维生素D相关信号通路干预对骨质疏松症的影响

谢兴文 林德民 李鼎鹏 徐世红 黄睿 赵建伟 姜朝阳 罗鹏飞 钟建春

1.西北民族大学附属医院，甘肃 兰州 730000 2.甘肃省第二人民医院，甘肃 兰州 730000 3.甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730000 4.甘肃省中医院，，甘肃 兰州 730000

骨质疏松症(osteoporosis，OP)是好发于50～70岁的妇女群体的，以骨密度(bone mineral density，BMD)下降、骨质变脆、易出现骨折为主要症状的一种全身代谢性骨骼疾病[1-2]。部分患者常由扭伤、摔伤等轻微损伤即可诱发骨质疏松性椎体压缩骨折(osteoporotic vertebral compression fractures，OVCF)、骨质疏松性髋部骨折等严重并发症[3-4]。大量动物实验及体内、外研究指出，活性维生素D (vitamin D) 及其代谢的中间产物水平与OP性骨折有显著相关性[5]。因此，通过研究维生素D及其代谢的中间产物的相关信号通路，或许能够为进一步的系统探究OP发病机制及OP治疗方案提供一个新的思路。

1 维生素D与骨质疏松症

维生素D作为体内关键的一种钙调节激素，在抑制甲状旁腺素分泌、促进骨组织矿化方面具有关键效用。其中，维生素D在血液中的主要存在形式25-(OH) 维生素D，在促进钙吸收利用程度、OB生物活性、骨盐沉积和骨形成中具有显著作用[6]。

研究指出，骨折危险性会随着体内25-(OH)2-D3水平下降，骨形成下降，BMD降低明显[7]。一项针对于绝经后女性BMD的研究中，通过对比髋关节骨折、未发生髋部骨折两组患者的N-MID、25-(OH) D、Ca2+、髋部整体、Ward三角区、股骨颈以及股骨大转子BMD后提出，绝经期OP所致髋骨骨折患者BMD降低更加显著，并与血清25-(OH) D水平降低有明显相关性[8]。其他文献也提出相似结论，绝经后女性的血清中25- (OH) D水平越低，OVCF发生的风险随之增加，因此，相对于BMD的检查，其他骨代谢生化指标的检测，或许也能够为骨代谢相关性疾病预后提供重要的参考依据[9-10]。也有研究[11]指出，无论男女，25-(OH) D水平降低均会对BMD产生影响。

在对老年OP患者的相关研究[12-13]中也发现，老年人较少接触阳光及户外活动量不足导致体内血清25-(OH) D水平较低，致使老年人BMD、肌力、平衡力等均有不同程度下降，同时，髋部脆性骨折的风险也随之增加。还有研究[14]指出，体内血清25-(OH) D水平与胰岛素水平有较大的关系。因此，老年人体内血清25-(OH) D的定期监测，在老年人群OP性骨折预防及治疗中有较为重要的指导意义。同时，体内血清25-(OH) D水平在OP的早期预防及治疗相对于单纯BMD检查、X线片检查具有显著的优势和便捷性。

2 与维生素D相关的信号通路

2.1 Wnt/β-catenin信号通路

Wnt/β-catenin通路能够以多种方式直接或间接影响骨细胞代谢，包括激活细胞内Fas基因转录诱导骨细胞凋亡、激活多种蛋白酶引起软骨基质溶解及介导多种蛋白过度表达(如Wnt3a、BMP-2等)从而抑制相关细胞增殖[15]。

维生素D通过抑制细胞生长和Wnt/β-catenin通路抑制细胞增殖[16]。在一项基于骨钙素(OCN)水平，评估骨关节炎(OA)OB产生Wnt/β-catenin通路分子能力研究中发现，人原发性骨关节炎(OA)OB暴露于50 nm的1,25-二羟维生素D3[1，25-Dihydroxyvitamin D3，1,25 (OH)2D3]作用24 h后，所有样本均对1,25(OH)2D3有反应；同时，研究[17]还发现维生素D3有利于Wnt激动剂的表达。1,25(OH)2D3发挥生物学效应需要与VDR结合[18]。当VDR与β-catenin结合形成复合体，降低β-catenin浓度，抑制β-catenin/TCF复合体的形成，影响下游基因的表达，从而阻滞Wnt通路发挥作用[19]。配体依赖的VDR通路可通过增加经典Wnt通路抑制剂DKK-1 mRNA表达，抑制LRP5/6与Frizzed结合，影响β-catenin于细胞内转录与聚集活性，进而阻断Wnt通路[20]。Muralidhar等[21]研究还发现，维生素D能够通过抑制黑色素瘤Wnt/β-catenin通路，使癌细胞侵袭能力下降。Wnt/β-catenin通路作为OP发病机制中经典通路之一，在骨量影响因素中也有重要作用。因此与1,25 (OH)2D3的相关性研究或许是研究OP防治之中重要的一环。

2.2 TLR信号通路

Toll样受体(toll-like receptors，TLR)作为一种模式识别受体，在骨细胞中表达时，有助于TLR配体诱导的OC生成及分化。目前研究[22]发现，TLR4可通过髓系分化初级反应基因88(myeloiddifferentiationfactor88，My D88)激活核因子κB，在促进OC前体细胞分化的同时，提高成熟OC存活率。研究[23]指出，TLR4中的rs4986790 G>A和rs4986791 T>C与维生素D水平呈负相关，有动物实验研究[24]发现，维生素D3能够通过抑制部分TLR2与TLR4表达而抑制肠道炎症反应，可减轻溃疡性结肠炎(ulcerative colitis，UC)临床症状。

目前有较多研究指出，TLR通路与减少OC前体细胞的生成有着较大的相关性。因此，对该通路相关效应分子的药物加以研究，可能在OP防治中具有显著的效果。

2.3 TGF-βSmad信号通路

转化生长因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)在细胞增殖、分化中具有重要作用。骨骼中TGF-β1含量丰富，能通过促进间充质细胞(mesenchymal stem cells，MSCs)及OB增殖分化，促进骨形成。研究[25]指出，TGF-β1通过启动Smads通路以介导OB生理功能，影响骨形成。实验研究[26]发现，1,25 (OH)2D3可降低TGF-β1、Smad3和NF-κB的表达，同时诱导抗纤维化因子Smad7表达，维生素D能够逐步降低心肌组织TGF-β1、Col-I、Col-III、α-actin、Myom-1的水平并影响大鼠体内心血管重构的程度。

2.4 MAPK信号通路

丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)属于丝/苏氨酸蛋白激酶家族。目前研究[27]表明，MAPK信号通路主要有：p38通路、JNK通路、ERK1/2通路、ERK5通路。

2.4.1p38信号通路：p38 MAPK能够通过影响相关基因，诱导OB增殖、凋亡。当OB p38 MAPK磷酸化被抑制时，能够保护OB并促进其增殖、抑制凋亡，当OB p38 MAPK过度磷酸化时，将会引起OB凋亡[28-29]。研究[30-31]提示，维生素D可能通过过氧化物酶体增殖物活化受体α (PPAR-α) 通路影响p38 MAPK。同时有实验研究[32]指出，1,25 (OH)2D3能上调AdipoR2、p38 MAPK、 LPL目的基因及蛋白水平。

2.4.2JNK信号通路：JNK通路激活后，能够影响caspase-3、Bad及BcL-2表达，诱使OB通过线粒体途径凋亡[33]。当JNK通路被抑制时，OB凋亡也将被显著影响。有研究[34]提示，1,25 (OH)2D3可通过抑制T淋巴细胞JNK/AP-1通路促进磷酸化糖皮质激素受体表达。也有研究[35]发现，1,25 (OH)2D3可以显著抑制细菌内毒素脂多糖(LPS)诱导p38、ERK和JNK-MAPK磷酸化。1,25 (OH)2D3通过抑制MAPK途径和下游炎症分子的产生，降低LPS刺激神经元胶质细胞中炎症分子的生成。

2.4.3ERK1/2及ERK5信号通路：ERK1/2通路可受到激素、生长因子等多种来源刺激所激活，继而激活ERK，从而促进OB增殖[27]。有实验研究[36]发现，ERK1/2通路激活可被体外1,25 (OH)2D3干预而受到抑制。有研究[37]指出，流体剪切力能够通过ERK5通路抑制TNF-α诱导OB凋亡。由于ERK1/2及ERK5通路对OB及OC具体作用的研究较少，因此维生素D能否通过该通路影响BMD仍需要进一步研究。

2.5 NF-κB信号通路

NF-κB通路作为OP研究中一个经典通路，主要具有降低OB代及增殖分化能力的作用，同时，在OB凋亡中也具有重要的影响。研究发现，1,25 (OH)2D3与VDR结合后，能够抑制NF-κB转录因子信号，并且因为维生素D3本身具有的抗炎效果，1,25 (OH)2D3可通过抑制VDR/IkBa/NF-kB通路，减轻炎症反应[38]。有研究[39]指出，1,25 (OH)2D3能够诱导VDR表达并促进VDR与NF-κB p50亚单位的相互作用，从而减弱KLF5与NF-κB p50亚基的关联，对巨噬细胞发挥抗炎和抗增殖作用。也有研究指出，1,25 (OH)2D3能介导阻断MAPK及NF-κB通路调节细胞因子的表达，降低RANKL及OC相关基因表达[40]。

2.6 Runx2信号通路

Runx2作为MSCs成骨分化、骨生成和骨发育标志，高表达则标志MSC处于骨形成初阶段[41]。有研究指出，1,25 (OH)2D3可以通过BMP信号通路促进Runx2、OCN、COLⅠ和ALP等相关基因的表达，加速MSC的成熟和矿化[42]。同时，1,25 (OH)2D3引起的OB分化抑制和脂肪细胞分化促进作用被Runx2过度表达所补偿，即1,25 (OH)2D3通过下调OB中Runx2来诱导OB向脂肪细胞的转化[43]。

3 总结与展望

OP作为临床骨科领域常见的全身代谢性骨骼疾病和研究中的热点，其发病机制受到多种体内、体外机制及因素共同作用。每年都不断有大量的实验研究和基础性研究提出新的假说及发病机制，但是OP确切的、系统的发病机制仍未被完全阐述清楚。就此而已，单纯从某一个或者是某几个通路作用治疗OP的方案可能仍存在较大的限制，但通过多通路共同作用来治疗OP的角度分析，治疗效果是否会因为某些信号之间相互作用而增强或减弱也是亟待解决的问题。

维生素D不仅在OP治疗中具有很好地疗效，在高血压、糖尿病、肿瘤 、免疫功能失调等疾病中也表现出来较大的优势；但维生素D用于OP治疗中存在的不良反应，如促进肾结石形成等也是不可忽略的问题。因此，如何合理有效地规避维生素D在治疗中不良反应的同时将维生素D及其有效成分效用最大程度地发挥也是在OP治疗中一个不可避免的问题。因此，通过维生素D相关通路治疗OP仍然有着不少需要解决的问题，但可以相信，随着更多基础实验及系统性试验研究的探究，在OP发病机制相关信号通路将会有更加全面、深入的认识，通过分子水平介导信号通路来治疗OP也将有着更多的可能性。