時(shí)間：2017-07-26
來(lái)源：中國骨質(zhì)疏松雜志2014年11月第20卷第11期
作者：武警陜西省總隊醫院 李戰寧
維生素D受體(VDR)是核激素受體甲狀腺激素/維甲酸受體家族成員，介導維生素D生物活性形式的重要生理功能。經(jīng)配體活化后，VDR與維甲酸X受體(RXR)異二聚化，形成VDR/RXR復合物。該復合物與含有特異性DNA序列(維生素D反應元件，VDREs)的靶基因啟動(dòng)子近端以及調節區遠端相結合，參與調節多種細胞的增殖、分化、凋亡、礦物質(zhì)動(dòng)態(tài)平衡、免疫反應、代謝等功能。雖然已有文獻證實(shí)VDR信號通路在骨動(dòng)態(tài)平衡調節中起到重要作用，但截止到目前，其詳細的分子作用機制尚待進(jìn)一步研究。故本文對VDR信號通路在骨動(dòng)態(tài)平衡中的相關(guān)研究予以綜述。
VDR在骨與軟骨功能調節中的作用
長(cháng)期以來(lái)研究證實(shí)VDR是參與骨與軟骨功能調節的重要因子。VDR在骨生理調節過(guò)程中發(fā)揮著(zhù)重要功能，其表達異�？蓪е逻z傳性低鈣維生素D抵抗性佝僂病，也可發(fā)展成為維生素D依賴(lài)遺傳性II型佝僂病(VDDR-II)。VDDR-II是一種常染色體隱性遺傳疾病，由人VDR基因突變引起的功能缺陷導致。VDDR-II患者的臨床表現主要包括:低骨礦密度、佝僂病畸形、生長(cháng)延遲、低身高、低鈣血癥、低磷血癥、甲狀旁腺機能亢進(jìn)、血清堿性磷酸酶增加和1，25(OH)2D3水平升高。除血清1，25(OH)2D3升高外，在假維生素D缺乏或者維生素D依賴(lài)I型遺傳性佝僂病(VDDR-I)患者中也存在其他類(lèi)似的臨床特點(diǎn)，這些疾病都表現出與CYP27B1基因突變失活導致1，25(OH)2D3生物合成異常相似的病理過(guò)程。
多個(gè)研究小組構建了獨立的VDR敲除小鼠模型，結果證實(shí)VDR-/-基因缺陷動(dòng)物表現為VDDR-II患者常見(jiàn)臨床特征。且以往研究證實(shí)VDR重要靶向基因主要表達于骨細胞，進(jìn)一步說(shuō)明VDR主要參與調控骨的生長(cháng)與維護過(guò)程。但研究還發(fā)現VDR純合缺陷的小鼠可通過(guò)特殊飲食糾正血鈣和磷的水平，繼而表現為正常骨骼。這些成功恢復VDR-/-小鼠骨骼表型的實(shí)驗提示VDR的生物學(xué)基本功能是促進(jìn)腸道鈣和磷的吸收，尤其是在低鈣供給的條件下，VDR的作用更為重要。因此，早期有關(guān)維生素D缺乏大鼠模型的研究以及上述結果均提示維生素D及其生物活性代謝產(chǎn)物不是生殖和發(fā)育所必需。并且，如果機體血清鈣和磷的水平保持在正常生理范圍，那么VDR的信號通路對于促進(jìn)和維持骨骼生長(cháng)和礦化則顯得多余。然而，通過(guò)深入研究VDR-/-動(dòng)物發(fā)現VDR在骨骼中的功能不僅僅局限于維持血清鈣和磷動(dòng)態(tài)平衡的效應。
VDR調控的骨細胞分化
對成骨而言，在哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育的初始骨間充質(zhì)凝集過(guò)程中即可檢測到VDR的表達，隨后逐漸表達于成骨、骨細胞和軟骨細胞系。胚胎骨骼發(fā)育早期VDR的表達提示它可能具有調節間質(zhì)祖細胞發(fā)育成為骨細胞的功能。盡管VDR缺陷小鼠胚胎骨形成正常，且能夠通過(guò)特殊飲食使其出生后的骨生長(cháng)和礦化恢復正常，通過(guò)進(jìn)一步研究VDR和1，25(OH)2D3缺陷動(dòng)物發(fā)現VDR信號通路對骨形成和成骨細胞分化具有直接作用。
而VDR-/-小鼠的成骨細胞數量則表現為正常。無(wú)論使用何種特殊飲食，VDR-/-或CYP27B1-/-以及VDR-/-CYP27B1-/-聯(lián)合缺陷動(dòng)物的骨和骨髓基質(zhì)細胞中，成骨細胞的數量和成骨細胞克隆形成單位均下降。有關(guān)骨鈣素啟動(dòng)成熟成骨細胞(骰狀成骨細胞、骨細胞與襯里細胞)轉基因VDR過(guò)表達的實(shí)驗發(fā)現骨小梁和骨皮質(zhì)的質(zhì)量均有增多，且與破骨形成抑制導致的骨重吸收功能降低相關(guān)，而VDR-/-雜合小鼠有關(guān)實(shí)驗發(fā)現骨礦密度和形成增多。
啟動(dòng)Cre重組酶阻斷VDRf/f小鼠分化狀態(tài)成骨細胞中VDR的表達可導致轉基因動(dòng)物骨質(zhì)量和骨密度的增加，同時(shí)，伴有破骨形成以及后續的骨吸收減少。該結果與將VDR-/-骨移植入野生型受體中所觀(guān)察到的骨體積和密度高于相同狀態(tài)下野生型骨移植物的結果相一致，這些結果提示成骨細胞VDR信號通路對破骨細胞的產(chǎn)生具有一定影響，并在骨分化的不同階段具有特異性，其中，來(lái)自未成熟成骨細胞的作用表現為刺激而來(lái)自成熟成骨和破骨細胞的作用則表現為抑制。更為重要的是，特異性敲除軟骨細胞的VDR雖不影響軟骨的發(fā)育，但可誘導破骨細胞數量的減少而導致骨小梁骨質(zhì)增加。
該結果提示在成骨細胞和軟骨細胞中，VDR可能作為破骨形成調節因子發(fā)揮作用。因此，VDR信號在軟骨細胞和成骨細胞系中可不依賴(lài)系統調節鈣和磷的動(dòng)態(tài)平衡起到獨立影響骨質(zhì)和礦密度的直接生理效應。
成骨與骨細胞VDR信號通路對骨動(dòng)態(tài)平衡的調節
骨動(dòng)態(tài)平衡中，成骨與骨VDR信號通路對骨動(dòng)態(tài)平衡的影響主要依賴(lài)于鈣的變化。當飲食中鈣的獲取等于或者大于身體鈣的使用、儲存和丟失時(shí)，達到正鈣平衡。當飲食中鈣的水平低于正常時(shí)，1，25(OH)2D3對于維持正鈣平衡至關(guān)重要。VDR將增強腸道鈣的吸收，繼而，1，25(OH)2D3通過(guò)維持骨鈣的攝取間接調控骨動(dòng)態(tài)平衡。然而，有研究結果提示成骨與骨VDR信號通路在骨重塑過(guò)程中具有直接效應，但其機理尚待闡明。當飲食中鈣的嚴重缺乏或者腸道VDR活性缺失導致腸道鈣的攝取無(wú)法補充正常鈣的需要。在這種狀態(tài)下，增多的1，25(OH)2D3將直接作用于晚期成骨細胞系，從而增強骨吸收并抑制骨質(zhì)礦化，這兩個(gè)過(guò)程均可以起到直接維持血清正常鈣水平的作用。
正鈣平衡中成骨與骨細胞VDR信號通路對骨動(dòng)態(tài)平衡的調節作用
VDR敲除小鼠表現為特異性骨骼缺陷，這種骨表型主要是因為缺乏1，25(OH)2D3介導腸道鈣吸收減少而導致礦物質(zhì)與激素失衡所致。實(shí)際上，在飲食和基因正常時(shí)，雖然礦物與激素的攝取異常減少，但仍可保證腸道對鈣的吸收正常。這些研究結果顯示當腸道鈣的獲取可通過(guò)血清鈣進(jìn)行補償時(shí)，骨骼VDR信號通路的調節作用則不再顯得重要。研究還發(fā)現早期成骨細胞中VDR的失活并不影響骨形成，但可以減少骨的重吸收，導致骨質(zhì)少量增加，該結果證實(shí)VDR信號通路可減少骨質(zhì)形成。另一方面，對于成熟成骨細胞而言，VDR信號通路可通過(guò)上調成熟成骨和骨細胞中VDR的表達，增加骨形成，抑制骨重吸收，最終達到增加骨質(zhì)的作用。當機體攝取鈣量正常時(shí)，成熟成骨與骨細胞中VDR的失活對骨質(zhì)形成、礦化及重吸收均無(wú)顯著(zhù)影響。
負鈣平衡中成骨與骨細胞VDR信號通路對骨動(dòng)態(tài)平衡的調節作用
在負鈣平衡中，1，25(OH)2D3和PTH共同作用促進(jìn)骨重吸收。攝取鈣量過(guò)低或腸道VDR失活引起的血清鈣水平降低，將導致PTH和1，25(OH)2D3的增加，繼而促進(jìn)骨重吸收作用，使鈣從骨中轉移出來(lái)以維持正常血鈣水平。在負鈣平衡時(shí)，使用藥物抑制骨重吸收，可以降低血清鈣的水平，從而達到保護骨質(zhì)的目的。近年來(lái)遺傳模型研究證實(shí)，軟骨和成骨細胞是長(cháng)骨生長(cháng)時(shí)RANKL產(chǎn)生的重要來(lái)源，而骨細胞則是骨重塑過(guò)程中RANKL的主要產(chǎn)生細胞。此外，使用1，25(OH)2D3治療野生型和成骨/骨細胞VDR缺陷小鼠時(shí)，骨重吸收程度變化相似。該結果證實(shí)未成熟成骨和軟骨細胞對1，25(OH)2D3作用的反應表現為成年小鼠的骨重吸收作用增加。因此，在負鈣平衡中，成骨細胞系RANKL的表達可以誘導1，25(OH)2D3的水平上調，促進(jìn)骨的重吸收，最終使骨鈣發(fā)生轉移。
VDR激動(dòng)劑與骨形成
研究發(fā)現血清中充足的25-OH維生素D可減少骨質(zhì)疏松的發(fā)生，但其中的生理學(xué)作用機理尚未闡明，盡管維生素D的內分泌作用已經(jīng)得到了較為全面的了解，但其在骨組織和骨細胞中的效應仍有待深入研究。目前有許多文獻提出三種類(lèi)型骨細胞(包括成骨、骨和破骨)中的維生素D受體VDR是調節骨動(dòng)態(tài)平衡的重要分子。除調節鈣磷動(dòng)態(tài)平衡外，近年來(lái)研究發(fā)現VDR信號通路在免疫、細胞生長(cháng)和分化過(guò)程中也發(fā)揮著(zhù)重要功能。因此，VDR激動(dòng)劑被認為具有治療VDDR-I、腎衰、銀屑病、自身免疫紊亂和某些腫瘤的可能。骨化三醇及其合成類(lèi)似物α-骨化醇已被聯(lián)合其他成骨性化合物應用于治療骨質(zhì)疏松和骨軟化疾病。
已有的VDR配體藥物具有顯著(zhù)的成骨作用，不同階段的臨床前開(kāi)發(fā)或臨床試驗正在進(jìn)行中。其中，ED-71的III期臨床試驗已完成(也被稱(chēng)為艾爾骨化醇)，臨床研究顯示ED-71可有效增加骨質(zhì)疏松患者腰椎骨礦密度，減少骨轉換和椎骨與腕骨骨折風(fēng)險。無(wú)論患者維生素D的水平如何，患者均可以很好耐受臨床使用的ED-71劑量，未發(fā)現持續性高鈣血癥或其他顯著(zhù)副作用。
VDR在骨組織中的表達
雖然以上結果顯示VDR表達與多種不同類(lèi)型的骨細胞，并在骨動(dòng)態(tài)平衡中發(fā)揮著(zhù)重要作用，但2014年WangY等人發(fā)現松質(zhì)骨中未成熟成骨細胞中含有大量VDR，提示它們可能是1，25(OH)2D3的主要靶位，而在成熟的成骨細胞、骨襯里細胞和骨細胞中VDR的表達極低或無(wú)法檢測。該研究還發(fā)現在增殖性軟骨和肥大軟骨細胞中也僅存在低水平VDR的表達。因此，未成熟成骨細胞可能是維生素D激素信號導致鈣轉運和成骨形成的重要分子。
總結
成骨與骨細胞VDR信號通路調節骨代謝中的多個(gè)過(guò)程，特異性骨細胞VDR敲除小鼠的建立被認為是研究骨細胞VDR信號通路生理作用機制的有力工具，且骨細胞VDR信號通路可能不僅只受到血液循環(huán)和腎臟來(lái)源的1，25(OH)2D3的影響，也受到來(lái)自大量腎外類(lèi)型細胞CYP27b1誘導產(chǎn)生的1，25(OH)2D3的旁分泌作用的影響。
盡管1，25(OH)2D3在預防和治療骨質(zhì)疏松時(shí)發(fā)揮了重要的作用，實(shí)驗發(fā)現1，25(OH)2D3具有從骨中轉運鈣的功能，當通過(guò)飲食無(wú)法獲取充足的鈣時(shí)，僅補充維生素D對骨質(zhì)疏松的治療無(wú)效乃至加重骨質(zhì)疏松的進(jìn)程。該結果與其他兩項單獨使用維生素D治療導致骨折病例增加的臨床研究結果相一致。綜上所述，VDR在不同類(lèi)型骨細胞中的表達及其在骨動(dòng)態(tài)平衡中的作用機制還有待更進(jìn)一步的研究，有關(guān)機理的闡明將為我們深入了解骨質(zhì)疏松的發(fā)病機制，指導臨床正確使用鈣和維生素D類(lèi)藥物，為減少有關(guān)藥物應用于骨疾病治療中產(chǎn)生的副作用提供可靠依據。
