5-羟色胺对骨骼代谢的调控机制研究进展

张芮浩 张晓勃 袁文欢 胡一村 陈祥义 于得臣 齐进 周海宇

1.兰州大学第二医院骨科，甘肃 兰州 730030 2.甘肃省骨关节疾病研究重点实验室，甘肃 兰州 730030 3.兰州市西固区人民医院，甘肃 兰州 730000；4.内蒙古科技大学包头一附院，内蒙古 包头014000

骨重塑是一个不断改建的复杂过程，破骨细胞参与骨吸收从而清除死骨，维持骨的形态，成骨细胞则主要参与骨形成，促进骨沉积。骨形成和骨吸收之间的平衡维持了骨组织的健康，它们之间的平衡被打破将会出现骨质疏松(osteoporosis, OP)、骨硬化症和骨折等疾病[1]。多种因素可影响骨重塑，如钙、磷、镁等矿物质[2]；影响成骨细胞、破骨细胞增殖和分化的细胞因子以及多种内分泌激素：雌激素、雄激素和瘦素等[3]。由于5-HT不能通过血脑屏障，学者们多认为中枢5-HT和外周5-HT各自独立调控骨代谢[36]。近期研究发现，交感神经活性增强可增强破骨细胞活性，促进骨吸收，抑制骨生成[37-38]；而感觉神经可促进骨生成，促进骨折愈合[5-6]。5-羟色胺(5-hydroxytryptamine, 5-HT)也可参与骨重建，且中枢和外周来源的5-HT对骨组织的调控作用相反。中枢5-HT促进骨生成，抑制骨吸收，外周5-HT抑制骨生成。此外，5-HT的多种受体也参与了骨组织的调控[7-8]。本文将通过回顾大量文献对这一现象进行解释并对相关机制的临床前景进行展望。

1 5-HT简介

5-HT是一种单胺类神经递质，根据其产生部位不同，可分为中枢5-HT和外周5-HT。中枢5-HT主要由脑干中缝核的5-羟色胺能神经元产生，亦称之为脑源性5-HT，色氨酸羟化酶2(tryptophan hydroxylase2，Tph2)为其产生过程中的限速酶。外周5-HT主要由十二指肠嗜铬细胞产生，亦称之为肠源性5-HT，色氨酸羟化酶1(tryptophan hydroxylase2，Tph1)为其限速酶[9-10]。在中枢神经系统中，5-HT可参与疼痛、情绪和睡眠等生理功能的调节。在外周组织中，5-HT是一种强血管收缩刺激剂和平滑肌收缩刺激剂[11]。中枢5-HT和外周5-HT均通过作用于5-HT受体发挥生理功能，5-HT受体分为7个亚家族，每个亚家族可进一步细分为若干亚型，除5-HT3受体是离子通道受体外，其余受体均属于G蛋白偶联受体[12]。

2 外周5-HT对骨组织的调控

近年来，多项研究证实了外周5-HT对骨生成的负性作用，即促进骨吸收，抑制骨生成[13-16]。然而，早年对外周5-HT的研究多集中于其对血管张力、止血、胃肠道炎症和呼吸功能等方面的影响[17]；直到骨质疏松症-假性胶质瘤综合征(osteoporosis-pseudoglioma syndrome, OPPG)的发病机制有了突破性进展。OPPG是一种以OP和失明为特征的疾病，Gong等[18]研究发现，OPPG是低密度脂蛋白相关蛋白5(LDL-receptor related protein 5, Lrp5)基因的功能丧失所引起。同样的，Lrp5过表达会引起高骨量综合征[19]；虽然这两种疾病导致的是截然相反的骨骼表型，但都提示了Lrp5在骨代谢调控中的重要地位。同时，Yadav等[13]的研究结果表明Lrp5对骨重塑的影响依赖外周血清素介导的相关信号通路。

2.1 外周5-HT对骨组织的直接调控

Yadav等[13]研究发现，OPPG患者的血清素水平明显高于正常人。动物实验的研究结果证实了Lrp5功能丧失引起的OP是外周5-HT升高所导致。在敲除了小鼠Lrp5的2个等位基因后，小鼠肠道组织中的Tph1表达明显增高，外周血5-HT水平明显增高，骨密度降低，骨微结构被破坏；且小鼠原代成骨细胞在外周5-HT的干预下增殖和分化速度明显受限。由此推测，外周5-HT可能直接作用于骨组织上的相关受体，抑制骨生成，促进骨吸收。分别敲除小鼠成骨细胞上5-HT1b、5-HT2b和5-HT2a三种受体，结果只有敲除了5-HT1b受体的成骨细胞增殖和分化程度明显增高，这说明外周5-HT主要通过成骨细胞上的5-HT1b受体抑制骨生成。进一步的研究发现，外周5-HT与成骨细胞上的5-HT1b受体结合后，可抑制细胞周期基因CycD1、D2和E1的表达，从而抑制成骨细胞增殖[13]。

2.2 外周血清素可被Lrp5调控

Lrp5功能丧失可引起OP，Lrp5过表达引起高骨量综合征。研究发现，Lrp5调控外周5-HT的作用是通过环腺苷酸反应原件结合蛋白(cyclic AMP response element-binding protein，CREB)进行的。相比于对照组，敲减了一个Lrp5等位基因和骨组织的一个CREB等位基因的小鼠成骨细胞数目减少，骨形成率明显降低，而只敲减了CREB等位基因的小鼠成骨细胞数量无明显变化。只敲减Lrp5基因的小鼠表现出低骨表型，表明CREB与Lrp5共同调节外周5-HT的水平，间接影响骨重塑[13]。若能通过药物或其他方式增加体内Lrp5的生成来治疗OP，将丰富临床治疗OP的选择。

2.3 外周5-HT对骨组织的间接调控

Kode等[20]发现叉头转录因子O亚型1(FOXO1)与CREB以及转录激活因子4(ATF4)相互平衡促进成骨细胞增殖，5-HT与5-HTR1b结合后可以调控胞内的FOXO1的转录活性；FOXO1与ATF4结合后抑制成骨细胞增殖，FOXO1与CREB结合则促进成骨细胞增殖。生理情况下，血清5-HT水平正常，使得FOXO1与ATF4对成骨细胞的抑制作用和FOXO1与CREB对成骨细胞的促进作用保持平衡；而血清中5-HT增加则抑制了FOXO1与CREB的结合，增加了FOXO1与ATF4的结合，抑制了细胞周期基因的表达，使得成骨细胞增殖减少，进而导致骨量减少[20]。

综上所述，外周5-HT调控骨代谢的机制可总结为，外周5-HT直接作用于成骨细胞的5-HT1b受体，抑制FOXO1和CREB结合，促进FOXO1与ATF4结合为复合体，增强了转录活性并抑制成骨细胞内的细胞周期基因CYCD1、D2和E1基因，抑制成骨细胞的增殖。肠组织中的Lrp5可抑制Tph1的表达和外周血清素的水平，增强成骨细胞内的CREB信号，从而促进骨生成。

3 中枢5-HT对骨组织的调控

中枢5-HT作为一种神经递质，参与情绪、疼痛和睡眠的调节，并影响抑郁症的发生发展[21]。不同于外周5-HT，中枢5-HT对骨组织的调控与瘦素和交感神经相关，它可抑制交感神经活性，间接抑制骨吸收，促进骨生成，而瘦素可以抑制中枢5-HT，同时促进交感神经活性，负性调控骨形成[22]。

3.1 交感神经对骨组织的调控

传统的观点多认为骨重塑主要与骨生成和骨吸收有关，近年来发现神经系统也可以调控骨代谢。其中，交感神经在调控骨重塑中扮演重要角色。交感神经系统可释放儿茶酚胺类物质，作用于成骨细胞和骨细胞上的β2受体(Adrβ2)，抑制骨形成，并导致破骨细胞分化因子RANKL表达增加，进而增强破骨细胞的骨吸收作用，加快骨量丢失[23]。

3.2 中枢5-HT对骨组织的间接调控需要交感神经和下丘脑参与

中枢5-HT对骨组织的调控作用为促进骨生成和抑制骨吸收。Yadav等[22]研究发现，敲除小鼠脑干Tph2等位基因后，小鼠表现为低骨表型，且脑干5-HT的水平明显降低，而外周血清素的水平没有受到明显影响。同时，敲除Tph2等位基因的小鼠的血清肾上腺素水平远远高出对照组小鼠；且(Tph2-/-;Adr2-/-)小鼠的成骨细胞数和骨形成率明显高于Tph2-/-小鼠。由此推断脑源性5-HT促进骨生成，抑制骨吸收的作用是通过抑制交感神经活性实现的。进一步的研究发现，来自于脑干中缝核的5-羟色胺能神经纤维投射至下丘脑腹内侧核(ventromedial hypothalamic, VMH)神经元，释放中枢5-HT，作用于VMH神经元的5-HT2c受体，抑制交感神经的活性，抑制RANKL表达。另一项研究[24]发现，中枢5-HT是通过VMH神经元中的CAM/CREB信号级联调控骨代谢：中枢5-HT从脑干的血清素能神经元释放后，与下丘脑腹内侧核神经元的5-HT2c受体结合，激活CAM通路并通过磷酸化激活CREB，进一步抑制交感神经元的活动促进骨量增加。

3.3 瘦素对中枢5-HT的调控

瘦素是一种由脂肪组织产生的激素，当其作用于下丘脑弓状核的瘦素受体时，可以调控食欲和能量代谢，当其作用于血清素能神经元上的瘦素受体时，可对骨生成产生抑制作用[25]。瘦素可通过抑制中枢5-HT的合成、抑制中枢血清素能神经元的活动和增强交感神经的活性等三种方式抑制骨形成[22]。

3.3.1抑制中枢5-HT的合成：Yadav等[22]发现敲除了瘦素受体的雌性小鼠的脑组织Tph2表达明显升高，脑干的5-HT水平升高。由此证明瘦素可作用于血清素能神经元的瘦素受体，抑制中枢5-HT的生成，间接抑制骨生成。

3.3.2抑制中枢血清素能神经元的活动：瘦素不仅可以减少中枢5-HT的合成，也可以抑制中枢血清素能神经元活动。通过对小鼠脑干切片中的血清素能神经元的动作电位(AP)频率进行分析，发现瘦素可显著减少小鼠血清素能神经元的动作电位频率，从而间接减少中枢5-HT的合成，抑制骨生成[22]。

3.3.3增加交感神经的活性：交感神经可以调控骨重塑，而瘦素也可以调控交感神经。瘦素对交感神经的调节是瘦素作用于下丘脑的瘦素受体实现的，通过激活成骨细胞上的Adrβ 2受体，增强RANKL表达，从而促进破骨细胞介导的骨吸收作用[26-27]。

综上，中枢5-HT对骨组织的调控作用可总结为脑干中缝核5-羟色胺能神经元生成的5-HT作用于下丘脑腹内侧核的5-HT2c受体，激活CAM信号通路，促进CREB的磷酸化，抑制交感神经活性，从而抑制RANKL的表达，抑制骨吸收，促进骨生成。而瘦素可作用于血清素能神经元上的瘦素受体，抑制血清素能神经元的活性，抑制中枢5-HT的合成，增强交感神经的活性来抑制骨生成，促进骨吸收。

4 其他5-HT受体对骨组织的调控作用

4.1 5-HT6受体

最近的研究发现5-HT6受体可抑制骨生成。在体外，5-HT6受体可通过抑制Jab1介导的BMP-2信号转导，抑制成骨细胞的分化。在体内，5-HT6受体的激活抑制了颅骨缺损小鼠的骨再生，同时延缓了新生小鼠的骨发育[16]。此外，Park等[28]发现，在体外，5-HT6受体可诱导破骨细胞定向分化，并通过RhoAGTPase途径促进RANKL诱导破骨细胞生成。在体内，5-HT6受体介导RhoAGTPase信号转导促进小鼠骨吸收。以上结果表明，5-HT6受体在外周5-HT中抑制骨形成过程中起关键作用，将5-HT6受体抑制剂应用于临床可能会有效减少骨量流失。然而，目前对5-HT6受体的研究仍停留在基础水平，要将5-HT6受体抑制剂应用于临床，是我们有待研究的新课题。

4.2 5-HT2a受体

2015年，Tanaka等[29]发现5-HT2a受体信号过表达会抑制OSX基因的表达从而抑制成骨细胞分化。Nam等[15]则发现使用5-HT2a受体阻滞剂LY215840后，成骨细胞的增殖、分化能力显著提高，由此推断5-HT2a受体参与抑制骨形成。然而，5-HT2a受体是否与抑制成骨细胞增殖有关，以及具体分子通路还需要进一步研究证实。

4.3 5-HT2b受体

不同于其他受体，5-HT2b可以促进骨生成，也可以促进骨吸收。Locker等[30]发现5-HT2b受体信号通过促进一氧化氮，花生四烯酸和前列腺素的释放促进矿化，对骨形成起到积极作用。同样的，5-HT2b受体也可以促进成骨细胞的募集和增殖[31]。Chabbi-Achengli等[32]则发现5-HT2b受体的缺失导致前列环素过量生成，从而引起PPAR-β/δ依赖的靶调控以及细胞-细胞黏附和基质矿化的缺陷，最终导致成骨细胞减少，间接说明了5-HT2b受体对骨形成的积极作用。而Li等[33]发现5-HT2b受体和ERK1/2信号通路的激活可以使骨细胞的分泌白介素6增多，激活破骨细胞，促进骨吸收，增加骨量流失。这与之前的研究结果不符，还需要更多的研究探究其原因。

5 外周5-HT阻断剂在治疗OP中的应用

OP是一种以骨量低，骨组织微结构损坏，骨脆性增加，易发生骨折为特征的全身性骨病。OP的发生与骨生成和骨吸收的平衡失调密切相关[34]。前期的研究已经证实，中枢5-HT可以促进骨形成，而外周5-HT可以抑制骨生成。这为我们治疗OP提供了以下思路：通过提高中枢5-HT的水平和降低外周5-HT的水平来治疗OP。目前已发现Tph1抑制剂LP533401在动物实验中可改善各种病理情况下的骨量流失，将LP533401应用于临床治疗OP具有一定的前景[35]。同时，能否合成中枢中的Tph2激活剂治疗OP，以及能否通过其他受体信号和通路开发相关药物治疗OP和其他疾病都将会成为未来研究的热点。

6 小结

在外周，5-HT类似于激素，对骨形成起负性调控作用；在中枢，5-HT则作为一种神经递质，不仅对骨形成产生积极作用，也积极参与其他生理功能的调节。机体可能通过神经-内分泌调节途径维持骨生成和骨吸收的平衡，这种调节方式对未来临床治疗OP可能具有重要的指导意义。在临床和新药研究方面，已有研究发现Tph1阻断剂可以增加去卵巢小鼠的骨密度，减少骨量流失[39-41]。以Tph1或5-HT1b受体为靶点，寻找相关药物，将极大的丰富OP的治疗。总之，以上的研究将极大改善OP的致残率和死亡率，提高人类的健康水平和人均寿命。