肌源性因子调控骨组织细胞的作用机制研究进展

Abstract

目的

综述骨骼肌分泌的多种肌源性因子对各种骨组织细胞的作用及机制。

方法

查阅近年来与肌源性因子及其调控各种骨组织细胞相关的研究文献，并进行综合分析。

结果

骨与骨骼肌在解剖学、遗传学和生理病理学上存在紧密联系。研究发现骨骼肌能够分泌多种肌源性因子调控 BMSCs、成骨细胞、破骨细胞及骨细胞，这些因子在肌骨单元间彼此联系、相互影响，形成一种复杂的肌骨微环境，并在一定程度上对骨修复和重建产生积极影响。

结论

肌源性因子是影响骨组织细胞动态平衡的潜在靶点，深入研究其作用机制有助于肌骨疾病的防治。

骨与骨骼肌均源于中胚层，在解剖学、遗传学和生理病理学上存在密切关系。从祖国医学中“骨肉不相亲”理论到近代提出的“骨-肌肉单元”理论，从对骨蚀、肉痿的遣方用药到骨质疏松症、肌肉减少症的最新临床治疗指南^[1-2]，医学界对肌骨相关理论及肌骨疾病的研究从未停止。机械负荷是连接骨与骨骼肌的关键纽带，从 Wolf 定律、Perren 理论到 Forest 的力学调控系统论，两种组织间的力学关系被广泛研究^[3]。然而，骨与骨骼肌间的联系不只涉及相互间的机械力学。大量临床研究表明，肌肉组织损伤严重程度与骨折不愈合发生率高度相关，肌肉质量影响骨密度，且与骨折风险成正相关^[4-6]。相关基础研究也发现，肌肉萎缩和骨质疏松可能是由共同代谢信号导致的^[7-9]。骨和骨骼肌在生物合成和代谢上存在共存和适应关系，其中肌肉是调节骨组织潜在细胞、信号的重要来源^[10]。骨骼肌作为最大的内分泌器官，能够以自分泌、旁分泌及内分泌方式作用于骨骼及其他器官，其分泌的“肌源性因子”在调控骨稳态、影响骨修复与重塑中发挥关键作用^[11-12]。肌源性因子可能通过调控骨组织细胞来影响骨稳态，有望成为防治肌骨疾病的重要靶点。现就近年来肌源性因子对 BMSCs、成骨细胞、破骨细胞及骨细胞的效应及作用机制作一综述，以期为骨损伤修复及骨质疏松症等疾病治疗提供新思路。

1. 骨骼肌的内分泌作用

现代学者认为骨骼肌对骨具有重要影响。一方面，肌肉对骨的影响因素包括其对骨的机械冲击、血管中血流量以及细胞分化；另一方面，肌肉能够分泌多种体液因子和生长因子，这些因子通过血液循环到达各远端器官并发挥功能，包括调节葡萄糖、能量和骨代谢^[13-14]。目前已发现肌肉能分泌多种肌源性因子，但不是所有肌源性因子都具有肌肉组织特异性，也不是所有肌源性因子都与骨组织存在关联^[11]。其中，肌肉生长抑制素（myostatin，MSTN）、卵泡抑素、鸢尾素（Irisin）、IGF-1、FGF-2、睫状神经营养因子（ciliary neurotrophic factor，CNTF）、白血病抑制因子（leukemia inhibitory factor，LIF）、IL-6、IL-7、IL-15、TNF-α、骨甘氨酸（osteoglycin，OGN）、单核细胞趋化蛋白 1、基质金属蛋白酶 2（matrix metalloproteinase 2，MMP-2）、序列相似的家族 5 成员 C（family with sequence similarity 5 member C，FAM5C）、β-氨基异丁酸、富含半胱氨酸的酸性蛋白等肌源性因子能影响骨组织及骨重塑^{[11, 15-16]}。

2. 肌源性因子调控骨修复与重建

骨修复与重建是将受损组织修复至其原始状态的生物学事件，涉及多种细胞并通过复杂的信号分子网络调控。研究表明骨代谢、骨重塑及骨稳态等骨组织活动主要依赖于 BMSCs 分化、骨细胞重塑、成骨细胞骨形成及破骨细胞骨吸收^[17-18]。肌源性因子通过肌肉与骨骼间的生化通讯途径影响骨组织细胞参与调控骨再生。

Wu 等^[19]通过统计分析中国老年人数据，发现 MSTN 通过抑制成骨细胞生成和促进破骨细胞形成调节骨代谢；卵泡抑素作为 TGF-β 超家族的拮抗剂，能通过影响骨细胞中的激活素和 MSTN 信号来增加骨量、改善骨微观结构，从而调节骨重塑^[20-21]；采用 Irisin 处理的去卵巢小鼠模型实验也表明这种肌源性因子能够对成骨细胞、破骨细胞数量以及骨强度产生影响^[22-23]。亦有研究证实血清 IGF-1 水平与骨密度成正相关，IGF-1 可以通过促成骨细胞骨形成和破骨细胞骨吸收来介导骨重塑^[24]；富含半胱氨酸的酸性蛋白也能调节骨重塑以及维持骨量，其可能是通过调节骨基质中前胶原形成及成骨细胞、破骨细胞的分化和活性等多种途径发挥作用^[25]。此外，一项前瞻性研究发现通过收缩肌肉分泌的炎症细胞因子，如 IL-6、LIF、CNTF、IL-7、IL-15 和 TNF-α 也参与影响骨细胞、成骨细胞及破骨细胞的代谢活动^[26]。

因此，深入研究肌源性因子调节 BMSCs、骨细胞、破骨细胞和成骨细胞之间的通讯机制，有助于为骨再生治疗寻找新靶点。见表 1。

表 1.

Study on the regulation of bone tissue cells by myokines

肌源性因子调控骨组织细胞的相关研究

肌源性因子 Myokines	骨组织细胞 Bone tissue cells	调控作用及机制 Regulation effects and mechanisms
MSTN[27-29]	BMSCs、骨细胞、破骨细胞和成骨细胞	抑制骨形成，促进骨吸收；结合ⅡB 型激活素受体致 Smad2/3 磷酸化，并抑制 BMSCs 成骨分化；抑制骨细胞源性 miR-128 导致的成骨细胞 Wnt 通路下调等。
Irisin[22, 30-36]	BMSCs、骨细胞、破骨细胞和成骨细胞	促进 BMSCs 成骨分化；诱导成骨细胞合成以及增加成骨细胞前体细胞基因表达；减少 RANKL 介导的破骨细胞生成；保护骨细胞免于凋亡并诱导骨细胞分泌骨硬化蛋白等。
IGF-1[37-39]	BMSCs、破骨细胞和成骨细胞	促进 BMSCs 成骨分化；调节成骨细胞和破骨细胞之间的平衡，有助于维持骨内稳态等。
FGF-2[11, 40-41]	破骨细胞和成骨细胞	直接或间接调节破骨细胞生成和骨吸收；通过 Wnt 和 Smad 信号通路结合 FGF 受体 1 促进成骨细胞增殖和分化等。
IL-6[11, 42-43]	骨细胞、破骨细胞和成骨细胞	刺激破骨细胞衍生的骨递质诱导成骨细胞活化；通过诱导成骨细胞表达 RANKL 来支持破骨细胞的形成和分化；诱导成骨细胞来源的前列腺素 E2，促进破骨细胞活化，增加骨吸收。
LIF[44]	骨细胞和成骨细胞	抑制硬化蛋白的表达以促进成骨。
IL-7[45-46]	破骨细胞	刺激破骨细胞生成和骨吸收等。
IL-15[47-49]	破骨细胞和成骨细胞	直接或间接刺激破骨细胞生成；激活介导成骨细胞凋亡的 NK 细胞等。
TNF-α[50]	BMSCs 和破骨细胞	抑制 BMSCs 成骨分化；刺激破骨细胞骨吸收等。
脑源性神经营养因子[38, 51]	破骨细胞和成骨细胞	刺激 RANKL 在成骨细胞中的表达，从而诱导破骨细胞活化和分化等。
METRNL 蛋白[52]	成骨细胞	抑制成骨标志物骨保护素和骨桥蛋白基因表达，抑制成骨细胞分化。
CNTF[47]	成骨细胞	负性调节骨形成。
OGN[53-54]	BMSCs、破骨细胞和成骨细胞	控制 BMSCs 分化以刺激成骨细胞形成；抑制早期成骨分化，促进晚期过度分化等。
β-氨基异丁酸[55-57]	BMSCs、骨细胞、成骨细胞	促进成骨细胞增殖与分化等。

2.1. 肌源性因子对 BMSCs 的影响

BMSCs 具有快速增殖与多向分化潜能，能有效修复骨损伤以及促成骨分化维持骨代谢平衡。研究发现 MSTN 缺失小鼠的 BMSCs 成骨分化和体外钙化增加，表明 MSTN 对成骨细胞分化有负向作用，即 MSTN 能与在 BMSCs 中高度表达的ⅡB 型激活素受体结合导致 Smad2/3 磷酸化，抑制成骨特异性基因 Runx2 的表达，从而抑制成骨分化^[27]。Colaianni 等^{[22, 30]}研究发现 Irisin 能诱导 BMSCs 向成骨细胞分化，这与 Irisin 促进 ERK 磷酸化、成骨相关基因（ATF4、Runx2、Osterix、β-catenin、ALP）以及 BMSCs 中的Ⅰ型胶原等表达有关；Chen 等^[31]也发现 Irisin 可能通过 Wnt/β-catenin 信号通路激活 BMSCs 自噬，进而促进细胞成骨分化。Wu 等^[37]在 IGF-1 干预 BMSCs 的成骨培养基模型中，发现使用 IGF-1 处理后成骨细胞标志物 ALP、Runx2、骨钙素显著上调，由此证实 IGF-1 能通过上调细胞内钙信号 IP3R2 和 SERCA3 促进 BMSCs 成骨分化，这可能是通过 Akt 信号途径介导的。最近研究证实，炎症因子 TNF-α 导致骨质疏松大鼠骨组织中骨钙素和 Runx2 水平下调，抑制 BMSCs 成骨分化^[58-60]。此外，Xu 等^[50]还发现绝经后骨质疏松患者 BMSCs 中 SOX5 基因和蛋白水平上调，提示 TNF-α 诱导的 SOX5 基因上调能通过 KLF4 信号通路抑制 BMSCs 成骨分化，由此可见 SOX5 基因也是 TNF-α 抑制 BMSCs 成骨分化的重要靶点基因。

BMSCs 向脂肪细胞和成骨细胞的不平衡分化，也是导致骨重塑及骨代谢失衡的原因之一。OGN 过表达可上调成骨相关标记物 Runx2、骨钙素、ALP 和 Wnt5b 的表达，下调脂肪细胞表型特征基因 PPARγ2 的表达，因此 OGN 能控制 BMSCs 的分化来刺激成骨细胞生成^[53]。Zhu 等^[55]的研究证实 β-氨基异丁酸主要是通过刺激成骨细胞前体细胞增殖以及增强成骨细胞分化标志物基因表达来参与骨重塑过程，其作用机制与激活活化氧信号传导有关。由此可见，肌源性因子能够参与 BMSCs 的分化过程，促进骨组织修复再生。

2.2. 肌源性因子对成骨细胞的影响

成骨细胞是调控骨形成的关键细胞，肌源性因子能够通过调控成骨细胞影响骨组织活动。Irisin 首先被证实通过 Wnt/β-catenin 信号通路促进成骨细胞前体细胞向成骨细胞分化，此后 Qiao 等^[61]发现 Irisin 还通过激活 p38MAPK/ERK 信号通路来增强成骨细胞增殖、分化能力以及 ALP 活性、矿化。此外，在对一组老年患者评估中也证实 Irisin 与骨密度成正相关，并能下调衰老标记物 p21 在成骨细胞中的表达^[62]。

在地塞米松诱导的骨质疏松动物模型中，FGF-2 能够调节 BMP-2 和抑制硬化素对成骨细胞分化的抑制作用，由此可见 FGF-2 促成骨细胞分化和对骨形成的刺激也是通过 Wnt/β-catenin 信号通路实现的^[40]。最近研究证实 IGF-1 能刺激成骨细胞的增殖、分化及矿化，其中涉及 PI3K/Akt 及 MAPK/ERK 信号通路，也有学者发现这种促成骨作用与多种靶基因（如 miR-29b-3p、miR185-5p）调节 IGF-1 的表达相关^[63-64]。

关于 IL-6 对成骨细胞分化的影响一直存在争议。IL-6 在骨形成早期能促进成骨细胞分化，缺乏 IL-6 的大鼠表现为骨量低，但也不排除其他因子促使成骨增强，因此 IL-6 可能是成骨细胞骨形成的积极调节因子^[11]。国外研究已证实破骨细胞源性 LIF 通过抑制硬化素的表达来促进骨再生，但是否肌源性 LIF 也是通过此途径调节骨形成尚未明确，并且 LIF 对成骨细胞分化的作用也存在争议^[65]。CNTF 作为骨形成的负调节肌源性因子能够抑制成骨细胞分化和骨膜上骨形成，这与其可溶性受体的存在相关^[47]。美国宾夕法尼亚州肌肉研究机构评估了 IL-15 受体全身敲除小鼠的骨结构和力学特性，并通过生物信息学分析技术观察到 IL-15/IL-15 受体α 信号在成骨细胞功能及骨矿化中能发挥细胞自主作用^[48]。

OGN 被认为是一种抑制早期成骨分化、增强晚期成骨分化的肌源性因子，具体表现为 OGN 降低了早期成骨细胞分化基因 Runx2 和 Osterix 表达，但增强骨矿化和晚期成骨细胞表型相关基因 ALP、Ⅰ型胶原及骨钙素的表达。OGN 的成骨作用可能与抑制 BMP-2、增强 TGF-β 特异性 Smad3/4 应答转录活性及Ⅰ型胶原的表达相关^[54]。

Feng 等^[66]的细胞实验发现，MMP-2 促进成骨细胞的胶原降解，增强成骨细胞的成骨活性，是成骨再生的潜在调节靶点。在 FAM5C 对骨作用的研究中，学者们发现其过表达可以增强成骨细胞前体细胞分化、增加成骨细胞表型，但显著拮抗 BMP-2 诱导的 C2C12 细胞成骨相关转录因子、ALP 和骨钙素水平上调。由此可见，FAM5C 能促进成骨细胞前体细胞向成骨细胞分化，但还需要更多的研究来支持^[67]。

综上述，肌源性因子通过一系列蛋白、信号、基因靶点等介导成骨细胞间信息传递和增殖分化，促进骨组织再生，维持骨稳态及调控骨代谢。

2.3. 肌源性因子对破骨细胞的影响

破骨细胞是调控骨吸收的关键细胞，肌源性因子参与了破骨吸收过程。MSTN 通过两种途径增强 RANKL 诱导的破骨细胞相关基因表达，其一是通过增加依赖于 Smad2 的活化 T 细胞核因子（NFATc1）核移位和上调破骨细胞分化基因RANKL 来刺激破骨细胞的形成，其二是通过旁分泌和自分泌作用增强 RANKL 诱导破骨细胞分化^[68]。

体内研究发现重组 Irisin 能刺激皮质骨形成，同时减少雄性小鼠破骨细胞数量，进一步研究证实 Irisin 是通过抑制 RAW264.7 细胞中的 RANKL/NFATc1 来抑制破骨细胞形成^[32-33]。Ma 等 ^[34]通过对两种类型破骨细胞前体细胞研究，发现 Irisin 可通过 p38、JNK 信号通路促进 RAW264.7 细胞增殖，通过 NF-κB 通路和 RANK 下调抑制破骨细胞分化，这与上述体内研究结果一致。

IGF-1 已被证实能促进破骨细胞的形成和活性，但具体机制不明，主要考虑是通过调节经典机制 RANK/RANKL 的表达以及通过非经典机制由人单核细胞前体细胞直接形成破骨细胞^[69]。IL-6 被认为是破骨细胞因子，有学者通过研究废用性骨质疏松大鼠模型，发现后肢尾吊实验诱使 IL-6 分泌增加、成骨分化功能减弱、骨吸收能力增加，具体作用机制是 IL-6 诱导破骨细胞前体细胞分化为成熟、活跃的破骨细胞^[42]。此外，机械负载的骨骼肌通过体外分泌 IL-6 促进破骨细胞数量增加和活性提升，并可以与其可溶性受体 gp130 结合后刺激骨吸收^[43]。肌肉大量分泌的 IL-7 也被认为是一种破骨细胞因子，Zhao 等^[45]发现 IL-7/IL-7 受体 可以通过激活 c-Fos/c-Jun 途径促进 RANKL 介导的破骨细胞形成和骨吸收；Kim 等^[46]通过构建表达 IL-7 受体 α 的 RAW264.7 细胞模型，发现 IL-7 可以独立于 RANKL 机制，通过激活转录激活因子 5 的方式诱导破骨细胞形成。此外，IL-15 也是破骨因子之一，IL-15 缺失会下调去卵巢小鼠的破骨细胞活性，并防止骨小梁丢失^[49]。

TNF-α 能直接或间接促进破骨细胞生成，并且已证实在体外和体内刺激破骨细胞骨吸收，作用机制与其表面受体（p55 和 p75）相关^[70-71]。Yang 等^[72]的临床试验表明单核细胞趋化蛋白 1 与骨密度及雌激素水平成负相关，其通过参与破骨细胞形成过程影响骨代谢。Zheng 等^[73]研究证实 MMP-2 除参与成骨细胞形成过程外，还通过两种方式参与破骨细胞骨吸收过程，一是通过成骨细胞下Ⅰ型胶原屏障的降解和破骨细胞功能的激活，二是通过增强破骨细胞 MMP-2 活性和促进骨基质降解，但具体分子机制有待研究。

综上述，肌源性因子能够通过经典的 RANK/RANKL 过程以及部分特有方式调控破骨细胞骨吸收，从而介导骨组织代谢再生过程。

2.4. 肌源性因子对骨细胞的影响

骨细胞作为骨骼机械传感器，通过将力学信号转换成化学信号来招募成骨细胞和破骨细胞，因此被认为是骨重塑和矿物质代谢的协调者。Qin 等^[28]的细胞实验表明 MSTN 通过激活骨硬化蛋白和抑制 Wnt 信号通路，影响骨细胞及其外泌体 miR-218 的释放；而 miR-218 被成骨细胞吸收后下调 Runx2 表达，进而抑制成骨分化。此外，MSTN 通过促进骨细胞中 RANKL 的产生，进而增加破骨细胞分化及活性。

Kim 等^[74]首次揭示 Irisin 通过整合素 aV 家族直接靶向骨细胞，主要是上调骨细胞样细胞（MLO-Y4）中硬化素的表达，并以剂量依赖方式增加小鼠血清硬化素水平。但这与Colaianni 等^[75]研究的 Irisin 和硬化素水平成负相关结果不一致，有待进一步研究证实。

Bakker 等^[76]的体外模型实验观察到 IL-6 对骨细胞应力没有影响，但作用于骨细胞会导致成骨细胞 ALP 活性和 Runx2 表达降低，增殖标记物 Ki67 和骨钙素表达增加。由此可见，IL-6 可能是通过调节骨细胞与成骨细胞的通讯来影响骨量。TNF-α 直接增强骨细胞的 RANKL 表达来促进破骨细胞的形成，而且上调骨细胞中硬化素的表达抑制 Wnt/β-catenin 途径，从而调控骨形成^[77-78]。

上述研究表明肌源性因子对骨细胞的影响主要反映在其招募成骨细胞与破骨细胞活动中。

3. 总结与展望

骨稳态的维持是遗传、分子和生物力学交织在一起的复杂生物学过程，需要骨与骨骼肌协同参与。研究证实肌源性因子是通过调控各骨组织细胞的分子间信号及靶点等，对骨生长发育产生影响。目前，肌源性因子作为潜在治疗靶点已经在骨修复和再生医学领域引起关注，并在临床防治骨质疏松症及肌肉减少症等方面取得一定效果。

近年来肌源性因子影响骨组织细胞的作用机制研究逐渐深入，但仍存在诸多领域尚未明确，后续可从以下方面进行相关研究：① 肌源性因子是否存在 miRNA、外泌体等物质上的相互间信号通讯，共同作用于骨组织靶点；② 目前研究发现锻炼能促进肌源性因子分泌，但所有肌源性因子对力学信号的响应机制均未彻底明确；③ 目前已发现药物（如阿仑膦酸钠）能通过下调沉默信息调节因子 3 改善肌肉质量及肌力^[79]，那么其能否通过肌源性因子的作用途径治疗骨质疏松症尚待研究；④ 临床上健脾益气法能改善骨质疏松症状，是否肌源性因子是健脾益气法治疗骨病的新途径及其干预机制，有待进一步研究明确。

作者贡献：彭竑程负责查阅文献及撰写论文；华臻、杨惠林、王建伟负责审校并修改论文。

利益冲突：所有作者声明，在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突。经费支持没有影响文章观点。

Funding Statement

无锡市“双百”中青年医疗卫生拔尖人才项目（HB2020063）

Top Talent Support Program for Young and Middle-Aged People of Wuxi Health Committee (HB2020063)