PCBs对骨代谢影响的相关机制研究进展

王慧 郭晓英

中国医科大学公共卫生学院，辽宁 沈阳 110122

骨是一种内分泌器官[1]，由钙化的细胞外基质和多种细胞组成。间充质干细胞可分化为成骨细胞和脂肪细胞等细胞，其中成骨细胞分泌多种蛋白质构成骨基质并矿化参与骨形成。破骨细胞由多个单核细胞融合而成，将骨分解成矿物质和胶原成分进行骨吸收[2]。骨内稳态是通过成骨细胞和破骨细胞对骨重塑和骨吸收的动态平衡来维持的[3]。

多氯联苯(polychlorinated biphenyls，PCBs)是普遍存在的持久性有机污染物[4]。PCBs具有很高的亲脂性和稳定性，很容易在食物链中积累，并集中在脂肪组织中[5]。20世纪80年代大部分国家禁止了PCBs的生产和使用，但由于其疏水特性和非常稳定的化学结构特征，PCBs在土壤和沉积物中仍然存在，依然对环境健康构成威胁[6]。目前仍在使用的含有PCBs的产品和设备有油漆、粘合剂、阻燃剂、液压系统和变压器等[7]。PCBs可引起各种不良影响包括内分泌紊乱、致癌性以及免疫、神经、发育和生殖毒性[5]。暴露于PCBs还可导致骨骼损害，影响成骨细胞和破骨细胞活性，降低血清标志物水平和骨钙水平。本文就PCBs暴露对骨代谢的影响以及相关机制作以综述。

1 PCBs暴露与骨质疏松

骨质疏松症是一种全身骨骼疾病，其特征是骨量低、骨组织微结构恶化，导致骨脆性增加，易患骨折[8]。众多实验和队列研究表明PCBs暴露可导致骨骼不同程度的改变，尤其在骨密度(bone mineral density，BMD)上更为明显，且骨密度的改变与暴露浓度的变化有一定的相关性。Holliday等[7]发现经PCBs暴露的海龟股骨与未暴露组相比骨密度和体积较小，空隙面积更大。Daugaard- Petersen等[9]调查发现，东格陵兰岛北极熊的阴茎骨骨密度低于加拿大北极熊，这可能是由于东格陵兰岛北极熊体内PCBs含量较高所致。骨密度与PCBs的回归分析结果表明，在8个北极熊亚群体中，阴茎骨的BMD随PCBs浓度的增加而显著降低[10]。而1999-2014年东格陵兰北极熊骨密度与持久性有机污染物的统计模型显示，骨密度与ΣPCB、ΣHCH、ΣHCB和ΣPBDE呈显著正相关[9,11]。在队列研究中也发现PCBs暴露与骨密度呈相关性但结论并不一致。在瑞典115名男性普通队列中，血清PCB 167浓度与骨密度呈正相关，而基于单因素分析一组瑞典渔民及其妻子的队列可见其血清PCB 153浓度与BMD呈负相关，但经年龄和体重指数调整后，两者之间的相关性不显著[12]。上述研究结果均可作为PCBs暴露对骨密度影响的佐证，骨密度可能随PCBs的浓度增加而增加，也可能随PCBs浓度的增加而减少，其结果的差异也许与物种、年龄、性别、地理位置、暴露时间及同系物的种类不同有关。

PCBs可通过内分泌干扰造成骨质疏松[9]。以西部哈德逊北极熊为参照组计算东格陵兰岛北极熊亚群骨质疏松症的T评分指数为-1.44，提示存在骨质减少的风险[9]。暴露于内分泌干扰物的北极熊的风险商数估计和T评分表明PCBs可能在一个导致骨密度降低和骨折风险增加的进展的范围[10]。Daugaard-Petersen等[11]在计算T分时发现东格陵兰北极熊雄性在持久性有机污染物污染期间有发生骨量减少的危险(-2.5

从上述骨密度和T评分分析可知，PCBs暴露可影响骨密度和骨弯曲强度，引起骨量减少，增加骨质疏松的风险。以上结果也提示PCBs能够通过影响骨骼的骨密度等物理特性造成骨骼结构和完整性的破坏，引起骨骼生长异常，因此PCBs暴露对骨的危害值得深入探讨。目前关于PCBs暴露影响骨密度等物理特性及与骨质疏松关系的内在机制的研究较少，需要更多的研究来进一步解释两者之间的关系。

2 PCBs暴露影响骨代谢的作用机制

2.1 PCBs与成骨细胞和破骨细胞活性

2.1.1PCBs与相关标记基因的表达：Aroclor 1254是一种多氯联苯合剂，包含二英样和非二英样同系物，已经有实验结果证实Aroclor 1254对成骨细胞分化的抑制作用主要是由类似二英的同系物驱动。Herlin等[13]研究发现Aroclor 1254降低了标记基因碱性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)和骨钙蛋白(osteocalcin，OCN)的表达，在最高浓度时PCB 52增加ALP的表达，也增加OCN的表达且OCN表达程度与PCB 52浓度相关。此外，PCB 19也增加了OCN的表达，但其表达程度低于PCB 52。已有体内实验发现高浓度PCB 118可提高成骨细胞的活性[14]。PCBs通过降低或增加ALP和OCN等标记基因的表达来提高或降低成骨细胞和破骨细胞活性，且二英类和非二英类同系物对成骨细胞分化的作用可能相反。目前PCBs影响破骨细胞和成骨细胞活性的研究较少，同时介导其干扰成骨细胞和破骨细胞活性的机制仍有待进一步探索。

2.1.2PCBs与microRNAs：MicroRNAs(miRNAs)是由19～24个核苷酸组成的进化保守的单链非编码RNA分子，它们主要通过与靶mRNAs的3′-非翻译区(UTR)结合，在转录后水平上来抑制靶基因的表达，从而抑制翻译[15]。研究发现miR-338-3p、miR-185和miR-217等microRNAs参与了骨重塑与骨吸收的动态平衡。Sun等[16]采用M-CSF和RANKL诱导小鼠RAW264.7细胞，发现过量表达miR-338-3p可促进破骨细胞形成。Cui等[17]的研究结果表明阻断miR-185的表达可增加骨质疏松症患者的骨形成。Yang等[18]报告miR-217可降解Runt相关转录因子2(Runx2)从而抑制成骨分化。Ju等[5]将斑马鱼胚胎暴露于PCB 1254，结果显示miR-21表达上调，敲除miR-21可减轻PCB 1254对骨成型蛋白受体Ⅱ(BMPRⅡ)的抑制作用。miRNA可抑制破骨细胞的骨吸收和成骨细胞的骨形成，而PCBs暴露可上调相关miRNA的表达，从而干扰破骨细胞和成骨细胞的分化，导致骨吸收及重建过程受损，造成骨内稳态失衡进而引起骨骼发育异常。PCBs通过microRNAs抑制骨发育相关蛋白和成骨及破骨细胞表达的研究还不够深入，关于其影响骨生长发育和重塑的内在机制有待进一步阐明。

2.1.3PCBs与细胞凋亡：细胞凋亡是为维持内环境稳态，在基因调控下进行的细胞自主性死亡过程。细胞凋亡的途径主要有3条：线粒体途径、死亡受体途径和内质网途径。成骨细胞和破骨细胞的异常凋亡是引起骨质疏松的重要致病机制。成骨细胞可通过磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3- kinase，PI3k)/Akt、丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)及Ca2+/CaM等信号通路经线粒体途径凋亡[19]。由于细胞系统和PCB同系物的不同，PCBs可促进或减少细胞凋亡[20]。李敏超等[21]通过研究发现PCB 118可诱导胰腺β肿瘤细胞(INS-1细胞)凋亡，同时PCB 118处理后凋亡相关蛋白Cleaved Caspase-3表达上调。路赵硕等[22]报告PCB 118、PCB 138、PCB 153及PCB 180均可抑制细胞活性，且随着剂量的增加，细胞存活率降低，凋亡率增加。目前尚没有PCBs诱导或抑制成骨和破骨细胞凋亡的相关实验的报道，但上述研究提示PCBs可能通过PI3k/Akt、MAPK及Ca2+/CaM等信号通路经线粒体途径促进或减少成骨细胞凋亡，从而影响骨重塑和骨骼发育，甚至引起骨质疏松，但PCBs是否影响成骨和破骨细胞凋亡及相关机制仍需要深入研究。

2.2 PCBs与模拟雌激素效应以及抗雌激素和抗雄激素效应

雌激素、孕酮和雄激素等性激素是骨代谢的关键调节因子，雌激素主要通过与雌激素受体(ER)结合影响破骨细胞的骨吸收和成骨细胞的骨形成[3,23]。雄激素属类固醇激素，通过雄激素受体在骨骼的生长发育中也发挥重要作用，雄激素缺乏可引起骨质疏松[24]。

2.2.1PCBs模拟雌激素效应与RANK-RANKL通路：雌激素可通过ER依赖的信号通路发挥雌激素效应[25]，经典的雌激素受体包括雌激素α和雌激素β受体，两种受体都存在于成骨细胞和破骨细胞中，雌激素受体对骨的主要作用是通过间接调节破骨细胞功能来减少骨吸收[3,23]。研究表明PCB 153和PCB 126均有雌激素活性，PCB 126通过诱导雌激素受体α(ERα)的表达且进一步促进ERα中心的转录表现出强烈的雌激素样作用，PCB 153也被证明具有类似但较弱的激活ER信号的能力[25]。大量研究证实了PCBs可以发挥模拟雌激素效应但研究结果并不一致，这些差异可能是由不同的暴露浓度、实验策略和不同研究中使用的细胞类型[25]和同系物平面结构造成的，确切的原因还需要继续探索。OPG/RANK/RANKL是调控骨代谢的经典通路，成骨细胞产生RANKL激活信号转接器分子，如肿瘤坏死因子受体相关因子-κB配体6(TNF receptor-associated factor-κB ligand 6，TRAF6)。TRAF6与RANK结合从而使下游信号通路NF-κB和激活蛋白1(activator protein 1，AP-1)活化并诱导破骨细胞关键调节因子NFAT-c1的表达，干扰这些信号通路会导致过多的破骨细胞过度形成和病理性骨丢失[3]。RANKL是破骨细胞形成的关键驱动因素之一，性激素减少引起的骨吸收增加与RANKL的表达有关。雌激素可以通过抑制RANKL诱导的破骨细胞的表达和形成来干扰骨代谢。Yachiguchi等[14]用PCB 118处理金鱼，结果显示其可促进金鱼成骨细胞RANKL mRNA的表达，由此认为PCB 118可能通过RANK-RANKL通路促进破骨细胞的发生。PCBs通过ER依赖的信号通路和RANKL通路模拟雌激素效应来抑制骨相关蛋白的表达和促进破骨细胞的过度形成使骨吸收增加，从而破坏骨内稳态引起骨重塑和骨的发育异常，但其模拟雌激素效应的具体机制和信号通路有待进一步研究。

2.2.2PCBs抗雌激素和抗雄激素效应：目前关于PCBs的抗雌激素效应和抗雄激素效应研究较少，PCB 180体外毒性数据显示其具有弱抗雌激素的能力和温和抗雄激素效力。闫月明等[26]将食蚊鱼暴露于0.4 μg/L PCBs，结果显示食蚊鱼第15椎体脉棘的长度显著降低且出现骨骼形态雄性化，表明一定浓度的PCBs暴露会诱发抗雌激素效应。目前尚无研究阐述PCBs引起抗雌和抗雄激素效应的内在机制，PCBs是否通过ER依赖的信号通路或者RANK-RANKL通路或者其他途径发挥抗雌激素和抗雄激素效应从而干扰骨骼发育仍有待深入探索。

3 小结