论文部分内容阅读
摘要：该文对近年来有关瘦素（leptin）在治疗骨质疏松症中的作用机理和临床研究进展作一综述。以增进对瘦素的生物学功能和作用机理的了解。瘦素作为一种脂肪细胞分泌的激素，通过中枢和外周两种途径调节骨代谢，一般认为外周强于中枢。瘦素的外周效应主要是通过调节成骨细胞和破骨细胞功能并最终引起骨量增加，并能抑制炎症细胞因子，从而间接抑制骨破坏。瘦素的中枢效应可能是通过下丘脑抑制骨的形成，引起骨量减少，其作用机制尚未完全阐明。
关键词：瘦素；骨代谢；中枢效应；外周效应
骨质疏松症（osteoporosis，OP）是以骨量减少、骨组织微结构破坏，主要表现为骨小梁变细、断裂、数量减少；皮质骨多孔、变薄等特征，以致骨的脆性增高及骨折危险性增加的一种全身代谢性骨病。近年来随着人口的老龄化，其发病率逐年增加，在中老年人中发病较为普遍，因此，被称为“无声无息的流行病”。目前对OP的治疗主要为抗分解代谢药物，但作用一直不理想，而合成代谢药因价格昂贵还未得到广泛应用。因此，开展抗骨质疏松症的新物质的研究和防治OP新药的开发和临床应用就显得十分必要。近年来的研究发现瘦素对骨代谢也有重要的影响，有望成为抗骨质疏松的新物质。现就瘦素在治疗骨质疏松症中的作用机理和临床研究进展作一综述。
一、瘦素与瘦素受体
1.瘦素（leptin）。瘦素是1994年发现的一种由白色脂肪组织合成分泌、含146个氨基酸的激素，因其基本作用是使动物体质量降低变瘦而得名。它主要作用于下丘脑，对调节机体的食欲、体重和器官的能量消耗發挥重要作用。进一步研究发现，人类的ob基因位于第7号染色体的q32，它有3个外显子和2个内含子组成，ob基因表达产物含有167个氨基酸残基，分泌入血后去掉N端含有的21个氨基酸残基的信号肽，形成了由146个氨基酸组成的蛋白质leptin，其分子量为16KD，具有较强的亲水特性。瘦素在血浆中主要以单体形式存在，绝大部分与血浆蛋白质结合，少部分游离，一般认为游离形式的瘦素具有较强活性，其生物学效应是通过游离形式的瘦素与特异的受体（ob-R）直接结合后发挥的。
2.瘦素受体。到目前为止，研究发现瘦素受体至少有a、b、c、d、e等多种不同的亚型。其中ob-Rb亚型（长型受体）主要表达在下丘脑神经元，ob-Ra亚型（短型受体）主要表达在脂肪、心肺等外周组织。瘦素受体的分布不同决定其作用的多样性，但其主要作用是调节机体脂肪代谢的稳定性。在6种亚型中，ob-Rb亚型内含304个氨基酸是主要的功能性受体；ob-Ra型受体可能是作为瘦素的转运蛋白，能将外周的瘦素通过血脑屏障转运至中枢系统，为受体中介的细胞转运；ob-Re亚型为可溶性受体，主要分布在血液中，是瘦素的主要结合蛋白，负责运送瘦素；其它亚型的受体作用尚不清楚。
二、瘦素对成骨细胞和破骨细胞的作用
机体中存在着分解骨质的破骨细胞和形成骨骼的成骨细胞，正常情况下这两种细胞的作用保持着良好的平衡。成骨细胞（osteoblast，OB）是骨形成的主要功能细胞，负责骨基质的合成、分泌和矿化。骨不断地进行着重建，骨重建过程包括破骨细胞贴附在旧骨区域，分泌酸性物质溶解矿物质，分泌蛋白酶消化骨基质，形成骨吸收陷窝；其后，成骨细胞移行至被吸收部位，分泌骨基质，骨基质矿化而形成新骨。骨质疏松症等骨疾病患者体内这种平衡被打破，导致破骨细胞（osteoclast，OC）的作用过于活跃。破骨细胞是体内唯一吸收骨的多核细胞。它来源于造血细胞，经血液循环被招募到骨，在骨的微环境中分化为具有所有成熟破骨细胞表型的单核破骨细胞前体（pre-osteoclast，POC），然后融合成多核细胞。由于破骨细胞来自于造血细胞，对血液内环境的变化非常敏感，在维持骨的稳态中发挥极为重要的作用。随着年龄的增加，骨髓腔中的脂肪细胞逐渐增加（图1）。
Thomas等研究发现人骨髓间质细胞hMS2-12上有瘦素受体mRNA及其蛋白质的表达，而这种间质细胞具有向成骨细胞和脂肪细胞分化的潜能。瘦素不影响hMS2-12细胞的增殖，但导致细胞选择性地向成骨细胞分化，同时抑制其向脂肪细胞分化，使hMS2-12细胞的矿化基质提高59%。动物实验研究发现瘦素还可以刺激骨髓基质细胞的增殖。因此，可作用于骨髓基质干细胞，提高其增殖能力及向成骨细胞分化的能力，在骨代谢中起积极作用。进一步研究发现在破骨细胞中有瘦素受体的表达，在培养的破骨细胞中加入外源性的瘦素可诱导矿化结节的形成与增加，且增强细胞的存活和骨转换。瘦素还可促进骨髓成骨祖细胞向成骨细胞转化，并抑制向脂肪细胞分化（图1），从而对骨量的增加起一定作用。
护骨素（OPG）广泛分布于多种组织内，OPG mRNA在骨髓基质细胞、成骨细胞、单核细胞、树突状细胞以及B淋巴等细胞中都有表达，但OPG仅限于骨髓系统内部发挥作用，可抑制破骨细胞生成，阻断OC的增殖和活化。OPG、激活核因子NF-кB受体的配体和NF-кB受体活化因子(RANK)形成一个调节系统，影响OC的生成。当胞外刺激因素作用于成骨/基质细胞，诱导其膜上表达RANKL分子，通过与破骨细胞前体细胞（pOC）膜上的RANK直接结合，将信号传入前体细胞，引起破骨细胞增殖反应，使OC分化成熟。而OPG则由成骨/基质细胞旁分泌发挥作用，竞争性与RANKL结合，封闭RANKL与RANK的结合，抑制OC的分化、成熟。研究发现瘦素可增强成骨细胞中OPG的表达，降低RANKL的mRNA水平，使OPG/RANKL的比值增加，从而抑制破骨细胞的增殖。由此证实瘦素通过OPG/RANK系统抑制破骨细胞功能（图1）。此外，瘦素对血管内皮细胞的增殖、迁移、小管形成和基质金属酶2的活性都有一定程度的促进作用，提示瘦素可能通过调节血管新生而影响软骨的骨化。
三、瘦素对骨的中枢作用
现在越来越多的研究者开始关注中枢神经系统在骨代谢中的地位和作用，其研究的焦点集中在下丘脑瘦素表达、交感神经系统以及β受体拮抗剂等方面。中枢作用主要是抑制骨的形成，其结果与外周作用相反。Ducy在leptin基因敲除小鼠的研究中发现，与野生型鼠相比，基因敲除小鼠的的骨密度明显增高，是野生鼠的2-3倍。引起骨密度增高的原因是leptin信号的缺失而不是肥胖，该缺失只影响成骨细胞的功能，未检测到对破骨细胞的影响，leptin受体基因敲除小鼠也发现同样的结果。进一步研究发现下丘脑中检测到瘦素受体ob-Rb亚型的表达，向野生鼠的脑室内灌注瘦素后鼠发生明显的骨量减少，此时血中未检出瘦素，提示此时的瘦素并不是作用于成骨细胞，而是通过中枢神经系统起抑制骨形成的作用。但此中枢系统作用确切的神经传导方式和途径并未完全阐明，可能与神经肤Y和交感神经相关。由于在外周和中枢的研究获得矛盾结果，有学者认为瘦素对骨骼的作用在外周强于中枢。究竟哪种作用占主要地位还需要更多、更系统、更完整的进一步研究。最近Evans等系统性研究发现瘦素直接阻断脂肪细胞增殖和促进成骨细胞生成，而通过下丘脑调节骨代谢与外周相比作用较小（图1）。
四、瘦素对炎症细胞因子作用
近年来随着免疫学的不断发展，骨免疫学越来越受到学者的重视，其中很多炎症细胞因子如IL-1、IL-6、TNF-a、TGF等通过自分泌和旁分泌作用，影响成骨细胞和破骨细胞的分化、增生、成熟和活化功能，从而影响骨组织的重建和修复。阻断症细胞因子对骨质疏松起到保护作用。最近研究发现体内过度分泌的瘦素或脂肪细胞脂联素的下降，可直接促进骨形成或间接地影响炎性细胞因子的产生而促进骨形成。TNF-α 和NF-κB的激活可以促进破骨细胞的增殖与活化，抑制成骨细胞的活性。在血浆水平研究者发现瘦素可抑制TNF-α 和NF-κB的活性，从而间接抑制破骨细胞作用。通过对16573被试者横断面流行病研究发现，体内瘦素和IL-6水平呈负相关，显示瘦素可能降低IL-6水平，对骨质疏松的发生起到抑制作用。当然这一理论尚有待进一步研究。
五、瘦素的其它作用
研究发现瘦素还可通过交感神经系统调节骨代谢。Takeda等对去甲肾上腺素及肾上腺素合成的关键酶多巴胺β-羟化酶缺失的突变型小鼠的研究发现，小鼠表现出高骨量，而且即使对其脑室内注人瘦素仍是如此，瘦素缺失导致交感神经张力降低，而去除肾上腺能信号传导途径可导致瘦素抵抗性高骨量。瘦素对骨化细胞增殖的调节作用是由骨化细胞上的β肾上腺素能受体所介导，β受体拮抗剂单用或与噻嗪类利尿药合用均可降低人群中的骨折危险度。最近Elefteriou的研究表明，β受体拮抗剂可使骨形成和骨量增加并且能阻止卵巢切除术导致的骨量丢失。Kyunghwa等对大鼠悬尾导致的废用性骨丢失中发现β受体拮抗剂可能是通过直接效应和间接效应两中途径影响骨代谢的，直接效应是通过成骨细胞上的β受体拮抗剂起作用的，间接效应是通过调节脂肪细胞分泌瘦素起作用。
六、研究展望
尽管目前对瘦素的作用机制和临床效果进行了广泛的研究并取得了重大进展，但其确切的作用机制尚未取得一致的结论，因而仍需作更深入的研究。我们完全有理由相信，随着研究的不断深入，必将使我们对骨质疏松的发病机制有更准确的认识，并有望使瘦素在骨质疏松的治疗与预防中发挥积极作用。
【参考文献】
[1]D'Amelio P，Roato I, D'Amico L,et al.Bone and bone marrow pro-osteoclastogenic cytokines are up-regulated in osteoporosis fragility fractures[J].Osteoporos Int．2010.
[2]Zhang Y，Proenca R，Maffei M，et al. Positional cloning of the mouse obese gene and its human homologue[J].Nature．1994.372（6505）：425-32.
[3]Cao JJ.Effects of Obesity on Bone Metabolism[J].J Orthop Surg Res．2011，（15）：6，1：30.
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”
关键词：瘦素；骨代谢；中枢效应；外周效应
骨质疏松症（osteoporosis，OP）是以骨量减少、骨组织微结构破坏，主要表现为骨小梁变细、断裂、数量减少；皮质骨多孔、变薄等特征，以致骨的脆性增高及骨折危险性增加的一种全身代谢性骨病。近年来随着人口的老龄化，其发病率逐年增加，在中老年人中发病较为普遍，因此，被称为“无声无息的流行病”。目前对OP的治疗主要为抗分解代谢药物，但作用一直不理想，而合成代谢药因价格昂贵还未得到广泛应用。因此，开展抗骨质疏松症的新物质的研究和防治OP新药的开发和临床应用就显得十分必要。近年来的研究发现瘦素对骨代谢也有重要的影响，有望成为抗骨质疏松的新物质。现就瘦素在治疗骨质疏松症中的作用机理和临床研究进展作一综述。
一、瘦素与瘦素受体
1.瘦素（leptin）。瘦素是1994年发现的一种由白色脂肪组织合成分泌、含146个氨基酸的激素，因其基本作用是使动物体质量降低变瘦而得名。它主要作用于下丘脑，对调节机体的食欲、体重和器官的能量消耗發挥重要作用。进一步研究发现，人类的ob基因位于第7号染色体的q32，它有3个外显子和2个内含子组成，ob基因表达产物含有167个氨基酸残基，分泌入血后去掉N端含有的21个氨基酸残基的信号肽，形成了由146个氨基酸组成的蛋白质leptin，其分子量为16KD，具有较强的亲水特性。瘦素在血浆中主要以单体形式存在，绝大部分与血浆蛋白质结合，少部分游离，一般认为游离形式的瘦素具有较强活性，其生物学效应是通过游离形式的瘦素与特异的受体（ob-R）直接结合后发挥的。
2.瘦素受体。到目前为止，研究发现瘦素受体至少有a、b、c、d、e等多种不同的亚型。其中ob-Rb亚型（长型受体）主要表达在下丘脑神经元，ob-Ra亚型（短型受体）主要表达在脂肪、心肺等外周组织。瘦素受体的分布不同决定其作用的多样性，但其主要作用是调节机体脂肪代谢的稳定性。在6种亚型中，ob-Rb亚型内含304个氨基酸是主要的功能性受体；ob-Ra型受体可能是作为瘦素的转运蛋白，能将外周的瘦素通过血脑屏障转运至中枢系统，为受体中介的细胞转运；ob-Re亚型为可溶性受体，主要分布在血液中，是瘦素的主要结合蛋白，负责运送瘦素；其它亚型的受体作用尚不清楚。
二、瘦素对成骨细胞和破骨细胞的作用
机体中存在着分解骨质的破骨细胞和形成骨骼的成骨细胞，正常情况下这两种细胞的作用保持着良好的平衡。成骨细胞（osteoblast，OB）是骨形成的主要功能细胞，负责骨基质的合成、分泌和矿化。骨不断地进行着重建，骨重建过程包括破骨细胞贴附在旧骨区域，分泌酸性物质溶解矿物质，分泌蛋白酶消化骨基质，形成骨吸收陷窝；其后，成骨细胞移行至被吸收部位，分泌骨基质，骨基质矿化而形成新骨。骨质疏松症等骨疾病患者体内这种平衡被打破，导致破骨细胞（osteoclast，OC）的作用过于活跃。破骨细胞是体内唯一吸收骨的多核细胞。它来源于造血细胞，经血液循环被招募到骨，在骨的微环境中分化为具有所有成熟破骨细胞表型的单核破骨细胞前体（pre-osteoclast，POC），然后融合成多核细胞。由于破骨细胞来自于造血细胞，对血液内环境的变化非常敏感，在维持骨的稳态中发挥极为重要的作用。随着年龄的增加，骨髓腔中的脂肪细胞逐渐增加（图1）。
Thomas等研究发现人骨髓间质细胞hMS2-12上有瘦素受体mRNA及其蛋白质的表达，而这种间质细胞具有向成骨细胞和脂肪细胞分化的潜能。瘦素不影响hMS2-12细胞的增殖，但导致细胞选择性地向成骨细胞分化，同时抑制其向脂肪细胞分化，使hMS2-12细胞的矿化基质提高59%。动物实验研究发现瘦素还可以刺激骨髓基质细胞的增殖。因此，可作用于骨髓基质干细胞，提高其增殖能力及向成骨细胞分化的能力，在骨代谢中起积极作用。进一步研究发现在破骨细胞中有瘦素受体的表达，在培养的破骨细胞中加入外源性的瘦素可诱导矿化结节的形成与增加，且增强细胞的存活和骨转换。瘦素还可促进骨髓成骨祖细胞向成骨细胞转化，并抑制向脂肪细胞分化（图1），从而对骨量的增加起一定作用。
护骨素（OPG）广泛分布于多种组织内，OPG mRNA在骨髓基质细胞、成骨细胞、单核细胞、树突状细胞以及B淋巴等细胞中都有表达，但OPG仅限于骨髓系统内部发挥作用，可抑制破骨细胞生成，阻断OC的增殖和活化。OPG、激活核因子NF-кB受体的配体和NF-кB受体活化因子(RANK)形成一个调节系统，影响OC的生成。当胞外刺激因素作用于成骨/基质细胞，诱导其膜上表达RANKL分子，通过与破骨细胞前体细胞（pOC）膜上的RANK直接结合，将信号传入前体细胞，引起破骨细胞增殖反应，使OC分化成熟。而OPG则由成骨/基质细胞旁分泌发挥作用，竞争性与RANKL结合，封闭RANKL与RANK的结合，抑制OC的分化、成熟。研究发现瘦素可增强成骨细胞中OPG的表达，降低RANKL的mRNA水平，使OPG/RANKL的比值增加，从而抑制破骨细胞的增殖。由此证实瘦素通过OPG/RANK系统抑制破骨细胞功能（图1）。此外，瘦素对血管内皮细胞的增殖、迁移、小管形成和基质金属酶2的活性都有一定程度的促进作用，提示瘦素可能通过调节血管新生而影响软骨的骨化。
三、瘦素对骨的中枢作用
现在越来越多的研究者开始关注中枢神经系统在骨代谢中的地位和作用，其研究的焦点集中在下丘脑瘦素表达、交感神经系统以及β受体拮抗剂等方面。中枢作用主要是抑制骨的形成，其结果与外周作用相反。Ducy在leptin基因敲除小鼠的研究中发现，与野生型鼠相比，基因敲除小鼠的的骨密度明显增高，是野生鼠的2-3倍。引起骨密度增高的原因是leptin信号的缺失而不是肥胖，该缺失只影响成骨细胞的功能，未检测到对破骨细胞的影响，leptin受体基因敲除小鼠也发现同样的结果。进一步研究发现下丘脑中检测到瘦素受体ob-Rb亚型的表达，向野生鼠的脑室内灌注瘦素后鼠发生明显的骨量减少，此时血中未检出瘦素，提示此时的瘦素并不是作用于成骨细胞，而是通过中枢神经系统起抑制骨形成的作用。但此中枢系统作用确切的神经传导方式和途径并未完全阐明，可能与神经肤Y和交感神经相关。由于在外周和中枢的研究获得矛盾结果，有学者认为瘦素对骨骼的作用在外周强于中枢。究竟哪种作用占主要地位还需要更多、更系统、更完整的进一步研究。最近Evans等系统性研究发现瘦素直接阻断脂肪细胞增殖和促进成骨细胞生成，而通过下丘脑调节骨代谢与外周相比作用较小（图1）。
四、瘦素对炎症细胞因子作用
近年来随着免疫学的不断发展，骨免疫学越来越受到学者的重视，其中很多炎症细胞因子如IL-1、IL-6、TNF-a、TGF等通过自分泌和旁分泌作用，影响成骨细胞和破骨细胞的分化、增生、成熟和活化功能，从而影响骨组织的重建和修复。阻断症细胞因子对骨质疏松起到保护作用。最近研究发现体内过度分泌的瘦素或脂肪细胞脂联素的下降，可直接促进骨形成或间接地影响炎性细胞因子的产生而促进骨形成。TNF-α 和NF-κB的激活可以促进破骨细胞的增殖与活化，抑制成骨细胞的活性。在血浆水平研究者发现瘦素可抑制TNF-α 和NF-κB的活性，从而间接抑制破骨细胞作用。通过对16573被试者横断面流行病研究发现，体内瘦素和IL-6水平呈负相关，显示瘦素可能降低IL-6水平，对骨质疏松的发生起到抑制作用。当然这一理论尚有待进一步研究。
五、瘦素的其它作用
研究发现瘦素还可通过交感神经系统调节骨代谢。Takeda等对去甲肾上腺素及肾上腺素合成的关键酶多巴胺β-羟化酶缺失的突变型小鼠的研究发现，小鼠表现出高骨量，而且即使对其脑室内注人瘦素仍是如此，瘦素缺失导致交感神经张力降低，而去除肾上腺能信号传导途径可导致瘦素抵抗性高骨量。瘦素对骨化细胞增殖的调节作用是由骨化细胞上的β肾上腺素能受体所介导，β受体拮抗剂单用或与噻嗪类利尿药合用均可降低人群中的骨折危险度。最近Elefteriou的研究表明，β受体拮抗剂可使骨形成和骨量增加并且能阻止卵巢切除术导致的骨量丢失。Kyunghwa等对大鼠悬尾导致的废用性骨丢失中发现β受体拮抗剂可能是通过直接效应和间接效应两中途径影响骨代谢的，直接效应是通过成骨细胞上的β受体拮抗剂起作用的，间接效应是通过调节脂肪细胞分泌瘦素起作用。
六、研究展望
尽管目前对瘦素的作用机制和临床效果进行了广泛的研究并取得了重大进展，但其确切的作用机制尚未取得一致的结论，因而仍需作更深入的研究。我们完全有理由相信，随着研究的不断深入，必将使我们对骨质疏松的发病机制有更准确的认识，并有望使瘦素在骨质疏松的治疗与预防中发挥积极作用。
【参考文献】
[1]D'Amelio P，Roato I, D'Amico L,et al.Bone and bone marrow pro-osteoclastogenic cytokines are up-regulated in osteoporosis fragility fractures[J].Osteoporos Int．2010.
[2]Zhang Y，Proenca R，Maffei M，et al. Positional cloning of the mouse obese gene and its human homologue[J].Nature．1994.372（6505）：425-32.
[3]Cao JJ.Effects of Obesity on Bone Metabolism[J].J Orthop Surg Res．2011，（15）：6，1：30.
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”