骨质疏松机制和治疗药靶

骨质疏松的机制和治疗药靶一、破骨细胞与骨头吸收破骨细胞来源于造血干细胞，与单核细胞和巨噬细胞相系密切。M-CSF:巨噬细胞集落刺激因子RANKL:破骨细胞分化因子CTR:降钙素(calcitonin)受体TRAP:抗酒石酸酸性磷酸酶RANKL是破骨细胞生成的关键因子破骨细胞的生成从破骨细胞前体分化成多核的破骨细胞主要依赖于RANKL结合到破骨细胞中的受体RANK上，激活破骨细胞RANKL（receptoractivatorofNF-κBligand）：TNF家族成员，起巨噬细胞集落刺激因子作用，RANKL在成骨细胞、骨髓基质细胞，以及T和B淋巴细胞中表达RANK:RANKL受体OPG:RANKL的可溶性受体，起抑制信号作用RANK信号通路RANK有三个TRAF结合基序，可募集6种TRAF蛋白•基序1募集TRAF6,激活6条主要的信号通路（Akt,NFATc1,NF-κB,JNK,ERKandp38)，涉及破骨细胞的分化、功能和存活，其功能类似于TNF和IL-1，与免疫应答有关•基序2和3与那个TRAF结合还不是很清楚，都能激活NF-KB，基序2还激活P38，这两个基序涉及破骨细胞生成，是治疗骨质疏松的靶点。RANK还含有一个IVVY基序，结合与TRAF无关的信号蛋白（？），介导Rac的激活，涉及破骨细胞骨架构架和破骨细胞谱系的定型，是治疗骨质疏松的靶点。c-Src,TAB2TAK1,TAB1NFATc1,在破骨细胞前体中表达，是破骨细胞生成的重要调节者TRAF:肿瘤坏死困子受体相关因子NFATc1:T细胞激活核因子c1NFATc1破骨细胞分化的主要转录因子成骨细胞分泌的RANKL和巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)，在巨噬细胞前体中，激活Fos的表达，后者又介导破骨细胞分化的主要调节者-T细胞激活核因子C1(NFATc1)的表达，诱导破骨细胞分化。NFATc1可诱导破骨细胞表达的基因有：•抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）•组织蛋白酶K（cathepsinK）•氯离通道7（Clcn7）•MMP-9•ephrinB2RANKL/RANK/OPG系统Wnt信号与骨吸收Wnt5a–Ror2信号是破骨生成的重要信号，Wnt5a从成骨谱系细胞中分泌，结合成破骨细胞前体细胞上的Ror2t和其受体复受体上，激活Jnk，以致cJun募集到RANK启动的SP1上，促进RANK的表达，增强RANK诱导的破骨细胞的生成。而GST-sRor2是抑制骨形成。非经典的Wnt信号能提高RANKL的水平，能促进骨吸收破骨细胞的激活RANKL结合到RANK后，激活一些关键的转录因子和酶，促进破骨细胞的分化、增值、多核化、激活和存活，深入诱导骨吸收。•破骨细胞在激活后，在整合素αvβ3的帮助下，破骨细胞粘附在骨表面，形成一个封闭区，质子泵和氯离子通道打开，产生高酸性的微环境，催化破骨细胞酶cathepsinK的活性，降解胶原，分解骨头。•整合素结合到骨表面上，激活整合素依赖性蛋白激酶Src激酶信号。二、成骨细胞与骨形成成骨细胞来源于间质干细胞(MSCs)成骨细胞生成涉及核心转录因子Runx2Osteopontin:骨桥蛋白Osteocalcin:骨钙素Sclerostin:硬骨素DMP-1：牙本质基质蛋白ICOllI:胶原蛋白ITNAP：组织非特异性碱性磷酸酶Runx2是成骨形成必需的转录因子在I型胶原蛋白弱表达的前成骨细胞中，可以检测到Runx2的表达，然而在表达骨钙素(OC)的成熟成骨细胞中，Runx2的表达下降。随着成骨细胞转化成能表达CD44,DMP1和MEPE的骨细胞，硷性磷酸酶降低，而OC升高。Runx2的表达和转录活性受成骨细胞分化过程中的多种蛋白质严格调节。Runx2是骨形成过程中成骨细胞分化、基质产生和矿化必需的转录因子Col1A1:胶原1型蛋白α1ALP:碱性磷酸酶OPN:骨桥蛋白BSP:骨唾液酸蛋白OC:骨钙素MEPE:细胞外磷糖蛋白基质DMP1:牙本质基质酸性磷蛋白剌激成骨细胞分化的生长因子两个生长因子家族刺激成骨细胞从MSCs分化，它们都能调节Runx2的表达WntTGF家族Wnt信号通路β-catenin依赖性经典通路β-catenin非依赖性非经典通路PCP:平面细胞极性DDK1抑制Wnt信号•β-catenin稳定化后，转移到核，与TCF结合，促进基因表达，这些基因包括：cyclinD1,c-myc,c-jun,VEGF、Runx2、Osx，以及一些与细胞生长相关的生长因子，如：TGF-β等•DKK1能竞争性结合到LRP5/6，使后者与Kremen结合而失活，导致形成β-catenin降解复合物，CKIα和GSK3β磷酸化β-catenin，使β-catenin通过泛素途经被解降。•Wnt3a、5a、7b和10b等Wnt分子与Ihh共同捉进成骨细胞的分化•DKK1抑制成骨细胞生成，使发育过程向脂肪生成方向发展。•β-catenin/TCF1通过诱导骨头主要发育蛋白Runx2表达，承担促进早期成骨细胞谱系的义务，而DKK1通过Wnt信号通路抑制Runx2表达•Runx2促进次级骨头发育主要转录因子Osterix(Osx)的转录活性（旁边标注的是普系特异性的表型标记物）•激活Wnt信号通路，能上调OPG表达，抑制RANKL表达Wnt信号调节成骨细胞生成非经典Wnt通路通过Ca2+-CaMkII-TAK1-TAB2-NLK信号抑抑制PPAR-γ的转录活性，促进成骨细胞生成，Wnt5a激活NLK，生成一个共抑制复合物，使PPAR-γ失活，非经典Wnt通路与成骨细胞生成TGF-β家族信号通路•经典Smad依赖的TGF-β信号，TGF-β首先结合到II型受体(R-II)和I型受体(R-I),然后转导到Smads，激活的Smads2/3与Smad4形成复合物，然后转入核，激活转录，启动Runx2基因表。Smad7能破坏激活的Smad2/3与Smad4形成复合物。•非Smad依赖性TAK1信号通路也调节骨形成。TGF-β能调节Runx2和osterix表达•PTH结合激活PTH1R，刺激几个下游效应子，驱动tPTH1R-TGFβRII复合物的内化，降低TGF-β和PTH信号，CREB介导成骨细胞中的PTH信号。BMPs属于TGF-β超级家族•Smad依赖的BMP信号，BMP结合到R-II和R-I，然后信号转导至Smads，激活的Smads1/5/8与Smad4形成复合物，转移到核，启动靶基因表达。Neogenin调节BMP受体的联系和Smad1/5/8信号。激活的Smads调节成骨细胞中转录因子和转录共活化因子(Dlx5,Runx2andOsx)的表达。Smad6结合I型BMP受体，抑制Smad1/5/8的激活。•非Smad依赖的TAK1信号通路也调节骨形成。•BMPs和Wnt信号相互作用影响骨的形成，BMPRIA信号上调Sost表达，主要通过Smad依赖的信号，而它又通过Smad依赖和非Smad依赖的信号上调DKK1，Sost和DKK1都能抑制经典的Wnt信号，导致骨质降低。三、骨细胞•形态类似于神经细胞，有长的树枝状突出的管道，在骨细胞之间连接成网络，形成感应网络•骨细胞能表达许多可以调节磷盐的因子，在基质的矿化过程中起着重要的作用•骨细胞能分泌硬骨素（sclerostin），是Wnt信号通路的抑制剂，可抑制成骨细胞分化和骨形成•骨细胞能通过TGF-B降低RANKL的表达抑制骨吸收骨细胞在所有的骨头细胞中占90%，分散在矿化的基质中。是最终分化的成骨细胞骨细胞能沿着树枝极化到骨表面，并与成骨细胞和骨衬细胞接触，感应微裂缝、裂纹和机械负荷丧失，触发破骨细胞分化。凋亡的骨细胞可能分泌一些因子达到骨表面诱导破骨细胞分化。四、骨头重构的三个阶段•在启始阶段，开始于造血前体细胞的募集，成骨细胞谱系表达RANKL，诱导破骨细胞分化，形成多核破的骨细胞，吸收骨头•转换阶段，以骨头吸收到骨头形成为标志，通过偶合因子开启，这些因子可以是可扩散的因子、膜结合分子，或骨基质内含有的因子•终止阶段，由于成骨细胞的骨形成活性，确保成骨细胞在吸收陷窝内填充，而且，成骨细胞扁平化形成新骨头表面的骨衬细胞层3周3月启始阶段(a)早期的始发阶段，破骨细胞前体的募集(b)在骨表面上骨衬细胞下，破骨细胞分化转换阶段(c)多核的破骨细胞进行骨吸收，诱导成骨细胞分化。(d)破骨细胞在骨吸收陷窝内凋亡终止阶段(e)成骨细胞生成和骨细胞的产生(f)进入静态•骨重构发生于对不同剌激的响应：骨微裂、失去机械负荷、低血钙、激素和细胞因子变化等•骨细胞定位并响应刺激，刺激表面的骨髓基质细胞、骨血管内皮细胞、成骨细胞分泌RANKL和一些趋化因子，募集破骨细胞前体，触发破骨细胞分化。•RANKL等介导破骨细胞分化，然后，破骨细胞通过整合素avb3与骨基质上的玻连蛋白、粘连蛋白和骨桥蛋白相互作用。启始阶段过渡阶段•在过渡阶段，骨吸收的破骨细胞刺激成骨细胞前体分化，在骨吸收陷窝处激活骨的形成。随着骨形成的激活，破骨细胞的骨吸收停止，破骨细胞通过Bim/caspase-3依赖途经过雌激素诱导的Fas配体，经受凋亡。•在骨吸收过程中，破骨细胞分泌盐酸分解羟基磷灰石，以及组织蛋白酶K分解胶原和其它基质蛋白。•破骨细胞的骨吸收会从基质中释放出生长因子如：TGF-b、BMPs和IGF-II等，这些反过来又激活成骨细胞的形成。•破骨细胞产生分泌的或膜结合的分子能作用于成骨细胞前体刺激骨的形成。•为什么成骨细胞会在骨吸收陷窝处成骨，在没有破骨细胞的骨吸收陷窝内，V型抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）和TGF-b受体相互作用蛋白(TRIP-1)可能起了重要作用。•骨头吸收会刺激对等的骨形成（偶联），有多少骨吸收就能诱导多少骨形成。红色的是正在临床应用或还在临床研究的，绿色为可能的靶骨重构各阶段及涉及的因子•TRAP(Tartarateresistantacidphosphatase)•Trph1(Tryptophanhydroxylase1•WIF(Wntinhibitoryfactor)•sFRP(Secretedfrizzledrelatedprotein）骨重构过程中的偶合刺激因子和抑制因子其中ephrins/Ephs非常重要ephrins/Ephs重要的偶合因子Eph受体与蝶素（ephrin)在细胞表面结合，触化双相信号：向前，通过Eph受体（如：EphB2），激活Eph激酶活性和激酶依赖信号，反向，通过ephrin，激活Src家族激酶和其它效应因子。从而，改变细胞粘附、迁移、分化。•ephrinB2在分化中的和成熟的破骨细胞中表达，而ephrinA2在早期的分化中的破骨细胞中表达。•反向，ephrinB2通过含PDZ结构域的蛋白质(如Dvl2)介导反向信号，抑制Fos和Nfatc1的转录，抑制破骨细胞的分化。LephrinA2通过激活PCγ2介导反向信号。•向前，dEphB4通过抑制RhoA的活性刺激成骨细胞分化，而通EphA2可能增强RhoA的活性，而抑制成骨细胞的分化。•而RhoA是如何受体EphB4和EphA2不同调节还不清楚。终止阶段•骨形成过程缓慢，约三个月，而骨吸收大约3周。•骨细胞产生sclerostin，并通过微管分泌。sclerostin抑制成骨细胞的骨形成，使成骨细胞安静下来。•在终止阶段，破骨细胞的分化受成骨细胞产生的OPG所抑制。•成熟的成骨细胞中Wnt信号通路调节OPG的转录,抑制破骨细胞生成。•Notch配体表达于破骨细胞，破骨细胞与成骨细胞相互作用诱导成骨细胞中的Notch信号通路，增加OPG的产生，抑制破骨细胞的形成骨吸收与骨形成不平衡相关疾病骨吸收和骨形成的任务不平衡，都会造成骨不正常•石骨症（osteopetrosis）：破骨形成缺陷，或破骨细胞的骨吸收功能缺陷•骨硬化症(osteosclerosis)：骨形成增加•骨质疏松（osteoporosis）：骨吸收增加，与骨吸收相比，骨形成相对降低五、骨质疏松Hipfracturesper1000person-year