4 神经肽 Y 与骨重建
NPY 是由中央和外周神经元共同分泌的神经递质,并经常与去甲肾上腺素同时分泌,其具有发卡样的三维结构及 PP-折叠,该折叠结构对调节 NPY与其受体的结合至关重要.NPY 广泛分布于中枢神经系统的下丘脑、大脑皮质、脑干、纹状体及边缘系统等部位,且在下丘脑弓状核中含量最高.NPY也可在外周成骨细胞和骨细胞中表达,在体外用机械负荷后表达减少[12].既往研究中发现野生型小鼠的中枢神经元过度表达 NPY 后骨的形成减少[13],NPY 缺失小鼠的体重未发生改变,但表现出高代谢骨表型[14],NPY 受体缺乏后,同样表现出骨量增加,这说明 NPY 和骨的形成呈负相关.骨组织由感觉神经和自主神经支配,NPY 与去甲肾上腺素( NA) 共同储存于交感神经纤维中,当受到外界刺激时共同释放.骨组织内不仅 NPY 神经纤维可分泌NPY,而且非神经细胞也可分泌 NPY.由此可见NPY 可以通过多个系统调节机体代谢,其中一部分作用是调节骨的重建.
4. 1 NPY2 受体与骨重建
NPY 主要通过与其受体结合来调节骨的代谢.NPY 的受体( NPYR) 属于 G 蛋白偶联受体家族,包括 Y1、Y2、Y3、Y4 和 Y5 5 种受体.NPY 对骨重建的调节主要是以交感神经为中介通过下丘脑中的NPY2R 来完成,NPY2R 在脑中有广分布泛.既往研究发现,NPY2R 缺乏的小鼠表现为骨生成率增加和高骨量[15],这是由于成骨细胞的活性增加所致,但其矿物质沉降率和骨吸收参数未发生改变,且也未检测到其他影响骨代谢的内分泌因子,这充分说明 NPY2R 缺失导致骨代谢改变时通过下丘脑途径发生作用.另一实验中发现下丘脑神经元敲除NPY2R 后,机体只是表现出松质骨轻度降低,而皮质骨量不受影响[16].这提示: 下丘脑 NPY2R 介导的骨重建是通过神经元群体而非单纯一种 NPY 神经元来完成.
4. 2 NPY1 受体与骨重建
NPY1R 是另一调节骨代谢的 NPY 受体,其在脑中分布最为广泛,特别是在下丘脑室旁核中.NPY1R 外周组织中 ( 如结肠、胰腺等) 均有分布.
NPY1R 及其 mRNA 在皮质骨和小梁骨的成骨细胞中亦有表达,且在细胞分化时表达升高.NPY1R 不仅促进成骨细胞前体细胞向成骨细胞分化,而且增加成熟成骨细胞的活性[17],NPY1R 缺乏小鼠的骨形成与吸收同时增加,但最终表现为骨量增加[18],在有条件敲除下丘脑 NPY1R 后,骨的代谢并未受到影响,这说明 NPY1R 对骨的代谢调节作用是非中枢性的,而是中枢调控骨代谢的一个重要下游调控元件.NPYIR 在骨代谢稳态的调控作用有待进一步研究.
总之,NPY 是机体组织中分布较多的一种神经肽,主要通过结合中枢神经系统、周围神经系统及骨组织内的 NPY1R 和 NPY2R 来调节成骨细胞及破骨细胞的活性,在骨形成、骨吸收及骨愈合的调节中起重要作用,但其具体的调控机制尚需进一步深入研究.
5 神经介素 U
神经介素 U( neuromedin U,NMU) 是于 1985 年首次从猪脊髓中发现并分离提纯出的一种神经介质,广泛分布于中枢神经系统和外周组织器官中.一般认为 NMU 负责调节食欲方面起重要作用,最近研究表明 NMU 在骨代谢方面也起重要作用[19].NMU 的两个特异性受体即 NMUlR 和 NMU2R.NMU2R 主要在中枢神经系统中表达,且大多数局限于大脑的某些特定区域.NMU-/-小鼠表现高骨量表现型与骨形成增加,中枢灌注 NMU 后其骨生成减少表现为低骨量给予外源瘦素后,能有效地减轻NMU 基因缺乏引起的肥胖小鼠的体重,但中枢灌注瘦素不影响大鼠下丘脑 NMU 基因的表达.这表明NMU 对摄食行为与能量代谢的调节作用是独立于瘦素的信号通路[20].重要的是,在 NMU-/-小鼠,瘦素小鼠脑室内输注给予异丙肾上腺素治疗并不会降低骨量,这表明 NMU 通过瘦素和交感神经系统介导骨的代谢[21],但 NMU 在骨代谢调节作用有待进一步证实.
6 血清素
血清素 ( serotonin) 又称 5-羟色胺 ( 5-hydroxytryptamine,5-HT) ,是另外一种调节骨重建的神经递质,色氨酸羟化酶( tryptophan hydroxylase,TPH) 是血清素合成过程中的限速酶.它有两个亚型,TPHl和 TPH2,分别负责 5-HT 的外周和中枢的合成.
5-HT 不能透过血脑屏障,表明中枢和外周合成的 5-HT 可独立发挥功能.绝大多数( 95% ) 的 5-HT 由胃肠道的嗜铬细胞合成,外周的血清素能直接激活成骨细胞的血清素受体而抑制骨的形成,与此相反,中枢神经系统合成的血清素作为神经递质而促进骨的形成[22].中枢来源的 5-HT 是完全由中枢神经的 TPH2的作用产生的单胺化合物,其在骨重建、食欲和能量消耗 3 个方面起重要作用.TPH2-/-小鼠除了厌食和能耗增加外,还存在严重的低骨量表型,表现为骨形成减少及骨吸收增加,这种小鼠的骨表型正好与瘦素缺陷小鼠( ob/ob 小鼠) 相反[23],进一步分析发现,TPH2-/-小鼠大脑缺乏 5-HT,但血清 5-HT 水平未改变,这种基因缺失导致严重的骨丢失是由 SNS性增强介导的.这表明为了调节骨量,TPH2 表达血清素神经元细胞需要抑制食欲和能量消耗以及瘦素合成.
5-HT 神经元受体广泛存在于脑干中,小鼠缺乏5-HT 神经元受体后,瘦素拮抗骨量和减退食欲的作用受阻.而在弓状核或腹内侧下丘脑中缺乏瘦素受体的小鼠,表现为正常骨量,这表明 5-HT 对瘦素调节起到关键作用.首先,合成 5-HT 的中缝核脑干神经元同时表达瘦素; 其次,注射于侧脑室的瘦素会聚集于中缝核的 5-HT 能神经元,提示这些神经元可能会与瘦素发生反应; 另外,瘦素可抑制脑干神经元 5-HT 释放[8].因此中枢性血清素通过结合于5-HT 受体而对骨量起作用.由于血清素不能穿越血脑屏障,因此,改变外周血清素的水平后,中枢性5-HT 水平不会改变.目前观点是,当由周围产生血清素时,血清素作为激素能直接抑制骨形成,相反,当在大脑中枢产生时,血清素作为神经递质可以通过增加骨形成和限制骨吸收而发挥骨代谢调节作用.
7 可卡因-安非他明调节转录肽与骨重建
可卡 因-安 非 他 明 调 节 转 录 肽 ( cocaine-andamphetamine-regulated transcript,CART) 是参与骨重建另外一种神经递质,CART 除了在中枢神经系统广泛表达外,如下丘脑神经元,也可在胰腺等外周组织表达.CART-/-基因缺陷小鼠表现为低骨量,这是由于 CART 缺乏后,机体小鼠破骨细胞数量增加,导致骨吸收增加所致,第三脑室给予外源性重组CART 后,小鼠骨代谢并未发生改变[24].但给予外源性 CART 后,外周血清浓度增加会导致骨量增加,然而,进一步实验研究发现: 雄性转基因小鼠给予CART 后骨量未改变,雌性转基因小鼠给予 CART后骨量增加,雌性小鼠卵巢切除后外源性 CART 引起骨量增多作用完全中断[25].CART 调节骨的重建与卵巢有一定关联,CART 作为一种神经肽,可能通过外周循环调节骨的代谢,其具体调节机制需进一步研究.
8 黑皮质素系统与骨重建
黑皮质素系统( melanoeortin system,MSH) 是一个复杂的家族,根据其结构不同分为 a-MSH、β-MSH、δ-MS 和 ACTH.MSH 主要是由下丘脑神经元分泌,亦可在胃肠道、皮肤、性腺等外周部位产生.
MSH 通过其受体( MCR) 发挥作用,MCR 属于 G 蛋白偶联受体[26],MCR 受体激活后可使细胞 cAMP 激活而发挥骨代谢调节作用.MCR 有 5 种亚型( MCR1 ~5) ,MCR 即可在外周骨细胞、成骨细胞表达,也可在中枢神经系统表达,其中 MCR3、MCR4、MCR5 在中枢神经系统中表达.MSH 中枢性调节骨的代谢作用是通过下丘脑神经元 MCR4 而发挥作用,缺乏 MC4R 基因患者骨吸收降低,表现为骨密度增加[27].MSH 可直接作用于破骨细胞前体向破骨细胞分化,还可促进软骨细胞及成骨细胞增殖.在体外骨髓细胞培养时,a-MSH 直接促进破骨细胞的形成,提示 a-MSH 可直接作用于骨细胞[28].虽然目前研究提示 MSH 与骨代谢密切相关,但其具体的分子机制需进一步实验研究.
9 大麻素受体与骨重建
大麻中的主要活性成分是大麻素( cannabinoid,CB) .内源性大麻素系统通过 CB1-R 和 CB2-R 两个大麻素受体介导其骨重建活性,这两个受体相互作用抑制 G 蛋白表达[29].CB1-R 主要存在中枢神经系统,而 CB2-R 主要在外周组织表达.CB1-R 在外周成骨细胞、破骨细胞、骨髓间充质干细胞、脂肪细胞表达.CB1-R 失活小鼠的 BMD 增加,且 CB1-R 失活后能免除卵巢切除引发的骨丢失[30],这是由于 CB1 的缺失不仅抑制了成骨细胞对 RANKL 的分泌,而且同时降低了破骨细胞前体细胞对 RANKL 的反应性,CB1 缺失还可激活 cAMP / CREB 通路导致骨髓间充质干细胞分化为脂肪细胞,成骨细胞减少,从而表现高代谢活性,减少骨的丢失.CB2-R 缺陷小鼠虽然其皮质骨厚度不变,但表现为松质骨损失和骨皮质蓬松,但其矿物沉积率和骨形成率都增加.这种低骨质量高转换率的表型同绝经后骨质疏松症的表型[31],这是由于 CB2-R 信号通过直接刺激基质细胞/成骨细胞和抑制单核细胞/破骨细胞两种途径抑制RANKL 的表达,从而起到调节骨代谢作用.
