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成骨细胞代谢重编程与早期肾性骨病发生发展研究进展

2024-02-29 105 上传者：管理员

摘要：慢性肾脏病矿物质和骨骼疾病（CKD-MBD）对患者的生活质量、住院率和骨折风险有直接影响。近年来成骨细胞及骨细胞成为CKD-MBD病理生理学研究的中心，成骨细胞通过合成成纤维细胞生长因子23(FGF-23)、硬化素等，与其他器官相互作用，使骨骼成为内分泌器官。因此，成骨细胞分化失调是慢性肾脏病发病过程中重要的早期事件。本文系统讨论了成骨细胞的代谢途径及早期CKD-MBD病理状态下成骨细胞代谢重编程改变的相关机制，表明Wnt家族分泌蛋白/β-连环蛋白（Wnt/β-catenin）、FGF-23、尿毒症毒素、代谢性酸中毒等信号通路及代谢物异常可改变成骨细胞代谢活性，引起成骨谱系成熟障碍，进而影响骨重塑，对于解释肾性骨病病理改变及临床治疗方案提供新思路。

关键词：
代谢紊乱
慢性肾疾病-矿物质和骨代谢异常
成纤维细胞生长因子23
细胞重新编程
肾性骨病
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肾脏疾病改善全球预后研究（Kidney Disease:Improving Global Outcomes,KDIGO）于2005年首次提出了慢性肾脏病矿物质和骨骼疾病（CKD-MBD）的概念，强调慢性肾脏病（CKD）可引起骨代谢紊乱及骨外钙化的发生[1,2]。D'MARCO等[3]发现CKD-MBD增加了患者骨折、心血管事件的发生率及死亡率，这种全身性疾病与钙、磷、甲状旁腺激素（parathyroid hormone,PTH）和成纤维细胞生长因子23(FGF-23）等骨代谢相关因子紊乱相关[4,5,6]。骨代谢紊乱表现为低转运性骨病、高转运性骨病、混合性骨病和β2-微球蛋白变性引起的骨关节病，低转运性骨病为早期肾性骨病的主要表现，因此早期预防肾性骨病发生、发展已成为改善慢性肾脏病患者并发症及预后的重要措施。

成骨细胞在骨吸收与重建中可以作为桥梁，协调自身和破骨细胞分化[7]；此外其分泌细胞外基质蛋白、细胞因子并调节钙磷代谢，能够对负荷、炎症、激素和电解质等的变化做出反应，不仅可以作用于骨表面细胞，还可以作用于其他器官，包括肌肉、心血管、胰腺和肾脏[8,9,10,11,12]，因此成骨细胞功能异常在CKD-MBD病变中起重要作用。但成骨细胞在早期骨代谢紊乱中作用的整理和归纳较少，本文通过阐述病理状态下成骨细胞代谢重编程及整合相关机制，补充CKD-MBD理论体系，为临床早期预防肾性骨病发生、发展提供新的研究思路。

1、本文文献检索策略

计算机检索Pub Med、Web of Science数据库，检索时间设定为建库至2023年6月，英文检索词包括“CKD”“CKD-MBD”“osteoblast”“metabolism”“glycolysis”“glutamine”“fatty acids”。纳入标准：文献内容涉及CKD对成骨细胞形态及代谢的影响、成骨细胞分化抑制相关机制；排除标准：与本文主题无关、质量差、无法获得全文的文献。最终纳入文献73篇。

2、成骨细胞生理特征

成骨细胞起源于骨髓中的间充质干细胞（mesenchymal stem cell,MSC）。MSC可分化为不同谱系，其定型为骨祖细胞的过程受到不同分子因素的严格控制，此过程复杂多样，主要包括转化生长因子-β/骨形成蛋白（TGF-β/BMP)[13]和Wnt家族分泌蛋白/β-连环蛋白（Wnt/β-catenin)[14]途径，以及许多其他途径，包括核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB）、沉默信息调节因子1(SIRT1）、单磷酸腺苷活化蛋白激酶/细胞外调节蛋白激酶（AMPK/ERK1/2）信号通路等[15,16,17,18]。前体成骨细胞作为骨祖细胞和成骨细胞之间的过渡状态，具有较强的分裂能力，并表达间充质干细胞标志蛋白，碱性磷酸酶（alkaline phosphatase,ALP），三角状五肽重复蛋白（PPR）和Ⅰ型胶原蛋白（collagenⅠ，COL1A1)[19]。成熟的成骨细胞则广泛表达ALP、骨桥蛋白（osteopontin,OPN）、骨唾液酸蛋白（bone sialoprotein,BSP）和骨钙素（osteocalcin,OC），分泌基质囊泡（matrix vesicles,MVs）并产生多种分泌蛋白及细胞因子，并通过细胞接触调节自身、破骨细胞及MSC细胞行为[20,21]。此外其调节钙代谢并促进矿物质沉积，最终部分嵌入合成的类骨质成为骨细胞，部分则分化为骨衬细胞或启动细胞凋亡程序[22,23,24]。成骨系细胞标志物及转录因子变化情况见表1。

表1成骨系细胞标志物及转录因子变化情况[25,26]

3、成骨细胞代谢特征

成熟的成骨细胞通常停止增殖状态，合成新的胶原分泌至基质，此过程可通过增加葡萄糖转运和通过上调葡萄糖转运蛋白1摄取以满足能量需求[27,28]。研究显示在成熟成骨细胞中，有氧糖酵解约占ATP产量的80%[29]，并且ESEN等[30]发现，无论氧气条件如何，乳酸是成骨细胞中葡萄糖代谢的主要最终产物，可以看出糖酵解在成骨细胞代谢中占主要地位，这种与前体成骨细胞不同的代谢方式可能因为有氧糖酵解可快速产生ATP并提供用于活性脂质和核苷酸合成的代谢中间体[31,32]。此外，sh RNA靶向氨基酸转运蛋白可减少细胞谷氨酰胺摄取并阻止成骨细胞分化[33]，可见氨基酸代谢对于细胞的胶原基质合成非常重要，这两大代谢途径共同促进成骨细胞分化及维持其骨形成功能。

线粒体一定程度上与成骨细胞中的有氧糖酵解耦合，LEE等[34]发现苹果酸酶的线粒体NAD依赖性亚型（ME2）在成骨细胞分化过程中被特异性上调，并且ME2的敲低明显降低了糖酵解通量并损害了成骨细胞的增殖和分化。值得一提的是，线粒体形态的动态变化以及线粒体和线粒体衍生囊泡可加速成骨细胞成熟和骨再生[35]，因此线粒体氧化磷酸化过程在成骨细胞代谢中的作用不容小觑，其不仅通过三羧酸循环影响供能，也可改变糖酵解通量最终影响成骨细胞分化。

脂肪酸的分解代谢可产生较多的能量，FREY等[36]证明随着成骨细胞在体外成熟，脂肪酸通过低密度脂蛋白受体相关蛋白5(LDL receptor-related protein 5,LRP5）增加氧化，体外抑制β氧化会损害成骨细胞分化过程。此外多项研究证明成骨细胞可表达清道夫受体或脂肪酸转运蛋白等，推测可启动脂蛋白摄取促进脂肪酸分解，但胞内代谢通路目前尚未得到很好的阐述[37,38]。

4、早期CKD-MBD中成骨细胞变化

在CKD 3a期患者中已存在多种生化指标异常，例如PTH、FGF-23、1,25-二羟维生素D3[1,25(OH)2D3]等，以维持内环境稳定。但随着肾小球滤过率持续下降，这种平衡被破坏，继而出现高磷低钙血症、骨微结构紊乱和骨量减少等[39,40,41,42]，因此描述此过程的特点对于开展早期生化检测及临床干预具有指导意义。

4.1细胞形态及功能的病理变化

在早期CKD过程中，多种细胞因子、尿毒症毒素、代谢性酸中毒（metabolic acidosis,MET）等可导致成骨细胞功能异常，表现为细胞活性下降、成骨细胞成熟标志物m RNA表达降低、细胞凋亡增加等[43,44,45]。在成骨谱系来源上，KAMPROM等[46]发现尿毒症毒素可导致MSC成骨化潜力受损并加速细胞衰老，进一步减少成骨细胞数量。此外，HEVERAN等[47]发现无PTH升高的CKD小鼠骨骼新生区域矿物质体积分数较低，骨弹性的机械性能受损，这种骨质特性的改变可能涉及骨形成状态紊乱和矿物质沉积异常。

4.2细胞代谢重编程

4.2.1糖酵解代谢改变：

成骨细胞主要通过糖酵解方式提供大量ATP以供应代谢。已有研究指出CKD状态可引起成骨细胞PTH抵抗[48],PTH可诱导大鼠成骨细胞系摄取葡萄糖，并通过激活胰岛素样生长因子信号通路激活磷脂酰肌醇3激酶/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（PI3K/m TORC）级联反应，上调有氧糖酵解代谢酶表达水平[49]，此外间歇性使用PTH可刺激小鼠和人类的骨形成[50]。这些结果侧面反映出CKD早期成骨细胞可能存在糖酵解抑制进而出现骨重塑异常，产生病理性骨改变。

4.2.2谷氨酰胺代谢改变：

同前文所述，谷氨酰胺代谢增加与成骨细胞矿化相关，并有利于稳定氧化还原状态。目前对于CKD中成骨细胞谷氨酰胺代谢变化知之甚少，CHEN等[51]用转谷酰胺酶抑制剂抑制MVs分泌引起的胶原钙化过程，进而CKD大鼠主动脉平滑肌细胞的成骨样分化。MVs提供磷酸钙晶体成核位点，在骨矿化的初始启动过程中发挥重要作用，因此推测谷氨酰胺氧化抑制可能是引起成骨细胞分化障碍的另一机制。

4.2.3脂肪酸氧化改变：

与骨祖细胞相比，成骨细胞中脂肪酸代谢研究较少。有研究显示中国CKD患者的血清丁酸盐水平是健康对照组的1/3，丁酸盐作为短链脂肪酸重要组成部分可提供ATP供机体消耗[52]。短链脂肪酸虽然对于成骨细胞无直接抑制作用，但其可抑制破骨细胞分化，间接通过破骨细胞分泌的可溶性因子，包括鞘氨醇1磷酸、信号素4D、胶原三螺旋重复蛋白1影响成骨细胞的形成和分化[20]。

5、早期CKD-MBD中成骨细胞代谢重编程机制

5.1成骨相关病理生理改变

5.1.1 FGF-23表达增高：

早期CKD患者循环中即可出现骨细胞分泌的FGF-23含量增加，FGF-23是一种磷酸激素，主要由骨骼中的骨细胞产生[53]。FGF-23通过下调近端肾小管中的钠依赖性磷协同转运蛋白，增加肾脏磷的排泄，并抑制1,25(OH)2D3的产生，从而使早期CKD患者的钙磷代谢相对稳定，并通过依赖或非依赖跨膜蛋白Klotho进行信号转导而影响骨重建过程[54]。

5.1.2尿毒症毒素蓄积：

尿毒症毒素如硫酸吲哚盐和对甲苯磺酰硫酸盐可降低成骨细胞中PTH受体以及PTH诱导环磷酸腺苷的产生[55]，因此尿毒症毒素的存在可能会通过有机阴离子转运体3进入成骨细胞[56]，抑制成骨细胞糖酵解及氧化磷酸化进程，损伤骨重建过程，但具体机制尚不清楚。口服尿毒素吸附剂可改善尿毒症毒素诱导的骨骼异常[57,58]。

5.1.3 MET:

MET见于7%、13%和37%的CKD2、CKD3和CKD4期患者[59],MET可增加成骨细胞中细胞内Ca2+信号传导和环氧化酶2诱导的前列腺素产生，并直接刺激小鼠骨器官培养物和原代成骨细胞中的FGF-23分泌增高，导致成骨细胞成骨活性降低[60]，具体机制仍未明确。

5.2成骨细胞代谢重编程相关调节通路

5.2.1 Wnt/β-catenin通路受抑制：

Wnt/β-catenin通路是一种重要的信号传导通路，被认为是骨形成的主要调节因子，可增加成骨细胞葡萄糖消耗和乳酸生成，调节成骨细胞活性[61,62]。从机制上讲，其通过LRP5激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白2(mammalian target of rapamycin-2,m TORC2）和蛋白激酶B(protein Kinase B,PKB），增加糖酵解相关酶表达，上调丙酮酸脱氢酶-1(pyruvate dehydrogenase kinase-1,Pdk1），从而减少葡萄糖代谢产物丙酮酸进入三羧酸循环，有利于快速产生大量ATP供应成骨细胞系分化的能量需求[56]。另外，Wnt通路激活可增加哺乳动物雷帕霉素靶蛋白1(mammalian target of rapamycin-1,m TORC1）下游的谷氨酰胺酶来刺激谷氨酰胺氧化，不仅产生更多的能量，还可激活一般性调控阻遏蛋白激酶2(general control non-derepressible-2,GCN2）介导的综合应激反应，刺激负责氨基酸供应，促进蛋白质折叠相关基因的表达，进而影响骨矿化[50]。

多项研究发现CKD患者体内的硬化素（sclerostin,SOST）及NF-κB受体激活因子配体表达升高，可抑制Wnt通路，导致矿化缺陷，并减少负责骨矿化的磷酸盐调节中性内肽酶[63,64,65]，相反抗SOST单抗治疗可增加CKD大鼠的骨量[66]。此外，在慢性肾脏病期间，Wnt通路抑制剂之一的Dickkopf相关蛋白1(Dickkopf-related protein 1,Dkk1）在疾病早期随着肾小管上皮修复而增加，抑制成骨细胞分化，这种抑制蛋白表达水平随着肾小球滤过率的降低而显著下调，并且与PTH独立关联[67]，这种动态变化可能引起继发性甲状旁腺功能亢进相关的高转运性骨病发生。

5.2.2 FGF-23信号传导增强：

研究表明骨形成细胞也可表达少量的Klotho[68,69]，成骨细胞局部产生的FGF-23可与Klotho及成纤维生长因子受体1(fibroblast growth factor receptor-1,FGFR1c）复合体结合，通过有丝分裂原-活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases,MAPK）途径诱导Dkk1表达，从而抑制Wnt/β-catenin信号传导，减少成骨细胞葡萄糖供能作用，起抗矿化作用[70]。不过这种作用在CKD中会被削弱，因为研究发现骨Klotho在5/6肾切除小鼠的表达减少，并且高FGF-23、低1,25(OH)2D3、高磷血症和尿毒症毒素也会抑制骨Klotho表达[71,72,73]。

由于FGF-23的所有受体（FGFR1c,FGFR2c和FGFR3c）在成骨细胞中表达，推测FGF-23可能通过直接激活FGF信号传导通路抑制成骨细胞糖酵解作用。两项研究均发现FGF-23过表达可增强FGFRs的磷酸化，显著抑制成骨细胞的分化和矿化[74,75]。因此在CKD患者中大量的FGF-23也可通过直接激活FGF信号直接抑制骨形成，但具体通路机制仍需探寻。

6、总结

适宜的代谢状态对于骨单位中各个细胞的正常功能发挥至关重要，其中成骨细胞的新陈代谢活动一直是骨生物学研究的焦点，与负责骨吸收的破骨细胞协同形成新骨。在CKD-MBD发展的不同阶段，成骨细胞代谢重编程引起表型改变，进而引起骨质量异常状态发生。

到目前为止，研究指出成骨细胞中最具特征性的代谢特征是有氧糖酵解及谷氨酰胺氧化模式，Wnt/β-catenin、FGF-23、尿毒症毒素、MET等信号通路及代谢物异常改变均可改变成骨细胞代谢活性，引起成骨谱系成熟障碍，进而影响骨重塑。这些见解还反映了一个统一的主题，即成骨细胞的新陈代谢与机体的整体生物能有着内在的联系。

需要注意的是，目前大多数研究均为体外状态，但细胞可能会根据培养过程中有限底物可利用，从而难以将这些发现推断为体内条件，并且未完全描绘成骨细胞分化过程中其他代谢物利用方式，例如脂肪酸、蛋白质等。了解CKD-MBD发生、发展中的生物能量改变，明确成骨细胞的病理改变过程，对于解释不同类型骨病的出现及患者的治疗有指导性意义，并推动新型医疗药物的研发。

文章来源:王左钰,周阳,熊明霞等.成骨细胞代谢重编程与早期肾性骨病发生发展的研究进展[J].中国全科医学,2024,27(15):1904-1910.