【综述】骨髓脂肪对骨代谢的调控及其在骨质疏松中的病理作用
一、前言
骨髓脂肪细胞与各种血细胞、造血干细胞等一起弥散分布于骨髓腔，占据健康成人骨髓体积的70%。最初的研究认为，骨髓脂肪的主要功能为"填充"骨髓腔，并且其与白色脂肪类似，是代谢惰性的。但近年的研究提示骨髓脂肪是一种有别于白色脂肪和棕色脂肪的另一种脂肪。不同于白色或棕色脂肪，骨髓脂肪组织来源于骨髓间充质干细胞，与成骨细胞共享同一种祖细胞。在一系列因子的作用下，二者呈现此消彼长关系。骨质疏松患者骨髓中脂肪细胞常增多，因而骨质疏松也被称为"骨骼的肥胖症"[1]。本文就骨髓脂肪与骨代谢和骨质疏松关系的最新进展予以综述。
二、骨髓脂肪与白色/棕色脂肪的区别
白色和棕色脂肪组织高度血管化，棕色脂肪尤为明显，而骨髓脂肪弥散分布于骨髓腔，占全身脂肪细胞总量的10%以上。人刚出生时骨髓为造血功能强大的红骨髓，脂肪细胞很少，随着年龄增长，富含脂肪细胞的黄骨髓逐渐占优势，主要分布于四肢骨。此外，在糖尿病、骨质疏松、神经性厌食症和骨负荷降低等病理状态下，骨髓脂肪细胞进一步增加。但与白色脂肪或棕色脂肪不同，骨髓脂肪与体重或体重指数没有显著相关性[2]，也不增加心血管疾病的风险，甚至在神经性厌食症营养不良的患者中，尽管患者皮下脂肪减少，其骨髓脂肪细胞数量仍增加[3]。
骨髓脂肪细胞直径约40～65 μm，比其他部位的脂肪细胞稍小。但更不同的是，骨髓脂肪的基因表达谱与皮下和内脏脂肪明显不同，小鼠股骨、胫骨和尾椎骨髓脂肪没有典型的脂肪细胞表型，脂肪特异性标志物，如PPARγ、脂肪酸结合蛋白4(fatty acid binding protein 4，FABP4)、周脂蛋白(perilipin)呈低表达[4,5]，而炎症反应相关基因如肿瘤坏死因子α(TNF-α)、白细胞介素6(IL-6)表达升高[4]。在体外培养时，骨髓脂肪细胞也与其他部位的白色脂肪细胞有明显不同：白色脂肪细胞离体培养后脂肪滴逐渐消失，自动分化为成纤维细胞样细胞，进入增殖状态；而骨髓脂肪细胞在体外培养中可以长时间维持它们的基本形态[6]。这些差别提示骨髓脂肪细胞表型和调控机制与其他部位的脂肪细胞有所不同。
目前有学者认为骨髓脂肪具有褐色脂肪特性。研究发现骨髓脂肪表达棕色脂肪的特异基因，如控制棕色脂肪转化的转录因子PRDM16(PRD1-BF1-RIZ1 homologous domain containing 16)，产热调控因子脱碘酶2(deiodinase 2)和过氧化物酶体增殖物活化受体协同刺激因子1α(Peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator-1 alpha，PGC-1α)[7]。骨髓脂肪的褐色脂肪作用为成骨细胞的功能活动提供能量，也可能在外周骨骼中作为温度感应器。临床中用正电子发射断层扫描/电子计算机体层成像(PET/CT)技术已经探查到正常人冷刺激后颈部、锁骨上区、胸部呈现棕色脂肪。在动物实验中发现小鼠骨髓中有棕色脂肪的存在，但至今只是个案报道。血小板增多症的患者骨髓中有棕色脂肪存在[8]，但目前尚未在正常人体的骨髓中发现有棕色脂肪的存在。
尽管骨髓脂肪与白色脂肪在调控方面截然不同，骨髓间充质干细胞可作为人皮下脂肪细胞的前体细胞，参与形成约10%的外周白色脂肪细胞[9]。有临床研究中发现肥胖的绝经前期妇女内脏脂肪含量与椎体骨髓脂肪含量呈正比[10]。从这个角度看，骨髓脂肪与白色/棕色脂肪之间虽然有明显不同，但他们之间可能存在相互作用和影响。
三、骨髓脂肪的定量方法
骨髓组织病理学切片HE染色可以初步反映骨髓脂肪细胞的数目和直径，但是该项目为有创检查，并且不能全面反映骨髓脂肪的含量，不适合在临床推广。目前无创检测骨髓脂肪的技术主要包括T1加权磁共振成像(T1WI-MRI)技术、磁共振波谱(MRS)技术和Dixon & IDEAL(iterative decomposition of water and fat with echo asymmetry and least-squares)技术[11]。T1W1-MRI技术可以区分红骨髓和黄骨髓，但仅能粗略计算骨髓脂肪，同时因后期处理繁琐而应用较少。MRS可以进一步测定骨髓饱和/不饱和脂肪酸含量，不仅可间接对骨髓脂肪细胞定量，而且可反映骨髓脂肪的代谢状态，但缺点是扫描及后期处理较为繁琐。基于化学移位的水脂分离技术Dixon法及IDEAL技术也可以用于骨髓脂肪定量，其操作时间和后续处理方面优于MRS技术，应用逐渐增多。骨髓脂肪含量测定最终以脂肪比(fat fraction，FF)表示。国内张慈慈等[12]用meta分析的方法评价1H-MRS测定的脂肪比与骨密度的关系，得出两者的Pearson相关系数为－0.59(95%CI－0.76～－0.42)，为中度负相关。
四、BMSCs、骨髓脂肪细胞与骨质疏松
BMSCs的成脂/成骨分化一直被认为是影响骨代谢平衡的关键因素之一。事实上，分化成熟的骨髓脂肪细胞可以直接影响机体的成骨分化和骨代谢平衡。早期的细胞共培养研究发现，骨髓中分化成熟的脂肪细胞可以诱导成骨细胞上调表达成脂相关基因如脂蛋白脂酶和瘦素、并下调骨钙素的mRNA表达[13]。进一步研究发现，骨髓脂肪细胞分泌的富含PPARγ和CCAAT/增强子结合蛋白α(C/EBPα)mRNA的外泌体可进入成骨细胞，抑制其正常功能[14]，提示骨髓脂肪可直接影响骨代谢平衡。
基础实验中骨髓脂肪对骨代谢的不良影响与临床研究中骨髓脂肪与骨密度的负相关结果相符。尽管在青春期骨量达最高峰时伴随着骨髓腔中大量的脂肪细胞浸润，仅有极少量研究显示青春期人群的骨密度与骨髓脂肪细胞体积呈正比[15]。大多数研究仍认为，骨密度和骨髓脂肪常为负相关[2,16,17]，即使是在年轻和正常的个体[18,19,20]。Shen等[20]比较了成人与5～17岁未成年人髋部体积骨密度(volumetric BMD)与骨髓脂肪的关系，发现两者均为负相关的关系。
但也有研究表明，骨髓内成骨细胞和脂肪细胞都有各自的前体细胞，两者共存于骨髓腔内[21]，提示两者不一定是此消彼长的相互对立关系。同时，动物实验中，BMSCs成脂能力减弱也不能防止骨质疏松的发生[22]。骨髓脂肪与骨代谢和骨密度之间的复杂关系促使研究人员开始探寻骨髓脂肪的异质性。在啮齿类动物模型中，Scheller等[23]发现啮齿类动物骨髓脂肪可以分为结构性骨髓脂肪(constitutive marrow adipose tissue)和调控性脂肪(regulated marrow adipose tissue)。其中结构性骨髓脂肪为骨髓脂肪的主要组分，出现最早，主要分布于远端胫骨和尾椎骨；而调控性脂肪出现相对较晚，主要分布在胫骨近端、股骨远端和腰椎。相对于结构性骨髓脂肪，调节性骨髓的成脂相关基因如固醇调节元件结合蛋白1(Sterol regulatory element-binding protein-1，Srebf1)和C/EBPα的表达量明显下调，不饱和脂肪酸比率C16：1n7-棕榈油酸/C16：0-棕榈酸和C18：1n9-油酸/C18：0-硬脂酸均显著降低。而在人类是否存在这种差别尚不明确。有学者推测人类的足部和手主要为结构性骨髓脂肪，而股骨近端和腰椎主要为调节性骨髓脂肪[24]。因此，在评估骨髓脂肪与骨质疏松的关系时，需要考虑骨髓脂肪的部位和代谢功能，评估时应该更重视"调节性骨髓脂肪"。譬如临床上跟骨(含结构性骨髓脂肪)骨密度检查一般只用于骨密度筛查，股骨颈(含调节性骨髓脂肪)骨密度则作为骨质疏松诊断主要指标之一。利用MRS技术同时分析股骨颈和跟骨骨髓脂质代谢组学信息，提示只有股骨颈的总脂肪含量与骨密度负相关，而跟骨则没有这种相关性[25]。
五、骨髓脂肪旁分泌/内分泌功能与骨质疏松
脂肪作为内分泌器官的研究最初集中在白色脂肪，近年来骨髓脂肪的旁分泌/内分泌功能也引起广泛关注。目前较多的研究集中在骨髓脂肪细胞通过旁分泌和内分泌产生的因子对成骨/破骨平衡产生不良影响。研究发现，骨髓脂肪细胞可以释放炎症细胞因子如IL-6、IL-1β和TNF-α进入骨髓微环境负向介导骨代谢[26]。相反，敲除IL-6[27]或者TNF-α[28]可以拮抗高脂饮食导致的小鼠骨量降低。骨髓脂肪细胞也可以分泌核因子κB受体活化因子配体(RANKL)促进破骨细胞分化，导致骨代谢失衡[28]；此外，骨髓脂肪细胞分泌的Wnt(wingless-related integration site)信号通路相关的分泌型卷曲相关蛋白(secreted frizzled-related protein 1)可以抑制BMSCs成骨分化[29]。
骨髓脂肪通过旁分泌/内分泌产生的另外2个与骨代谢相关的重要激素为脂联素和瘦素。其中脂联素是脂肪细胞分泌最丰富的激素之一。最初认为，脂联素的主要来源为白色脂肪组织，近年的研究发现骨髓脂肪细胞分泌的脂联素(包括低、中和高分子量脂联素)明显多于白色脂肪[5]。脂联素通过与脂联素受体1和2(adiponectin receptors1 and 2，AdipoR1和2)结合发挥作用。尽管脂联素被认为是脂肪细胞分泌的少数保护性生物活性肽之一，但对骨骼而言，一些研究发现脂联素与骨密度负相关、而有些研究报道为正相关[30,31]。有关脂联素与骨代谢关系出现的不同结果[32]，可能与脂联素在中枢和外周的效应以及激动AdipoR1和2的作用相反有关。脂联素若激动蓝斑核神经元中3-磷脂酰肌醇激酶(PI3-K)/叉头框蛋白O1(Forkhead box protein O1，FOXO1)信号通路可以增加骨量，而激活其在成骨细胞的PI3-K/FOXO1信号通路则呈相反的结果[33]。推测脂联素可能因不能顺利通过血脑屏障使其中枢作用弱化，而外周(降低骨量)的作用占优势。此外，Bjursell等[34]发现，分别敲除AdipoR1和2两种受体对小鼠的体重和糖代谢也有相反的效应。另一个骨髓脂肪细胞分泌的重要激素为瘦素。瘦素缺乏的ob/ob小鼠模型曾经被认为是研究骨髓脂肪与骨量减少关系的理想动物模型。尽管这些小鼠椎体骨密度增加，但股骨骨密度降低，骨髓脂肪增加[35]。瘦素作用机制较为复杂，其通过中枢与外周的作用有所不同。中枢的作用导致骨形成减少，骨吸收增加，骨量减少；外周的作用则相反[36]。近来发现，瘦素在骨髓中的作用也与其中枢作用相似。尽管瘦素的受体不存在于成熟的成骨细胞或骨髓脂肪细胞，但却表达于BMSCs[37]。Yue等[38]利用Prx1-Cre；Leprfl/fl小鼠去除BMSCs瘦素受体的作用而不影响下丘脑神经元的瘦素受体，发现瘦素通过作用于BMSCs的Janus激酶2/信号转导与转录激活子3(Jak2/Stat3)信号通路抑制成骨作用，促进成脂分化。与皮下脂肪组织相比，骨髓脂肪分泌瘦素的量更大[39]，提示骨髓脂肪细胞可能通过瘦素促使骨代谢失衡。但是与这些研究不符的是，相对于白色脂肪，健康成人分离提取的骨髓脂肪细胞中脂联素和瘦素的mRNA表达量较低[6]，这可能与不同分离方法、部位、种族及生理病理状态下的骨髓脂肪细胞的内分泌功能的差别有关。
六、调控骨髓脂肪与骨质疏松治疗
临床上噻唑烷二酮类、甲氨蝶呤[40]和糖皮质激素等药物增加骨折风险共同的病理基础是增加了BMSCs的成脂能力。反之，减少骨髓脂肪细胞似乎可作为提高骨量和治疗骨质疏松的可行策略。动物实验中，在糖皮质激素相关的骨质疏松[41]和去势后的骨质疏松小鼠模型中[42]，使用唑来膦酸盐后骨髓脂肪细胞数目恢复到造模前的基线水平，成脂分化的基因表达下调。临床上绝经后骨质疏松女性使用了利塞膦酸钠或雌激素后骨髓成脂能力降低[43]。这提示，临床上常用的抗骨质疏松药物对骨髓脂肪可能具有负向调节作用。新型降糖药胰升糖素样肽1类似物(glucagon-like peptide 1 receptor agonists，GLP-1 RA)可以明显降低血糖和体重，同时在去势后骨质疏松的雌性老龄大鼠模型、雄性SD老龄大鼠模型、链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠、果糖诱导的胰岛素抵抗大鼠模型和高脂血症大鼠模型等都证实了GLP-1RA在改善骨代谢和治疗骨质疏松方面的显著作用，其中的主要机制包括GLP-1RA抑制BMSCs的成脂分化、促进成骨分化[44]。但meta分析和基础实验和临床实验的结论并不完全一致。一项meta分析表明，短效GLP-1RA降低骨折风险，而长效GLP-1RA却增加了骨折风险[45]。同时，近期有临床实验表明，GLP-1RA不增加骨折风险[46]。所以目前的证据尚不足以支持GLP-1 RA可以用于骨质疏松的防治。
由于PPARγ决定了BMSCs的成脂分化方向，因而从减少骨髓脂肪的角度看，PPARγ是抗骨质疏松的可能有效靶点。动物实验中发现，PPARγ抑制剂增加了C57BL/6小鼠成骨细胞成骨能力和骨量[47]，但拮抗PPARγ带来的对糖代谢的不良影响尚不明确，单纯的PPARγ抑制剂治疗骨质疏松可能会陷入顾此失彼的困境。并且在1型糖尿病的动物模型中，使用PPARγ抑制剂尽管可明显抑制骨髓脂肪生成，却不能防止骨量的丢失[22]。该实验结果提示，PPARγ抑制剂的作用可能还不足以抵消1型糖尿病对骨骼的不良影响。开发靶向骨髓脂肪的抗骨质疏松药物仍然任重道远。
七、展望
目前骨质疏松的诊断和疗效判定以骨密度为主要参考指标，但由于骨密度变化的速度较慢，临床上如果用骨密度作为权衡人体的骨代谢平衡的指标存在一定的滞后性。应用MRS无创测定患者不同部位的骨髓脂肪相关系数的变化可能有助于骨质疏松的早期诊断和骨折风险预测。但如何联合MRS和骨密度评估患者的骨折风险需要进一步研究。另外，在治疗上，考虑到骨髓脂肪在骨髓中的富集性，靶向骨髓脂肪的药物联合常规抗骨质疏松药物可能进一步提高疗效，降低骨折风险。但目前缺乏相关靶向骨髓脂肪药物的研发，同时，不同部位骨髓脂肪功能的差异使得骨髓脂肪与骨质疏松的关系显得更加复杂。因此，如何充分利用骨髓脂肪作为骨质疏松诊断、治疗和监测的切入点，仍需要今后深入研究。
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