作者：海军军医大学附属长征医院骨科     张伟进

肝脏是人体代谢的中心器官,在整个人体代谢中起着基础性作用,其还可以通过分泌多种因子来调节其他器官的状态及功能,维持体内的稳态。目前研究认为,肝脏对骨骼存在轴向调控,通过分泌多种肝源性因子来调控骨骼的代谢和功能。例如肝脏可以通过分泌维生素D调控小肠黏膜细胞对钙的重吸收,参与调节骨骼的生长。当肝功能出现障碍时,骨骼代谢也会出现紊乱,表现为骨量下降、骨骼脆性增加等；如酒精性肝硬化患者中约55%的人会出现骨质疏松性改变；在病毒性肝炎、血色素沉着症(基因突变导致过多的铁沉积于肝脏、心肌等部位引起代谢障碍的一种罕见病)和威尔逊氏病(基因突变导致过多的铜沉积在肝脏等部位引起代谢障碍的一种遗传病)患病人群中,平均每2例患者就有1例出现骨质疏松；非酒精性脂肪性肝病或非酒精性脂肪性肝炎的患者中,也有近1/3的人表现出骨骼的改变,如骨量下降、骨折发生风险升高。因此,调节肝骨轴内相关肝源性因子的功能,可能是治疗骨质疏松的新策略。胰岛素样生长因子(IGF)-1、骨形态发生蛋白(BMP)9、成纤维细胞生长因子(FGF)21、铁调素是由肝脏分泌的重要因子,对骨骼的功能代谢起着重要的调节作用,并且对其治疗骨质疏松的相关研究已取得一定的进展,探究它们与骨代谢的关系及作用机制,对于研究骨质疏松治疗新方法具有重要意义。

IGF-1

IGF-1是具有内分泌、自分泌及旁分泌特性的单链多肽,虽然多种器官与组织均可分泌,但肝细胞仍是IGF-1的主要来源,因此仍被认为是重要的肝源因子。IGF-1可以作为内分泌激素发挥作用,它受生长激素(GH)调控,并通过增强葡萄糖、氨基酸及脂肪酸吸收的方式促进青春期生长发育。在血液循环中,IGF-1通过与IGF结合蛋白(IGFBP)结合运输的方式防止被降解。其中IGFBP-3在血液中的含量最高,负责运输80%的IGF-1；当IGFBP-3与IGF-1结合后,酸不稳定亚基(ALS；一种富含亮氨酸的糖蛋白,主要由肝脏合成)会结合到IGFBP-3上,形成三元复合物,构成了循环系统中稳定的IGF-1库。IGF-1可与不同的受体结合,在不同组织和细胞产生生物学效应。

IGF-1与骨代谢      血液中IGF-1的浓度对于骨骼的生长和骨量的维持至关重要。Yakar等通过对小鼠进行特异性基因敲除发现,肝脏IGF-1特异性缺陷小鼠和ALS特异性敲除小鼠血液中IGF-1分别下降75%和65%,其骨骼可以正常生长；通过杂交得到IGF-1和ALS双基因敲除的小鼠,其血清IGF-1水平只有10%~15%,骨骼生长明显减弱。

血清IGF-1水平与骨质疏松性骨折风险有着密切联系。通过孟德尔随机化分析发现,血清IGF-1水平与骨折风险相关。高IGF-1水平对于预防骨质疏松性骨折具有重要意义。对老年男性的随访研究也同样表明血清IGF-1值与骨折风险呈负相关。对特发性骨质疏松的男性青年患者研究发现,患者血清IGF-1的水平明显低于健康人群,且IGF-1浓度与患者脊柱和前臂的骨密度呈正相关。

IGF-1的作用机制     IGF-1主要通过GH/IGF-1轴对骨骼功能进行调控。GH是一种由垂体前叶分泌的肽类激素,其通过与肝脏上的生长激素受体(GHR)结合,调控循环中IGF的水平。IGF-1与IGF1R结合可激活PI3k/Akt通路,提高骨细胞活性,抑制其凋亡。当肝功能减退时,肝脏合成IGF-1功能下降,GH/IGF-1轴受损,造成骨量丢失。Liu等通过构建GHR基因缺乏的小鼠模型发现,小鼠出现慢性肝脂肪变性、局部炎症以及骨密度降低。通过转基因技术使GHR功能恢复后,小鼠的皮质骨生成速率、微结构以及力学性能改善。

IGF-1相关靶点治疗进展      由于血清IGF-1水平降低可以提高骨质疏松骨折风险,IGF-1类似物或IGF1R激动剂可能是一种改善肝功能障碍患者骨量丢失的新型治疗方式。Lui等通过将一种软骨靶向的单链抗体片段与IGF-1结合构建了一种融合蛋白,使IGF-1可以靶向作用于生长板,提高了IGF-1对于骨代谢调节的特异性。在生长激素缺乏的小鼠模型中,皮下注射该融合蛋白可以增加生长板的整体高度,改善小鼠的生长障碍。

BMP9

BMP是一种在骨骼发育、骨形成和干细胞分化起关键作用的细胞因子,属于转化生长因子(TGF)-β家族。目前,人类已发现的BMP有15种,分为7个亚类。BMP功能障碍均会引起骨骼发育异常。其中,BMP9也被称为生长分化因子(GDF)-2,主要由肝脏分泌,通过与细胞膜表面的一种异四聚体复合体受体结合,在体内产生多种生物学效应。相比与BMP亚家族其他的细胞因子,BMP9具有更强的促成骨能力,无论在体内或体外均可促进间充质干细胞(MSC)转化为成骨细胞；此外,BMP9还可以促进软骨细胞的形成。

BMP9与骨代谢       小鼠体内实[1验3]结果显示,BMP9可明显增加老年小鼠的骨量,提高骨骼生物力学性能；BMP9还可以刺激成骨细胞分化并抑制其衰老；此外,BMP9还可以抑制骨微环境中衰老基因的表达。有研究发现BMP9敲除小鼠可出现骨代谢异常,如牙槽骨体积、矿物质密度和小梁厚度减少；而当BMP9表达增强时,其可以加快伤口骨痂的形成,并且促进成骨细胞分化,进而增加骨量和骨骼强度。

BMP9的作用机制       TGF-β家族成员通过与I型和Ⅱ型丝氨酸/苏氨酸激酶受体结合进行信号传递。在与配体结合后,Ⅱ型受体磷酸化并激活I型受体,激活后的I型受体可以使下游的Smad蛋白(包括Smad1、Smad2、Smad3、Smad5和Smad8)同样发生磷酸化；磷酸化的Smad与Smad4形成二聚体后易位到细胞核,调节目的基因的转录。BMP9还可以通过Wnt/β-catenin等信号通路参与骨代谢的调节,通过腺病毒使MSCs表达BMP9,其成骨标志物的增加使骨小梁和类骨基质增多。除Wnt/β-catenin信号通路外,BMP9还可通过IGF和类维甲酸等信号通路参与骨代谢。

BMP9相关靶点治疗进展      由于BMP9在体内具有很强的促成骨能力,并且其对Noggin(TGF-β家族的负性调节因子,可抑制BMP与BMP受体的结合)的抑制作用具有抗性,因此拥有广阔的应用前景。目前,对BMP9的临床治疗研究主要集中在骨组织工程,使用不同的载体工具,如腺病毒(Ad)、羟基磷灰石纳米颗粒、胶原等,将BMP9运载到体内,从而促进骨组织的再生和修复。通过AdBMP9和明胶海绵联合治疗,大鼠的骨缺损部位新生组织和成骨细胞明显增多,促进了骨缺损部位的愈合,其也可用于治疗颅面骨缺损。BMP9在体内作用广泛,除参与骨代谢外,还参与血管内皮生成、调节糖脂代谢等。因此,通过作用BMP9相关通路和靶点治疗骨质疏松具有很高的研究价值。

FGF21

FGF家族包含已知至少22种不同多肽,在人体作用极其广泛,与骨代谢密切相关。如FGF-18,其是软骨细胞的重要调节因子,对软骨细胞增殖及炎症抑制有着重要意义。大部分的FGF通过旁分泌或自分泌的方式发挥作用,而FGF21却主要由肝脏以内分泌的方式分泌到血液循环中,进而发挥生物学效应。此外由于FGF21缺乏相应的肝素结合域,所以不像其他的FGF一样需要肝素才能与受体高效结合。有研究证明,FGF21在糖脂代谢以及胰岛素抵抗等方面发挥着重要作用。

FGF21与骨代谢      通过基因手段使小鼠体内FGF21过表达,对FGF2过表达小鼠进行microCT分析显示骨体积分数、骨小梁数量和厚度等参数明显下降。对非酒精性脂肪肝病患者血清中的FGF21水平检测发现,患者血清FGF21水平增高,且其增高程度与疾病严重程度和血清甘油三酯水平呈正相关,其机制可能是由于肝功能度改变造清成糖脂代谢异常,从而引起FGF21反馈性增高。Zhu等发现,肾透析患者的血清FGF21水平与骨质疏松发生率呈正相关,且骨质疏松患者血清FGF21水平明显高于非骨质疏松患者。因此,FGF2很可能作为一种骨代谢的负性调节因子在体内发挥作用。

FGF21的作用机制       FGF21可以通过与过氧化物酶体增殖物激活受体-γ(PPARγ)结合来抑制成骨细胞的形成,并且促进骨髓间充质干细胞向脂肪细胞分化；还可以影响核因子κB受体活化因子配体(RANKL；负责激活破骨细胞分化)和骨保护素(OPG；可以与RANKL的结合减少破骨细胞的产生)的比例来促进破骨细胞的生成,最终导致骨量的丢失；还会降低GHR的敏感性,抑制IGF-1的表达,从而达到抑制GH/IGF-1轴的作用；还可以促进肝脏分泌IGF结合蛋白(IGFBP)-1。IGFBP-1是一种可以直接作用于破骨细胞的肝源性因子,其可通过增强细胞外信号调节激酶(ERK)磷酸化和活化T细胞核因子(NFATc1)活化,进而促进RANKL介导的破骨细胞生成。

FGF21相关靶点治疗进展      鉴于FGF21在糖脂代谢和胰岛素抵抗过程中的重要作用,针对FGF21的成纤维细胞生长因子受体(FGFR)激动剂、FGF21类似物或FGF21基因疗法可以用于治疗胰岛素抵抗、二型糖尿病及肥胖等代谢相关疾病。由于直接抑制FGF21的分泌来治疗骨质疏松可能会引发血糖增高、糖耐受异常、体重增加等不良后果,因此可以选择FGF21下游信号分子作为靶向分子或是特异性的FGF21受体拮抗剂用于骨质疏松的治疗。香豆素Ⅱ可以通过降低PPAR-γ的转录活性,抑制骨髓间充质干细胞向成脂细胞分化,减弱FGF21对成骨分化的抑制作用,从而提高骨量。Wang等通过向WT小鼠体内注射IGFBP抗体,观察到破骨细胞吸收活动减弱,骨量上升；在模拟女性绝经雌激素缺乏的OVX小鼠模型中,抗IGFBP治疗也使小鼠的骨量丢失得到改善。

铁调素

铁调素是一种由铁调素抗菌肽基因编码的一种肽类激素,其主要由门静脉周围的肝细胞和库普夫细胞合成分泌；此外,巨噬细胞和脂肪细胞也可合成少量的铁调素。机体处于铁超载或存在炎症时,铁调素的表达会增加；而当铁缺乏或机体缺氧时,铁调素的表达会下降。有文献报道BMP家族可以调控铁调素的表达,且大部分的BMP对铁调素的表达都是起到促进作用,其中促进作用最强的是BMP2,其机制可能与一种BMP辅助受体———血幼素(HJV；一种通过糖化磷脂酰肌醇锚连的膜蛋白)有关。

铁调素与骨代谢      铁是人体一种必需的微量元素,参与众多代谢过程,其缺乏可以引起贫血、异食癖等疾病。然而,铁元素的过量蓄积可以引起骨质的流失,导致骨质疏松的发生。有研究发现,绝经的骨质疏松患者血清铁调素水平明显下降,血清铁水平升高；通过构建骨质疏松小鼠模型,还发现铁调素表达的增加可以抑制破骨细胞分化,从而改善OVX小鼠的骨量流失。稳态铁调节因子(HFE)基因负责编码一种可以刺激铁调素分泌的蛋白,当通过基因工程技术敲除小鼠的HFE基因,结果发现HFE敲除小鼠的血清铁调素水平下降、骨铁含量增高、骨量下降,表明铁调素在体内作为骨代谢的一种正性调节因子发挥作用。

铁调素的作用机制      铁元素的过量蓄积会导致骨髓中产生大量的活性氧(ROS)。ROS可以激活氧化还原敏感的信号通路,如核因子-κB(NF-κB)信号通路、丝分裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路等,而这些又是调节破骨细胞形成的关键通路；因此,铁超载通过促进ROS的合成进而促进破骨细胞产生、骨吸收增加、骨量丢失。血清中的铁调素可以与肠道细胞和网状内皮细胞表面的铁离子通道以及血清中的铁蛋白结合,从而抑制铁元素的吸收和转运；其还可以作用于铁输出蛋白铁转运蛋白(FPN)1和可溶性转铁蛋白受体(TFR)2从而降低血清铁浓度。

铁调素相关,靶点治疗进展      鉴于铁超载对骨骼代谢的抑制作用以及铁调素对于血清铁水平的调节作用,铁调素可能是骨质疏松治疗的新靶点。基于铁调素的FPN1结合结构域设计的一种短肽,由于其包含铁调素的最小活性单位,也被称为“迷你铁调素”；在将其包装成肝磷脂对小鼠进行口服给药,发现小鼠的血清铁浓度明显降低。此外,Tmprss6基因编码产生matriptase-2(MT2),这是一种Ⅱ型跨膜丝氨酸蛋白酶,可以抑制铁调素的表达。因此,可通过抑制Tmprss6基因,增强铁调素的表达,从而改善骨量的丢失。有实验证明,使用反义寡核苷酸抑制Tmpress6表达,可使小鼠铁调素表达量增加,肝铁浓度下降。

总结

目前,肝脏对于骨骼代谢的轴性调节作用引起越来越多的人关注。IGF-1、BMP9、FGF21以及铁调素是肝-骨轴中重要的肝源性因子,针对它们相关靶点的研究已取得明显进展,在体外或体内实验中取得了良好的疗效。除了这几种因子外,肝-骨轴中还有许多其他调控因子,如维生素D、胎球蛋白A(fetuin-A,一种由肝脏分泌的糖蛋白)、胎球蛋白B(fetuin-B)等,但是其作为靶向治疗分子的研究还有待进一步探索。维生素D在慢性肝病所致骨骼代谢障碍作用及其作用机制还有待探索,其过量摄入还会引起体内钙磷代谢紊乱,从而造成组织器官损伤。相信在未来,以肝-骨轴内的肝源性因子为靶点治疗骨质疏松的新策略将成为可能,相关有效的临床药物将成为治疗骨质疏松的新手段。

来源：实用骨科杂志2024年11月第30卷第11期

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