环氧合酶2在骨代谢中的研究进展

【关键词】 环氧合酶2;前列腺素E2;成骨细胞;破骨细胞;骨代谢

环氧合酶2(COX2)是一种诱导酶，在正常情况下，体内仅表达微量COX2，当机体受到致炎因子刺激时，某些细胞如单核巨噬细胞、血管平滑肌细胞、内皮细胞等将被诱导产生大量COX2，并催化合成大量促炎性前列腺素。以往被认为与炎症、发热和肿瘤等有密切关系，近年研究发现其在骨骼重建、骨质吸收以及成骨细胞转导等过程中扮演着重要角色。

　　1 COX2

　　COX是花生四烯酸(arachidonic acid，AA)合成前列腺素(prostaglandins，PGs)的限速酶，可将低浓度的内源性花生四烯酸代谢成各种PGs产物，如前列腺素E2(PGE2)等，PGs分布于身体各种组织中，对骨发生及成骨细胞成熟有着重要作用。目前已知COX至少有3种：COXl、COX2和COX3。COXl发挥“看家”作用，调节生理性PGs的合成，维持机体正常的生理功能。COX2是“迅速反应基因”，在大多数组织和器官为诱导性表达，在静止细胞表达极少，正常生理状态下多数组织检测不到。刺激COX2诱导表达的因素存在于细胞内外，包括生长因子和细胞因子(如PDGF、PAF、TNF、TGF、EGF、bFGF、HGF、IL1)、血清、促肿瘤剂(如佛波酯TPA、PMA)、癌基因(如Vsrc、ras)以及人绒毛膜促性腺激素、维甲酸、内皮素(ET)、一氧化氮(NO)等;非甾体类抗炎药(NSAIDs)可在转录水平调节COX2表达。抑制COX2表达的有糖皮质激素、IL10，两者对COX1则无影响。各种刺激通过G蛋白偶联机制、TPA活化的蛋白激酶C介导的通路以及生长因子受体、Vsrc癌基因产物pp60vsrc活化的酪氨酸激酶介导的通路而刺激COX2基因表达。COX2表达的调控主要是转录的调控，其中启动子及其活性对于转录的调控有重要意义。COX3是近年在狗和大鼠体内发现的可能与解热镇痛抗炎药诱导的低温麻醉和痛觉缺失有关的COX的一种新亚型〔2，17〕。

　　2 COX2与骨代谢

　　2.1 COX2和成骨细胞 成骨细胞(osteoblast，OB)是骨发生和骨形成的重要细胞，有合成和分泌骨基质及糖蛋白的作用，并且通过基质化而形成骨组织。在骨组织中，成骨细胞及破骨细胞前体细胞表达COX2，而COX2作为PGE2合成的限速酶可调节PGE2产生，COX2是通过调节PGE2对骨发挥作用的。PG是花生四烯酸在COX2作用下的代谢产物，为含有20个碳的不饱和脂肪酸化合物，具有广泛的生物学效应。PG在骨新陈代谢过程中具有双向调节的作用，尤以PGE2作用最强。低剂量PGE2以刺激成骨细胞增殖、促进骨形成作用为主，高剂量PGE2则能够提高成骨细胞内的cAMP水平，使其向破骨细胞转化，进而刺激骨吸收〔1〕。COX2的转录调节是骨代谢的强力调节因子，对骨折愈合必不可少，选择性COX2抑制剂可完全阻断骨形成〔2〕。Xu等〔3〕采用大鼠的原代颅骨细胞野生株(WT)和COX2基因敲出株(KO)在体外研究内源性COX2对成骨细胞生长的作用，结果显示成骨细胞在KO组增殖及分化增加，而凋亡无明显改变。两者的差距可以通过对WT添加COX2的选择性抑制剂NS398或对KO添加PEG2消除，其作用途径都可以有PG介导。由此推论破坏COX2的基因能够促进鼠类颅骨细胞中成骨细胞的增殖。由COX2 表达诱导产生的PGE2在颅骨细胞培养基中能够降低成骨细胞分化，而在骨髓基质细胞培养基中促进成骨前提细胞的增殖。Tomura等〔4〕应用体外实验研究报道，细胞外酸性环境可通过刺激G蛋白偶联受体1(OGR1)/G(q/11)/PLC/PKC途径调节成骨细胞产生COX2，进而诱导PGE2的产生，刺激骨钙的释放。

　　2.2 COX2和破骨细胞 破骨细胞(osteoclast，OC)与骨吸收活动相伴随，骨吸收活动是OC在骨的微环境内进行的复杂分子生物学反应的过程。骨吸收首先是OC分泌酸，致使骨组织脱矿，继而通过分泌的酶将残留的有机物分解。体外试验表明COX2可以通过诱导NFκB配体受体活化子配基(receptor activator of nuclear factorκB ligand，RANKL)的表达和抑制骨保护蛋白(osteoprotegerin，OPG)的表达，促进破骨细胞的分化。COX2诱导产生的PGE2可通过激活破骨细胞前体细胞RANKL受体的活性产生破骨细胞，或者增加RANKL在破骨细胞中的表达，增加骨吸收。这种作用可由成骨细胞介导产生，而增强破骨细胞前体细胞RANKL的活性能刺激成骨细胞的分化〔5〕。Coon等〔6〕在对COX2在骨炎性吸收的作用研究中发现COX2 诱导产生PGE2导致的根周炎的炎性骨吸收中RANKL和OPG的表达起决定性作用，且K/O组破骨细胞数量显著低于WT组。有研究证明，COX2亦可通过调节破骨细胞分化因子的表达，参与破骨细胞的形成。COX2扰乱骨重建就是通过抑制破骨细胞的分化，并引导干细胞向脂肪系细胞分化，而不是向成骨系细胞分化而发挥作用〔5〕。Noguchi等〔7〕实验表明COX2抑制剂通过降低PGE2的合成，从而降低破骨细胞的活性;此外，COX2可使骨强度的降低，这与类风湿性关节炎骨小梁微观结构的改变密切相关。Kellinsalmi等〔5〕体外研究亦证实COX2能够促进破骨细胞分化，而COX2抑制剂可显著减低破骨细胞的分化，并能降低成熟破骨细胞的再吸收活性;且COX2的抑制剂亦可降低成骨细胞及间充质干细胞向脂肪细胞分化。

　　3 COX2与其他骨生长因子的关系

　　3.1 COX2与PTH 甲状旁腺激素(parathyroid hormone，PTH)是维持机体钙磷代谢平衡的一种重要的调钙激素，可精细调节骨骼的合成和分解代谢，对成骨细胞和破骨细胞分化、成熟及凋亡均发挥重要作用。成骨细胞是骨组织中惟一有PTH受体的细胞，近年来已有研究发现，PTH相关蛋白能有效促进骨骼合成〔8〕。Maciel等〔9〕体外研究证实PTH诱导破骨细胞的骨吸收是通过在成骨细胞中诱导COX2的表达，从而产生过多的PGE2，使其向破骨细胞转化，进而刺激骨吸收。Choudhary等〔10〕通过培养KO和WT大鼠的骨髓基质细胞和颅骨成骨细胞，检测COX2和PG，研究体外PTH对成骨细胞的分化作用。结果显示：PTH对WT组中的成骨细胞的分化无显著影响，而在KO组成骨细胞中ALP和OCN mRNA的表达显著增加，且在WT中应用COX2的抑制剂NS398能够模拟PTH在KO中的作用，PGs可能通过使CAMP信号传导途径失活而抑制PTH的合成代谢。

　　3.2 COX2与VEGF、bFGF COX2诱导血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)和碱性成纤维细胞生成因子(basic fibrob1ast growth factor，bFGF)等促血管生成因子的表达，从而上调成骨细胞血管内皮生长因子表达，诱导成骨细胞分化。VEGF表达上调可促进COX2表达，从而形成一个正反馈网络，协同刺激骨血管形成。已有文献表明，COX2通过PG促进VEGF的表达上调〔11〕。Tsujii等〔12〕研究发现，转染COX2基因的人细胞株CaCo2在过度表达COX2的同时促进VEGF、bFGF、TGFβ、PDGF和内皮素1表达上调，而特异性COX2抑制剂NS398明显抑制这些促血管生成因子的表达。

　　3.3 COX2和MMPs、TGFβ 成骨细胞分泌的MMP1、MMP2在骨重建过程中通过降解骨基质启动骨吸收与骨形成。MMPs(基质金属蛋白酶)对ECM的降解是RA患者关节破坏的必要环节。有研究报道COX2高表达可通过刺激血小板活化因子而诱导MMps表达。肿瘤转化生长因子β(tumor transforming growth factor，TGFβ)被认为是OB与OC之间相偶联的因子。COX2抑制降低介导凋亡的TGFβ受体和细胞间黏附的E钙蛋白活性并且能提高细胞与细胞外基质的蛋白黏附能力，激活细胞外MMPs，促进细胞外基质降解，从而降解成骨细胞下的I型胶原，从而激活破骨细胞，启动骨吸收〔13，14〕。

　　4 COX2与力学信号转导

　　力学刺激在调节骨发育及出生后增加骨密度和强度方面起重要作用。目前已知机械牵拉、流体力、节律性液体流，低强度超声等机械刺激均能引起成骨细胞COX2 mRNA高水平表达，进而致前列腺素量增加，激活成骨细胞内多条信号转导通路。实验表明力学信号加载于成骨细胞后，通过磷酸化级联反应，有可能通过激活或抑制NFκB，进而影响NFκB的核转运过程;或引起转录因子转录激活区C/EBPβ、AP1、CREB等位点磷酸化，调节转录因子的转录激活功能;或调节转录因子AP1的DNA结合活性等途径引起COX2基因表达上调或下调。力学信号还可能通过影响起始因子，延伸因子和核糖体蛋白的磷酸化而在翻译水平上调控COX2基因表达〔11，15〕。

　　5 展 望

　　COX2对于成骨、破骨细胞的增殖、分化、功能活性具有重要调节作用，对骨质代谢有着很大的影响，研究其与破骨细胞的关系，对于深入了解骨质疏松症的发病机制以及治疗预防有着积极作用。

参考文献

　　1 Boyan BD，Lohmann CH，Sisk M，et al.Schwartz Both cyclooxygenase1 and cyclooxygenase2 mediate osteoblast response to titanium surface roughness〔J〕.Biomed Mater Res，2001;55(3)：3509.

　　2 Simon A，Manigrasso M，O′Connor J.Cyclooxygenase 2 function is essential for bone fracture healing〔J〕.Bone Miner Res，2002;17(6):96376

　　3 Xu Z，Choudhary S，Okada Y，et al.Cyclooxygenase2 gene disruption promotes proliferation of murine calvarial osteoblasts in vitro〔J〕.Bone，2007;41(1):6876.

　　4 Tomura H，Wang JQ，Liu JP，et al.Cyclooxygenase2 expression and prostaglandin E2 production in response to acidic pH through OGR1 in a human osteoblastic cell line〔J〕.J Bone Miner Res，2008;23(7):112939

　　5 Kellinsalmi M，Parikka V，Risteli J，et al.Inhibition of cyclooxygenase2 downregulates osteoclast and osteoblast differentiation and favours adipocyte formation in vitro〔J〕.Eur J Pharmacol，2007;572(23):10210.

　　6 Coon D，Gulati A，Cowan C，et al.The role of cyclooxygenase2 (COX2) in inflammatory bone resorption〔J〕.J Endol，2007;33(4):4326.

　　7 Noguchi M，Kimoto A，Sasamata M，et al.MicroCT imaging analysis for the effect of celecoxib，a cyclooxygenase2 inhibitor，on inflammatory bone destruction in adjuvant arthritis rats〔J〕.J Bone Miner Metab，2008;26(5):4618.

　　8 Xu J，Rong HQ，Ji H，et al.Effect of human parathyroid hormone related protein (PTHrP134) on osteoporosis of ovariectomlzed rats〔J〕.Chin J Public Health，2006;22(2):199200.

　　9 Maciel FM，Sarrazin P，Morisset S，et al.Induction of cyclooxygenase2 by parathyroid hormone in human osteoblasts in culture〔J〕.J Rheumatol，1997;24(12):242935.

　　10 Choudhary S，Huang H，Raisz L，et al.Anabolic effects of PTH in cyclooxygenase2 knockout osteoblasts in vitro〔J〕.Biochem Biophys Res Commun，2008;372(4):53641.

　　11 Leah KM，Ornberg，Wang Y，et al.Cyclogenase2 inhbitor by celecoxib reduces apoposis in angiogenic endothlial cell in vivo〔J〕.Cancer，2002;62(3):62531

　　12 Tsujii M，Kawano S，Tsuji S，et al.Cyclooxygenase regulates angiogenesis induced by colon cancer cells〔J〕.Cell，1998;93:70516

　　13 Zhang Z，Dubosisr N.Detection of differently expressed genes in human colon carcinoma cells treatedwith a selective COX2 inhibitor〔J〕. Oncogene，2001;20(33):4450.

　　14 Yao M，Kargman S，Engene C，et al.Inhibition of Cyclooxygenase2 by rofecoxib attenuates the growth andmetastatic potential of colorectal carcinoma inmice〔J〕.Cancer Res，2003;63:586.

　　15 Kis B，Snipes JA，Busija DW.Acetaminophen and the cyclooxygenase3 puzzle:sorting out facts，fictions，and uncertainties〔J〕.J Pharmacol Exp Ther，2005;315(1):17.