內(nèi)源性大麻素系統(tǒng)與骨代謝

丁 鼎，王柏翔，周 益

大麻素(cannabinoids)是一組特異性化合物，包括植物大麻素、內(nèi)源性大麻素，以及具有相似化學(xué)結(jié)構(gòu)的人工合成大麻素。內(nèi)源性大麻素、大麻素受體、以及負(fù)責(zé)其合成和降解的酶，構(gòu)成了內(nèi)源性大麻素系統(tǒng)(endocannabinoid system, ECS)。

近幾十年來，內(nèi)源性大麻素系統(tǒng)作為一種潛在的治療靶點(diǎn)，引起了廣泛的關(guān)注[1]。內(nèi)分泌系統(tǒng)[2]、神經(jīng)系統(tǒng)[3]、免疫系統(tǒng)[4]的生理過程中均有內(nèi)源性大麻素系統(tǒng)的參與。在哺乳動物中，它被認(rèn)為是多種生理過程的調(diào)控者，包括炎癥、疼痛、食欲、情緒等[5]。在骨組織方面，Idris等[6]首次證實(shí)了內(nèi)源性大麻素系統(tǒng)參與了骨代謝的過程，此后，越來越多的證據(jù)表明，內(nèi)源性大麻素系統(tǒng)可以影響成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞活性，從而影響骨代謝和骨骼重塑的過程。本文將對內(nèi)源性大麻素系統(tǒng)在調(diào)節(jié)骨代謝中的作用進(jìn)行描述，并探討通過內(nèi)源性大麻素系統(tǒng)調(diào)節(jié)骨重塑的可能性。

1 大麻素受體

大麻素受體主要包括大麻素Ⅰ型受體(CB-1受體)、大麻素Ⅱ型受體(CB-2受體)、瞬時感受器電位香草酸受體1 (transient receptor potential vanilloid 1, TRPV1)、瞬時感受器電位香草酸受體4 (transient receptor potential vanilloid 1, TRPV4)、G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptor, GPR)、GPR119等。其中CB-1受體和CB-2受體是最重要的兩種受體，均為G蛋白偶聯(lián)受體[7]。

CB-1受體主要位于中樞與外周神經(jīng)系統(tǒng)中[8]，在骨骼中CB-1受體的表達(dá)水平非常低[6]。Idris等[6]的早期研究顯示，敲除Cnr1(CB-1受體編碼基因)的成年雌性ABH小鼠和 CD1小鼠均具有較高的峰值骨量；與正常小鼠相比，Cnr1基因敲除小鼠因卵巢切除術(shù)引起的骨量丟失有所減少，同時在脛骨干骺端的骨小梁體積明顯增加。與之相反，Tam等[9]的研究表明敲除Cnr1基因的雌性小鼠近交到C57BL/6時，具有較低的峰值骨量。Idris等[10]在后續(xù)的研究中也證實(shí)了Tam的結(jié)果，并表示，CB-1選擇性拮抗劑AM251可以通過濃度依賴的方式顯著抑制RANKL和M-CSF刺激下的小鼠骨髓培養(yǎng)物中破骨細(xì)胞的形成，而大麻素受體激動劑則以濃度依賴性方式刺激破骨細(xì)胞形成。Samir等[11]將CB-1受體拮抗劑應(yīng)用于骨質(zhì)疏松大鼠時發(fā)現(xiàn)，年幼大鼠的骨質(zhì)疏松癥狀得到了緩解，年老大鼠卻加劇了骨質(zhì)喪失。這項(xiàng)結(jié)果提示CB-1受體對于骨代謝的調(diào)控可能與年齡相關(guān)。除了對骨骼的直接影響外，CB-1受體可作用于交感神經(jīng)末梢，抑制去甲腎上腺素的生成，導(dǎo)致成骨細(xì)胞β2-腎上腺素能受體活性被抑制，促進(jìn)了成骨細(xì)胞的活性及分化，從而間接促進(jìn)了骨代謝[12]。在輕度顱腦損傷后，CB-1受體也可介導(dǎo)骨合成代謝反應(yīng)[13]?？傊珻B-1受體在骨代謝的過程中直接或間接地起到調(diào)控作用，但對于其具體調(diào)控機(jī)制尚未有統(tǒng)一結(jié)論。根據(jù)現(xiàn)有的研究可以認(rèn)為，骨骼發(fā)育的早期缺乏CB-1受體的動物會增加骨骼體積，但隨著年齡增長則可能出現(xiàn)骨質(zhì)疏松癥狀[14]。

與CB-1受體相比， CB-2受體在骨細(xì)胞及其前體細(xì)胞中的含量更高，并且在維持骨吸收與骨形成之間的平衡中起著重要作用[15]。CB-2受體在骨形成階段有著更高的表達(dá)[14]。研究報(bào)道，敲除Cnr2(CB-2受體編碼基因)的小鼠隨著年齡增長，骨形成減少，骨量降低[16]。在CB-2受體的介導(dǎo)下，大麻素能夠增加斑馬魚鱗片中與骨組織合成相關(guān)的標(biāo)志物，而不影響破骨細(xì)胞分化或代謝的標(biāo)志物；同時，大麻素能夠減輕因糖皮質(zhì)激素使用造成的骨質(zhì)流失[17]。在人牙周細(xì)胞中，Cnr2活性化可使成骨基因轉(zhuǎn)錄增加、RANKL基因表達(dá)降低，從而增強(qiáng)人牙周細(xì)胞的成骨分化，創(chuàng)造有利的成骨微環(huán)境[18-19]。激活CB-2受體可上調(diào)多種成骨因子的表達(dá)，包括RUNX2、骨唾液蛋白(BSP)、骨橋蛋白(OPN)、堿性磷酸酶(ALP)和骨鈣蛋白(OC)等，因此CB-2受體活性對成骨細(xì)胞增殖和功能的積極作用已被普遍接受[20]。Xu等的研究指出，在自噬作用和Nrf2失活的參與下，Cnr2可誘導(dǎo)成骨細(xì)胞的分化[21]。CB-2信號對破骨細(xì)胞直接作用的研究卻取得了矛盾的結(jié)果：一些研究得出結(jié)論，CB-2信號促進(jìn)了破骨細(xì)胞的分化[6,22]；另一些證據(jù)表明，CB-2信號抑制了破骨細(xì)胞的形成[23-24]。有學(xué)者認(rèn)為上述矛盾是實(shí)驗(yàn)條件不同所致，例如所使用的化合物種類及濃度不同，均有可能導(dǎo)致結(jié)果差異[20]。

有研究評估了同時敲除Cnr1與Cnr2對小鼠從出生到老年的骨骼發(fā)育的影響，并研究了切除卵巢的雌性小鼠的骨質(zhì)疏松情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)與野生型相比，Cnr1/2-/-小鼠出生時的骨吸收加快，而培育至3個月齡時，它們的骨小梁質(zhì)量更高。盡管Cnr1/2-/-小鼠骨骼形成減少，但同時破骨細(xì)胞缺陷也導(dǎo)致骨吸收量減少，且減少程度超過了骨形成的減少，隨著年齡增長，Cnr1/2-/-小鼠骨骼的質(zhì)與量反而優(yōu)于野生型小鼠。與之相反的，僅敲除單一基因的小鼠由于成骨細(xì)胞缺陷，老年時骨量低于野生型小鼠。因此CB-1和CB-2受體在調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞活性方面具有相似但非完全相同的作用[25]。

TRPV1屬于鈣離子通道的亞家族，構(gòu)成內(nèi)腔靜脈系統(tǒng)[26]，它是一種傷害感受器，主要在軀體和自主神經(jīng)傳入神經(jīng)元的感覺神經(jīng)纖維上表達(dá)[27]。與CB-2相反，TRPV1受體激活將會激活破骨細(xì)胞并抑制成骨細(xì)胞的活性[28-29]。TRPV1的缺失或抑制將影響破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的分化，進(jìn)而影響骨重塑過程，不利于成骨及骨折愈合[30-31]。

除CB-1、CB-2、TRPV1受體外，其他內(nèi)源性大麻素受體如GPR55、GPR119和TRPV4也參與調(diào)控成骨細(xì)胞及破骨細(xì)胞活性，影響骨代謝[32-34]。而其在骨代謝中的重要性仍待進(jìn)一步研究[20]。

2 內(nèi)源性大麻素

內(nèi)源性大麻素主要包括花生四烯酸氨基乙醇(anandamide，AEA)和2-花生四烯酰甘油(2-arachidonoylglycerol，2-AG)[35]。AEA和2-AG存在于骨髓中以及代謝活躍的骨小梁腔內(nèi)，其水平與大腦相同[36]。成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞均可在培養(yǎng)物中產(chǎn)生AEA和2-AG[37-38]。

AEA是最早發(fā)現(xiàn)的內(nèi)源性大麻素配體。在體外試驗(yàn)中，使用AEA對人類成骨細(xì)胞以及破骨細(xì)胞進(jìn)行干預(yù)，發(fā)現(xiàn)AEA會抑制早期成骨細(xì)胞的增殖，但對其分化有促進(jìn)作用，進(jìn)而提升了礦化能力；AEA對晚期成骨細(xì)胞分化則產(chǎn)生負(fù)面影響，AEA長期作用將抑制成骨細(xì)胞形成鈣鹽的能力[39]。對于破骨細(xì)胞，AEA能夠促進(jìn)其極化與活性[37,40]。在斑馬魚模型中，AEA干預(yù)下可發(fā)現(xiàn)堿性磷酸酶的活性顯著提高[17]。

關(guān)于2-AG，研究已證實(shí)在較低濃度下可刺激成骨細(xì)胞的形成和活性[14,41]。一些研究表明2-AG的作用與AEA相似，2-AG對人成骨細(xì)胞分化的影響具有時間依賴性。在骨基質(zhì)礦化初期具有積極作用，長期作用下則可能導(dǎo)致骨骼結(jié)構(gòu)不良[14,39]。2-AG也可增加破骨細(xì)胞的活性[40]。內(nèi)源性大麻素對成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的影響取決于劑量和時間。此外，內(nèi)源性大麻素是骨細(xì)胞產(chǎn)生的重要因子，可在生理和病理情況下控制其自身系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)[20]。

3 大麻素受體激動劑/拮抗劑

已有研究發(fā)現(xiàn)了部分對大麻素受體起作用的藥物，這些藥物可以激活或抑制大麻素受體。

Jiang等發(fā)現(xiàn)中央脂聯(lián)素(APN)可以通過CB-1受體影響內(nèi)源性大麻素信號，進(jìn)而調(diào)節(jié)骨代謝。而注射CB-1受體激動劑花生四烯酰-2-氯乙胺(ACEA)可減弱APN對骨形成的誘導(dǎo)作用；注射CB-1受體拮抗劑利莫那班則增強(qiáng)了APN對骨形成的誘導(dǎo)作用[42]。此外，CB-1受體拮抗劑利莫那班可減輕慢性間歇性缺氧引起的骨代謝異常[43]。在卵巢切除動物模型中，CB-1選擇性反向激動劑AM251可抑制破骨細(xì)胞的分化和功能，對骨質(zhì)疏松癥狀起到緩解作用[6,14,22]?？赡艿淖饔脵C(jī)制是，AM251通過抑制Wnt/β-Catenin信號通路，從而促進(jìn)成骨細(xì)胞分化并減少成骨細(xì)胞的凋亡[44]。

CB-2受體是與骨相關(guān)的主要治療靶點(diǎn)，CB-2選擇性激動劑HU-308是研究最多的藥物之一。研究表明，HU-308可以通過增加成骨細(xì)胞的分化和活性，預(yù)防卵巢切除大鼠的骨質(zhì)疏松癥狀[45]。HU-308在10 nmol/L到300 nmol/L的濃度下可刺激破骨細(xì)胞的形成，而在較高濃度下則抑制破骨細(xì)胞的形成[22]。HU-433是HU-308的對映異構(gòu)體，同樣僅能與CB-2受體結(jié)合，但在促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖、破骨細(xì)胞分化以及抗炎能力中表現(xiàn)出了更強(qiáng)的功效，具有巨大的藥用潛力[45]。

總之，大麻素受體激動劑與拮抗劑可以通過控制濃度來達(dá)到調(diào)控骨代謝平衡的目的[20]。

4 總 結(jié)

綜上所述，越來越多的證據(jù)表明內(nèi)源性大麻素系統(tǒng)在骨骼代謝的動態(tài)平衡中起著重要的作用，通過調(diào)節(jié)內(nèi)源性大麻素系統(tǒng)預(yù)防或改善骨質(zhì)疏松、促進(jìn)骨創(chuàng)傷愈合以及骨骼再生，具有巨大的臨床潛力。由于醫(yī)用大麻的使用日益增加，同時部分西方國家未禁止吸食大麻，而大麻對于骨代謝的影響并未明朗，我們急需了解內(nèi)源性大麻素系統(tǒng)在人體骨代謝中的作用。但由于內(nèi)源性大麻素系統(tǒng)的復(fù)雜性，當(dāng)前的研究仍有矛盾之處。到目前為止，尚未有一種大麻素成分被批準(zhǔn)用于治療或預(yù)防骨骼疾病和損傷。對于內(nèi)源性大麻素系統(tǒng)對骨代謝效果的關(guān)系值得進(jìn)一步研究。