李心照， 康非吾

（上海牙組織修復(fù)與再生工程技術(shù)研究中心，同濟大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，同濟大學(xué)附屬口腔醫(yī)院口腔頜面外科，上海 200072）

破骨細胞是在特定的情況下由造血系統(tǒng)中的單核細胞融合而成的多核細胞， 是目前發(fā)現(xiàn)的唯一一個具有骨吸收功能的細胞。 它的分化過程復(fù)雜而有序， 破骨細胞的體積大小與骨吸收功能相關(guān)， 所以融合過程對于破骨細胞的骨吸收功能活性至關(guān)重要。 細胞融合是2 個或多個單核細胞形成多核細胞的過程， 對多核細胞的發(fā)育及行使功能至關(guān)重要。

近年來，人們對破骨細胞融合相關(guān)分子機制的研究越來越多，這就為治療破骨細胞相關(guān)的骨代謝疾病提供了新的治療靶點。 本文旨在對一些破骨細胞融合的研究現(xiàn)狀進行綜述。

1 破骨細胞融合的過程

細胞融合通常見于受精發(fā)生、胎盤生成、炎癥形成、肌肉和骨骼發(fā)育等過程中，并在每個過程中起到了不可替代的作用。 破骨細胞的融合過程包括2 個破骨細胞前體細胞間相互識別后， 細胞質(zhì)膜變形，其磷脂雙分子層相互接觸，形成外層小葉混合的半融合結(jié)構(gòu)， 接著內(nèi)層小葉融合形成融合孔，融合孔緩慢擴張，使得細胞內(nèi)容物完全混合，即完成細胞融合[1]。

2 破骨細胞融合的機制

1 個多核破骨細胞形成的過程中包括多種類型的細胞融合，例如2 個單核細胞之間的融合，1 個多核細胞與1 個單核細胞的融合，以及2 個多核細胞之間的融合。 而形成多核破骨細胞的過程中以1 個單核細胞和1 個多核細胞間的融合為主。 這是一個多基因調(diào)控且多因素控制的過程， 其中核因子κB受體活化因子配體（receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand，RANKL）及巨噬細胞集落刺激因子 （macrophage colony-stimulating factor，M-CSF）為最主要的2 類細胞因子。 RANK 與其受體結(jié)合后激活TRAF6 信號通路， 同時激活下游的NF-κB 和MAPK 通路，最終激活轉(zhuǎn)錄因子活化T 細胞核因子c1（nuclear factor of activated T-cells，NFATc1），增加了破骨相關(guān)基因的表達， 調(diào)控破骨細胞的分化融合，從而促進破骨細胞形成[2-3]。

3 破骨細胞融合的影響因素

3.1 物理因素

3.1.1 低氧 在異常的低氧狀態(tài)下，低氧誘導(dǎo)因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α）是目前發(fā)現(xiàn)的在骨組織或細胞中適應(yīng)低氧微環(huán)境最直接的調(diào)控因子。 本課題組在前期的研究[4]過程中發(fā)現(xiàn)，HIF-1αfl/fl/ctsk-cre C57 破骨細胞條件性敲除小鼠原代單核細胞誘導(dǎo)分化的Trap 染色結(jié)果可見，CKO 組小鼠細胞未見明顯分化，Trap 陽性面積和數(shù)量明顯小于對照組， 表明HIF-1α 的缺失顯著抑制RANKL 及M-CSF 誘導(dǎo)的破骨細胞分化及生成的數(shù)量。 Huang 等[5]的研究表明，缺氧可促進口腔鱗癌細胞與人永生化口腔上皮細胞的自發(fā)融合，為細胞融合和癌癥之間的聯(lián)系提供一個新的思路。

3.1.2 微重力和輻射 微重力下缺乏負重和宇宙輻射都被認為是造成航天員骨質(zhì)丟失和骨質(zhì)疏松癥的風(fēng)險因素。 研究者在體外模擬微重力條件，用不同劑量的γ 射線照射細胞，發(fā)現(xiàn)僅0.1 Gy 劑量的輻射就可以刺激破骨細胞融合，包括Trap 和樹突狀細胞特異性跨膜蛋白 （dendritic cell-specific transmembrane protein，DC-STAMP）的表達增加。然而，當劑量超過0.5 Gy 時，破骨細胞融合減少。 而與輻射暴露相比， 模擬微重力誘導(dǎo)了更高程度的細胞融合，且這2 種環(huán)境因素的影響呈相加效應(yīng)[6]。

3.2 化學(xué)因素

3.2.1 多糖 糖尿病會引起一系列的骨代謝性疾病。有研究表明，高糖在RANKL 誘導(dǎo)單核細胞向破骨細胞分化的過程中會抑制c-fos、NFATc1 等轉(zhuǎn)錄因子的表達，從而影響破骨細胞的分化[7]。 而c-fos、NFATc1 等在破骨細胞分化融合中也起到一定的作用[2]，因此我們推測高糖可能在細胞融合過程中發(fā)揮作用。

3.2.2 無機磷 在患有嚴重的腎功能衰竭并伴有骨代謝障礙的高磷血癥患者中，其血清中的無機磷（Pi）會升高。 Arioka 等[8]的研究表明，Pi 通過抑制鼠破骨細胞前體細胞中的NFATc1 和DC-STAMP 表達來抑制破骨細胞生成。 可能是Pi 通過抑制c-fos的表達， 影響轉(zhuǎn)錄因子AP-1 結(jié)合位點抑制了DCSTAMP 啟動子活性。

3.3 生物因素

3.3.1 炎癥 有學(xué)者證明了四環(huán)素類抗生素米諾環(huán)素成功地抑制了腫瘤壞死因子-α （tumor necrosis factor α，TNF-α） 誘 導(dǎo) 的MDA-MB-435 癌 細 胞 與M13SV1 乳腺上皮細胞的融合[9]。除RANKL 外，TNF-α、脂 多 糖（lipopolysaccharide，LPS）、肽 聚 糖（peptidoglycan，PGN）均可誘導(dǎo)細胞融合，而在不同的處理下，融合過程中NFATc1 和DC-STAMP 的表達量無明顯差異。

3.3.2 膜蛋白 DC-STAMP 是由Tm7s4 基因編碼的7 次跨膜蛋白， 在樹突狀細胞或白細胞介素4（interleukin 4，IL-4） 活化的巨噬細胞中首次被發(fā)現(xiàn)。 它在破骨細胞形成過程中對細胞間融合至關(guān)重要。DC-STAMP 能夠在RANKL 的刺激下表達增加，且在DC-STAMP 缺陷小鼠體內(nèi)外破骨細胞的多核性完全消失，但破骨細胞分化標志物表達正常，表明破骨細胞細胞融合而不是分化需要DC-STAMP[10]。在體外，抗DC-STAMP 單克隆抗體成功地阻斷了破骨細胞的形成，在體內(nèi)DC-STAMP-/-的條件性敲除小鼠具有輕度骨質(zhì)疏松癥，并僅形成具有有限吸收能力的單核細胞[11]。

破骨細胞多次跨膜蛋白 （osteoclast stimulatory transmembrane protein， OC-STAMP） 是一種與DCSTAMP 在結(jié)構(gòu)與功能上都類似的6 次跨膜蛋白，屬于G 蛋白偶聯(lián)受體超家族成員，編碼基因在結(jié)構(gòu)上高度保守。 它也受到RANKL/RANK 信號通路的調(diào)控。Witwicka 等[12]發(fā)現(xiàn)，6 周的OC-STAMP 基因缺陷小鼠股骨的干骺端Trap 陽性區(qū)數(shù)目較少且面積較小，但血清中骨轉(zhuǎn)換標志正常。與M-CSF 和RANKL培養(yǎng)時，單核細胞沒有融合，通過慢病毒轉(zhuǎn)染恢復(fù)敲除細胞中的OC-STAMP 可恢復(fù)融合和吸收。

CD47 即整合素相關(guān)蛋白， 其可以作為信號調(diào)節(jié)蛋白a（signal regulatory protein-a，SIRP-a）的配體影響破骨細胞前體細胞之間的識別進而影響破骨細胞融合。在體外實驗中，敲除或抑制CD47 的活性可導(dǎo)致Trap 陽性的多核破骨細胞數(shù)量明顯減少[13]。

CD44 是一種細胞表面糖蛋白， 在多核破骨細胞中，共聚焦顯微鏡顯示骨橋蛋白（osteopontin，OPN）和CD44 在運動性破骨細胞中高度共存。在OPN 缺失和CD44 缺失小鼠產(chǎn)生的破骨細胞中， 細胞移動和偽足突起減少，細胞融合受損，破骨細胞的運動性和吸收活性明顯受損[14]。

ATP6v0d2 是破骨細胞質(zhì)膜中質(zhì)子泵的重要組成部分， 是骨吸收過程中細胞外酸化的輔助物質(zhì)。Lee 等[15]認為，小鼠ATP6v0d2 的缺失可引起有缺陷的破骨細胞生成，導(dǎo)致骨量顯著增加，ATP6v0d2 缺乏并不影響破骨細胞的分化或v-ATPase 活性，但是破骨細胞前體融合需要ATP6v0d2。

人內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒HERVW1 的包膜蛋白Syn cytin-1（Syn-1）在胎盤滋養(yǎng)細胞中高度表達，在人類胎盤生成中介導(dǎo)融合，已被證明在破骨細胞生成中同樣發(fā)揮作用。 Syn-1 的表達促進了2 個多核破骨細胞之間的融合，但不能促進2 個單核破骨細胞前體之間的融合。 抑制Syn-1 的活性可以同時抑制多核破骨細胞的形成和破骨細胞成熟的生化標記物Trap 的表達[16]。

ATP 是P2X7 受體（purinergic receptor，P2X7R）的激動劑，P2X7R 的短暫激活可以導(dǎo)致膜的快速去極化， 在幾秒鐘內(nèi)發(fā)生膜滲透性狀態(tài)的變化。P2X7R 具有成孔作用， 使用P2X7R 的抑制劑或降低P2X7R 基因表達會顯著抑制破骨細胞前體間的融合[17]。

3.3.3 細胞因子 巨噬細胞炎性蛋白1-α 也稱趨化因子配體3（chemokine ligand 3，CCL3），是一種調(diào)節(jié)巨噬細胞向炎癥關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)運的趨化因子。Jordan 等[18]關(guān)于CCL3 在炎性關(guān)節(jié)炎中作用的研究顯示，抑制破骨細胞相關(guān)的CCL3 減少了破骨細胞前體細胞的融合和破骨細胞的骨吸收功能，同時減輕了關(guān)節(jié)炎相關(guān)的骨丟失。

B 細胞淋巴瘤6（B-cell lymphoma 6 protein，Bcl6）可抑制破骨細胞分化，并抑制DC-STAMP、NFATc1、組織蛋白酶K 等破骨細胞基因的表達。Bcl6 基因缺陷小鼠表現(xiàn)出破骨細胞生成增強和骨量減少[19]。

4 破骨細胞融合的生理病理學(xué)意義與展望

破骨細胞的融合過程十分復(fù)雜，其中涉及到了很多細胞因子及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的調(diào)控，目前已知的DC-STAMP、CD 分子、Syn-1 等因子在破骨細胞融合過程中發(fā)揮了重要作用。 生理狀態(tài)下，由成骨細胞介導(dǎo)的新骨形成和破骨細胞介導(dǎo)的骨質(zhì)吸收之間保持著一種動態(tài)平衡，以此來保持骨骼系統(tǒng)的強度和完整性。 而當機體處于如骨質(zhì)疏松、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、 牙周炎等病理狀態(tài)時，DC-STAMP 等破骨細胞融合蛋白表達增加， 導(dǎo)致破骨細胞過度融合，破壞成骨與破骨之間的平衡，造成溶骨性破壞。 然而破骨細胞的大小與其生物學(xué)功能直接相關(guān)，并且破骨細胞在骨代謝的過程中發(fā)揮著不可替代的功能，對于維持骨環(huán)境的穩(wěn)態(tài)必不可少。 因此，破骨細胞形成過程中細胞融合這一關(guān)鍵步驟的研究，能夠幫助我們進一步了解破骨細胞的生物學(xué)機制，為臨床上治療相關(guān)的骨代謝疾病提供新的思路。