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1、骨质疏松发生机制的 分子生物学途径 Molecular biology Pathway for osteoporosis,罗湖医院 骨科 刘新主任医师,提纲,骨质疏松从宏观到微观 破骨细胞与成骨细胞 OPG/RANK/RANKL系统与破骨细胞 Wnt/-catenin信号通路与成骨细胞 靶点信号传导分子治疗 人工关节内置物骨溶解松动的靶点治疗,骨质疏松引起宏观人体形态改变,X片可见椎体压缩骨折,脊柱骨质疏松模式图,放大镜下椎体骨质疏松结构,低倍电镜下骨质疏松结构图,电镜下骨质疏松骨吸收图片,电镜下骨质疏松骨吸收结构,破骨细胞模式图,显微镜下活体破骨细胞吸收轨迹,电镜下破骨细胞结构,破骨细胞再吸
2、收示意图,破骨细胞的生长,Horowitz MC, et al. Immunol Rev. 2005;208:141-153.,单核细胞,巨噬细胞,多能 前体,前单核细胞,Pu.1 GM-CSF,NF-B, c-Fos NFAT,单核破骨细胞前体,成熟破骨细胞,RANK,RANK+,RANKL,Abbreviations: GM-CSF, granulocyte macrophage colony-stimulating factor; NF-B, nuclear factor kappaB; NFAT, nuclear factor of activated T-cells; RANK, r
3、eceptor activator for nuclear factor kappa B.,干细胞,骨髓间充质细胞,CBFA1 BMPs TGFs,增殖,增殖,BMPs TGF-s,CBFA1 Msx-2 PTH TGF- IGF-I, II Vitamin D3 c-fos,增殖,CBFA1 Glucocorti-coids Vitamin D3 PGE2 PTH TGF- IGF-I, II,成熟的成骨细胞,CBFA1 Dlx-5 fra-2/jun-D,矿化,成骨细胞,Lian JB, et al. In Osteoporosis. 2nd ed. Marcus R, et al, ed
4、s. Stanford, CA: Academic Press, 2001.,承诺没有回头路,骨母细胞,确定如何随着时间的推移激活许多单位都确定的分化，功能，这些细胞和祖细胞的死亡信号，如何积极和平衡的基本多细胞单位，是否在周期结束时，骨量会获得丢失，或稳定,Canalis E et al. N Engl J Med 2007;357:905-916,骨重建,成骨细胞堆积成新的板层骨. 骨细胞是骨基质中的成骨细胞 破骨细胞吸收骨基质,静止期,骨重建,骨重建周期,人体骨组织处于不断重建过程之中，正常成人体内的成骨细胞骨矿沉积与破骨细的骨质吸收处于平衡状态.OP的发生与骨重建失衡引起的骨丢失密切相
5、关.在病理状态下，骨重建率增加，由于骨形成的周期较骨吸收的周期长，新骨的形成相对旧骨的吸收不足，从而导致骨丢失,为什么骨重建?,提供骨骼支架应对机械负荷 修复和阻止微损伤（“磨损”和“撕裂”） 保持骨质量 释放储存在细胞内的生长因子和矿物质（钙和磷酸盐）到循环中,All bone cells participate in remodeling Considerable energy expended to remodel the skeleton 所有骨细胞参与重塑 相当多的能源消耗重塑骨架,成骨细胞及骨髓基质细胞表达RANKL，与破骨细胞前体细胞或破骨细胞表面上的RANK结合后，促进破骨细胞
6、的分化和激活，并抑制破骨细胞的凋亡。由成骨细胞分泌的OPG可以与RANKL结合，竞争性抑制RANKL与RANK之间的结合，从而抑制成熟破骨细胞的生成,Whyte M. N Engl J Med 2006;354:860-863,OPG/RANK/RANKL系统与破骨细胞,OPG/RANK/RANKL蛋白,OPG：骨保护蛋白; RANK：核因子-受体活化因子 RANKL：核因子-受体活化因子配体,骨形态发生蛋白： 多肽的转化生长因子超家族，其中包括activins和抑制素的成员。这些蛋白质结合并激活特定的受体启动的信号转导和影响内导致osteoblastogenesis的事件,Wnt信号： 使用
7、一个Wnt-catenin信号通路。 Wnt信号绑定到特定的受体，低密度脂蛋白受体相关蛋白5和6（LRP5和LRP6的）。这稳定的translocates进入细胞核，调节基因表达的-catenin的。,IGF-I:： 在肝脏和其他组织，包括骨骼，介导生长激素的纵向骨生长的影响。 IGF-对骨的直接行动，是对骨骼发育和维持骨量的必要。同时作为循环增长激素依赖性激素和PTH的影响作为一个地方的骨骼生长因子。 IGF-I的主要影响成骨细胞的分化功能，防止成骨细胞凋亡,Canalis E et al. N Engl J Med 2007;357:905-916,Wnt/-catenin信号通路与成骨细
8、胞,Dkk Sclerostin Wnt,Frizzled,Liganded State,APC,axin,Gsk3,-Catenin,-Catenin,-Catenin,Dsh,Frat-1,-Catenin,p300/CBP,SMRT/ NCoR,Tcf/Ldf,Altered Transcription of Genes,Nuclear Localization,Nucleus,BONE FORMATION,WIF sFRP,LRP5/6,OSTEOBLAST,With permission from Shoback D. J Clin Endocrinol Metab. 2007;92
9、:747-753.,Dkk Sclerostin Wnt,Frizzled,配体状态,APC,axin,Gsk3,-Catenin,-Catenin,-Catenin,Dsh,Frat-1,-Catenin,p300/CBP,SMRT/ NCoR,Tcf/Lef,Altered Transcription of Genes,核定位,细胞核,成骨细胞,骨形成,WIF sFRP,APC,P,蛋白酶体降解,LRP,Frizzled,LRP5/6,LRP5/6,Kremen,axin,-Catenin,Gsk3,(没有新骨形成,Dkk Sclerostin,Unliganded State,Pathw
10、ay Dead,LRP5/6,LRP5/6,LRP5/6,With permission from Shoback D. J Clin Endocrinol Metab. 2007;92:747-753.,Wnt/-catenin经典途径： 其主要组分包括:细胞外因子(Wnt)、跨膜受体( frizzled)、胞质蛋白(-catenin)及核内转录因子(TCFS/LEF),即当细胞外因子与跨膜受体结合后,受体作用于胞质内的蓬乱蛋白（Dsh或Dvl), Dsh能切断-catenin的降解途径,抑制-catenin蛋白降解和磷酸化,使其在胞质内累积,进而入核内与T细胞因子(TCF/LEF)相互作用
11、,启动靶基因的转录和表达,调节细胞生长。,Wnt/-catenin在促进成骨细胞分化的同时增强了OPG的表达,从而使与RANK的竞争性作用增强,使OPG与更多的RANKL假性结合,抑制成骨细胞的分化,降低破骨细胞的活动,减少骨量的丢失。 Wnt经典信号转导通路通过促进干细胞更新，刺激成骨前体细胞增殖，诱导成骨分化，抑制成骨细胞及骨细胞凋亡等机制增加骨量。上调或下调经典Wnt通路中相关因子的表达可引起骨量的变化。,正常的骨重建循环,衬里细胞,休眠,Bone,Illustration Copyright 2009 Nucleus Medical Art, All rights reserved.
12、,多因素调节骨重建,休眠,Bone,Abbreviations: GM-CSF, granulocyte macrophage colony-stimulating factor; IL, interleukin; OPG, osteoprotegerin; RANKL, RANK-ligand, PGE2, prostaglandin E2; TGF, transforming growth factor; TNF, tumor necrosis factor.,Illustration Copyright 2009 Nucleus Medical Art, All rights reser
13、ved. ,RANK 配体是破骨细胞形成、功能和生存最重要的调节介质,成骨细胞 骨基质干细胞,激活破骨细胞,人骨髓巨核 系祖细胞,前融合破骨细胞,多核破骨细胞,激素 生长因子 细胞因子 PTH PGE2 Glucocorticoids Vitamin D IL-11 IL-6 IL-1 PTHrP TNF-,RANKL RANK,Bone Formation,Bone Resorption,Adapted from Boyle WJ, et al. Nature. 2003;423:337-342.,M-CSF,CFU-M = colony forming unit macrophage M-
14、CSF = macrophage colony stimulating factor,For Internal Use Only. Amgen Confidential.,骨保护素（OPG）防止RANKL配体结合RANK并抑制破骨细胞形成、功能和生存,Hormones Growth factors Cytokines,Bone Formation,Adapted from Boyle WJ, et al. Nature. 2003;423:337-342.,骨吸收抑制,破骨细胞形成，功能和生存抑制,CFU-M,Osteoclast Precursor,CFU-M = colony formin
15、g unit macrophage M-CSF = macrophage colony stimulating factor,Osteoblasts,RANKL促进在破骨细胞活性增加,RANK配体/ OPG比值的改变是那些因为骨吸收增加而导致骨骼疾病最重要的的发病机制,RANK Ligand,OPG,防止 OC activation,促进 OC activation,Osteoclast Activity,1Hofbauer LC, et al. JAMA. 2004;292:490-5. 2Lacey DL, et al. Cell. 1998;93:165-76. 3Boyle WJ, et al. Nature. 2003;423:337-42.,OC = osteoclast,雌激素 糖皮质激素,Normal 4 weeks of age,OPG ApoE Tg 8 weeks of age,RANKL KO 4 weeks of age,OPG KO 8 weeks of age,RANK KO 4 weeks of age,小鼠功能基因组学研究发现OPG / RANK / RA
