3(HDL的一個(gè)亞型)上調(diào)了ABCG1(ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)子A)的表達(dá)，促進(jìn)了破骨細(xì)胞的膽固醇外排，破壞了破骨細(xì)胞的膽固醇穩(wěn)態(tài)，從而增加了破骨細(xì)胞的凋亡。飲食引起的小鼠高膽固醇血癥使其破骨細(xì)胞生成增加，導(dǎo)致骨密度、骨體積分?jǐn)?shù)和骨小梁數(shù)目下降，并使骨小梁間距增加[40]。Zheng等[41]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)通過抑制膽固醇合成的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子SREBP2(甾醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白2)，可以抑制RANKL介導(dǎo)的破骨細(xì)胞分化來保護(hù)骨量。在大鼠模型中，高膽固醇飲食增加了血清過氧化反應(yīng)(HEL)水平，維生素C可通過降低高膽固醇飲食大鼠血清脂質(zhì)過氧化作用，抑制破骨細(xì)胞分化，并降低RANKL和NF-κB在牙槽骨表面的表達(dá)[42]。說明膽固醇可以促進(jìn)破骨細(xì)胞骨吸收，且主要是由LDL-C介導(dǎo)。

另外，也有相關(guān)載脂蛋白對破骨細(xì)胞影響的研究。ApoA 在體外實(shí)驗(yàn)中雖然促進(jìn)BMSCs向成骨分化，但對破骨分化無明顯影響[35]。目前研究較多的是載脂蛋白E (apolipoprotein E, ApoE)，ApoE參與不同密度膽固醇的轉(zhuǎn)運(yùn)，可以通過NF-κB通路抑制RANKL誘導(dǎo)的破骨分化，降低破骨特異性基因c-Fos、Nfatc1的轉(zhuǎn)錄，但不影響RANKL誘導(dǎo)的對ERK、JNK和p38 MAPK信號通路的激活[43]。ApoE缺乏使血漿氧化低密度脂蛋白(OxLDL)升高，LDL-C升高，HDL-C下降，并且ApoE基因敲除鼠的破骨基因TLR2、 TLR4及 RANKL轉(zhuǎn)錄表達(dá)較野生對照鼠增多[44]。Huan等[45]的研究也表明循環(huán)ApoE濃度隨年齡的增長而降，ApoE干預(yù)可以促進(jìn)骨折愈合。以上結(jié)果說明ApoE能抑制骨吸收，可能是骨保護(hù)性載脂蛋白因子。

5 降膽固醇藥物對骨代謝影響

他汀類藥物是臨床常用的降脂藥，可以競爭性地抑制HMG-CoA還原酶活性從而降低膽固醇濃度。他汀類藥物對骨代謝影響的研究較多，臨床和動(dòng)物研究證實(shí)，他汀類藥物通過促進(jìn)骨形成，同時(shí)抑制溶骨性轉(zhuǎn)移，在降低骨折風(fēng)險(xiǎn)方面發(fā)揮積極作用[46-47]。Mundy等[48]在小鼠顱骨皮下注射了他汀類藥物(洛伐他汀和辛伐他汀)，發(fā)現(xiàn)治療后的動(dòng)物骨形成量顯著增加。體外研究[49-50]表明，他汀類藥物刺激骨形態(tài)發(fā)生蛋白2(BMP 2)、血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)、OCN和骨涎蛋白(BSP)的表達(dá)以增強(qiáng)礦化，主要通過上調(diào)Akt和Erk1/2活性，從而增加BMP-2的表達(dá)來增強(qiáng)成骨細(xì)胞分化。除了經(jīng)典的他汀類降脂藥物對骨代謝的有益作用外，其他降低膽固醇的藥物分子也有類似作用。有研究[51]發(fā)現(xiàn)用于治療糖尿病的常用藥物二肽基肽酶-4(DPP-4)抑制劑也能降低膽固醇，Wang等[52]發(fā)現(xiàn)DPP-4抑制劑西格列汀可以通過抑制RANKL誘導(dǎo)的破骨分化，從而緩解卵巢切除小鼠骨量的丟失。Zhu等[53]也發(fā)現(xiàn)DPP-4抑制劑阿格列汀也能有效緩解高脂飲食引起的骨量丟失，但沒有探討具體機(jī)制。另外，Gui等[54]發(fā)現(xiàn)用于治療骨質(zhì)疏松的雌激素(雌二醇)促進(jìn)成骨分化過程中ApoE的表達(dá)增加，而其他載脂蛋白表達(dá)減少?？傊恍┨囟ǖ淖饔糜谀懝檀妓幬锬艽龠M(jìn)骨形成或減少骨吸收，從而延緩骨質(zhì)流失，減少骨質(zhì)疏松相關(guān)骨折風(fēng)險(xiǎn)。

6 小結(jié)與展望

膽固醇及其代謝產(chǎn)物是脂質(zhì)代謝的重要分子物質(zhì)，同時(shí)也對骨代謝發(fā)揮復(fù)雜功能。雖然研究已證實(shí)膽固醇能影響成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞生成及活性，但其影響成骨及破骨的胞內(nèi)分子信號機(jī)制仍不明確，有待進(jìn)一步深入研究探討。某些特定的降膽固醇藥物如他汀類藥物具有多效性作用，有利于骨代謝，這是大多數(shù)動(dòng)物和細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)研究所支持的。然而，在人體研究中，降膽固醇藥物和骨代謝之間的關(guān)系并不十分明確，可能需要更大規(guī)模人群的流行病學(xué)調(diào)查及藥物研究。膽固醇是影響骨代謝的一個(gè)重要因素，也是骨代謝分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要成員，可以是今后研究的一個(gè)方向。骨代謝的穩(wěn)態(tài)有賴于骨形成和骨吸收的準(zhǔn)確協(xié)調(diào)，然而膽固醇對骨代謝平衡的不同環(huán)節(jié)的作用機(jī)制尚不明確。既然膽固醇對骨代謝是有相當(dāng)程度影響作用的，那么作用于骨細(xì)胞的細(xì)胞因子、激素等分子是否也直接或間接通過影響膽固醇水平來調(diào)控骨細(xì)胞的功能，目前還尚處于探索階段。

明確膽固醇對成骨及破骨影響的分子作用機(jī)制及膽固醇對骨代謝微生態(tài)平衡的綜合作用，將有助于加深對膽固醇與骨代謝之間臨床關(guān)系的理解，為探索相關(guān)藥物及分子對脂代謝及骨代謝的作用提供理論基礎(chǔ)，并可能為骨病特別是合并脂代謝紊亂的骨病治療提供新的思路。