雌激素调节骨代谢作用机理的研究进展
作者：戴晨琳 邱明才
单位：300052 天津医科大学总医院内分泌科
关键词：
中华妇产科杂志990223 绝经后骨质疏松(postmenopausal osteoporosis, PMO)是危及老年妇女健康的一种常见病和多发病，是骨质疏松的一种常见类型。PMO以绝经早期高骨转换为特征，表现为骨吸收大于骨形成，小梁骨大量丢失。其结果是骨密度减低，脆性增加，易发生骨折。雌激素作为治疗PMO的一种常用药物应用于临床已有多年，疗效得到了充分肯定，对其作用机理的研究也进行多年。在骨细胞上发现雌激素受体之前，许多研究侧重于雌激素对几种主要趋钙激素的作用，如维生素D、甲状旁腺激素(PTH)和降钙素。基质成骨细胞前体细胞和破骨细胞上雌激素受体的发现提示，雌激素对骨细胞和骨髓细胞有直接作用。雌激素可直接作用于这些细胞，并通过调节这些细胞分泌局部调节因子,或调节这些细胞对局部调节因子和全身激素的反应性而影响骨代谢。另外，雌激素还通过调节骨髓中免疫和造血细胞产生的一种或多种调节因子而间接作用于骨组织。现将几种与雌激素调节骨代谢关系较密切的调节因子综述如下。
, 百拇医药
一、细胞因子
我们知道，雌激素对骨代谢的作用主要表现为抑制骨吸收。白细胞介素1(interleukin1，IL-1)、白细胞介素6(IL-6)、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor, TNF)、巨噬细胞克隆刺激因子(macrophage colony stimulating factor, M-CSF)和颗粒-巨噬细胞克隆刺激因子(granulocyte macrophage colony stimulating, GM-CSF)可能是雌激素作用于骨的几种细胞因子。其中，IL-1和TNF是已知最有效的骨吸收刺激因子。这几种细胞因子对于破骨细胞的生成起着重要作用。
许多以骨细胞为靶细胞的细胞因子由骨和骨髓细胞产生，而IL-1和TNF却主要来源于单核-巨噬细胞系的单核细胞。IL-1和TNF作用于骨基质细胞使其分泌M-CSF、GM-CSF、IL-6和IL-1。这几种细胞因子刺激巨噬细胞和粒细胞或巨噬细胞克隆形成单位(colony forming units for granulocytes macrophages or macro-phages, CFU-GM,CFU-M)来源的破骨细胞前体增殖。IL-1和TNF可使早期破骨细胞前体转化为无活性的晚期破骨细胞前体，后者在成骨细胞作用下转变为有活性的成熟破骨细胞。在IL-1和TNF存在的条件下，成骨细胞的这种作用大大加强。雌激素不仅抑制单核细胞产生IL-1和TNF，而且还抑制骨基质细胞分泌上述几种细胞因子，并降低基质细胞对IL-1和TNF的反应性。另外，雌激素还抑制成骨细胞促进晚期破骨细胞前体成熟，并直接抑制有活性的破骨细胞。雌激素这一系列作用与这些细胞上存在雌激素受体有关。关于雌激素调节IL-1和TNF产生的分子机理，还不十分清楚。最近的研究显示，雌激素减少单核细胞静止状态(steady-state)下IL-1 mRNA 的表达。在人单核细胞中进行的协同转染雌激素受体和IL-1 CAT或TNF CAT结构的初步实验中，雌激素下调IL-1和TNF启动子的活性[1]。由于IL-1和TNF启动子结构中不含有雌激素应答单位,所以雌激素的这种作用可能是间接的[2]。
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在骨基质细胞分泌的几种细胞因子中，M-CSF对破骨细胞的发育起着关键作用。免疫细胞化学和原位杂交研究显示，成熟的破骨细胞和它们的单个核细胞前体有丰富的M-CSF受体。这提示，M-CSF不仅对破骨细胞的发育，而且对破骨细胞功能有重要作用[3]。IL-1和TNF可刺激基质细胞大量分泌M-CSF。这些特性说明，M-CSF可能是雌激素调节骨吸收的理想作用点。研究表明，去卵巢(ovariectomized,OVX)大鼠骨基质细胞有高水平的M-CSF产生。与假手术大鼠和雌激素治疗的OVX大鼠比较，OVX大鼠基质细胞在IL-1和TNF作用下M-CSF mRNA产量增加。
另一个倍受关注的细胞因子是IL-6。IL-6存在于骨基质中，在PTH和其他细胞因子(如IL-1和TNF)作用下，由成骨细胞、破骨细胞和基质细胞产生。PTH和IL-1分别通过不同的第二信使,即cAMP依赖的蛋白激酶系统和钙离子依赖的蛋白激酶系统刺激IL-6的产生。雌激素可阻断经IL-1途径产生IL-6，却对经PTH途径产生IL-6无作用。有研究表明，在破骨细胞前体丰富的系统中IL-6有较强的增加骨吸收作用。在以成熟细胞为主的器官培养中，其作用明显减弱。培养的OVX大鼠骨髓细胞IL-6的产生增加，是雌激素通过调节IL-6启动子近端225个碱基序列的转录活性间接产生的，但骨组织中IL-6的产生多少与骨吸收过程强弱无良好相关性[4]。应用抗IL-6抗体也不能防止OVX大鼠骨丢失，说明作为介导雌激素作用于骨的细胞因子之一的IL-6，在PMO的发生中不起关键作用[5]。
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二、生长因子
(一)胰岛素样生长因子(insulin-like growth factor，IGF)
骨组织合成多种生长因子，这些因子的产生及骨细胞对其反应性的缺陷，在骨质疏松发病机理中起着重要作用。IGF是其中最重要的生长因子。许多骨细胞产生IGF-1，其中包括成纤维细胞和成骨细胞。它不仅是骨组织中最丰富的因子，而且对骨细胞的功能有重要作用。一般认为，IGF-1是调节成骨细胞增殖和功能的旁分泌和自主分泌因子。IGF-1可刺激I型胶原合成，提高基质沉积速率，抑制胶原降解。这些功能对于形成新骨和维持骨基质具有重要作用。IGF-1对破骨细胞的作用很矛盾。一些研究表明，IGF-1刺激骨吸收，但IGF-1不刺激体外培养的破骨细胞骨吸收活性。最近的研究显示，IGF可增加血清I型前胶原肽水平并增加尿中交联胶原的排泄，提示IGF-1可增加骨转换率[6]。在骨组织中，IGF的合成、与受体的结合性以及IGF结合蛋白产生的多少，对IGF均有重要影响。PTH和cAMP诱导剂可刺激IGF-1的产生，而可的松和具有促有丝分裂活性的骨生长因子则抑制IGF-1的产生。IGF-2的产生不受激素调节，具有促有丝分裂活性的骨生长因子抑制其表达。IGF-1受体可介导IGF-1和IGF-2的许多合成代谢作用。IGF-2的受体仅与IGF-2结合。
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IGF的结合蛋白(IGFBPs)共有6种，均由成骨细胞系表达。IGFBPs具有结合、贮存和转运IGF的作用，并改变IGF的半衰期和活性。在骨细胞产生的6种IGFBPs中，IGFBP-3、IGFBP-4和IGFBP-5的生物活性较高、含量较丰富。所以，它们可能是在人骨细胞中与控制IGF功能关系最密切的结合蛋白。现已发现，在介导IGF调节人骨细胞活性时，IGFBP-4和IGFBP-5的作用相反。在许多不同模型中，IGFBP-4抑制IGF-1和IGF-2诱导的骨细胞增殖，而纯化的IGFBP-5增强IGF-1和IGF-2 诱导的骨细胞增殖[7]。体外细胞培养结果表明，雌激素增加IGF-1和转化生长因子的产生。而另一些研究显示，大鼠在切除卵巢后IGF-1 mRNA水平增加，使用雌激素后下降[8]。上述结果的产生，可能与实验对象和实验条件等多种因素不同有关。同时也表明，IGF-1可介导雌激素对骨代谢的调节作用，IGF-1在骨质疏松发展中可能起一定作用。另一项研究结果表明，合并椎骨骨折者的血清IGF-1和IGFBP-3水平显著低于未合并骨折者，说明IGF-1和IGFBP-3对维持骨量和骨的结构有重要作用[9]。由此可以推测，雌激素可能通过调节IGF的产生和IGFBPs的合成来调节骨代谢。
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(二)转移生长因子β(transforming growth factor β, TGF-β)
TGF-β最初由血小板中分离出来，后发现在许多组织中均可表达。TGF-β是多肽家族成员，包括5种形式(1～5)。TGF-β、骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)和激动剂A(activin A)有相近的分子结构，因此它们有可能由同一原始基因演变而来。TGF-β刺激未转化成骨细胞 (untransformed osteoblastic cell)DNA的合成和细胞的增殖，其对成骨细胞分化功能的作用也因细胞处于不同的分化阶段而不同。有研究表明，TGF-β对骨吸收有双重作用——既抑制又促进。但最近研究表明，TGF-β不仅抑制破骨细胞生成，而且还促进破骨细胞凋亡，从而抑制破骨细胞性骨吸收[10]。切除卵巢后，大鼠骨组织中TGF-β水平下降，而补充雌激素后TGF-β水平上升，说明雌激素使TGF-β产生增加。抗TGF-β抗体可以阻断TGF-β和雌激素诱导的破骨细胞凋亡[11]。由此可见，雌激素也可能通过调节TGF-β而发挥调节骨代谢的作用，从而治疗PMO。
, 百拇医药
参考文献
1 Kimble RB, Srivastava S , Bellone C, et al. Estrogen inhibits IL-1 and TNF gene expression in transfected murine macrophagic cells. J Bone Miner Res, 1996, 11(Suppl 1): 235.
2 Dinarello CA. The biological properties of interleukin-1. Eur Cytokine Network,1994, 5:517-531.
3 Suda T, Nakamura I, Jimi E, et al: Regulation of osteoclast function. J Bone Miner Res, 1997,12:869-879.
, 百拇医药
4 Pottratz ST, Bellido T, Mocharla H, et al.17β-estradiol inhibits expression of human interleukin-6 promoter-receptor constructs by a receptor-dependent mechanism. J Clin Invest,1994,93:944-950.
5 Kimble RB, Bain S, Pacifici R.The functional block of TNF but not of IL-6 prevents bone loss in ovariectomized mice. J Bone Miner Res, 1997,12:935-941.
6 Grinspoon Sk, Baum HBA, Peterson S,et al. Effects of rhIGF-I administration on bone turnover during short-term fasting. J Clin Invest, 1995,96:900-906.
, 百拇医药
7 Mohan S. Insulin-like growth factor binding proteins in bone cell regulation. Growth Regul,1993,3:67-70.
8 Barengolts EI, Kouznetsova T,Sengalene A,et al. Effects of progesterone on serum levels of IGF-1 and on femur IGF-1 mRNA in ovariectomized rats. J Bone Miner Res,1996,11:1406-1412.
9 Sugimoto T, Nishiyama K, Kuribayashi F,et al. Serum levels of insulin-like growth factor(IGF)I,IGF-binding protein (IGFBP)-2,and IGFBP-3 in osteoporotic patients with and without spinal eractures. J Bone Miner Res,1997,12:1272-1279.
, http://www.100md.com
10 Hughes DE, Wright KR, Mundy GR, et al. TGFβ1 induces osteoclast apoptosis in vitro. J Bone Miner Res,1994,9(Suppl): 71.
11 Hughes DE, Dai A ,Tiffee JC, et al. Estrogen promotes apotosis of murine osteoclasts mediated by TGF-β.Nature Med,1996,2:1132-1136.
(收稿：1997-10-28 修回：1998-09-25), 百拇医药
单位：300052 天津医科大学总医院内分泌科
关键词：
中华妇产科杂志990223 绝经后骨质疏松(postmenopausal osteoporosis, PMO)是危及老年妇女健康的一种常见病和多发病，是骨质疏松的一种常见类型。PMO以绝经早期高骨转换为特征，表现为骨吸收大于骨形成，小梁骨大量丢失。其结果是骨密度减低，脆性增加，易发生骨折。雌激素作为治疗PMO的一种常用药物应用于临床已有多年，疗效得到了充分肯定，对其作用机理的研究也进行多年。在骨细胞上发现雌激素受体之前，许多研究侧重于雌激素对几种主要趋钙激素的作用，如维生素D、甲状旁腺激素(PTH)和降钙素。基质成骨细胞前体细胞和破骨细胞上雌激素受体的发现提示，雌激素对骨细胞和骨髓细胞有直接作用。雌激素可直接作用于这些细胞，并通过调节这些细胞分泌局部调节因子,或调节这些细胞对局部调节因子和全身激素的反应性而影响骨代谢。另外，雌激素还通过调节骨髓中免疫和造血细胞产生的一种或多种调节因子而间接作用于骨组织。现将几种与雌激素调节骨代谢关系较密切的调节因子综述如下。
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一、细胞因子
我们知道，雌激素对骨代谢的作用主要表现为抑制骨吸收。白细胞介素1(interleukin1，IL-1)、白细胞介素6(IL-6)、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor, TNF)、巨噬细胞克隆刺激因子(macrophage colony stimulating factor, M-CSF)和颗粒-巨噬细胞克隆刺激因子(granulocyte macrophage colony stimulating, GM-CSF)可能是雌激素作用于骨的几种细胞因子。其中，IL-1和TNF是已知最有效的骨吸收刺激因子。这几种细胞因子对于破骨细胞的生成起着重要作用。
许多以骨细胞为靶细胞的细胞因子由骨和骨髓细胞产生，而IL-1和TNF却主要来源于单核-巨噬细胞系的单核细胞。IL-1和TNF作用于骨基质细胞使其分泌M-CSF、GM-CSF、IL-6和IL-1。这几种细胞因子刺激巨噬细胞和粒细胞或巨噬细胞克隆形成单位(colony forming units for granulocytes macrophages or macro-phages, CFU-GM,CFU-M)来源的破骨细胞前体增殖。IL-1和TNF可使早期破骨细胞前体转化为无活性的晚期破骨细胞前体，后者在成骨细胞作用下转变为有活性的成熟破骨细胞。在IL-1和TNF存在的条件下，成骨细胞的这种作用大大加强。雌激素不仅抑制单核细胞产生IL-1和TNF，而且还抑制骨基质细胞分泌上述几种细胞因子，并降低基质细胞对IL-1和TNF的反应性。另外，雌激素还抑制成骨细胞促进晚期破骨细胞前体成熟，并直接抑制有活性的破骨细胞。雌激素这一系列作用与这些细胞上存在雌激素受体有关。关于雌激素调节IL-1和TNF产生的分子机理，还不十分清楚。最近的研究显示，雌激素减少单核细胞静止状态(steady-state)下IL-1 mRNA 的表达。在人单核细胞中进行的协同转染雌激素受体和IL-1 CAT或TNF CAT结构的初步实验中，雌激素下调IL-1和TNF启动子的活性[1]。由于IL-1和TNF启动子结构中不含有雌激素应答单位,所以雌激素的这种作用可能是间接的[2]。
, 百拇医药
在骨基质细胞分泌的几种细胞因子中，M-CSF对破骨细胞的发育起着关键作用。免疫细胞化学和原位杂交研究显示，成熟的破骨细胞和它们的单个核细胞前体有丰富的M-CSF受体。这提示，M-CSF不仅对破骨细胞的发育，而且对破骨细胞功能有重要作用[3]。IL-1和TNF可刺激基质细胞大量分泌M-CSF。这些特性说明，M-CSF可能是雌激素调节骨吸收的理想作用点。研究表明，去卵巢(ovariectomized,OVX)大鼠骨基质细胞有高水平的M-CSF产生。与假手术大鼠和雌激素治疗的OVX大鼠比较，OVX大鼠基质细胞在IL-1和TNF作用下M-CSF mRNA产量增加。
另一个倍受关注的细胞因子是IL-6。IL-6存在于骨基质中，在PTH和其他细胞因子(如IL-1和TNF)作用下，由成骨细胞、破骨细胞和基质细胞产生。PTH和IL-1分别通过不同的第二信使,即cAMP依赖的蛋白激酶系统和钙离子依赖的蛋白激酶系统刺激IL-6的产生。雌激素可阻断经IL-1途径产生IL-6，却对经PTH途径产生IL-6无作用。有研究表明，在破骨细胞前体丰富的系统中IL-6有较强的增加骨吸收作用。在以成熟细胞为主的器官培养中，其作用明显减弱。培养的OVX大鼠骨髓细胞IL-6的产生增加，是雌激素通过调节IL-6启动子近端225个碱基序列的转录活性间接产生的，但骨组织中IL-6的产生多少与骨吸收过程强弱无良好相关性[4]。应用抗IL-6抗体也不能防止OVX大鼠骨丢失，说明作为介导雌激素作用于骨的细胞因子之一的IL-6，在PMO的发生中不起关键作用[5]。
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二、生长因子
(一)胰岛素样生长因子(insulin-like growth factor，IGF)
骨组织合成多种生长因子，这些因子的产生及骨细胞对其反应性的缺陷，在骨质疏松发病机理中起着重要作用。IGF是其中最重要的生长因子。许多骨细胞产生IGF-1，其中包括成纤维细胞和成骨细胞。它不仅是骨组织中最丰富的因子，而且对骨细胞的功能有重要作用。一般认为，IGF-1是调节成骨细胞增殖和功能的旁分泌和自主分泌因子。IGF-1可刺激I型胶原合成，提高基质沉积速率，抑制胶原降解。这些功能对于形成新骨和维持骨基质具有重要作用。IGF-1对破骨细胞的作用很矛盾。一些研究表明，IGF-1刺激骨吸收，但IGF-1不刺激体外培养的破骨细胞骨吸收活性。最近的研究显示，IGF可增加血清I型前胶原肽水平并增加尿中交联胶原的排泄，提示IGF-1可增加骨转换率[6]。在骨组织中，IGF的合成、与受体的结合性以及IGF结合蛋白产生的多少，对IGF均有重要影响。PTH和cAMP诱导剂可刺激IGF-1的产生，而可的松和具有促有丝分裂活性的骨生长因子则抑制IGF-1的产生。IGF-2的产生不受激素调节，具有促有丝分裂活性的骨生长因子抑制其表达。IGF-1受体可介导IGF-1和IGF-2的许多合成代谢作用。IGF-2的受体仅与IGF-2结合。
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IGF的结合蛋白(IGFBPs)共有6种，均由成骨细胞系表达。IGFBPs具有结合、贮存和转运IGF的作用，并改变IGF的半衰期和活性。在骨细胞产生的6种IGFBPs中，IGFBP-3、IGFBP-4和IGFBP-5的生物活性较高、含量较丰富。所以，它们可能是在人骨细胞中与控制IGF功能关系最密切的结合蛋白。现已发现，在介导IGF调节人骨细胞活性时，IGFBP-4和IGFBP-5的作用相反。在许多不同模型中，IGFBP-4抑制IGF-1和IGF-2诱导的骨细胞增殖，而纯化的IGFBP-5增强IGF-1和IGF-2 诱导的骨细胞增殖[7]。体外细胞培养结果表明，雌激素增加IGF-1和转化生长因子的产生。而另一些研究显示，大鼠在切除卵巢后IGF-1 mRNA水平增加，使用雌激素后下降[8]。上述结果的产生，可能与实验对象和实验条件等多种因素不同有关。同时也表明，IGF-1可介导雌激素对骨代谢的调节作用，IGF-1在骨质疏松发展中可能起一定作用。另一项研究结果表明，合并椎骨骨折者的血清IGF-1和IGFBP-3水平显著低于未合并骨折者，说明IGF-1和IGFBP-3对维持骨量和骨的结构有重要作用[9]。由此可以推测，雌激素可能通过调节IGF的产生和IGFBPs的合成来调节骨代谢。
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(二)转移生长因子β(transforming growth factor β, TGF-β)
TGF-β最初由血小板中分离出来，后发现在许多组织中均可表达。TGF-β是多肽家族成员，包括5种形式(1～5)。TGF-β、骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)和激动剂A(activin A)有相近的分子结构，因此它们有可能由同一原始基因演变而来。TGF-β刺激未转化成骨细胞 (untransformed osteoblastic cell)DNA的合成和细胞的增殖，其对成骨细胞分化功能的作用也因细胞处于不同的分化阶段而不同。有研究表明，TGF-β对骨吸收有双重作用——既抑制又促进。但最近研究表明，TGF-β不仅抑制破骨细胞生成，而且还促进破骨细胞凋亡，从而抑制破骨细胞性骨吸收[10]。切除卵巢后，大鼠骨组织中TGF-β水平下降，而补充雌激素后TGF-β水平上升，说明雌激素使TGF-β产生增加。抗TGF-β抗体可以阻断TGF-β和雌激素诱导的破骨细胞凋亡[11]。由此可见，雌激素也可能通过调节TGF-β而发挥调节骨代谢的作用，从而治疗PMO。
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参考文献
1 Kimble RB, Srivastava S , Bellone C, et al. Estrogen inhibits IL-1 and TNF gene expression in transfected murine macrophagic cells. J Bone Miner Res, 1996, 11(Suppl 1): 235.
2 Dinarello CA. The biological properties of interleukin-1. Eur Cytokine Network,1994, 5:517-531.
3 Suda T, Nakamura I, Jimi E, et al: Regulation of osteoclast function. J Bone Miner Res, 1997,12:869-879.
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4 Pottratz ST, Bellido T, Mocharla H, et al.17β-estradiol inhibits expression of human interleukin-6 promoter-receptor constructs by a receptor-dependent mechanism. J Clin Invest,1994,93:944-950.
5 Kimble RB, Bain S, Pacifici R.The functional block of TNF but not of IL-6 prevents bone loss in ovariectomized mice. J Bone Miner Res, 1997,12:935-941.
6 Grinspoon Sk, Baum HBA, Peterson S,et al. Effects of rhIGF-I administration on bone turnover during short-term fasting. J Clin Invest, 1995,96:900-906.
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7 Mohan S. Insulin-like growth factor binding proteins in bone cell regulation. Growth Regul,1993,3:67-70.
8 Barengolts EI, Kouznetsova T,Sengalene A,et al. Effects of progesterone on serum levels of IGF-1 and on femur IGF-1 mRNA in ovariectomized rats. J Bone Miner Res,1996,11:1406-1412.
9 Sugimoto T, Nishiyama K, Kuribayashi F,et al. Serum levels of insulin-like growth factor(IGF)I,IGF-binding protein (IGFBP)-2,and IGFBP-3 in osteoporotic patients with and without spinal eractures. J Bone Miner Res,1997,12:1272-1279.
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10 Hughes DE, Wright KR, Mundy GR, et al. TGFβ1 induces osteoclast apoptosis in vitro. J Bone Miner Res,1994,9(Suppl): 71.
11 Hughes DE, Dai A ,Tiffee JC, et al. Estrogen promotes apotosis of murine osteoclasts mediated by TGF-β.Nature Med,1996,2:1132-1136.
(收稿：1997-10-28 修回：1998-09-25), 百拇医药