CGRP在骨稳态中的作用及研究进展

Role and Research Progress of CGRP in Bone Homeostasis

摘要: 降钙素基因相关肽(Calcitonin gene-related peptide, CGRP)是一种由感觉神经纤维合成释放的生物活性肽类物质之一。通过与CGRP受体复合物结合发挥血管扩张、疼痛传导等生理功能。已证实的降钙素基因相关肽拮抗剂有缓解偏头痛的能力，是目前偏头痛相关药物开发的热点。但近年来，降钙素基因相关肽对骨稳态的调节作用已引起广泛关注，本文就CGRP合成释放及其在骨稳态中的作用的研究进展进行作一综述。

Abstract: Calcitonin gene-related peptide (CGRP) is one of the bioactive peptides released by sensory nerve fibers. It plays physiological functions such as vascular dilation and pain conduction by binding with the CGRP receptor complex. It has been proven that calcitonin gene-related peptide antagonists have the ability to relieve migraine and are currently hot spots for migraine-related drug development. However, in recent years, the regulatory effect of calcitonin gene-related peptides on bone homeostasis has attracted much attention. This paper summarizes the CGRP synthesis and its role in bone homeostasis.

1. 引言

降钙素基因相关肽(CGRP)主要由感觉神经纤维表达，如C和Aδ感觉纤维，这些纤维于全身广泛分布，尤其是血管周围[1] [2]。此外，还有研究表明一些非神经性组织也可表达产生CGRP，但目前对此知之甚少[3]-[7]。降钙素基因相关肽主要由感觉神经纤维所分泌，可以调节交感神经[8]。并且CGRP还具有强大的血管扩张活性，当外源性CGRP注射到人和动物的皮肤上时，这种活性得到了明显的体现[9]，并且通过啮齿动物模型上研究同样为CGRP的血管保护作用提供了充分的证据。此外，CGRP所在的感觉纤维也与疼痛过程有关，CGRP拮抗剂的研究揭示了CGRP在偏头痛中所起的关键作用，CGRP受体拮抗剂可能是偏头痛的治疗靶点[10] [11]，目前已开发了相关药物，如治疗急性偏头痛的CGRP受体拮抗剂和用于预防偏头痛的靶向CGRP及CGRPR的单克隆抗体。近年来，有不少研究发现了CGRP通过调控成骨相关细胞、成骨微环境等途径参与骨稳态的维持与调控方面的作用，本文就这方面进行一综述。

2. CGRP的概述

2.1. CGRP的合成与释放

已知降钙素基因相关肽的合成在神经损伤的模型中上调，比如周围神经切断模型，并且与在炎症模型中也可发现降钙素基因相关肽的合成增强[12]。有研究表明，神经生长因子(nerve growth factor, NGF)可能参于了局部CGRP的调节释放。NGF对于感觉神经的生长成熟及神经功能的维持至关重要[13]。NGF参于神经末梢的感觉神经肽耗尽后，新肽的合成[14]。有研究通过动物实验证明[15]，NGF参于背根神经节(dorsal root ganglia, DRG)内CGRP的产生释放及生理活性[16]。

背根神经节(dorsal root ganglia, DRG)内参于骨合成调节[17] [18]。其中与疼痛刺激的传递有关[17]的大部分DRG神经元是中小型的，而小部分DRG是初级传入神经元[17]。神经生长因子是DRG神经元合成CGRP所必不可少的[19]。CGRP合成后储存在神经源轴突末梢的突触小泡中[20]，当神经元细胞受到热、低pH和辣椒素等因素刺激时，突触小泡会向胞外方向迁移并与神经元胞膜的融合，释放CGRP [19]。

2.2. CGRP的分布与亚型

降钙素基因相关肽与感觉神经元有联系，尤其是无髓C纤维和稀髓Aδ纤维，对机械、化学和电刺激等敏感[17] [21]-[25]，并且研究发现CGRP通常与SP [26]共定位。此外，CGRP在运动神经元中也与ACh共定位，并可能参与乙酰胆碱受体的合成[27]。研究证明，血浆CGRP的主要由血管周围神经合成释放，其缺乏可能是高血压[7] [28]的潜在发病机制。此外，还认为血浆CGRP是血管周围感觉神经元“过度溢出”的结果，即血浆中CGRP的浓度与神经炎症的状态存在相关性，神经元CGRP的释放与局部炎症有关，并且局部炎症促进CGRP的释放[19] [28]。

虽然神经是其主要来源，但CGRP也来自于一些非神经细胞，如免疫细胞、内皮细胞、脂肪细胞[29]-[34]等，其中非神经源性的CGRP可能参于了相关细胞的重要生理功能，TRPV1的激活参于了其调控释放。还有研究表明，CGRP可能与参于了内皮祖细胞的衰老调控过程，因为晚期内皮祖细胞存在着CGRP的高表达[33]。

αCGRP和β CGRP是CGRP的两种亚型，也有部分研究称之为CGRPⅠ和CGRPⅡ，是由人类11号染色体上不同位置的两个不同基因合成的[35]，它们具有相似的结构和生物学活性，但由不同的基因形成[36]。αCGRP和βCGRP有90%的同源性[36]-[38]。αCGRP由CALCⅠ基因选择性剪接可以产生[38] [39]，分布于中枢和外周神经系统[40]；而βCGRP由CALC Ⅱ基因转录合成[39]肽，主要存在于肠道神经系统[41]的。有研究表明，βCGRP在肠道中检测到的表达是αCGRP [42] [43]的数倍。在血管系统，有研究表明βCGRP已与αCGRP的释放是同步的[44]。但是βCGRP的免疫反应性显著低于αCGRP [42] [45]，且研究较少，故本研究的以下讨论仅指αCGRP，除非另有说明。

3. CGRP对骨稳态的影响

骨是一种高度血管化、神经化的器官，含有丰富的血管和神经纤维，并且参与了骨代谢，被称之为“神经–血管–成骨耦联”[46] [47]。在胚胎阶段，血管神经系统发育早于骨骼系统，极大的影响着胚胎发育阶段的骨量[48] [49]。大神经束与负责骨供给的主要动脉伴行，通过营养孔进入骨干[50]。骨膜、骨髓腔中也分布着密集的、与毛细血管相近的神经末梢[51]。

骨骼中的大部分神经是感觉神经纤维，为感觉肽阳性神经[52]。有研究通过动物模型，敲除CGRP后可以发现骨形成的减少和骨量的减少[53]，而成骨细胞特异性的过表达CGRP则会导致骨密度的增加[54]，说明CGRP影响了骨代谢，参与了骨稳态的调节[52]-[54]。通过对老年雌性大鼠和绝经后妇女的研究发现，激素替代疗法可以一定程度增加CGRP浓度，并且与雌激素的调节控制有关[55] [56]，说明CGRP可能参与了老年性和绝经后骨质疏松的发生。有研究通过骨折模型发现了，较低浓度的血浆CGRP有利于的骨折愈合[57]。还有一些体外实验表明，CGRP可促进多种细胞的成骨分化并且增强成骨功能，包括骨膜干细胞(periosteum-derived stem cells, PDSCs)、牙周膜干细胞、骨细胞和骨髓间充质细胞(bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs) [36] [58]-[60]等。同时，CGRP在体内的成骨作用也被证明[36]。关于其具体的分子机制，有研究表明CGRP促进骨合成的代谢主要通过上调Wnt/β-catenin信号通路和cAMP-CREB信号通路[60] [61]。CGRP调控以上信号通路的上调的分子基础是CGRP与CGRP受体的结合，主要由主要由降钙素受体样受体(calcitonin receptor-like receptor, CRLR)和受体活性修饰蛋白1 (receptor activity modifying protein 1, RAMP1) [62]组成，并且在广泛的体细胞细胞膜上表达，如骨膜来源细胞、牙周膜干细胞、骨髓间充质细胞、和成骨细胞等[61] [63] [64]，这也是CGRP发挥骨代谢作用的基础。

3.1. CGRP与成骨前体细胞及成骨细胞

BMSC作为主要的成骨前体细胞，是成骨细胞的主要来源[65]。CGRP可以促进大鼠BMSCs的增殖和成骨分化[66]。CGRP敲基因小鼠骨形成率降低，骨质减少[52] [53]，骨骼和牙胚的发育受影响[49]。而CGRP过表达小鼠骨形成率增加，骨小梁密度和体积增加[53]。CGRP通过多个信号通路参与调控骨生成[67]。有研究通过体外的人类成骨前体细胞培养实验探究具体的分子机制，一方面，通过提高cAMP水平[61]，另一方面上调Wnt/β-catenin信号通路，提高了BMP-2的的表达[68]，抑制BMSCs的凋亡并且促进成骨分化。通过加入外源性的CGRP，BMSCs的骨集落形成数目和大小均增加，并且与CGRP外源性加入的浓度呈正相关[69]。大鼠闭合性股骨骨折早期，CGRP阳性的神经纤维在局新生，提高损伤局部的CGRP浓度，促进了修复性骨组织形成和改建[70]。

3.2. CGRP与破骨前体细胞和破骨细胞

破骨细胞形成及其骨吸收功能同样受CGRP的影响与调控。CGRP可抑制骨髓来源巨噬细胞的趋化融合及破骨分化[71]，在动物实验中表现为牙周炎模型的小鼠牙槽骨吸收减少，去卵巢大鼠的骨质疏松程度减轻[58]。CGRP的受体复合物，即CRL/RAMP1二聚体，是CGRP发挥破骨调控功能的分子基础，完整表达在小鼠骨髓来源巨噬细胞(bone marrow macrophages, BMMs)和破骨细胞(Osteoclasts)的细胞膜上。其潜在的分子机制为上调骨保护素(osteoprotegerin, OPG)，并且下调RANKL (receptor activator ofnuclear factor kappa-B ligand, RANKL)表达[72]，抑制BMMs的破骨分化和骨吸收的生物活性。NF-κB受体活化因子配体 (receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand, RANK)与OPG、RANKL共同参于着破骨细胞的分化调控[73]。RANK与RANKL结合激活了破骨前体细胞，如骨髓来源巨噬细胞、单核细胞的破骨分化，而CGRP则通过促进OPG表达导致其对RANK/RANKL结合的拮抗增强[74]，最终造成了破骨分化的过程受阻[58] [75]。有研究推测CGRP可增加破骨前细胞的比例[59] [76]。

4. CGRP对成血管的影响

CGRP是一种有效的血管扩张剂，发挥血管扩张作用，保护器官免受缺血损伤[4] [77]。还可以通过与内皮细胞、内皮祖细胞表达的CGRP受体结合，促进内皮细胞、内皮祖细胞的增殖，并且抑制其凋亡[78] [79]。其潜在分子机制为CGRP激活腺苷环化酶后使胞内cAMP含量增高激活蛋白激酶A，导致内皮细胞内一氧化氮和钙离子的滞留[4]。有研究表明，血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)是诱导血管生成的主要趋化因子[80] [81]。CGRP缺失可导致CD31和VEGF的表达降低，延缓小鼠创面愈合[4]。在大鼠膝关节模型中，关节内注射CGRP可通过激活CGRP受体增加内皮细胞的增殖直接刺激体内血管生成[82]，而抑制CRLR/RAMP1可减少内皮细胞的增殖[83]。有研究通过体外实验说明，CGRP通过促进VEGF的表达，促进了内皮细胞的增殖和血管形成功能[82] [84] [85]。这一机制在肿瘤相关血管生成中得到了进一步验证[85]。血管生成和成骨作用的耦合越来越受到人们的关注[46] [47] [86] [87]，一方面，血管内皮生长因子是不可或缺的桥梁。另一方面，血管扩张效应和增加的血管生成可能影响血液流动，也有助于成骨[88] [89]。在成骨细胞和内皮细胞共培养体系中，与单纯成骨细胞相比，CGRP可以进一步促进成骨作用，这表明CGRP的对骨稳态的调节作用不仅是直接的，而且还有间接的，即通过对内皮细胞的作用[90]。另外，H型血管对偶联成骨具有重要作用，但CGRP是否能唯一地调节H型血管的形成还有待检验。考虑到血管内皮生长因子和H型血管之间的已知作用[91]，CGRP和CD31+血管之间的正相关[92]，这一方面有很大的研究潜力。

5. 结语

骨稳态是由多种细胞事件共同维持的，包括成骨、破骨细胞形成、血管生成、脂肪生成和骨免疫等。血管为骨骼生长和重塑所必须的持续提供氧气、营养物质和骨祖细胞，是维持健康骨组织的关键[93]。CGRP不仅通过影响成骨、破骨细胞形成，还通过上调内皮细胞中一些血管生成标志物的表达，在促进成血管功能中发挥作用[94]。综上所述，CGRP可能是神经–血管–骨网络的上游调节因子，但其在成骨成血管中的作用的现有信息有限。进一步研究其分子调节机制与相互作用可能有助于深入了解其CGRP的骨稳态调节机制，为骨组织修复提供更好的策略。

NOTES

^*通讯作者。