氟骨症的分子机制研究进展(1)
【摘要】近年来，许多研究在分子水平上对氟与骨细胞凋亡的关系进行了探讨，对于揭示氟骨症的发病机制具有重要意义。本文从与骨质代谢密切相关的两类细胞-成骨细胞与破骨细胞入手，对氟骨症的分子机制研究进展做一分析综述。
【关键词】氟；氟骨症；成骨细胞；破骨细胞；分子机制
氟是一种活泼的非金属元素，在构成地壳的各种元素中居第十三位，占地壳总量的0.77%。氟对维持机体正常生命功能十分重要。过量的氟进入机体后，会对人体的成骨细胞、破骨细胞、软骨组织及骨的矿化等造成一系列的损害，氟斑牙和氟骨症是其特征性表现。在世界上许多地区，氟中毒是严重的公共卫生问题，在我国已经被列入国家重点防治的地方病。由于氟具有很强的亲骨性，极易在骨组织中蓄积，形成氟骨症。其特征性病变过程即为骨组织的骨转换加速，亦称为高骨转换状态，主要表现为骨软化、骨硬化、骨质疏松和异位骨化。通过其病理演进特征，推测在其病变发生发展过程中应该存在着成骨过程的异常、破骨活性的改变和基质结构的变化并存的现象，即成骨过程和破骨过程这一矛盾的平衡被打破，从而倾向于建立新平衡过程的趋势发展，导致病变的产生[1]。因此本文就从与骨质代谢密切相关的两类细胞-成骨细胞与破骨细胞入手，对氟骨症的分子机制研究进展做一分析综述。
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1氟与成骨细胞
1.1氟对成骨细胞的作用成骨细胞起源于多能的骨髓基质的间充质细胞。长期小剂量氟可以促进骨形成，大剂量则可引起骨质疏松或骨质硬化。对人类引起骨、牙改变的氟暴露，比可能引起其他组织、器官损害的剂量要低。在体外实验中,氟刺激骨细胞增殖分化的最佳剂量比较低,为10～100 μmol/L；对患者而言,此增殖作用与血清中氟水平有关，氟的促分裂作用对骨细胞有特异性。
大量研究表明，氟对骨细胞的作用是双向的，即调节细胞的增殖与凋亡。低氟刺激细胞增殖，高氟可以诱导细胞凋亡。该调节作用的机制通过信号传导的研究得以系统的阐明。其中研究最早、最多、也最清楚的是MAPK信号通路。
1.2氟对成骨细胞作用的分子机制目前研究显示氟可以通过两个模型来对MAPK信号传导通路起作用：一个涉及对氟敏感的PTP和Gi或Go蛋白，调节PTK的激活。氟在微摩尔剂量刺激成熟成骨细胞的活性如碱性磷酸酶表达、胶原酶合成、骨钙素合成；在毫摩尔水平却是抑制作用。另一个是氟铝复合物激活骨细胞膜上白喉毒素敏感的Gi或Go蛋白，从而激活细胞蛋白PTK，随后为酪氨酸磷酸化水平的增加，激活MAPK通路，最终引起细胞增殖[2]。
, 百拇医药
Wu等[3]培养人TE85骨肉瘤细胞建立模型，结果表明，氟在100 μmol/L诱导磷酸化P44MAPK表达增加,并随时间增加。但对总P44MAPK合成无影响,对P44MAPK的总合成和磷酸化也无影响。10～500 μmol/L的氟对于成纤维细胞无明显促增殖作用，对P44MAPK和P42MAPK也无明显影响。这些结果与磷酸酪氨酸磷酸化酶(PTP)的抑制作用可以引起MAPK的激活有关。PTP可以抑制P44MAPK上游调控者的去磷酸化反应，激活P44MAPK是PTP抑制上游激活者去磷酸化反应的间接结果。氟抑制PTP，由此导致了MAPK通路中主要的信号蛋白酪氨酸磷酸化水平持续升高。从而使骨细胞在生长因子的作用下增殖。
另一个模型中氟与铝结合形成氟铝复合物，并激活骨细胞膜上对白喉毒素敏感的Gi或Go(其中Gi蛋白因其具有抑制腺苷酸环化酶的作用而被称为抑制性G蛋白，Go是一种与磷脂酰肌醇代谢有关的G蛋白，Gi或Go蛋白活性均可被百日咳毒素所抑制)蛋白，从而激活细胞蛋白酪氨酸激酶(PTK)，也导致MAPK通路中酪氨酸磷酸化的增加，最终刺激细胞增殖。与氟不同，氟铝复合物对骨骼细胞并不特异，且在分裂增殖作用方面也有不同的特点。氟铝复合物可能是导致成骨样细胞MC3T3-E1增殖的最主要分子，能加强酪氨酸磷酸化过程及激活P42MAPK激酶调节细胞的反应。氟铝复合物增加黏着斑激酶(FAK)和柱蛋白还包括下游分子P46SHC、P52SHC、P66SHC和生长因子受体结合蛋白2(GRB2)的酪氨酸磷酸化，具有剂量依赖性。而FAK的激活和细胞外信号调节蛋白激酶2(ERK2)的激活之间无联系。将细胞与白喉毒素处理后能抑制SH2携带蛋白(SHC)的磷酸化和ERK2的激活。显著降低了氟铝复合物引起的细胞增殖。毒素也显著降低了Pi的转运活性。由氟铝复合物引起的酪氨酸磷酸化反应的变化与MC3T3-El酪氨酸磷酸酶活性抑制无关,提示氟铝复合物增加酪氨酸磷酸化来自PTK的激活。异源三聚体的G蛋白在控制骨形成细胞的生长分化方面有重要作用。FAK和柱蛋白位于细胞黏附结构，酪氨酸磷酸化剂量依赖于氟铝复合物的增加。同时伴有SHC 3个异源三聚体和ERK2激酶中酪氨酸磷酸化的增加，并显著增加GRB2蛋白的量，提示氟铝复合物诱导的信号机制与MAPK信号通路有关[4，5]。
, 百拇医药
通过以上研究可以阐明了氟及氟铝化合物对骨骼的作用机制，该作用机制主要通过MAPK信号通路实现。但是该通路只是众多通路中的一条，骨骼系统中转化生长因子(TGF)-β通路占重要地位，对此方面的研究尚未见系统的报道。而且对氟作用下的MAPK通路与其他信号通路的联系.以及氟对骨细胞的其他信号通路如TGF-β，NOTCH的影响等尚未见系统报道。
2氟与破骨细胞
2.1氟对破骨细胞的作用破骨细胞是一种多核细胞,是由单核/巨噬细胞系统的造血细胞在骨的微环境中分化而来的。成骨细胞或骨髓基质细胞能够提供类似于骨的微环境调节破骨细胞分化。对于氟对破骨细胞的作用各方面报道不尽一致。
有学者[6]认为氟中毒时常见破骨细胞呈活跃增生状态，有实验研究在氟中毒大鼠胫近端干髓端用双方形网络细胞试验系统做破骨细胞计数，在低钙偏食饲料饲养2个月者，投氟组破骨细胞数明显增多；在富钙平衡饲料饲养4个月者，投氟组破骨细胞数亦显著高于对照组投氟组破骨细胞明显增多，其表明氟化物造成的是骨转化增高，破骨性吸收增强。Jia等利用了体外培养细胞的方法研究发现，0.5、4.0 mmol/L的氟使破骨细胞分化因子(ODF)mRNA表达增加，而骨保护素(OPG)mRNA表达在4.0 mmol/L水平是降低的。
, 百拇医药
Mely曾推测，氟中毒时的骨量增加不仅是由于成骨活动的加强，还可能由于破骨细胞数量减少和生命周期缩短。有实验表明在体内氟化钠抑制大鼠破骨细胞的形成并促进破骨细胞的凋亡，其作用与时间和剂量相关，体外试验表明氟化钠同样抑制破骨细胞形成促进破骨细胞凋亡，与剂量有关。Mely等采用腹腔内染氟的方法观察氟对骨骼的影响，结果表明骨形成作用增强和骨吸收作用减弱导致骨量增加，而骨吸收减弱是由于破骨细胞数目减少，活性降低或存活时间缩短。染氟化钠200 mg/L(80 d)的大鼠，骨骼呈硬化性改变。虽可见到破骨细胞增生，但破骨细胞性骨融解少见，骨小梁改建停止，骨小梁密集粗大呈网状存在，骨皮质增厚。
2.2氟对破骨细胞作用的分子机制根据以上实验结果显示，目前对于氟对破骨细胞的作用更多专家支持氟对破骨细胞是存在抑制作用的，而有关的分子机制研究也更偏重于促进凋亡作用方面。
孙元明等[6]实验结果表明，在氟化钠所致的破骨细胞凋亡过程中，Fas、FasL的表达随氟化物浓度增高而加强，核因子NF-κB的表达则随氟化物浓度增高而减弱，两者都具有剂量依赖关系。目前已经证实破骨细胞的增殖、分化、成熟依赖于成骨细胞的存在，特别是成骨细胞分泌的骨保护蛋白配体(OPGL)和巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)。然而从破骨细胞前体分化为成熟的破骨细胞的确切机制目前还不很清楚，直到最近OPGL的发现才有新的突破。OPGL是TNF家族的成员，为破骨细胞发育、活化、生存所必需。应用基因敲除技术造成OPGL缺如的小鼠缺乏成熟的破骨细胞，同时因骨吸收障碍而显示严重的骨硬化、生长延迟和牙齿缺陷。目前认为OPGL的重要作用是促进破骨细胞的分化、融合、活化和生存以及破骨细胞凋亡，是破骨细胞前体分化的特异的、必需的因子。, 百拇医药(牟蔚平 颜虹 张联合)
【关键词】氟；氟骨症；成骨细胞；破骨细胞；分子机制
氟是一种活泼的非金属元素，在构成地壳的各种元素中居第十三位，占地壳总量的0.77%。氟对维持机体正常生命功能十分重要。过量的氟进入机体后，会对人体的成骨细胞、破骨细胞、软骨组织及骨的矿化等造成一系列的损害，氟斑牙和氟骨症是其特征性表现。在世界上许多地区，氟中毒是严重的公共卫生问题，在我国已经被列入国家重点防治的地方病。由于氟具有很强的亲骨性，极易在骨组织中蓄积，形成氟骨症。其特征性病变过程即为骨组织的骨转换加速，亦称为高骨转换状态，主要表现为骨软化、骨硬化、骨质疏松和异位骨化。通过其病理演进特征，推测在其病变发生发展过程中应该存在着成骨过程的异常、破骨活性的改变和基质结构的变化并存的现象，即成骨过程和破骨过程这一矛盾的平衡被打破，从而倾向于建立新平衡过程的趋势发展，导致病变的产生[1]。因此本文就从与骨质代谢密切相关的两类细胞-成骨细胞与破骨细胞入手，对氟骨症的分子机制研究进展做一分析综述。
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1氟与成骨细胞
1.1氟对成骨细胞的作用成骨细胞起源于多能的骨髓基质的间充质细胞。长期小剂量氟可以促进骨形成，大剂量则可引起骨质疏松或骨质硬化。对人类引起骨、牙改变的氟暴露，比可能引起其他组织、器官损害的剂量要低。在体外实验中,氟刺激骨细胞增殖分化的最佳剂量比较低,为10～100 μmol/L；对患者而言,此增殖作用与血清中氟水平有关，氟的促分裂作用对骨细胞有特异性。
大量研究表明，氟对骨细胞的作用是双向的，即调节细胞的增殖与凋亡。低氟刺激细胞增殖，高氟可以诱导细胞凋亡。该调节作用的机制通过信号传导的研究得以系统的阐明。其中研究最早、最多、也最清楚的是MAPK信号通路。
1.2氟对成骨细胞作用的分子机制目前研究显示氟可以通过两个模型来对MAPK信号传导通路起作用：一个涉及对氟敏感的PTP和Gi或Go蛋白，调节PTK的激活。氟在微摩尔剂量刺激成熟成骨细胞的活性如碱性磷酸酶表达、胶原酶合成、骨钙素合成；在毫摩尔水平却是抑制作用。另一个是氟铝复合物激活骨细胞膜上白喉毒素敏感的Gi或Go蛋白，从而激活细胞蛋白PTK，随后为酪氨酸磷酸化水平的增加，激活MAPK通路，最终引起细胞增殖[2]。
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Wu等[3]培养人TE85骨肉瘤细胞建立模型，结果表明，氟在100 μmol/L诱导磷酸化P44MAPK表达增加,并随时间增加。但对总P44MAPK合成无影响,对P44MAPK的总合成和磷酸化也无影响。10～500 μmol/L的氟对于成纤维细胞无明显促增殖作用，对P44MAPK和P42MAPK也无明显影响。这些结果与磷酸酪氨酸磷酸化酶(PTP)的抑制作用可以引起MAPK的激活有关。PTP可以抑制P44MAPK上游调控者的去磷酸化反应，激活P44MAPK是PTP抑制上游激活者去磷酸化反应的间接结果。氟抑制PTP，由此导致了MAPK通路中主要的信号蛋白酪氨酸磷酸化水平持续升高。从而使骨细胞在生长因子的作用下增殖。
另一个模型中氟与铝结合形成氟铝复合物，并激活骨细胞膜上对白喉毒素敏感的Gi或Go(其中Gi蛋白因其具有抑制腺苷酸环化酶的作用而被称为抑制性G蛋白，Go是一种与磷脂酰肌醇代谢有关的G蛋白，Gi或Go蛋白活性均可被百日咳毒素所抑制)蛋白，从而激活细胞蛋白酪氨酸激酶(PTK)，也导致MAPK通路中酪氨酸磷酸化的增加，最终刺激细胞增殖。与氟不同，氟铝复合物对骨骼细胞并不特异，且在分裂增殖作用方面也有不同的特点。氟铝复合物可能是导致成骨样细胞MC3T3-E1增殖的最主要分子，能加强酪氨酸磷酸化过程及激活P42MAPK激酶调节细胞的反应。氟铝复合物增加黏着斑激酶(FAK)和柱蛋白还包括下游分子P46SHC、P52SHC、P66SHC和生长因子受体结合蛋白2(GRB2)的酪氨酸磷酸化，具有剂量依赖性。而FAK的激活和细胞外信号调节蛋白激酶2(ERK2)的激活之间无联系。将细胞与白喉毒素处理后能抑制SH2携带蛋白(SHC)的磷酸化和ERK2的激活。显著降低了氟铝复合物引起的细胞增殖。毒素也显著降低了Pi的转运活性。由氟铝复合物引起的酪氨酸磷酸化反应的变化与MC3T3-El酪氨酸磷酸酶活性抑制无关,提示氟铝复合物增加酪氨酸磷酸化来自PTK的激活。异源三聚体的G蛋白在控制骨形成细胞的生长分化方面有重要作用。FAK和柱蛋白位于细胞黏附结构，酪氨酸磷酸化剂量依赖于氟铝复合物的增加。同时伴有SHC 3个异源三聚体和ERK2激酶中酪氨酸磷酸化的增加，并显著增加GRB2蛋白的量，提示氟铝复合物诱导的信号机制与MAPK信号通路有关[4，5]。
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通过以上研究可以阐明了氟及氟铝化合物对骨骼的作用机制，该作用机制主要通过MAPK信号通路实现。但是该通路只是众多通路中的一条，骨骼系统中转化生长因子(TGF)-β通路占重要地位，对此方面的研究尚未见系统的报道。而且对氟作用下的MAPK通路与其他信号通路的联系.以及氟对骨细胞的其他信号通路如TGF-β，NOTCH的影响等尚未见系统报道。
2氟与破骨细胞
2.1氟对破骨细胞的作用破骨细胞是一种多核细胞,是由单核/巨噬细胞系统的造血细胞在骨的微环境中分化而来的。成骨细胞或骨髓基质细胞能够提供类似于骨的微环境调节破骨细胞分化。对于氟对破骨细胞的作用各方面报道不尽一致。
有学者[6]认为氟中毒时常见破骨细胞呈活跃增生状态，有实验研究在氟中毒大鼠胫近端干髓端用双方形网络细胞试验系统做破骨细胞计数，在低钙偏食饲料饲养2个月者，投氟组破骨细胞数明显增多；在富钙平衡饲料饲养4个月者，投氟组破骨细胞数亦显著高于对照组投氟组破骨细胞明显增多，其表明氟化物造成的是骨转化增高，破骨性吸收增强。Jia等利用了体外培养细胞的方法研究发现，0.5、4.0 mmol/L的氟使破骨细胞分化因子(ODF)mRNA表达增加，而骨保护素(OPG)mRNA表达在4.0 mmol/L水平是降低的。
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Mely曾推测，氟中毒时的骨量增加不仅是由于成骨活动的加强，还可能由于破骨细胞数量减少和生命周期缩短。有实验表明在体内氟化钠抑制大鼠破骨细胞的形成并促进破骨细胞的凋亡，其作用与时间和剂量相关，体外试验表明氟化钠同样抑制破骨细胞形成促进破骨细胞凋亡，与剂量有关。Mely等采用腹腔内染氟的方法观察氟对骨骼的影响，结果表明骨形成作用增强和骨吸收作用减弱导致骨量增加，而骨吸收减弱是由于破骨细胞数目减少，活性降低或存活时间缩短。染氟化钠200 mg/L(80 d)的大鼠，骨骼呈硬化性改变。虽可见到破骨细胞增生，但破骨细胞性骨融解少见，骨小梁改建停止，骨小梁密集粗大呈网状存在，骨皮质增厚。
2.2氟对破骨细胞作用的分子机制根据以上实验结果显示，目前对于氟对破骨细胞的作用更多专家支持氟对破骨细胞是存在抑制作用的，而有关的分子机制研究也更偏重于促进凋亡作用方面。
孙元明等[6]实验结果表明，在氟化钠所致的破骨细胞凋亡过程中，Fas、FasL的表达随氟化物浓度增高而加强，核因子NF-κB的表达则随氟化物浓度增高而减弱，两者都具有剂量依赖关系。目前已经证实破骨细胞的增殖、分化、成熟依赖于成骨细胞的存在，特别是成骨细胞分泌的骨保护蛋白配体(OPGL)和巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)。然而从破骨细胞前体分化为成熟的破骨细胞的确切机制目前还不很清楚，直到最近OPGL的发现才有新的突破。OPGL是TNF家族的成员，为破骨细胞发育、活化、生存所必需。应用基因敲除技术造成OPGL缺如的小鼠缺乏成熟的破骨细胞，同时因骨吸收障碍而显示严重的骨硬化、生长延迟和牙齿缺陷。目前认为OPGL的重要作用是促进破骨细胞的分化、融合、活化和生存以及破骨细胞凋亡，是破骨细胞前体分化的特异的、必需的因子。, 百拇医药(牟蔚平 颜虹 张联合)
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