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维生素D受体在骨动态平衡中的调节作用

时间:2017-07-26

来源:中国骨质疏松杂志2014年11月第20卷第11期

作者:武警陕西省总队医院  李战宁

 

维生素D受体(VDR)是核激素受体甲状腺激素/维甲酸受体家族成员,介导维生素D生物活性形式的重要生理功能。经配体活化后,VDR与维甲酸X受体(RXR)异二聚化,形成VDR/RXR复合物。该复合物与含有特异性DNA序列(维生素D反应元件,VDREs)的靶基因启动子近端以及调节区远端相结合,参与调节多种细胞的增殖、分化、凋亡、矿物质动态平衡、免疫反应、代谢等功能。虽然已有文献证实VDR信号通路在骨动态平衡调节中起到重要作用,但截止到目前,其详细的分子作用机制尚待进一步研究。故本文对VDR信号通路在骨动态平衡中的相关研究予以综述。

 

VDR在骨与软骨功能调节中的作用

长期以来研究证实VDR是参与骨与软骨功能调节的重要因子。VDR在骨生理调节过程中发挥着重要功能,其表达异常可导致遗传性低钙维生素D抵抗性佝偻病,也可发展成为维生素D依赖遗传性II型佝偻病(VDDR-II)。VDDR-II是一种常染色体隐性遗传疾病,由人VDR基因突变引起的功能缺陷导致。VDDR-II患者的临床表现主要包括:低骨矿密度、佝偻病畸形、生长延迟、低身高、低钙血症、低磷血症、甲状旁腺机能亢进、血清碱性磷酸酶增加和1,25(OH)2D3水平升高。除血清1,25(OH)2D3升高外,在假维生素D缺乏或者维生素D依赖I型遗传性佝偻病(VDDR-I)患者中也存在其他类似的临床特点,这些疾病都表现出与CYP27B1基因突变失活导致1,25(OH)2D3生物合成异常相似的病理过程。

 

多个研究小组构建了独立的VDR敲除小鼠模型,结果证实VDR-/-基因缺陷动物表现为VDDR-II患者常见临床特征。且以往研究证实VDR重要靶向基因主要表达于骨细胞,进一步说明VDR主要参与调控骨的生长与维护过程。但研究还发现VDR纯合缺陷的小鼠可通过特殊饮食纠正血钙和磷的水平,继而表现为正常骨骼。这些成功恢复VDR-/-小鼠骨骼表型的实验提示VDR的生物学基本功能是促进肠道钙和磷的吸收,尤其是在低钙供给的条件下,VDR的作用更为重要。因此,早期有关维生素D缺乏大鼠模型的研究以及上述结果均提示维生素D及其生物活性代谢产物不是生殖和发育所必需。并且,如果机体血清钙和磷的水平保持在正常生理范围,那么VDR的信号通路对于促进和维持骨骼生长和矿化则显得多余。然而,通过深入研究VDR-/-动物发现VDR在骨骼中的功能不仅仅局限于维持血清钙和磷动态平衡的效应。

 

VDR调控的骨细胞分化

对成骨而言,在哺乳动物胚胎发育的初始骨间充质凝集过程中即可检测到VDR的表达,随后逐渐表达于成骨、骨细胞和软骨细胞系。胚胎骨骼发育早期VDR的表达提示它可能具有调节间质祖细胞发育成为骨细胞的功能。尽管VDR缺陷小鼠胚胎骨形成正常,且能够通过特殊饮食使其出生后的骨生长和矿化恢复正常,通过进一步研究VDR和1,25(OH)2D3缺陷动物发现VDR信号通路对骨形成和成骨细胞分化具有直接作用。

 

而VDR-/-小鼠的成骨细胞数量则表现为正常。无论使用何种特殊饮食,VDR-/-或CYP27B1-/-以及VDR-/-CYP27B1-/-联合缺陷动物的骨和骨髓基质细胞中,成骨细胞的数量和成骨细胞克隆形成单位均下降。有关骨钙素启动成熟成骨细胞(骰状成骨细胞、骨细胞与衬里细胞)转基因VDR过表达的实验发现骨小梁和骨皮质的质量均有增多,且与破骨形成抑制导致的骨重吸收功能降低相关,而VDR-/-杂合小鼠有关实验发现骨矿密度和形成增多。

 

启动Cre重组酶阻断VDRf/f小鼠分化状态成骨细胞中VDR的表达可导致转基因动物骨质量和骨密度的增加,同时,伴有破骨形成以及后续的骨吸收减少。该结果与将VDR-/-骨移植入野生型受体中所观察到的骨体积和密度高于相同状态下野生型骨移植物的结果相一致,这些结果提示成骨细胞VDR信号通路对破骨细胞的产生具有一定影响,并在骨分化的不同阶段具有特异性,其中,来自未成熟成骨细胞的作用表现为刺激而来自成熟成骨和破骨细胞的作用则表现为抑制。更为重要的是,特异性敲除软骨细胞的VDR虽不影响软骨的发育,但可诱导破骨细胞数量的减少而导致骨小梁骨质增加。

 

该结果提示在成骨细胞和软骨细胞中,VDR可能作为破骨形成调节因子发挥作用。因此,VDR信号在软骨细胞和成骨细胞系中可不依赖系统调节钙和磷的动态平衡起到独立影响骨质和矿密度的直接生理效应。

 

成骨与骨细胞VDR信号通路对骨动态平衡的调

骨动态平衡中,成骨与骨VDR信号通路对骨动态平衡的影响主要依赖于钙的变化。当饮食中钙的获取等于或者大于身体钙的使用、储存和丢失时,达到正钙平衡。当饮食中钙的水平低于正常时,1,25(OH)2D3对于维持正钙平衡至关重要。VDR将增强肠道钙的吸收,继而,1,25(OH)2D3通过维持骨钙的摄取间接调控骨动态平衡。然而,有研究结果提示成骨与骨VDR信号通路在骨重塑过程中具有直接效应,但其机理尚待阐明。当饮食中钙的严重缺乏或者肠道VDR活性缺失导致肠道钙的摄取无法补充正常钙的需要。在这种状态下,增多的1,25(OH)2D3将直接作用于晚期成骨细胞系,从而增强骨吸收并抑制骨质矿化,这两个过程均可以起到直接维持血清正常钙水平的作用。

 

正钙平衡中成骨与骨细胞VDR信号通路对骨动态平衡的调节作用

VDR敲除小鼠表现为特异性骨骼缺陷,这种骨表型主要是因为缺乏1,25(OH)2D3介导肠道钙吸收减少而导致矿物质与激素失衡所致。实际上,在饮食和基因正常时,虽然矿物与激素的摄取异常减少,但仍可保证肠道对钙的吸收正常。这些研究结果显示当肠道钙的获取可通过血清钙进行补偿时,骨骼VDR信号通路的调节作用则不再显得重要。研究还发现早期成骨细胞中VDR的失活并不影响骨形成,但可以减少骨的重吸收,导致骨质少量增加,该结果证实VDR信号通路可减少骨质形成。另一方面,对于成熟成骨细胞而言,VDR信号通路可通过上调成熟成骨和骨细胞中VDR的表达,增加骨形成,抑制骨重吸收,最终达到增加骨质的作用。当机体摄取钙量正常时,成熟成骨与骨细胞中VDR的失活对骨质形成、矿化及重吸收均无显著影响。

 

负钙平衡中成骨与骨细胞VDR信号通路对骨动态平衡的调节作用

在负钙平衡中,1,25(OH)2D3和PTH共同作用促进骨重吸收。摄取钙量过低或肠道VDR失活引起的血清钙水平降低,将导致PTH和1,25(OH)2D3的增加,继而促进骨重吸收作用,使钙从骨中转移出来以维持正常血钙水平。在负钙平衡时,使用药物抑制骨重吸收,可以降低血清钙的水平,从而达到保护骨质的目的。近年来遗传模型研究证实,软骨和成骨细胞是长骨生长时RANKL产生的重要来源,而骨细胞则是骨重塑过程中RANKL的主要产生细胞。此外,使用1,25(OH)2D3治疗野生型和成骨/骨细胞VDR缺陷小鼠时,骨重吸收程度变化相似。该结果证实未成熟成骨和软骨细胞对1,25(OH)2D3作用的反应表现为成年小鼠的骨重吸收作用增加。因此,在负钙平衡中,成骨细胞系RANKL的表达可以诱导1,25(OH)2D3的水平上调,促进骨的重吸收,最终使骨钙发生转移。

 

VDR激动剂与骨形成

研究发现血清中充足的25-OH维生素D可减少骨质疏松的发生,但其中的生理学作用机理尚未阐明,尽管维生素D的内分泌作用已经得到了较为全面的了解,但其在骨组织和骨细胞中的效应仍有待深入研究。目前有许多文献提出三种类型骨细胞(包括成骨、骨和破骨)中的维生素D受体VDR是调节骨动态平衡的重要分子。除调节钙磷动态平衡外,近年来研究发现VDR信号通路在免疫、细胞生长和分化过程中也发挥着重要功能。因此,VDR激动剂被认为具有治疗VDDR-I、肾衰、银屑病、自身免疫紊乱和某些肿瘤的可能。骨化三醇及其合成类似物α-骨化醇已被联合其他成骨性化合物应用于治疗骨质疏松和骨软化疾病。

 

已有的VDR配体药物具有显著的成骨作用,不同阶段的临床前开发或临床试验正在进行中。其中,ED-71的III期临床试验已完成(也被称为艾尔骨化醇),临床研究显示ED-71可有效增加骨质疏松患者腰椎骨矿密度,减少骨转换和椎骨与腕骨骨折风险。无论患者维生素D的水平如何,患者均可以很好耐受临床使用的ED-71剂量,未发现持续性高钙血症或其他显著副作用。

 

VDR在骨组织中的表达

虽然以上结果显示VDR表达与多种不同类型的骨细胞,并在骨动态平衡中发挥着重要作用,但2014年WangY等人发现松质骨中未成熟成骨细胞中含有大量VDR,提示它们可能是1,25(OH)2D3的主要靶位,而在成熟的成骨细胞、骨衬里细胞和骨细胞中VDR的表达极低或无法检测。该研究还发现在增殖性软骨和肥大软骨细胞中也仅存在低水平VDR的表达。因此,未成熟成骨细胞可能是维生素D激素信号导致钙转运和成骨形成的重要分子。

 

总结

成骨与骨细胞VDR信号通路调节骨代谢中的多个过程,特异性骨细胞VDR敲除小鼠的建立被认为是研究骨细胞VDR信号通路生理作用机制的有力工具,且骨细胞VDR信号通路可能不仅只受到血液循环和肾脏来源的1,25(OH)2D3的影响,也受到来自大量肾外类型细胞CYP27b1诱导产生的1,25(OH)2D3的旁分泌作用的影响。

 

尽管1,25(OH)2D3在预防和治疗骨质疏松时发挥了重要的作用,实验发现1,25(OH)2D3具有从骨中转运钙的功能,当通过饮食无法获取充足的钙时,仅补充维生素D对骨质疏松的治疗无效乃至加重骨质疏松的进程。该结果与其他两项单独使用维生素D治疗导致骨折病例增加的临床研究结果相一致。综上所述,VDR在不同类型骨细胞中的表达及其在骨动态平衡中的作用机制还有待更进一步的研究,有关机理的阐明将为我们深入了解骨质疏松的发病机制,指导临床正确使用钙和维生素D类药物,为减少有关药物应用于骨疾病治疗中产生的副作用提供可靠依据。

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