雌激素与雌激素受体骨代谢调节作用

张萌萌

《中国骨质疏松杂志》社，北京 100102

原发性骨质疏松症可分为三型：Ⅰ型绝经后骨质疏松症(postmenopausal osteoporosis，PMO)、Ⅱ型老年骨质疏松症和特发性骨质疏松症(包括青少年型)。PMO一般发生在女性绝经后2年内。主要是由于绝经后女性雌激素水平下降，引起骨代谢紊乱[1]，骨转换率升高，破骨细胞活性增加[2]，骨吸收能力大于骨形成，体内外骨重建失衡[3-4]，骨密度(bone mineral density，BMD)降低，骨脆性增加，并易引起骨质疏松性骨折[5-6]。绝经后妇女发生PMO的患病率为男性的4倍。

临床研究表明，以雌激素为基础的治疗可在一定程度上抑制破骨活性，促进成骨细胞增殖，从而防治PMO[7]。

绝经激素治疗类药物(menopausal hormone therapy，MHT)[5]是防治绝经后骨质疏松症的有效措施，包括雌激素补充疗法(estrogen therapy，ET)和雌、孕激素补充疗法(estrogen plus progestogen therapy，EPT)。通过抑制骨丢失、降低骨转换，提高骨密度，减少骨质疏松性骨折的发生。

雌激素的生理作用主要是通过作用于组织细胞的雌激素受体(estrogen receptor，ESR)进而调控靶基因的转录翻译来完成，ESR属核受体超家族成员，是配体活化的转录调节因子，雌激素的受体分布于子宫、阴道、乳房、皮肤、骨骼、盆腔、膀胱、尿道和大脑等。因此，雌激素对生殖系统、心血管系统、骨代谢、胰岛功能、中枢神经系统等多方面产生影响[8]。ESR主要有雌激素受体α及β(ERα、ERβ)两种亚型[9-10]。

1 雌激素与选择性雌激素受体调节剂的骨代谢调节作用

雌激素是由内分泌系统产生的、由18个碳组成的类固醇类激素，主要由卵巢的卵泡细胞或胎盘分泌，具有广泛而重要的生物活性。女性体内有雌酮(E1)、雌二醇(E2)、雌三醇(E3)3种雌激素。其中，雌二醇的生物活性最强，多数雌激素类药物都是以其为母体人工合成的雌激素类衍生物。

骨组织是雌激素作用的重要靶组织，雌激素受体α和β在骨和骨髓中广泛表达。研究表明，雌激素主要通过与ERα作用发挥骨代谢调节功能。

雌激素与ESR结合后，通过多种途径调节成骨细胞(osteoblasts，OB)与破骨细胞(osteoclasts，OC)功能，参与骨代谢活动，可促进成骨细胞增殖，促进胶原合成，提高骨矿化，抑制破骨细胞活性，诱导破骨细胞凋亡，维持骨密度，保护骨组织。此外，雌激素还可通过钙代谢调节系统影响骨代谢活动。

1.1 雌激素对成骨细胞的生物学作用

研究表明，雌激素可直接促进OB增殖、对OB编码转录因子基因和骨基质蛋白(Ⅰ型胶原、骨钙素、碱性磷酸酶)的表达等有直接作用。雌激素可通过与成骨细胞上的雌激素受体结合形成受体-配体复合物，变构后进入细胞核与特异的DNA序列结合，激活ER相关信号转导途径，促进特异的mRNA合成；也可通过与成骨细胞上的雌激素受体结合，促进成骨细胞分泌肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白介素 1、6(IL-1、IL-6)等诱导单核破骨细胞前体，分化为具有较强骨吸收能力的多核破骨细胞[11-13]。所产的生物学作用通过以下几种机制促进成骨细胞增殖、分化，延长成骨细胞生存周期，提高成骨细胞活性，促进骨形成。

1.1.1抑制OB凋亡：成骨细胞的平均生存周期在绝经后骨质疏松症的发病进程中起关键作用。雌激素对成骨细胞凋亡的抑制对于骨骼系统的保护作用十分重要，涉及多方面的分子生物学机制。有研究表明[14]，雌激素可通过细胞外信号调节激酶(extracellular regulating kinase，ERK)通路调控成骨细胞转录活性，抑制成骨细胞凋亡，延长成骨细胞生存时间。此外，雌激素可促进成骨细胞分泌转化生长因子β(TGF-β)，抑制成骨细胞凋亡。

1.1.2抗氧化作用，抑制氧化应激反应：雌激素能够通过成骨细胞的正调控蛋白WNT-βcatenin(无翅果蝇基因Wingless与小鼠基因Int1结合的基因-β链蛋白)信号通路，抑制氧化应激反应，促进成骨细胞增殖[15]。

1.1.3促进骨形成蛋白(bone morphogenetic prorein，BMP)合成：雌激素与ER结合后，可上调骨形成蛋白通路，增加BMP-mRNA的表达，促进成骨细胞的增殖与分化。

雌激素还可通过促进OB分泌胶原酶，释放细胞因子，促进骨形成。

1.2 雌激素对破骨细胞的生物学作用

雌激素对破骨细胞的抑制作用可分为直接作用和间接作用。直接作用是通过雌激素与雌激素受体结合介导产生的。雌激素与ER-α结合能激活破骨细胞Fas/ FasL通路，Fas属于肿瘤坏死因子受体(TNFR)家族的一种膜受体，其配体 FasL(CD95 L)属于TNF家族，Fas/ FasL系统激活后可诱导成熟破骨细胞发生凋亡[16]。此外，雌激素可诱导雌激素受体α结合于骨架蛋1(BCAR1)上，阻断核因子κB(NF-κB)受体活化因子配体(receptor activator of nuclear foctor-κB ligand，RANKL)/巨噬细胞集落刺激因子介导的转录[8]，阻断其诱导的破骨作用，抑制RANKL诱导的破骨细胞分化，从而抑制破骨细胞功能、加快破骨细胞凋亡、缩短破骨细胞的存活时间。

间接作用主要是利用成骨细胞与免疫细胞分泌的细胞因子，如负调控肿瘤坏死因子α(TNF-α)、白细胞介素1(IL-1)等炎症因子的产生，以及上调转化生长因子β(TGF-β)的表达，抑制OC的增殖、分化及生理活性。雌激素也可通过雌激素与ER-α结合，上调骨保护素(osteoprotegerin，OPG)的表达[17]，OPG一方面直接促进OC的凋亡，另一方面与RANK核因子κB受体活化因子(receptor activator of nuclear foctor-κB，RANK)竞争性的结合RANKL，阻断RANKL与RANK的结合[18]，通过对OPG/RANK/RANKL系统的调节，延缓破骨细胞前体的分化，抑制OC的生成，促进OC的凋亡，减少OC骨吸收活性。

1.3 雌激素对钙磷代谢的调节作用

雌激素可促进降钙素(calcitonin，CT)分泌，抑制破骨细胞功能；同时，雌激素能够间接地调控甲状腺激素通路，降低甲状旁腺激素(parathyroid hormone，PTH)的骨吸收作用，并能提高肾1α羟化酶的活性，增加l,25(OH)2D3的合成，l,25(OH)2D3与维生素D受体(vitamin D receptor，VDR)结合后，发挥生物学作用，促进骨形成。

1.4 选择性雌激素受体调节剂的生物学作用

选择性雌激素受体调节剂(selective estrogen receptor modulators，SERMs)是结构上不同的化合物，不是雌激素，属于ESR激动剂或拮抗剂[19]。与靶器官细胞内的ESR结合后，可导致ESR空间构象改变，发挥类似雌激素的生物学作用，抑制OC的骨吸收作用。SERMs是治疗绝经后妇女骨质疏松症的良好选择[20]。

2 雌激素治疗骨质疏松症的动物实验研究

雌激素治疗绝经后骨质疏松可降低骨转换，抑制骨丢失，降低骨质疏松性椎体、非椎体及髋部骨折的风险。众多学者对雌激素治疗骨质疏松的作用机制和疗效进行了大量的动物实验研究。

Kubota等[21]通过微计算机断层扫描技术研究雌激素缺乏在骨质增生中的作用，发现对去卵巢大鼠颅骨引导性骨质增生，去卵巢大鼠的新生骨量较对照组明显减少，雌激素缺乏抑制骨增生中的成骨细胞分化和胶原基质产生。许闫严等[22]研究雌激素对去势骨质疏松大鼠骨密度和骨代谢的影响，探讨雌激素治疗骨质疏松的机理。结果证明，雌激素能显著提高去卵巢骨质疏松大鼠股骨骨密度、碱性磷酸酶、骨保护素、骨矿物盐的含量，抑制骨钙流失，抑制RANKL蛋白的表达，降低抗酒石酸酸性磷酸酶(TRACP-5b)的含量，达到改善骨质疏松的作用。Müller等[23]对20周龄去卵巢Wistar大鼠的实验研究显示，通过微计算机断层扫描分析，观察到雌激素E2对大鼠胫骨具有显著的骨保护作用。Pei-I等[24]研究雌激素和雌激素受体α轴在大鼠成骨细胞线粒体能量代谢和成骨细胞骨矿化中的作用，说明雌二醇可诱导大鼠颅骨成骨细胞线粒体中细胞色素C氧化酶mRNA(COX I mRNA)和蛋白表达。雌二醇/ERα信号轴通过诱导成骨细胞染色体和线粒体复合物基因表达，上调线粒体生物能系统，促进成骨细胞成熟，改善骨矿化。魏双双等[25]探讨雌激素(雌二醇)干预对去卵巢大鼠骨组织的影响，结果证明，雌激素可能通过抑制胞质活化T细胞核因子1(NFATc1)的表达，抑制去卵巢大鼠骨量丢失。Mayu Morita等[26]采用蛋白质印迹分析技术分析选择性雌激素受体调节剂他莫昔芬、雷洛昔芬、巴西多昔芬对培养的小鼠破骨细胞前体细胞缺氧诱导因子1α(Hif1α)蛋白积聚的影响，结果显示选择性雌激素受体调节剂能抑制Hif1α蛋白的过度表达，降低破骨细胞中Hif1α蛋白水平，抑制破骨细胞活性，促进成骨细胞功能，促进骨重建。Wu等[27]研究雌激素对去卵巢(OVX)大鼠骨髓基质干细胞(BMSCs)衰老的影响，发现雌激素通过诱导ERβ与位于富含AT序列结合蛋白2(SATB2)基因-488位点的雌激素反应元件结合，来介导SATB2的上调，从而通过ERβ-SATB2途径，调节骨髓基质干细胞的分化，抑制BMSCs衰老，预防骨质疏松的发生。

3 雌激素治疗骨质疏松症的临床研究进展

雌激素替代疗法是临床治疗绝经后骨质疏松的主要方案之一。雌激素与雌激素作用的机制研究，骨质疏松与雌激素及雌激素受体的相关性研究一直是各国学者们研究的热点。

Pardhe等[28]对尼泊尔496名健康女性的调查研究显示，与绝经前女性相比，绝经后女性血清钙水平和雌二醇水平显著下降。绝经后妇女的钙和雌二醇之间存在显著的正相关，而雌二醇和骨标志物之间没有显著的相关性。林雪完等[29]探讨雌激素(促卵泡成熟激素、促黄体生成激素)和骨标志物(总骨Ⅰ型前胶原氨基酸延长链、β-胶原降解产物、骨钙素)与绝经后骨质疏松的关系，证明雌激素和骨代谢标志物与骨质疏松明显正相关，监测雌激素和骨代谢标志物可及早发现骨代谢异常，有助于绝经后骨质疏松的防治。Chi-Wen Chou等[30]对107名45岁以上绝经后女性外周血雌激素受体mRNA(ERαmRNA)表达水平与骨质疏松的相关性研究表明，骨密度减低和骨质疏松组外周血ERαmRNA表达水平与年龄呈负相关，与雌激素水平呈正相关，骨密度正常组无此相关性。外周血ERαmRNA水平可作为绝经后骨质疏松的独立危险因素，可能较年龄的雌激素水平更重要。Lambert等[31]对雌激素缺乏的围绝经期和绝经后女性骨质疏松患者使用异黄酮制剂(植物性雌激素)治疗对骨吸收影响的荟萃分析显示，异黄酮可显著提高患者的腰椎与股骨颈骨密度，对雌激素缺乏性骨质疏松具有治疗作用。Stephen[20]综述了选择性雌激素受体调节剂治疗绝经后骨质疏松的研究现状，与用于骨质疏松症的双膦酸盐药物相比，SERMs主要用于年龄较小的绝经后女性，尤其存在浸润性乳腺癌家族史的患者，特别推荐使用，因为它们可以大大降低女性患乳腺癌的发生率。其中，雷洛昔芬与巴西多昔芬效果更优。

此外，有研究证实，选择性雌激素受体调节剂与一种或多种雌激素相结合的药物——组织选择性雌激素复合物(tissue selective estrogen complex，TSEC)，用于治疗绝经后骨质疏松，可显著提高患者BMD，减少骨质疏松性骨折的发生，对乳房和子宫内膜具有一定的保护作用[32]。

Zhu等[33]对中国123名早期绝经期妇女使用含孕激素的标准或半剂量雌激素药物，为期一年的前瞻性随机试验显示，半剂量和标准剂量的雌激素与孕激素联合使用对于早期绝经期妇女的骨密度具有保护作用，低剂量雌激素效果不佳。Komm等[34]将巴多昔(bazedoxifene，BZA)，一种选择性雌激素受体调节剂，与结合雌激素(conjugated estrogens，CE)联合应用，试验结果表明，与单独的使用选择性雌激素受体调节剂或结合雌激素相比，BZA与CE联合使用，在用药12 和24个月后可降低绝经后女性骨转换率，显著提高椎骨、髋骨骨密度，降低骨质疏松性骨折的发生，减轻副作用。Prior等[35]的一项荟萃研究显示，与单独雌激素治疗相比，雌激素-孕激素(EPT)疗法治疗骨质疏松，可使椎体骨密度增加更明显。

雌激素和雄激素激素在骨骼系统的生长、发育过程中起主要作用，对骨组织具有保护作用。雌激素缺乏是PMO发生的主要原因[36]。雌激素或雌激素受体调节剂与雌激素受体结合后通过多种作用机制，促进成骨细胞的骨形成、抑制破骨细胞的骨吸收。雌激素治疗骨质疏松效果显著，可降低骨质疏松性骨折的发生，但也存在诱发子宫内膜增生，冠状动脉疾病和静脉血栓栓塞等相关疾病的风险[37]。因此，目前临床上多采用雌激素联合治疗的方法治疗骨质疏松效果显著，且能减少副作用，对乳房和子宫内膜具有一定的保护作用，是治疗绝经后骨质疏松的重要策略之一。