作用于成骨细胞的生物活性物质及化合物

· 74 · 国外医药抗生素分册 2003年 3月第 24卷第 2期 文章编号：1001．8751(2003)02．0074-03 作用于成骨细胞的生物活性物质及化合物 李紫晶 吴剑波 综述 (中国医学科学院 中国协和医科大学医药生物技术研究所，北京 100050) 摘要： 成骨细胞和破骨细胞是骨形成和骨吸收率的决定因素。在研究甲亢与骨质疏松的关系中发现，甲状 腺激素能直接刺激成骨细胞的兴奋性。体外实验发现，糖皮质激素能抑制成骨细胞的增殖与分化。雌激素可间接 通过一些钙调节激素抑制骨吸收 ，部分研究证实雌激素能抑制成骨细胞的凋亡 ，一般认为雌激素的主要功能是通 过雌激素受体直接诱导骨细胞的凋亡。RT-PCR和免疫组化法发现瘦素可以明显增加进入矿化状态的成骨细胞的 矿化结节的数量。Na ／c 交换抑制剂是骨基质内部小环境的调节剂，并在骨矿化过程中起到关键作用。 关键词： 成骨细胞； 骨质疏松； 增殖； 胶原 ； 矿化 中图分类号 ： R681．1 文献标识码： A 骨重建的基本多细胞单位(BMU)是由参与骨重建 的骨细胞、破骨细胞和成骨细胞构成，其中破骨细胞主 要负责骨吸收，而成骨细胞主要负责骨形成 ，成骨细胞 和破骨细胞的凋亡可能是骨形成和骨吸收率的决定因 素l1]。当成骨细胞的数目减少、功能降低时，骨形成减 少、骨小梁变窄；同时成骨细胞不能正常募集到骨侵蚀 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面，使破骨细胞吸收的骨面不能被填补而造成骨丢 失[2l。 成骨细胞的增殖分化受多种生物活性物质的影 响，现分别讨论如下： 1 甲状腺激素 甲状腺激素对成骨细胞的影响主要通过直接与骨 细胞核受体和膜受体结合而发挥细胞效应。 甲状腺激素主要通过三碘甲状腺氨酸(1"3)-7甲状 腺素核受体家族相结合而发挥其细胞效应的。在人类 已发现 3种甲状腺素受体 (1'R)的同分异构体，T 】、 Ⅱ 、1R8。目前在鼠类和人类的成骨细胞株中发现了 TR的 mRNA，且在人类细胞株中，3个受体同分异构形 式都有表达，B 与核受体上甲状腺应答基因部分结合 后，使基因转录增加或降低。体外实验证明， 与核 受体结合后可影响细胞复制和蛋 白生成，大剂量 (1nnM—lmmo1)可抑制细胞复制。在人成骨细胞培养 基中相同剂量的 T3能刺激其增生，略高于正常剂量的 T3能刺激蛋白的生成和基质形成，因此 T3可刺激骨钙 素和胶原的产生。T3还可以通过成骨细胞增加生长 因子和结合蛋白(BGP)的合成和分泌。完整大鼠胎儿 股骨的培养研究发现，大剂量 T3(100nn~l～lmmo1)30s 内可使 2、3一磷酸肌醇水平增高，说明 T3也可结合到细 胞膜受体而激活第二信使通道。 就甲亢与骨质疏松的关系来看，成骨细胞活性在 甲亢时增加而在甲状腺激素减少时降低，反映了甲状 腺激素能直接刺激成骨细胞的兴奋性。Guo研究发现 BGP与促甲状腺素( H)呈负相关。甲状腺激素减少 时反映成骨细胞活性的 BGP水平较低。日本的 Naka— mum发现，甲状腺激素减少时反映破骨细胞活性的尿 吡啶啉(Pyr)水平较低，且随甲状腺激素替代治疗可达 正常水平[1l。 2 糖皮质激素 糖皮质激素已广泛用于临床，而长期大剂量使用 糖皮质激素的主要副作用之一即为骨质疏松。成骨细 胞是糖皮质激素作用于骨的主要位点。Weistein等l【3 J 以皮下埋人法给小鼠泼尼松龙，27d后抽取股骨骨髓 进行体外培养，发现糖皮质激素抑制成骨细胞的增殖 与分化，导致成熟的、具有分泌基质功能的成骨细胞和 支撑破骨细胞产生的成骨细胞数目减少。成骨细胞增 殖的减少与依赖周期蛋白的激酶(CDK4，CDK5)及周 期蛋白D3的表达降低有关 ；另外 ，还伴有周期蛋白激 酶抑制剂转录水平的升高，同时与细胞从 Gl向 S期转 移有关的转录因子 E2F-1和 c—Myc的表达也减少，这 是糖皮质激素受体介导的细胞周期停止的调节机 收稿 日期 ：2002-04-15 作者简介：李紫晶，女，生于 1978年，在读硕士研究生，主要从事作用于铜绿假单孢菌外排系统的筛选模型的研究。 吴剑波，男，生于 1937年，研究员，博士生导师，长期从事微生物化学和生物医药下游技术研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 国外医药抗生素分册 2003年 3月第 24卷第 2期 · 75 · 制[ 。通过这一机制抑制成骨细胞的增殖。一般认 为，糖皮质激素还可以降低 I型胶原蛋白的表达及其 稳定性【 ，使胶原蛋白的合成减少，此作用具有细胞型 特异性。成骨细胞合成蛋白减少很可能是由糖皮质激 素介导的，该受体对成骨细胞的一些基因有直接调节 作用 ，这些基因是成骨细胞的很重要的基因，包括编码 I型胶原蛋白、骨钙素 、骨桥蛋白、碱性磷酸酶纤维粘 连蛋白、8。1整合素、骨唾液蛋白、胶原蛋白酶的基因和 原癌基因 c。myc、c-fo,、c-jun J。糖皮质激素一方面抑 制 I型胶原蛋白的合成，另一方面又以组织特异性的 方式提高大鼠成骨细胞间质胶原酶 mRNA的表达和蛋 白酶的水平 ，促进 I型胶原蛋白的分解，使骨丢失加 快。糖皮质激素对骨细胞功能的影响是多方面的，它 还可抑制培养的胎鼠颅骨成骨细胞的胰岛素样生长因 子(IGF)．I mRNA J及 IGF．II受体mRNA【 J的表达，也影 响胰岛素生长样因子结合蛋白(IGFBPs)，升高 IGFBP1 和 IGFBP6[10,11 J，降低 IGFBP5、IGFBP3[12 J的 mRNA表 达，IGFBP1及 IGFBP6可使 IGF的活性降低，IGFBP5及 IGFBP3可使 IGF的活性增加。因此，糖皮质激素通过 削弱 IGF的骨形成作用而影响骨再建。 另外，人类成骨细胞表达骨保护蛋白(OPG)，它是 一 种糖蛋白，是肿瘤坏死因子受体家族的成员之一 ，对 破骨细胞的分化起到抑制作用。糖皮质激素降低 OPG 在人成骨细胞的表达【J引，说明糖皮质激素可解除对破 骨细胞分化的抑制，从而促进破骨细胞的分化。 3 雌激素 雌激素是骨吸收的抑制因子，它可间接通过一些 钙调节激素如降钙素、甲状旁腺激素、1，25(OH) Vito3 等起作用。另外，雌激素还通过受体调节机制、细胞因 子或生长因子介导机制、细胞凋亡机制和骨髓介导机 制在分子水平上对成骨细胞和破骨细胞进行调节⋯1。 成骨细胞、破骨细胞和钙调节器官上已证实有雌 激素受体(ER)的表达[H]。雌激素通过 ER对成骨细 胞的增殖、分化、对机械应变的适应性应答[15]及其基 质蛋白的合成有直接促进作用，而且成骨细胞上 ER 的表达依赖于细胞周期。但也有一些研究认为雌激素 对成骨细胞的增殖 、分化及其基质的合成没有作用 ，甚 至反而有抑制作用。这可能与培养的条件、所用细胞 类型、细胞所处的周期及一些成骨细胞上的 ER较少 等原因有关。因此一般认为雌激素对成骨细胞(骨形 成)的调节可能不是它的主要功能，其主要功能是雌激 素通过 ER直接诱导破骨细胞凋亡、直接抑制破骨细 胞的骨吸收和对其它组织细胞特别是产生细胞因子的 细胞的作用【16]。 雌激素缺乏的情况下，骨髓基质细胞或成骨细胞 可大量产生5种细胞因子：白介素。1、白介素。6、肿瘤坏 死因子 、巨噬细胞．集落刺激因子、粒细胞巨噬细胞。 集落刺激因子，这些细胞因子相互作用形成网络，使骨 吸收大大增强，已公认其介导 PMOP的发生。雌激素 可抑制造血干细胞、单核细胞和成骨细胞产生刺激破 骨细胞增殖与分化、激活成熟破骨细胞和抑制破骨细 胞凋亡的细胞因子，从而加速骨吸收过程 J。破骨细 胞生成一阵因子／骨保护素(OCnr／OPG)是新发现的重 要抑制破骨细胞发生的细胞因子。雌激素促进成骨细 胞合成和分泌 OCIF／OPG，有利于减少骨丢失 ¨。骨 是生长因子的主要储存库，包括胰岛素样生长因子、转 化生长因子．8(TGF．／3)等。雌二醇(E2)可刺激成骨细 胞分泌 IGF。1和胰岛素样生长因子结合蛋白 3(IGF。 BP3)。IGF．1是骨形成的强有力促进剂。TGF．8促进 成骨细胞前体细胞复制及成骨细胞的分化；促进胶原、 骨连接素和骨桥蛋白的合成，增加骨基质沉积率；减少 胶原酶转录和加速胶原酶的降解，有利于维持骨骼中 的胶原基质。雌激素在体内促进骨形成增加骨量的作 用中可能至少部分作用是通过这些生长因子的产生， 促进骨形成来实现的。 现一些研究已证实雌激素能抑制成骨细胞的凋 亡。Gazit的实验表明 E2在体内和体外直接增加去卵 巢小 鼠骨髓中成骨细胞前体(CFU．f)的增殖和分化 、 ER的表达功能及降低凋亡。Bellido的研究表明 E2抑 制成骨细胞及骨细胞的凋亡是通过 ER由细胞外信号 调节激酶(ER )的快速激活介导。Cooper则报道在成 骨样细胞(MC3T3)培养中，雌激素通过增加热休克蛋 白27(hsp27)的产生，以减少 TNFt／诱导的成骨细胞凋 亡[1l。 Robinson等报道 16ct氢氧化雌酮(16 ．OHE1)可降 低骨钙素 、诱导碱性磷酸酶(AP)的产生、增加 AP稳态 mRNA的水平。而 2．氢氧化雌酮(2．OHE1)对骨钙素的 分泌、AP的活性及 AP基因的表达均无作用。说 明 16ct．OHE1是人成骨细胞株 hOB／ER9的潜在雌激素激 动剂。2．OHE1对人成骨细胞模型无雌激素样或抗雌 激素样作用【19 J。 4 瘦素 脂肪激素．瘦素及其受体是调节进食量和能量代 谢的重要物质。瘦索也与 不 同组织 的生长有 关。 Jarme等通过 RT-PCR和免疫组化法在正常人的成骨 细胞培养中发现了瘦素，向进入矿化状态的成骨细胞 加入瘦素可明显增加矿化结节的数量[20】。 维普资讯 http://www.cqvip.com · 76 · 国外医药抗生素分册 2003年 3月第 24卷第 2期 5 Na ／Ca2 交换抑制剂 当给予充足的钙和磷酸时，成骨细胞能通过分泌 有矿化能力的细胞外基质形成新的骨骼。Joseph等 报道 Na ／Ca2 交换 (NCX)抑制剂通过阻断成骨细胞 的Ca2 而减少骨基质的矿化沉积。另外对 I型胶原酶 和骨唾液蛋白的免疫组化实验表明 NCX抑制剂 KB— R7943在 1．0ttm即可损害成骨细胞的骨基质蛋白的分 泌。该研究第一次揭示 NCX是骨基质内部小环境的 调节剂，并在骨矿化过程中起到关键作用。 6 结束语 成骨细胞增殖分化受到多种体内体外生物活性物 质和化合物的影响。只有进一步搞清这些物质的作用 机制，才能更好的指导体外的成骨细胞实验。最终解 释骨质疏松的发病原因，研制出更有效的药物。 参 考 文 献 [1]刘石平 ．激素替代治疗防治绝经后骨质疏松症的研究[J]． 国外医学内分泌学分册，2OOO，20(6)：281 [2]刘素彩．皮质激素诱导骨质疏松的细胞及分子学机制[J]． 国外医学内分泌学分册 ，2000，20(1)：11 [3]Weinstein R S，Jaka R L．Inhibition of osteoblastogenesis and promotion of apoptosis of osteoblasts and osteocytes by glucocori— coids[J]．JClinInvest，1998．102：274 l4J Rogatsky I，Trowbridge J M．Glucocortieoid receptor—meidiated cell cycle arrestis achievedth~ ,h distinct cell-specifictranscrip- tional regulatorymechanisms[J]．MolCellB／o／，1997。17：3181 [5]DlanyAM，Gabbitas BY．Cordsol downregulates osteoblast alpIla l(I)proeollagen mRNA by transcriptional and posttranscriptional mechanisms[J]．J Cd／Bt~hem，1995．57：488 【6J Reid I R．Glucocorticoid effects on bone[J]．J Endocrin Metab，1998，83：1860 【7J Dlany A M，Jeffrey J J．Cortisol increases interstitial c0lla琦朗ase expressionin osteoblasts by post-transcriptionalmechanisms[J]．_， ％ Chem，1995，270：26607 【8J Dlany A M，GI s E．Transcriptional repression of insulinlike growth factor I by glucocorticoids in rat bone cells[J]． 一 docr／no／ogy，1995，136：4776 【9J Pydziel S，~lqalis E．Cortisol repression 0finsulin-llke growthfac— tor 11 receptor transcfipfion in skeletal cell cultures[J J． 一 docr／no／ogy，l钙l5，136：4254 [1O]Pemim R C，Blanquaert F．Cortisol enhances the expression of mac25／imulin-like growth factor-binding protein-related protein-1 in cultured osteoblasts[J]．Endocr／no／ogy，1999，140：228 ll1 J Gabbitas B，Q E．Cortisol enhances the tramcrip~on of mac25／imulin-like growth factor-binding protein 5 in cultured os— teoblasts【JJ．Erdocr／no／ogy，l999，l4o：228 [12J Chevalley T，Strong D D．Evidence for a role for imulin-like growth factor-binding proteins in glucocorticoid inhibition of nor— real human osteoblast—like cell proliferation[J]．Eur J En— docr／nd ，l99l6。l3_4：591 【l3]Vidal N 0，Brandstrom H．Osteoprotegerin mRNA is expressed in primary human osteoblast—like cell：down—regulation by uco— corticoids[J]．JEndocr／na／，l998，159：191 l14J Lim SK，wonY J．A PCR analysis ofEll andEllmRNA abun— dance in mts and the effect of avariectomy[J]．J Bone M／her Res，l999，l4：l189 【15J Damien E，Price J S．The estrogen receptor’s involvement in osteoblasts’adaptive response to mechanical strain[J]．J Bone M／her鼢 ，l998．13：l275 [16]Shevde N K，Pike J W．F_~ll'ogen modulates the recruitment of myelapoiefic cell progenitors in rat through a stromal cell—inde— pendentmechanism involving apoptosis[J]．B／ood，1996，87： 2683 【17J Pacitlci R．Cytoknes，estrogen。and postmenopausal osteoporosis— the second decade[J]．Endcr／no／ogy，1998，139：2659 l18]HoibauerLC，Khosla S．Estrogen stimulates gene expresmon and protein production of ostesprotegerin in human osteoblastic cells [J]．En&~no／ogy，1999，140：4367 L19J John A R，Katrina M W．Direct ac~on of naturally occurring es— titan metabolites on human osteoblastic cells[J]．J Bone M／ner Res 2000．15(3)：499 [20]JanneER，Unni S．Leptinis expressedin and secretedfrom pri— mary cultures ofhmnan osteoblasts and promotes bonemineraliza— tion[JJ．J Bone M／her Res 20o1．16(8)：1426 [21]JosephP S，Carol V G．Inhibition ofNa ／Ca2 exchange with K R7943 or bepfidil diminishes mineral deposition by os— teoblasts【J]．JBoneM／nerRes．20o1．16(8)：1434 维普资讯 http://www.cqvip.com