骨质疏松的分子生物学研究6

骨质疏松发生机制的分子生物学途径MolecularbiologyPathwayforosteoporosis罗湖医院骨科刘新主任医师提纲•骨质疏松从宏观到微观•破骨细胞与成骨细胞•OPG/RANK/RANKL系统与破骨细胞•Wnt/β-catenin信号通路与成骨细胞•靶点信号传导分子治疗•人工关节内置物骨溶解松动的靶点治疗骨质疏松引起宏观人体形态改变X片可见椎体压缩骨折脊柱骨质疏松模式图放大镜下椎体骨质疏松结构低倍电镜下骨质疏松结构图电镜下骨质疏松骨吸收图片电镜下骨质疏松骨吸收结构破骨细胞模式图显微镜下活体破骨细胞吸收轨迹电镜下破骨细胞结构破骨细胞再吸收示意图破骨细胞的生长HorowitzMC,etal.ImmunolRev.2005;208:141-153.单核细胞巨噬细胞多能前体前单核细胞Pu.1GM-CSFNF-B,c-FosNFAT单核破骨细胞前体成熟破骨细胞RANK–RANK+RANKLAbbreviations:GM-CSF,granulocytemacrophagecolony-stimulatingfactor;NF-κB,nuclearfactorkappaB;NFAT,nuclearfactorofactivatedT-cells;RANK,receptoractivatorfornuclearfactorkappaB.干细胞骨髓间充质细胞CBFA1BMPsTGFs增殖增殖BMPsTGF-sCBFA1Msx-2PTHTGF-IGF-I,IIVitaminD3c-fos增殖CBFA1Glucocorti-coidsVitaminD3PGE2PTHTGF-IGF-I,II成熟的成骨细胞CBFA1Dlx-5fra-2/jun-D矿化成骨细胞LianJB,etal.InOsteoporosis.2nded.MarcusR,etal,eds.Stanford,CA:AcademicPress,2001.承诺没有回头路骨母细胞确定如何随着时间的推移激活许多单位都确定的分化，功能，这些细胞和祖细胞的死亡信号，如何积极和平衡的基本多细胞单位，是否在周期结束时，骨量会获得丢失，或稳定CanalisEetal.NEnglJMed2007;357:905-916骨重建成骨细胞堆积成新的板层骨.骨细胞是骨基质中的成骨细胞破骨细胞吸收骨基质OsteocytesOsteoclasts反转凋亡的破骨细胞LiningCells骨细胞激活Osteocytes骨形成成骨细胞Osteocytes骨吸收静止期破骨细胞破骨细胞骨重建类骨质衬细胞骨细胞前成骨细胞骨重建周期•人体骨组织处于不断重建过程之中，正常成人体内的成骨细胞骨矿沉积与破骨细的骨质吸收处于平衡状态.OP的发生与骨重建失衡引起的骨丢失密切相关.在病理状态下，骨重建率增加，由于骨形成的周期较骨吸收的周期长，新骨的形成相对旧骨的吸收不足，从而导致骨丢失为什么骨重建?•提供骨骼支架应对机械负荷•修复和阻止微损伤（“磨损”和“撕裂”）•保持骨质量•释放储存在细胞内的生长因子和矿物质（钙和磷酸盐）到循环中AllbonecellsparticipateinremodelingConsiderableenergyexpendedtoremodeltheskeleton所有骨细胞参与重塑相当多的能源消耗重塑骨架成骨细胞及骨髓基质细胞表达RANKL，与破骨细胞前体细胞或破骨细胞表面上的RANK结合后，促进破骨细胞的分化和激活，并抑制破骨细胞的凋亡。由成骨细胞分泌的OPG可以与RANKL结合，竞争性抑制RANKL与RANK之间的结合，从而抑制成熟破骨细胞的生成WhyteM.NEnglJMed2006;354:860-863OPG/RANK/RANKL系统与破骨细胞OPG/RANK/RANKL蛋白•OPG：骨保护蛋白;•RANK：核因子-κβ受体活化因子•RANKL：核因子-κβ受体活化因子配体骨形态发生蛋白：多肽的转化生长因子β超家族，其中包括activins和抑制素的成员。这些蛋白质结合并激活特定的受体启动的信号转导和影响内导致osteoblastogenesis的事件Wnt信号：使用一个Wnt-β-catenin信号通路。Wnt信号绑定到特定的受体，低密度脂蛋白受体相关蛋白5和6（LRP5和LRP6的）。这稳定的translocates进入细胞核，调节基因表达的β-catenin的。IGF-I:：在肝脏和其他组织，包括骨骼，介导生长激素的纵向骨生长的影响。IGF-Ⅰ对骨的直接行动，是对骨骼发育和维持骨量的必要。同时作为循环增长激素依赖性激素和PTH的影响作为一个地方的骨骼生长因子。IGF-I的主要影响成骨细胞的分化功能，防止成骨细胞凋亡CanalisEetal.NEnglJMed2007;357:905-916Wnt/β-catenin信号通路与成骨细胞DkkSclerostinWntFrizzledLigandedStateAPCaxinGsk3-Catenin-Catenin-CateninDshFrat-1-Cateninp300/CBPSMRT/NCoRTcf/LdfAlteredTranscriptionofGenesNuclearLocalizationNucleusBONEFORMATIONWIFsFRPOSTEOBLASTWithpermissionfromShobackD.JClinEndocrinolMetab.2007;92:747-753.DkkSclerostinWntFrizzled配体状态APCaxinGsk3-Catenin-Catenin-CateninDshFrat-1-Cateninp300/CBPSMRT/NCoRTcf/LefAlteredTranscriptionofGenes核定位细胞核成骨细胞骨形成WIFsFRPAPCP蛋白酶体降解LRPFrizzledaxin-CateninGsk3(没有新骨形成DkkSclerostinUnligandedState~PathwayDead~WithpermissionfromShobackD.JClinEndocrinolMetab.2007;92:747-753.•Wnt/β-catenin经典途径：其主要组分包括:细胞外因子(Wnt)、跨膜受体(frizzled)、胞质蛋白(β-catenin)及核内转录因子(TCFS/LEF),即当细胞外因子与跨膜受体结合后,受体作用于胞质内的蓬乱蛋白（Dsh或Dvl),Dsh能切断β-catenin的降解途径,抑制β-catenin蛋白降解和磷酸化,使其在胞质内累积,进而入核内与T细胞因子(TCF/LEF)相互作用,启动靶基因的转录和表达,调节细胞生长。Wnt/β-catenin在促进成骨细胞分化的同时增强了OPG的表达,从而使与RANK的竞争性作用增强,使OPG与更多的RANKL假性结合,抑制成骨细胞的分化,降低破骨细胞的活动,减少骨量的丢失。Wnt经典信号转导通路通过促进干细胞更新，刺激成骨前体细胞增殖，诱导成骨分化，抑制成骨细胞及骨细胞凋亡等机制增加骨量。上调或下调经典Wnt通路中相关因子的表达可引起骨量的变化。•正常的骨重建循环休眠Bone骨吸收在一个密封吸收空泡内破骨细胞吸收骨Bone反转凋亡破骨细胞前成骨细胞Bone成熟的成骨细胞，骨样组织矿化建设骨形成BoneIllustrationCopyright©2009NucleusMedicalArt,Allrightsreserved.FormationOPGTGF-EstrogenResorptionAbbreviations:GM-CSF,granulocytemacrophagecolony-stimulatingfactor;IL,interleukin;OPG,osteoprotegerin;RANKL,RANK-ligand,PGE2,prostaglandinE2;TGF,transforminggrowthfactor;TNF,tumornecrosisfactor.IllustrationCopyright©2009NucleusMedicalArt,Allrightsreserved.配体是破骨细胞形成、功能和生存最重要的调节介质成骨细胞骨基质干细胞激活破骨细胞人骨髓巨核系祖细胞前融合破骨细胞多核破骨细胞激素生长因子细胞因子PTHPGE2GlucocorticoidsVitaminDIL-11IL-6IL-1PTHrPTNF-RANKLRANKBoneFormationBoneResorptionAdaptedfromBoyleWJ,etal.Nature.2003;423:337-342.M-CSFCFU-M=colonyformingunitmacrophageM-CSF=macrophagecolonystimulatingfactorForInternalUseOnly.AmgenConfidential.骨保护素（OPG）防止RANKL配体结合RANK并抑制破骨细胞形成、功能和生存HormonesGrowthfactorsCytokinesBoneFormationAdaptedfromBoyleWJ,etal.Nature.2003;423:337-342.骨吸收抑制破骨细胞形成，功能和生存抑制CFU-MOsteoclastPrecursorCFU-M=colonyformingunitmacrophageM-CSF=macrophagecolonystimulatingfactorOsteoblastsRANKLRANKOPGRANKL促进在破骨细胞活性增加RANK配体/OPG比值的改变是那些因为骨吸收增加而导致骨骼疾病最重要的的发病机制防止OCactivation促进OCactivationOsteoclastActivity1HofbauerLC,etal.JAMA.2004;292:490-5.2LaceyDL,etal.Cell.1998;93:165-76.3BoyleWJ,etal.Nature.2003;423:337-42.OC=osteoclast雌激素糖皮质激素Normal4weeksofageOPGApoETg8weeksofageRANKLKO4weeksofageOPGKO8weeksofageRANKKO4weeksofage小鼠功能基因组学研究发现OPG/RANK/RANKL为骨量的关键调节OPG/RANK/RANKL系统与骨质疏松症骨保护素(OPG)、核因子κB受体活化因子（RANK)和核因子κB受体活化因子配体(RANKL)系统是近年来发现的一组调控破骨细胞分化激活的细胞因子，三者均属肿瘤坏死因子受体超家族。成骨细胞及骨髓基质细胞表达RANKL，与破骨细胞前体细胞或破骨细胞表面上的RANK结合后，促进破骨细胞的分化和激活，并抑制破骨细胞的凋亡。由成骨细胞分泌的OPG可以与RANKL结合，竞争性抑制RANKL与RANK之间的结合，从而抑制成熟破骨细胞的生成。研究表明许多激素、细胞因子等均通过直接或间接地调节OPG、RANKL和RANK的表达，介导破骨细胞的分化和功能，而达到抗骨质疏松或致骨质疏松的作用。靶点信号传导分子治疗•人源RANKL单克隆抗体（称为AMG-162或denosumab）•重组人骨保护素Fc融合蛋白Fc-OPG•12/15-l脂氧合酶抑制剂:由Alox15IL-4介导的骨吸收调控的基因编码。•口服钙敏感受体拮抗剂：调节内源性甲状旁腺激素的短暂上升，类似间歇性调节外源性甲状旁腺激素•骨硬化剂抑制剂：硬化蛋白是由骨细胞产生，并抑制骨形成。硬化拮抗作用可影响骨合成代谢。例如，硬化的单克隆