OPG/RANKL/RANK信号通路在早发冠心病中的研究进展

Research Progress of OPG/RANKL/RANK Signaling Pathway in Premature Coronary Heart Disease

摘要: 早发冠状动脉粥样硬化性心脏病(premature coronary heart disease, PCHD)是冠状动脉粥样硬化性心脏病(coronary atherosclerotic heart disease, CHD)特有的种类，具有起病急、发病隐匿、年轻化、高病发率、高致死率等特征，会带来严重的不良后果。过去关于OPG/RANKL/RANK信号轴在骨骼系统发面研究的较多，近年来在心血管疾病(cardiovascular disease, CVD)的研究中也引起了广泛关注，因此探索对PCHD有意义的信号轴对于今后PCHD的发生、演变、治疗、预后等十分有意义。

Abstract: Premature coronary heart disease (PCHD) is a unique type of coronary atherosclerotic heart disease (CHD). With acute onset, hidden onset, young, high incidence, high mortality and other characteristics, it will bring serious adverse consequences. In the past, there have been many studies on OPG/RANKL/RANK signal axis in skeletal system. In recent years, it has also attracted wide attention in the studies of cardiovascular disease (CVD). Therefore, the exploration of significant signal axis for PCHD is of great significance for the occurrence, evolution, treatment and prognosis of PCHD in the future.

1. 引言

近年来，动脉粥样硬化(atherosclerosis, AS)导致的CHD已成为影响人类健康的“头号杀手”。据2020年《中国心血管健康与疾病报告》报道，我国CVD的患病人数已达3.3亿，其中CHD患者达1139万，患病率居高不下，且PCHD所致急性心肌缺血事件可到达70%，如有其它风险因素并存，这种心血管不良风险会显著增加，给个人、家庭、社会带来了不可估量的负担 [1] [2]。过去关于OPG/RANKL/RANK信号系统在骨代谢、免疫系统等方面做了许多研究 [3] [4]，近些年该信号轴在心血管方面的发生发展中也成为了研究热点，本文主要对OPG/RANKL/RANK信号通路和AS及PCHD的关系作一综述，为今后在PCHD靶向分子治疗发面提供更多的可能性。

2. OPG/RANKL/RANK信号通路

2.1. OPG

1997年Simonet [5] 等人首次发现了骨保护素，是一种由401个氨基酸残基构成的天然分泌型糖蛋白，以分子量为60 kDa (单体)和120 kDa (二聚体)两种形式存在，且后者生物活性更强。OPG主要在软骨组织中高表达，也可在动脉、肺脏、肾脏、胃肠道、皮肤、免疫细胞中表达。作为一种诱骗受体，OPG能和RANKL (核因子kB受体激活蛋白配体)结合，但与RANK (核因子kB受体激活剂)相比，OPG和RANKL的亲和力要高出500倍 [6]。OPG是由TNFRSF11B基因编码，据了解，编码该基因的某个多态性与冠状动脉粥样硬化相关，一项实验发现 [7]，血管内皮细胞(endothelial cells, ECs)在肿瘤坏死因子-α (TNF-α)或白细胞介素-1β (IL-1β)影响下，会分泌OPG与韦伯潘力氏小体(Weibel-Palade bodies, WPBs)形成的复合物，WPBs是ECs特有的细胞器，可分泌多种细胞因子、炎性介质等，参与炎症、血栓形成、血管形成等过程。另一项动物实验表明 [8]，OPG是影响破骨细胞(osteoclast, OC)骨吸收的生理调节剂，它可以防止骨质疏松和大动脉钙化。而且由于血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cell, VSMC)和ECs在AS中扮演着重要的角色，这提示我们循环血中的OPG很可能是ECs和VSMC在炎性因子的刺激下产生的，OPG可能具有潜在的保护血管免受钙化的作用。但后期的临床研究发现，为了使骨组织中达到治疗量的OPG浓度，需要给予大量重组OPG，当OPG浓度达到非生理浓度后，在免疫系统或者心血管系统中，这种由OPG/RANKL/RANK信号轴发挥作用的特定位点会产生有害反应。

2.2. RANKL

RANKL是由316个氨基酸组成的同源三聚体II型跨膜蛋白，通常情况下，当RANKL在巨噬细胞集落刺激因子(macrophage colony stimulating factor, M-CSF)存在时会被诱导与RANK结合时，同时OPG的表达水平也会下降，此时RANKL与OPG比率升高，促进OC分化成熟，抑制其凋亡，并在组织蛋白酶K (cathepsin K, CTSK)、抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate resistant acid phosphatase, TRACP)等作用下促进骨吸收同时产生活性氧(reactive oxygen species, ROS) [6]，在血管系统中，RANKL与钙化斑块易损性有关。

2.3. RANK

RANK是由616个氨基酸组成的I型跨膜蛋白,主要在成熟OC膜及前体细胞中表达，也在B淋巴细胞、T淋巴细胞、成纤维细胞、树突状细胞等中表达。RANK的胞质区C端含有383个氨基酸，能够结合TNF受体相关因子(TNF receptor-associated factors, TRAFs) 2、5、6，然后再将信号传导给下游的NF-kB、Src、JNK信号通路；胞外区N端含有184个氨基酸；跨膜区有21个氨基酸以及28个氨基酸构成的信号肽。RANK和同源三聚体RANKL结合后激活转录因子核因子kappa-B (nuclear factor-kappa, NF-kB)和激活蛋白-1 (activator protein-1, AP-1)的信号级联反应。

3. OPG/RANKL/RANK信号通路的调控因素

OPG/RANKL/RANK信号轴是维持骨形成和骨吸收平衡的核心。该过程受多种激素、细胞因子及局部因素的调控，OPG/RANKL/RANK轴通过诱导成骨细胞(osteoclast, OB)合成RANKL、下调OPG的表达来促进OC分化、骨骼重塑、骨钙释放。诱导OPG mRNA表达的物质包括一些细胞因子(成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor, FGF)-23、TNFα、IL-1α、IL-18)、类固醇激素(17β雌二醇)、肽类(骨形态发生蛋白-2 (bone morphogenetic protein, BMP-2)，而糖皮质激素、甲状旁腺素(Parathyroid Hormone, PTH)、甲状旁腺激素相关蛋白、前列腺素E2、环孢素A会降低OPG的表达 [7] [9]。此外，同一激素或细胞因子因作用的细胞类型不同，对OPG的表达影响也不同，如：转化生长因子-β (Transforming growth factor-β, TGF-β)，在平滑肌细胞中抑制OPG的表达，但在成骨细胞和骨髓基质细胞中促进其表达；白细胞介素-1β (IL-1β)，在ECs、平滑肌细胞、OB中上调OPG，在骨髓基质细胞中OPG的表达下降。另外，有研究证实粒细胞可产生OPG，并在IL-4和IL-13的作用下，活化的T细胞也可诱导OPG在OB中表达。还有研究表明 [10]，机械应力可以影响OPG/RANKL/RANK系统，体育锻炼产生的机械应力对骨骼有益，这是通过影响骨形成相关激素的表达来升高OPG水平和降低RANKL水平实现的，但也有报道称活动后两者水平变化不显著，此外OPG的升高也只是在骨细胞中体现，目前尚未证实ECs中OPG的表达有增加。而另外一项动物实验表明，每天不少于1小时，连续一周的活动能促使血清中FGF-23的水平升高和骨骼肌中FGF-23mRNA的表达增强 [11]。

4. OPG/RANKL/RANK信号通路与AS的关系

近年研究发现OPG/RANKL/RANK轴不仅参与骨代谢的调节，在CVD的发生发展中也有重要作用，许多证据表明，OPG/RANKL/RANK信号轴与血管钙化(vascular calcification, VC)有关，在血管损伤及炎症中起调节作用。动脉钙化是AS的重要危险因素。报道显示，这种钙化可在大动脉中膜、ECs及VSMC上表达，与RANK、RANKL、炎症因子、CTSK诱导成骨分化相关 [12]，但这些蛋白表达水平与AS分期相关。免疫细胞和血管中的RANKL表达增强与VC和AS的发生有关。RANK和RANKL结合后激活丝裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase, MAPK)和AP-1下游信号分子后进一步激活基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMP)，活化的MMP超表达促使斑块破裂，此外，RANK激活TRAF2和TRAF6后可进一步激活OB基因，这一过程也参与了血管钙化 [13]，进一步的研究表明RANKL激活ECs的非典型NF-kB/p52通路，会使VSMC的促钙化反应活化 [14]。在一项OPG基因敲除的小鼠模型实验中会产生主动脉中层钙化，而在载脂蛋白E (Apolipoprotein E, ApoE)基因敲除的小鼠模型中，我们观察到这种钙化程度和AS斑块大小明显增加，这提示OPG也许具有血管保护作用，但是这种保护作用和VC发生时间密切相关，Min等人在给予OPG基因敲除的小鼠重组OPG后观察到这样虽可以防止VC的发生，但是在成年小鼠身上并没有观察到VC的逆转 [7]。AS的病理生理改变十分复杂，AS的钙化始于氧化的低密度脂蛋白(low density lipoprotein, LDL)，在巨噬细胞和T淋巴细胞聚集、VSMC迁移、泡沫细胞形成等一系列持续的炎症和组织重塑变化中逐渐形成易损斑块。既往在人类AS斑块中检测到OPG、RANKL的mRNA和蛋白质的表达，种种发现都表明OPG/RANKL/RANK轴可能参与AS的形成 [15]。

5. OPG/RANKL/RANK信号通路与PCHD的关系

人们普遍认为，CHD的发生与传统的危险因素及遗传因素相关，其中遗传易感性占比约40%~60% [2]。PCHD是CHD的特殊形式，基于前期的临床研究 [16] [17]，我们发现CHD患者的血清OPG水平较非CHD人群高，且与非PCHD患者相比，OPG的水平在PCHD患者中明显升高，且当血浆OPG浓度不低于396.64 pg/ml时，更容易发生早发急性冠脉综合征(premature acute coronary syndrome, PACS)，这提示在PCHD患者中OPG水平越高，心肌缺血风险越高，远期心血管不良事件(major adverse cardiovascular events, MACE)的风险也显著增加。这些结果与之前的小鼠模型所观察到OPG具有保护作用有矛盾，所以我们猜测OPG水平的升高可能是对病理性血管钙化的一种代偿保护反应，而OPG/RANKL/RANK信号通路在免疫炎症、氧化应激、心室重构、心力衰竭等病理生理改变也有影响。

6. OPG/RANKL/RANK信号通路与AS和PCHD的机制关联性

钙化是AS斑块形成的主动过程，近年来在AS的病理生理改变中一直是焦点问题，炎症、骨丢失、VC三者介导的CVD风险存在相关性。此外，VSMC转分化学说也是大多数人认可的理论 [14]。相对传统的CVD危险因素，VC和骨代谢间的关系在其发病机制中有着重要意义，据Eghbali-Fatourechi等描述，OB是二者的纽带，这些细胞主要来源于髓系，和异位钙化有关，后来的研究也发现，循环血中骨祖细胞的水平和CVD的发生相关 [11]。CVD的发病机制与骨质疏松症之间有关联，骨质疏松患者常出现血管钙化，但影像学研究表明这和年龄关系不大。另外，London等认为VC程度与CVD生存率高低相关。AS导致动脉管壁变硬，弹性下降，血管重塑，且这种硬化以广泛的内中膜钙化为主，钙化程度与AS斑块负荷成正相关 [18]，可以看作是AS斑块负荷的一个定量标志物。研究发现 [19]，年龄≥65岁的人群中，有超过一半的健康者和约95%的心肌缺血者会发生冠状动脉钙化(coronary artery calcification, CAC)，且CAC程度随着年龄的增加而加重，和性别关系不大，此外，在2008年开展的一项由6722名多种族参与者的前瞻性研究中，通过对其后10年的随访所做出的荟萃分析表明，在没有其它心血管危险因素的人群中，CAC的程度和临床相关事件发生率成正相关。最新发布在JAMA杂志上的一项研究表明，CAC的检测对有临界及中风险的个体获益比更高，因为在血流动力学变化之前，通过对个体化患者CAC程度评估更加有助于筛选出亚临床患者，为具有PCHD家族史及CAC评分高的CAD患者一级预防提供更可靠的证据 [20]。

7. OPG/RANKL/RANK信号通路与PCHD的相关治疗

因PCHD发病的隐匿性，现有的筛查方式还不足以证明可对这些年轻的人群实施有效的干预措施。随着社会经济的发展，在全世界范围内，除外传染性疾病，CVD的高发病率及高致死率是影响人类健康的主要原因，虽然年龄大于55岁的CVD人群的死亡率有明显下降，但低于该年龄的人群并没有得到改善，而且据世卫组织报道，80%的PCHD是可以预防的，并且在2013年已启动“25”全球计划，有望在2025年把CVD引起的过早死亡降低25% [21] [22] [23]。血管内皮功能障碍和慢性炎症在AS的发病机制中占着十分重要的作用，而且，在后续有针对性的炎症干预中也证明了这一点。他汀类药物是干预CHD最有效的药物之一。一项荟萃分析显示，在综合分析CVD的危险因素并调整用药后，他汀类药物的使用可增加骨密度，且这种效应与他汀的使用时间和在体内的累积剂量成正相关，因此CVD患者可以从骨折风险评估中获益 [19] [24]。他汀类药物可抑制细胞增殖、降脂、诱导OC和肿瘤细胞凋亡、还有强大的抗炎作用。研究表明，在骨代谢的相关机制中，他汀会对其产生一定的影响，而且不同种类的他汀作用机制不同 [25]。一项荟萃分析指出他汀类药物会使IL-6、TNF-α、CRP、IL-1、IL-8等炎性因子的水平明显下降，而MMPs、IL-10、TGF-β等的表达升高 [26]。通常情况下，在TNF-α、IL-1β的刺激下，血管ECs上OPG的表达增强，在VSMC中，IL-1β、TNF-α也会使OPG水平升高，他汀的使用让PCHD患者的斑块由不稳定变得稳定，OPG的水平理论上也应该下降。但是也有研究发现 [27]，CHD患者在使用他汀后，血清OPG的水平有升高也有降低。所以他汀对PCHD患者OPG的这种影响是矛盾的，这可能和药物的种类、服药剂量、斑块的情况等有关，接下来我们也会进一步探索OPG/RANKL/RANK信号轴与PCHD之间的联系，为今后的临床干预等提供更多的可能性。

综上所述，目前很多研究都肯定了OPG/RANKL/RANK信号轴在AS和PCHD中发挥的作用，尽管在临床上，有对OPG/RANKL/RANK信号系统有关PCHD的干预做了一定的探索，但由于缺乏大量的随机对照试验，目前在该方面仍存在较大的空缺。接下来需要进一步明确新途径在对PCHD患者加以合适的干预后有关OPG/RANKL/RANK方面所带来的影响。

NOTES

^*通讯作者。