時(shí)間：2017-07-26
來源：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(duì)醫(yī)院 李戰(zhàn)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(dǎo)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(fù)合物。該復(fù)合物與含有特異性DNA序列(維生素D反應(yīng)元件，VDREs)的靶基因啟動(dòng)子近端以及調(diào)節(jié)區(qū)遠(yuǎn)端相結(jié)合，參與調(diào)節(jié)多種細(xì)胞的增殖、分化、凋亡、礦物質(zhì)動(dòng)態(tài)平衡、免疫反應(yīng)、代謝等功能。雖然已有文獻(xiàn)證實(shí)VDR信號(hào)通路在骨動(dòng)態(tài)平衡調(diào)節(jié)中起到重要作用，但截止到目前，其詳細(xì)的分子作用機(jī)制尚待進(jìn)一步研究。故本文對VDR信號(hào)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(diào)節(jié)中的作用
長期以來研究證實(shí)VDR是參與骨與軟骨功能調(diào)節(jié)的重要因子。VDR在骨生理調(diào)節(jié)過程中發(fā)揮著重要功能，其表達(dá)異�？蓪�(dǎo)致遺傳性低鈣維生素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(dǎo)致。VDDR-II患者的臨床表現(xiàn)主要包括:低骨礦密度、佝僂病畸形、生長延遲、低身高、低鈣血癥、低磷血癥、甲狀旁腺機(jī)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I型遺傳性佝僂病(VDDR-I)患者中也存在其他類似的臨床特點(diǎn)，這些疾病都表現(xiàn)出與CYP27B1基因突變失活導(dǎo)致1，25(OH)2D3生物合成異常相似的病理過程。
多個(gè)研究小組構(gòu)建了獨(dú)立的VDR敲除小鼠模型，結(jié)果證實(shí)VDR-/-基因缺陷動(dòng)物表現(xiàn)為VDDR-II患者常見臨床特征。且以往研究證實(shí)VDR重要靶向基因主要表達(dá)于骨細(xì)胞，進(jìn)一步說明VDR主要參與調(diào)控骨的生長與維護(hù)過程。但研究還發(fā)現(xiàn)VDR純合缺陷的小鼠可通過特殊飲食糾正血鈣和磷的水平，繼而表現(xiàn)為正常骨骼。這些成功恢復(fù)VDR-/-小鼠骨骼表型的實(shí)驗(yàn)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(jié)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(jī)體血清鈣和磷的水平保持在正常生理范圍，那么VDR的信號(hào)通路對于促進(jìn)和維持骨骼生長和礦化則顯得多余。然而，通過深入研究VDR-/-動(dòng)物發(fā)現(xiàn)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(yīng)。
VDR調(diào)控的骨細(xì)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)凝集過程中即可檢測到VDR的表達(dá)，隨后逐漸表達(dá)于成骨、骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞系。胚胎骨骼發(fā)育早期VDR的表達(dá)提示它可能具有調(diào)節(jié)間質(zhì)祖細(xì)胞發(fā)育成為骨細(xì)胞的功能。盡管VDR缺陷小鼠胚胎骨形成正常，且能夠通過特殊飲食使其出生后的骨生長和礦化恢復(fù)正常，通過進(jìn)一步研究VDR和1，25(OH)2D3缺陷動(dòng)物發(fā)現(xiàn)VDR信號(hào)通路對骨形成和成骨細(xì)胞分化具有直接作用。
而VDR-/-小鼠的成骨細(xì)胞數(shù)量則表現(xiàn)為正常。無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(xì)胞中，成骨細(xì)胞的數(shù)量和成骨細(xì)胞克隆形成單位均下降。有關(guān)骨鈣素啟動(dòng)成熟成骨細(xì)胞(骰狀成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞與襯里細(xì)胞)轉(zhuǎn)基因VDR過表達(dá)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)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(dǎo)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(yàn)發(fā)現(xiàn)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(xì)胞中VDR的表達(dá)可導(dǎo)致轉(zhuǎn)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(xù)的骨吸收減少。該結(jié)果與將VDR-/-骨移植入野生型受體中所觀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(jié)果相一致，這些結(jié)果提示成骨細(xì)胞VDR信號(hào)通路對破骨細(xì)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，來自未成熟成骨細(xì)胞的作用表現(xiàn)為刺激而來自成熟成骨和破骨細(xì)胞的作用則表現(xiàn)為抑制。更為重要的是，特異性敲除軟骨細(xì)胞的VDR雖不影響軟骨的發(fā)育，但可誘導(dǎo)破骨細(xì)胞數(shù)量的減少而導(dǎo)致骨小梁骨質(zhì)增加。
該結(jié)果提示在成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞中，VDR可能作為破骨形成調(diào)節(jié)因子發(fā)揮作用。因此，VDR信號(hào)在軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞系中可不依賴系統(tǒng)調(diào)節(jié)鈣和磷的動(dòng)態(tài)平衡起到獨(dú)立影響骨質(zhì)和礦密度的直接生理效應(yīng)。
成骨與骨細(xì)胞VDR信號(hào)通路對骨動(dòng)態(tài)平衡的調(diào)節(jié)
骨動(dòng)態(tài)平衡中，成骨與骨VDR信號(hào)通路對骨動(dòng)態(tài)平衡的影響主要依賴于鈣的變化。當(dāng)飲食中鈣的獲取等于或者大于身體鈣的使用、儲(chǔ)存和丟失時(shí)，達(dá)到正鈣平衡。當(dāng)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(qiáng)腸道鈣的吸收，繼而，1，25(OH)2D3通過維持骨鈣的攝取間接調(diào)控骨動(dòng)態(tài)平衡。然而，有研究結(jié)果提示成骨與骨VDR信號(hào)通路在骨重塑過程中具有直接效應(yīng)，但其機(jī)理尚待闡明。當(dāng)飲食中鈣的嚴(yán)重缺乏或者腸道VDR活性缺失導(dǎo)致腸道鈣的攝取無法補(bǔ)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(xì)胞系，從而增強(qiáng)骨吸收并抑制骨質(zhì)礦化，這兩個(gè)過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(xì)胞VDR信號(hào)通路對骨動(dòng)態(tài)平衡的調(diào)節(jié)作用
VDR敲除小鼠表現(xiàn)為特異性骨骼缺陷，這種骨表型主要是因?yàn)槿狈?，25(OH)2D3介導(dǎo)腸道鈣吸收減少而導(dǎo)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(jié)果顯示當(dāng)腸道鈣的獲取可通過血清鈣進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，骨骼VDR信號(hào)通路的調(diào)節(jié)作用則不再顯得重要。研究還發(fā)現(xiàn)早期成骨細(xì)胞中VDR的失活并不影響骨形成，但可以減少骨的重吸收，導(dǎo)致骨質(zhì)少量增加，該結(jié)果證實(shí)VDR信號(hào)通路可減少骨質(zhì)形成。另一方面，對于成熟成骨細(xì)胞而言，VDR信號(hào)通路可通過上調(diào)成熟成骨和骨細(xì)胞中VDR的表達(dá)，增加骨形成，抑制骨重吸收，最終達(dá)到增加骨質(zhì)的作用。當(dāng)機(jī)體攝取鈣量正常時(shí)，成熟成骨與骨細(xì)胞中VDR的失活對骨質(zhì)形成、礦化及重吸收均無顯著影響。
負(fù)鈣平衡中成骨與骨細(xì)胞VDR信號(hào)通路對骨動(dòng)態(tài)平衡的調(diào)節(jié)作用
在負(fù)鈣平衡中，1，25(OH)2D3和PTH共同作用促進(jìn)骨重吸收。攝取鈣量過低或腸道VDR失活引起的血清鈣水平降低，將導(dǎo)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(zhuǎn)移出來以維持正常血鈣水平。在負(fù)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(dá)到保護(hù)骨質(zhì)的目的。近年來遺傳模型研究證實(shí)，軟骨和成骨細(xì)胞是長骨生長時(shí)RANKL產(chǎn)生的重要來源，而骨細(xì)胞則是骨重塑過程中RANKL的主要產(chǎn)生細(xì)胞。此外，使用1，25(OH)2D3治療野生型和成骨/骨細(xì)胞VDR缺陷小鼠時(shí)，骨重吸收程度變化相似。該結(jié)果證實(shí)未成熟成骨和軟骨細(xì)胞對1，25(OH)2D3作用的反應(yīng)表現(xiàn)為成年小鼠的骨重吸收作用增加。因此，在負(fù)鈣平衡中，成骨細(xì)胞系RANKL的表達(dá)可以誘導(dǎo)1，25(OH)2D3的水平上調(diào)，促進(jìn)骨的重吸收，最終使骨鈣發(fā)生轉(zhuǎn)移。
VDR激動(dòng)劑與骨形成
研究發(fā)現(xiàn)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(jī)理尚未闡明，盡管維生素D的內(nèi)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(xì)胞中的效應(yīng)仍有待深入研究。目前有許多文獻(xiàn)提出三種類型骨細(xì)胞(包括成骨、骨和破骨)中的維生素D受體VDR是調(diào)節(jié)骨動(dòng)態(tài)平衡的重要分子。除調(diào)節(jié)鈣磷動(dòng)態(tài)平衡外，近年來研究發(fā)現(xiàn)VDR信號(hào)通路在免疫、細(xì)胞生長和分化過程中也發(fā)揮著重要功能。因此，VDR激動(dòng)劑被認(rèn)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似物α-骨化醇已被聯(lián)合其他成骨性化合物應(yīng)用于治療骨質(zhì)疏松和骨軟化疾病。
已有的VDR配體藥物具有顯著的成骨作用，不同階段的臨床前開發(fā)或臨床試驗(yàn)正在進(jìn)行中。其中，ED-71的III期臨床試驗(yàn)已完成(也被稱為艾爾骨化醇)，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(zhuǎn)換和椎骨與腕骨骨折風(fēng)險(xiǎn)。無論患者維生素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(xiàn)持續(xù)性高鈣血癥或其他顯著副作用。
VDR在骨組織中的表達(dá)
雖然以上結(jié)果顯示VDR表達(dá)與多種不同類型的骨細(xì)胞，并在骨動(dòng)態(tài)平衡中發(fā)揮著重要作用，但2014年WangY等人發(fā)現(xiàn)松質(zhì)骨中未成熟成骨細(xì)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(xì)胞、骨襯里細(xì)胞和骨細(xì)胞中VDR的表達(dá)極低或無法檢測。該研究還發(fā)現(xiàn)在增殖性軟骨和肥大軟骨細(xì)胞中也僅存在低水平VDR的表達(dá)。因此，未成熟成骨細(xì)胞可能是維生素D激素信號(hào)導(dǎo)致鈣轉(zhuǎn)運(yùn)和成骨形成的重要分子。
總結(jié)
成骨與骨細(xì)胞VDR信號(hào)通路調(diào)節(jié)骨代謝中的多個(gè)過程，特異性骨細(xì)胞VDR敲除小鼠的建立被認(rèn)為是研究骨細(xì)胞VDR信號(hào)通路生理作用機(jī)制的有力工具，且骨細(xì)胞VDR信號(hào)通路可能不僅只受到血液循環(huán)和腎臟來源的1，25(OH)2D3的影響，也受到來自大量腎外類型細(xì)胞CYP27b1誘導(dǎo)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(yù)防和治療骨質(zhì)疏松時(shí)發(fā)揮了重要的作用，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)1，25(OH)2D3具有從骨中轉(zhuǎn)運(yùn)鈣的功能，當(dāng)通過飲食無法獲取充足的鈣時(shí)，僅補(bǔ)充維生素D對骨質(zhì)疏松的治療無效乃至加重骨質(zhì)疏松的進(jìn)程。該結(jié)果與其他兩項(xiàng)單獨(dú)使用維生素D治療導(dǎo)致骨折病例增加的臨床研究結(jié)果相一致。綜上所述，VDR在不同類型骨細(xì)胞中的表達(dá)及其在骨動(dòng)態(tài)平衡中的作用機(jī)制還有待更進(jìn)一步的研究，有關(guān)機(jī)理的闡明將為我們深入了解骨質(zhì)疏松的發(fā)病機(jī)制，指導(dǎo)臨床正確使用鈣和維生素D類藥物，為減少有關(guān)藥物應(yīng)用于骨疾病治療中產(chǎn)生的副作用提供可靠依據(jù)。
