CK注：世界骨质疏松日是在1996年最早由英国国家骨质疏松学会创办，从1997年由国际骨质疏松基金会(IOF)赞助和支持，当时定于每年6月24日为世界骨质疏松日。其宗旨是为那些对骨质疏松症防治缺乏足够重视的政府和人民大众进行普及教育和信息传递提供了一个非常重要的焦点信息。随着参与国和组织活动逐年稳定地增长，世界骨质疏松日的影响日益扩大，到了1998年世界卫生组织(WHO)开始参与并作为联合主办人，担当了一个非常重要的角色，并将世界骨质疏松日改定为每年10月20日。为迎接2022骨质疏松日，陆续更新公众号内部分内容。
- 根据最近的发现，骨骼的功能意义已重新评估。除众所周知的矿物质机械支持和储存外，矿化间充质组织还输出对调节循环磷酸盐和全身能量代谢至关重要的肽。现在对骨骼及其在维持矿物质和代谢稳态中的作用有更完整的了解。
骨质疏松症是一种以骨量减少、骨质量受损以及男女均有骨折倾向为特征的疾病。以前，以背痛、椎体骨折和在平片上矿化减少为特征的综合征背景下考虑该病。过去，对具有这些特征的患者采用的方法侧重于确定低骨量的继发性原因，并通过矫形干预和疼痛管理治疗骨折【J Clin Endocrinol Metab. 1996;81:1–5】。然而，随着骨密度测量的出现、新治疗方案的研发和公众意识的提高，骨质疏松症作为一种原发性疾病以多种表现形式出现，适合通过积极的预防和干预进行管理。在此期间，在理解该疾病的复杂发病机制方面也取得重大进展【Eur J Endocrinol. 2017;177:R69–R83；Nat Rev
Dis Primers. 2016;2:16069】。此外，在描绘骨重建在正常生理学中的作用方面，特别是在定义骨获得峰值的过程方面，也取得了巨大进展【Osteoporos Int. 2016;27:1281–1386】。最近，还发现骨骼是一个内分泌器官，通过释放骨特异性肽来调节代谢稳态，骨特异性肽可调节葡萄糖转运、磷酸盐平衡和肌肉功能。关于骨骼的内分泌和能量代谢相关内容，可见Endocrine Reviews的综述，链接：除这些进展之外，对于低骨矿物质密度(bone
mineral density，BMD)与骨折风险之间的关联强度以及骨骼定性方面作为骨折的附加风险决定因素的重要性，也开始形成共识【N Engl J Med. 2007;356:2293–2300；Ann N Y
Acad Sci. 2017;1402:18–30】。较新的成像技术提供了解骨微结构世界的窗口，这些进展现在使研究者能够更好地了解与骨骼脆性相关的许多疾病和药物【Curr Osteoporos Rep. 2017;15:509–520；Can
Assoc Radiol J. 2016;67:28–40】。在了解该疾病的流行病学以及骨折对患者和社会经济影响方面也取得了长足的进步。出现的情况是，骨质疏松症是一种具有高并发症发生率和死亡率风险的疾病【J Bone Miner Res. 2018;33(5):795–802；J Bone
Miner Res. 2017;32:1802–1810】。该领域的进展导致能够增加骨量和改善骨质量的药物的研发，这些药物已被证明能有效降低骨折的发生率。自1995年美国FDA首次批准新的抗骨质疏松药物以来，美国人群的骨折率显著下降。但在过去数年中，这种良好趋势发生了逆转，引起了人们对被称为“骨质疏松症治疗危机（crisis
in osteoporosis treatment）”的现象的极大兴趣【J Bone Miner Res. 2016;31:1485–1487】。尽管不良事件的发生率很低，但其重要性低估了大多数患者享有的巨大骨折预防益处，导致医生处方不足和患者不愿使用药物。因此，理解和治疗该疾病的系统方法在于理解和骨骼重塑生理学和基本骨骼单元的紊乱过程，以及适当使用可用于诊断和管理的工具。
骨骼是机体最大的器官系统之一，由矿化基质和高度活跃的细胞重塑单元组成，细胞重塑单元的组成包括：- 除了结构功能之外，骨骼还充当矿物储库，通过正常的重塑过程和分泌骨特异性因子，如成纤维细胞生长因子23 (FGF23)，确保维持血清钙和磷水平。
- 同样重要的是，骨骼是造血家园，在低氧环境下维持由成骨细胞、脂肪细胞、网状内皮细胞、血窦以及间充质基质细胞和干细胞组成的骨小梁内的生态位。这个微环境（niche）提供的祖细胞，可以回应损伤在任何地点在身体的关键修复过程。
- 值得注意的是，成人骨骼也有一个巨大的脂肪库，占身体所有脂肪组织的10%至15%。
因此，很明显，骨骼的结构或代谢功能的改变对生物体的整体健康有着巨大的影响【Physiol Rev. 2017;97:667–698】。骨骼发育始于胚胎早期。这一过程始于间充质细胞的浓缩，间充质细胞分化为软骨结构。骨形成可通过以下两种机制之一发生【Anatomy and Ultrastructure of Bone. New York: Lippincott Williams
& Wilkins; 1999】:- 软骨内(即通过使用软骨框架并涉及成骨细胞在软骨基质顶部沉积真正的骨基质，随后是破骨细胞驱动的基质和细胞周转)，或
- 膜内骨形成，其中间充质前体分化为骨形成成骨细胞并在没有软骨模板的情况下沉积骨基质。
长骨和椎骨的生长涉及软骨内骨形成。生长板中的软骨细胞增殖并肥大；然后，肥大的软骨细胞指导其基质的矿化，并且与破骨细胞的作用一起，部分降解其基质。软骨受到血管的侵袭，矿化软骨的骨针被成骨细胞覆盖，形成松质骨或小梁骨，通常称为原发性海绵骨。这些结构被再吸收并被完全由骨组成的小梁板替代，称为继发性海绵状结构(图1)。这个过程发生在长骨的末端和椎骨体中。CC，钙化软骨；F、形成；LB，板层骨；R，再吸收；Rev，反转；WB，编织骨。
Baron R. Anatomy and ultrastructure of bone. In: Favus
MJ, ed. Primer on the Metabolic Bone Diseases and Disorders of Mineral Metabolism. 2nd ed. New
York, NY: Lippincott-Raven; 1993:3–9. Copyright 1993, American Society for
Bone and Mineral Research
膜内骨形成发生在扁平骨(如颅骨、肩胛骨和回肠)中软骨模板旁边和长骨的外表面，导致骨膜附着和扩张。在膜内获取的早期阶段形成了机织骨，具有紊乱的I型胶原纤维和紊乱的骨细胞网络，但随后变得更有组织，因为成骨细胞的定向层产生了板层骨。如前所述，软骨内和膜内骨形成的主要区别在于后者不使用钙化软骨作为成骨细胞的直接模板。皮质骨是长骨轴中的致密骨。它占骨骼质量的80%，决定骨骼的形状，并提供大部分强度。在纵向骨骼生长过程中，软骨内和骨膜同位骨的形成决定了骨的长度和宽度【Osteoporos Int. 2016;27:1281–1386】。新皮质骨是通过一种称为模拟的过程形成的，在该过程中成骨细胞的活性与破骨细胞的骨吸收无关。建模导致骨骼形状变化，这对于定义骨骼强度至关重要。重要的是，造模受机械力的影响，并且在青少年生长突增期间增加【Osteoporos Int. 2016;27:1281–1386】。随着骨伸长，必须通过造模/再吸收过程来塑造生长板正下方形成的宽皮质，以允许这些骨伸长，同时维持和延伸骨干的窄管状结构。骨重塑是骨骼活动的基本要素，为骨骼提供稳定性和弹性。是定义成人骨量和维持的过程(图2)。1、早期破骨细胞性骨吸收(osteoclasts， OCL)。
2、单核细胞晚期骨吸收(mononuclear
cells， MON)。
3、与前成骨细胞(pre-osteoblasts， POB)的逆转期。
4、成骨细胞早期形成基质(osteoblasts， OB)。
5、晚期骨形成伴矿化。
6、完成重塑循环，向内衬细胞回复。
Eriksen EF. Normal and pathological
remodeling of human trabecular bone: three dimensional reconstruction of the
remodeling sequence in normals and in metabolic bone disease. Endocr Rev.
1986;7:379–408. Copyright 1986 by The Endocrine Society.
重塑是暂时性协调过程，以维持骨形成量和再吸收量之间的平衡。基本多细胞单位(Basic
multicellular units ，BMUs)进行骨重塑，由成骨细胞、破骨细胞、骨内衬细胞和骨细胞组成。松质骨或小梁骨中的重塑比皮质骨中的更活跃【J Bone Miner Res. 2001;16:1583–1585】。在较小的动物中，例如啮齿动物，皮质骨可以保持板层。在大型动物和人类中，板层皮质骨通过哈弗氏骨重塑逐渐被取代，形成圆柱形骨。骨重塑的启动受内分泌、旁分泌和自分泌因子的指导。骨细胞通过小管释放因子进行交流，被认为启动了重塑过程，向内衬细胞和成骨细胞提供信号【Endocrinol Metab Clin North Am. 2017;46:1–18】。这些细胞然后可以发出信号，将破骨细胞吸引到发生骨吸收的重塑部位。随后释放基质蛋白，结合破骨细胞衍生因子，指导成骨细胞分化，胶原合成，最终基质矿化。骨基质由以具有各种取向的分层铺设的I型胶原纤维组成，哺乳动物骨骼中的一部分可能是无序的，但仍增加基质的强度(图3和4)。基质含有多种其他蛋白质，包括在基质内I型胶原与非胶原蛋白相互作用中可能重要的其他胶原蛋白类型。非胶原蛋白，如骨钙素和几种蛋白聚糖，约占骨中总蛋白的10%，可指导纤维形成，矿化骨，调节骨细胞与其基质的附着，并在骨形成和再吸收细胞的功能中发挥作用。(a)通过旋转阴影电子显微镜，前胶原(≅300 nm长)表现为绳状三螺旋，球状羧基(c)-末端(右侧)和氨基(n)-末端结构域与该螺旋相连。
(b)查普曼（Chapman）胶原纤维模型。图示了胶原纤维内原胶原单体的排列，相对于重叠去和间隙区原纤维染色模式的位置。原胶原分子显示为水平线，原纤维中所有单体的极性由一个单体上的N（NH 2末端）和C（COOH末端）标记表示。
(C)通过乙酸铀酰染色显现的原纤维中的戊二醛固定的肝素 - 金-I型胶原原纤维复合物的电子显微照片。显微照片下面的字母显示了阳性染色原纤维条带的位置。B中的分子模型与电子显微照片之间的虚线表示相应的重叠去和间隙区域。肝素 - 金颗粒相对于原纤维分子结构的位置可以在每个67nm周期内测量，从重叠区域的左边界中心（原点，箭头）开始，并延伸到中心。差距区的右边界。肝素 - 金颗粒表现为圆形暗物体，主要存在于原纤维的“a”带区域。
J Cell Biol。1994;125:1179–1188
Trends Genet. 2004;20:33–43
Osteoporos Int. 2006;17:319–336
基质的蛋白质组成可能不同，特别是在机织骨和板层骨之间【Bone. 2011;49:1365–1374】。蛋白质的范围从大细胞附着蛋白质(例如，血小板反应蛋白、纤连蛋白)，其分子质量可高于400 kDa，到小的、依赖维生素K的γ-羧基化蛋白(如基质Gla蛋白和骨钙素)，它们是6-kDa钙结合蛋白。骨钙素可以不完全或完全羧化，这取决于分子中被维生素K依赖性酶转化为γ-羧基化谷氨酸的谷氨酸位点的数量；不完全γ-羧基化可能代表抑制剂如华法林的作用或脱羧过程的作用。羧化不足的骨钙素(GLU13-OCN)在骨吸收过程中从骨基质中释放(见下文)。一些非胶原蛋白(如双蛋白聚糖、核心蛋白聚糖、骨唾液酸蛋白、骨桥蛋白、骨粘蛋白)呈高酸性，在信号传导和造血基质中起重要作用。除了细胞附着序列之外，这些蛋白质还含有不同量的碳水化合物，被称为糖蛋白或蛋白聚糖。骨的非胶原蛋白通常被高度磷酸化，使其能够结合钙，从而可能调节矿化。在实验小鼠模型中进行的遗传操作提供了关于非胶原蛋白功能的重要信息。例如，在一些研究中，骨连接蛋白基因的零突变导致骨量减少，表明这种基质蛋白可能对维持正常的骨结构很重要【J Clin Invest. 2000;105:1325】。然而，骨钙素基因的缺失已被证明会增加骨量【Nature. 1996;382:448–452】。骨钙素不表达的小鼠也具有惊人的身体组成和胰岛素敏感性表型【Cell.
2007;130:456–469】。主要由Karsenty实验室进行、且现已由其他组验证的研究表明，GLU13-OCN从骨骼基质中释放出来，可与β细胞和脂肪细胞表面的G蛋白偶联受体结合【Br J Pharmacol. 2014;171:1129–1141】。这导致脂肪细胞中胰岛素生成增加和葡萄糖转运增加。此外，胰岛素本身也能刺激基质GLU13-OCN的释放。这种活性需要破骨细胞的共同参与，将骨重塑整合到胰岛素敏感性的调节中。成骨细胞中的胰岛素信号通过叉头盒蛋白O1(FOX01)下调骨保护素(OPG)，从而增强破骨细胞生成，最终增加骨吸收。由此产生的破骨细胞活性增加为γ-羧基谷氨酸残基的酸介导脱羧作用创造了必要条件(图5) 【Cell. 2010;142:309–319；Cell. 2010;142:296–308】。这是证明骨骼内分泌性质的几项显著研究的第一项，而这种情况下是由于基质蛋白的释放。重要的是，这一发现使得人们对骨骼在调节能量代谢中的作用有更深入了解。有报道推测前馈调节环路将骨转换与能量调节联系起来，如Ferron 等【Cell. 2010;142:296–308】以及Fulzele等【Cell. 2010;142:309–319】所提出的。胰岛素激活骨骼重塑(即通过成骨细胞增加骨形成，通过破骨细胞增加骨吸收)，进而将未羧基化的骨钙素从骨骼基质释放到循环中。这会增强胰岛素分泌，增加脂肪细胞的胰岛素敏感性。一种由Esp基因编码的酪氨酸磷酸酶OST-PTP结合胰岛素受体(IR)，并通过去磷酸化抑制其活化。转录因子Twist2是成骨细胞分化的关键下游抑制因子。骨保护素(OPG)是核因子κB配体(RANKL)受体激活剂的成骨细胞特异性抑制剂，作为诱饵受体阻断骨吸收。羟基磷灰石是骨的矿物质成分。
Cell. 2010;142[2]:198–200
I型胶原是骨基质中含量最丰富的蛋白质。它是一种刚性、杆状、不溶性分子，由两条α1链和一条α2链组成(见图4) 【N Engl J Med. 2006;354:2250–2261；Osteoporos
Int. 2006;17:319–336】。胶原蛋白链由氨基酸的重复三链体组成，三分之一位置含有甘氨酸，脯氨酸和赖氨酸含量较高2Xα1和α2胶原链形成三螺旋，通过脯氨酸和赖氨酸残基的羟基化稳定，这一过程还需要抗坏血酸。胶原蛋白是作为可溶性前体蛋白合成的，在羧基(C)-和氨基(N)-末端有较大的非螺旋延伸。前胶原还含有C-末端链间二硫键，有助于启动三重螺旋结构的形成。前胶原释放到粗面内质网池中，包裹在高尔基囊泡中，向细胞外分泌。然后通过特异性肽酶去除前胶原肽末端，产生成熟的不溶性胶原分子，通过分子内和分子间交联进一步稳定。主要的胶原交联由赖氨酸和羟基赖氨酸残基形成，最终形成吡啶环结构(图6)。A. 在骨形成期间，I型胶原分子作为原胶原合成，然后氨基（N） - 末端和羧基（C） - 末端前肽（分别为P1NP和P1CP）被切割。分子的中心部分，即胶原的三重螺旋，被掺入骨基质中。
B. 在骨吸收期间，产生I型胶原分解的不同产物：由组织蛋白酶K产生的交联分子（吡啶啉[Pyr]，脱氧吡啶啉[DPD]），C-末端和N-末端交联的端肽（
分别为CTX-1和NTX-1）和由金属蛋白酶（ICTP或CTX-MMP）产生的C-末端端肽。
Osteoporos Int. 2007;18:1451–1461
此外，非酶交联是由产生晚期糖基化终产物(AGEs)的反应(如戊聚糖)形成的。随着年龄的增长，特别是在存在糖尿病的情况下，这一过程更加明显，损害了骨中I型胶原的结构和功能作用【J Intern Med. 2018;283:140–153】。骨矿物质是由不完美的小羟基磷灰石晶体形成的，除钙和磷酸盐外，还含有碳酸盐、镁、钠和钾。矿化通过两种不同的机制发生，一种在细胞外，由碱性磷酸酶催化，另一种在基质小泡中，由磷酸化酶1加速【Biophys
Rev. 2017;9:747–760.】。这两种酶对于充分矿化都是至关重要的，前者作用于增强焦磷酸盐的分解，焦磷酸盐是磷酸钙沉淀抑制剂，后者作用于磷酸胆碱和磷酸乙醇胺，加速基质内磷酸盐的可利用性。钙化软骨和编织骨的最初矿化可能是通过基质囊泡发生的。这种膜结合体从软骨细胞和成骨细胞中释放出来，含有碱性磷酸酶，并可在有足够磷酸盐的情况下形成结晶巢。相反，在板层骨中，胶原纤维紧密堆积，基质小泡很少见到。胶原沉积后不会立即矿化，在矿化前沿和成骨细胞之间有一层10-100微米的未矿化类骨质。矿化可能需要改变原纤维的堆积和非胶原蛋白的组成。一组骨细胞中合成的蛋白称为SIBLINGs(小的整合素结合配体、氮连接糖蛋白，small, integrin-binding ligand, N-linked glycoprotein），包括骨桥蛋白、牙本质基质蛋白-1 （DMP1)、骨唾液蛋白和基质细胞外磷酸糖蛋白（MEPE）等，在钙沉积到骨基质中具有关键作用。SIBLINGs与几种内肽酶结合，包括磷酸调节内肽酶同系物，通过调节FGF23合成调节磷酸代谢，但也影响破骨细胞形成和能量代谢【Crit Rev
Eukaryot Gene Expr. 2012;22:61–86；Primer on the
Metabolic Bone Diseases and Disorders of Mineral Metabolism. 8th ed. Ames】。胶原原纤维的矿化始于钙原纤维的孔区（hole zone），那里有更多的无机离子积累的空间(见图3)。矿化需要钙、磷和碱性磷酸酶。在维生素D缺乏、钙摄入量极低、低磷酸盐血症、编码碱性磷酸酶的基因突变以及重要的矿化抑制剂焦磷酸的情况下，这一过程会受到损害【Nat Rev Dis Primers. 2017;3:17101】。骨活检中矿化不足的特征是更多的类骨质(即骨表面新合成的非矿化胶原)，最显著的矿化不足发生在低磷血症综合征中，该综合征是由于缺乏总的非特异性碱性磷酸酶而导致。最近使用重组形式碱性磷酸酶的研究显示，通过促进骨骼的完全矿化和改善低磷酸盐血症患者的生活质量，取得了可喜的结果【J Clin Endocrinol Metab. 2016;101:334–342】。作为骨重塑过程的一部分，胶原被一组称为胶原酶（collagenases）的蛋白酶切割和降解。它们是基质金属蛋白酶（matrix
metalloproteases，MMPs），能在中性酸碱度下引发胶原纤维的裂解，是胶原降解、基质分解和骨重塑过程的核心。已经描述了三种胶原酶:胶原酶1 (MMP1)、2
(MMP8)和3(MMP13)【J Cell Biochem.
1993;53:288–295】。静止的成骨细胞分泌有限数量的胶原酶，胶原酶合成的变化与骨吸收的变化相关。胶原酶在骨重建中起着至关重要的作用。胶原酶3基因缺失或1型胶原α1基因突变的小鼠对胶原酶3切割具有抗性，并且在暴露于甲状旁腺激素后不能再吸收骨【J Clin Invest.
1999;103:517–524】。成骨细胞合成胶原酶受骨微环境中的激素和细胞因子的调节，这些激素和细胞因子通过转录和转录后机制发挥作用【J Biol Chem. 2004;279:5397–5404】。应当注意的是，尽管胶原酶切割是早期和必要事件，但重塑过程中胶原的大多数降解是由破骨细胞完成的，破骨细胞分泌质子和溶解矿物质和矿物质的酶(如组织蛋白酶K)胶原片段的裂解导致其在尿液中排泄，在这种情况下，敏感方法可以检测N-末端或C-末端片段(参见下文)。最近的证据表明骨细胞参与了重塑。骨细胞是终末分化的成骨细胞，埋藏在骨骼基质中，但具有PTH受体并具有代谢活性。这些细胞排列在一个称为骨单位（osteon）的功能单元中，该单元包括一个与骨表面连通的复杂树突状网络，并可能参与机械传感。骨细胞也是核因子κB配体受体激活子( receptor activator for nuclear
factor κB ligand，RANKL)的丰富来源，其可增强破骨细胞分化，特别是在钙需求增加的状态下，如哺乳、或雌激素缺乏后立即出现。此外，骨细胞可以分泌酶，在称为骨分解性骨溶解的过程中直接降解骨基质，可能通过酸性磷酸酶和胶原酶的作用。骨细胞是否也分泌碱性磷酸酶并参与正常骨骼重塑本身仍有待商榷。骨由成骨细胞形成，成骨细胞是不经历有丝分裂的终末分化细胞，具有许多独特的特征(图7)。成骨细胞来源于骨骼微环境中的间充质细胞【J Clin Invest. 2000;105:1663–1668】。一些成骨前体可能出现在循环中，特别是在生长过程中或损伤后；它们起源于骨骼组织，但对骨形成贡献是不确定的。骨祖细胞或前成骨细胞复制并分化为表现出各种表型特征的活性成骨细胞【Bone. 2016;92:189–195】。例如，早期发育和修复过程中的成骨细胞产生编织骨，而更成熟的成骨细胞产生板层骨。成骨细胞活性在骨形成过程中变化。一些细胞高且紧密堆积，在小面积内产生大量基质；另一些则更平坦，在更大面积上以更慢的速度产生基质。然而，所有分化的成骨细胞都具有某些特征。它们通过缝隙连接相连，包含粗面内质网和大型高尔基复合体的密集网络，并以定向方式分泌胶原蛋白和非胶原蛋白。有些产物，如骨钙素，几乎是由成骨细胞和骨细胞独特合成的。源自成骨细胞的大部分骨钙素沉积在基质中，随后在骨重塑过程中释放。因此，血清骨钙素水平的变化反映的是骨转换，而不是骨形成本身。如前所述，GLU13-OCN可作为内分泌激素，促进胰岛素分泌并增强外周组织的胰岛素敏感性。破骨细胞通过再吸收骨基质的一个区域启动重塑循环，随后立即进行成骨细胞分化和类骨质(未矿化骨基质)产生，以取代再吸收的骨。在此过程中，一小部分成骨细胞进一步分化为骨细胞，将其自身包裹在矿化骨基质中并加入骨细胞网络。成熟骨表面布满骨衬细胞，其来源和功能尚不清楚。
.Nat Rev Rheumatol. 2012;8[11]:674–683
成熟的成骨细胞产生基质的能力有限，骨形成是通过新细胞群到达骨表面来维持的。成骨细胞的数量和功能由激素、局部生长因子和细胞因子决定。一些细胞作为典型的细胞有丝分裂原，增加前成骨细胞的数量，一些决定其分化为成熟成骨细胞，另一些改变成熟细胞的功能或促进骨分解形成【Eur J Endocrinol. 2018;178:R33–R44.】。成熟成骨细胞的最终命运各不相同。它们可能因细胞凋亡而死亡，它们可能嵌入基质中并成为骨细胞，或者它们可能转化为扁平的内衬细胞，后者几乎不合成蛋白质，并且用薄的细胞质层(即骨内衬细胞)覆盖骨表面的大部分(见图7)。骨衬里细胞会变平并具有成纤维细胞样外观。最近的研究已经开始阐明这些衬里细胞在重塑单位中作为更活跃参与者的作用，其方式类似于骨细胞而不是纯粹的静止细胞。例如，骨衬里细胞表达成骨细胞分化的主要转录因子osterix (Sp7)。此外，这些细胞通过小管与埋在基质中的骨细胞通讯，并表达相似的分化标记。PTH是一种骨重塑刺激剂，作为对于PTH的反应，骨衬细胞分化为成骨细胞，从而成为重塑单位内加速更新过程中必需的储备细胞池【Endocrinology.
1995;136:3624–3631】。骨衬细胞还表达干细胞样基因，这可能表明成骨细胞可能存在去分化，或者这些细胞是骨骼或甚至成脂祖细胞的另一个储库(见后文)。骨髓基质含有多能细胞，可分化为多种间充质谱系细胞，包括成骨细胞、软骨细胞和脂肪细胞(图8)。最终细胞表型取决于细胞微环境中存在的因素、缺氧程度、这些细胞的生化和代谢特征及其对细胞内信号和基因表达的影响。转录因子的类型和数量是与脱氧核糖核酸结合以调节基因转录的核蛋白。有些可以决定未分化细胞的命运，尽管这一过程很复杂，包括代谢决定因素，如足够的线粒体和糖酵解机制【J Biol Chem. 2014;289:11410–11420】。间充质干细胞要成为成骨细胞，需要激活几个关键因子，如runt相关转录因子2（runt-related transcription factor 2），骨形态发生蛋白2（bone morphogenetic protein 2），转化生长因子-β（transforming growth factor-β）和转录因子Sp7（transcription factor Sp7，osterix），但这个级联中的事件的精确顺序尚未完全澄清。
相反，为了实现完全脂肪细胞分化，在间充质干细胞中需要已经存在两组被激活的关键因子：CCAAT /增强子结合蛋白α，β和δ（CCAAT/enhancer binding proteins α, β, and
δ），以及过氧化物酶体增殖活化受体α，γ2和δ（peroxisome proliferative activated
receptors α, γ2, and δ）。内源性（例如，前列腺素J2，长链和氧化脂肪酸）或外源配体（例如罗格列酮）的过氧化物酶体增殖活化受体γ2活化显著改变间充质干细胞向脂肪细胞途径的分配、并远离成骨细胞谱系。
在体外，这种转变被表征仅能选择二者之一的变化，即要么变成脂肪细胞，要么转变为成骨细胞，但不能同时为二者。炎性细胞因子可以从脂肪细胞释放，并且脂肪细胞也产生循环激素，例如瘦蛋白，adipsin，脂联素和抵抗素。
实线箭头表示用于调节的确认网络，虚线箭头表示潜在的调节途径。
BMP，骨形态发生蛋白; C / EBP，CCAAT /增强子结合蛋白; Dlx5，远端同源框5; HSC，造血干细胞; IGF，胰岛素样生长因子; IGFR，胰岛素样生长因子受体; IL，白细胞介素; M-CSF，巨噬细胞集落刺激因子; Msx1，MSH同源框同系物1; OPG，osteoprotegerin（肿瘤坏死因子配体超家族，成员11）; PPAR，过氧化物酶体增殖活化受体; RANK，核转录因子κB的受体激活子（肿瘤坏死因子受体超家族，成员11a）; RANKL，核转录因子κB配体的受体激活子（肿瘤坏死因子受体超家族，成员11）; Runx2，runt相关转录因子2;TGF，转化生长因子。
Nat Clin Pract Rheumatol. 2006;2[1]:35–43
CCAAT/增强子结合蛋白(C/EBPs) β和δ以及过氧化物酶体增殖物激活受体-γ (PPARG)在向脂肪细胞分化中发挥重要作用，而runt相关转录因子2 (RUNX2)在细胞向成骨细胞分化中起着核心作用【PLoS One. 2017;12:e0188056；EMBO J. 1997;16:7432–7443】。RUNX 2基因的靶向破坏导致软骨细胞成熟紊乱，并且由于成骨细胞发育的停滞而完全缺乏骨形成【Cell. 1997;89:747–754.】。Osterix (Sp7)是软骨内和膜内骨形成所需的另一种转录因子。由RUNX2调控，被认为是成骨细胞分化的下一个阶段。Sp7-null小鼠由于成骨细胞分化晚期停滞，未能形成矿化骨骼。核因子之间的相互作用是转录和分化调节中的常见步骤【Cell. 2002;108:17–29】。Osterix与活化T细胞的核因子(NFAT，一种调节成骨细胞发生和破骨细胞发生的转录因子)缔合并协同作用【Nature. 2004;428:758–763】。CCAAT/增强子结合蛋白（C/EBPs）可与RUNX2和活化转录因子(ATF)/环磷酸腺苷应答元件-结合蛋白家族相互作用。ATF4在成骨细胞功能中起核心作用，其活性受核基质附着区结合蛋白SATB2调节，该蛋白与ATF4和RUNX2相互作用，调节成骨细胞分化【Mol Biol Cell. 2008;19:5373–5386】。成骨细胞向骨细胞的转化涉及代谢活性的改变，及与相邻骨细胞及骨表面细胞相通的树突状突起广泛网络的发育(图9)。成骨细胞和骨内衬细胞都含有通过小管与下面的骨细胞相连的细胞突起。矿化完成后，骨细胞被包裹在矿化骨中，这些过程维持骨细胞之间的联系，并允许至少两个对多细胞单位至关重要的重要特征。首先，延伸的合胞体及其广泛的小管网络(允许小分子从骨髓空间快速扩散)以及细胞-细胞连接(允许从一种骨细胞的细胞质直接转运到另一种骨细胞的细胞质)对于支持骨细胞的生存能力很重要。其次，它允许皮质内表面和基质之间以分泌因子的形式不断交换信息，以调节重塑以及前体如骨衬细胞的潜在募集(图10；见图9)。骨细胞似乎是产生基质的成骨细胞的后代，成骨细胞是已知表达标志物如Stro1，CD29，CD105，CD166的间充质干细胞的后代。产生基质的成骨细胞表达成骨细胞分化所必需的Cbfa1和osterix，然后是产生类骨质所必需的碱性磷酸酶和胶原蛋白。骨钙蛋白由晚期成骨细胞产生并继续由骨细胞表达。通过一些未知的机制，一些指定的细胞开始嵌入类骨质并开始延伸树突投射，保持与已经嵌入的细胞和细胞在骨表面上的连接。诸如E11 / gp38和MT1-MMP的分子似乎在树突/小管形成中起作用，而诸如destrin和CapG的分子调节细胞骨架。X连锁磷酸盐调节内肽酶同源物（PHEX），基质细胞外磷酸糖蛋白（MEPE）和牙本质基质蛋白-1（DMP1）调节生物矿化和矿物质代谢，成纤维细胞生长因子23（FGF23）调节肾磷酸盐排泄。FGF23不仅在来自低磷血症动物的骨细胞中升高，而且在正常大鼠的骨细胞中升高。硬化蛋白是成熟骨细胞的标志物，并且是骨形成的负调节物。ORP150可以在缺氧环境中保持该细胞的活力。
J Bone Miner Res. 2011;26[2]:229–238
图10
A. 早期、嵌入的骨细胞的可视化。使用抗-E11免疫染色和通过alexa488染色对鬼笔环肽肌动蛋白细胞骨架可视化，可以在12天的小鼠颅骨中观察到包埋的骨细胞和早期骨细胞。合并后的图像显示E11的大部分位于细胞表面和树突状过程中。此外，如果仔细观察，在细胞表面上的树突末端具有未知功能的球根状尖端。该结构必须与骨表面上的细胞相接。
B. 酸蚀刻的树脂包埋的鼠样品，显示骨细胞空隙向骨表面输送小管。注意骨小管粗糙表面朝向骨表面，而骨小管的光滑表面则背向骨表面，表明正在形成的和已形成的小管之间的差异。
两组图像都证明了该网络的复杂性以及骨细胞与骨表面的交界。
J Bone Miner Res. 2011;26[2]:229–238.
最初，骨细胞可能继续合成胶原，并在矿化中发挥作用。随后，骨细胞-成骨细胞合胞体的主要作用可能是感知机械力【Calcif Tissue Int.
2014;94:25–34.】。骨细胞可能感知骨变形以及液体移动，并为骨大小和形状的适应性重塑提供信号。一个假设是，小应变在骨细胞之间的小管中产生液体剪应力。这种效应可能通过离子通道的变化或生物活性分子的产生导致细胞内信号传导。骨微损伤区域含有凋亡的骨细胞，这可能为破骨细胞开始骨重塑以及随后受损骨的去除提供信号【N Engl J Med. 2006;354:2250–2261】。成骨细胞谱系的细胞对形成骨和启动骨吸收很重要。成熟成骨细胞和骨细胞都可能在激活再吸收中发挥作用。大多数刺激骨吸收的激素因子作用于成骨细胞谱系的细胞。它们刺激破骨细胞形成所必需的RANKL和集落刺激因子1 (CSF1)的合成和释放【Calcif Tissue Int. 2014;94:25–34】。成骨细胞还产生调节骨吸收的其他因子，包括细胞因子、前列腺素和局部生长因子。在细胞培养中，成骨细胞和造血细胞之间的接触似乎是破骨细胞形成的必要条件(图11)。如前所述，成骨细胞也可能通过释放胶原酶、其他金属蛋白酶和纤溶酶原激活剂在启动骨吸收中发挥作用。这些酶可以去除阻止破骨细胞进入矿化基质的骨表面蛋白。成骨细胞还通过产生调节造血细胞生长发育的生长因子、细胞因子和趋化因子来影响骨髓的发育和维持。基本多细胞单元（BMU）内的细胞间通信途径，其包括骨重塑过程的所有步骤。
1，从骨细胞到成骨细胞的刺激和抑制信号（例如，制瘤素M [OSM]，甲状旁腺激素相关肽[PTHrP]和硬化蛋白）。
2，从破骨细胞到成骨细胞的刺激和抑制信号（例如，基质衍生的转化生长因子-β[TGF-β]和胰岛素样生长因子1 [IGF-1]，分泌的CT-1，Sema4D和S1P）。
3，成骨细胞谱系内的信号传导（例如，ephrinB2和EphB4，Sema3a，PTHrP，OSM）。
4，成骨细胞和破骨细胞谱系之间的刺激和抑制信号（例如，核因子κB配体[RANKL]，Sema3B，Wnt5a和骨保护素[OPG]的受体活化剂）。
5，骨髓细胞向成骨细胞发出信号（例如，巨噬细胞衍生的OSM，T细胞衍生的白细胞介素和RANKL）。
HSC，造血干细胞; MSC，间充质干细胞; OC，破骨细胞。
Bonekey Rep. 2014;3:481
破骨细胞来源于造血祖细胞，来源于骨髓。造血干细胞在细胞因子和可能的细胞间相互作用的指导下表达转录因子，这些转录因子定义了它们对破骨细胞谱系的作用(图12)。CSF1(如巨噬细胞集落刺激因子，M-SCF)是调节可分化为破骨细胞的祖细胞在骨髓中复制和发育的主要细胞因子。转录因子SPI1(以前称为PU.1)的表达也是破骨细胞前体细胞发育所必需的【Nature.
1997;386:81–84】。在骨髓中，破骨细胞前体细胞是多能的，可以分化为单核细胞-巨噬细胞、树突细胞或前破骨细胞【Blood. 2001;98:2544–2554】。后者融合形成高分化的多核破骨细胞，有吸收骨的作用。破骨细胞还表现出其他显著特征，包括大量线粒体、在氧化和缺氧环境中均具有功能的能力以及对凋亡的敏感性【Bone.
2018;115:25–30】。破骨细胞途径的进展受多种局部和全身激素的影响，这些激素可能包括1,25-二羟基维生素D、前列腺素和细胞因子白介素1(IL1)、白介素6和肿瘤坏死因子(TNF)。Osteomacs是骨重塑单元中的巨噬细胞，对于重塑单元上的顶冠（canopy）发育、降解蛋白质的清除以及抗原呈递可能很重要。此外，Osteomacs可能参与“老的”成骨细胞的去除。在其他细胞因子的影响下（数据未显示），造血干细胞（HSCs）主要在于髓系发展，分别表达c-Fms和核因子κB（RANK）的受体激活子、巨噬细胞集落刺激因子的受体（M- CSF）和RANK配体（RANKL），并分化为破骨细胞。骨髓中的间充质细胞响应一系列刺激，分泌促/抗破骨细胞生成蛋白的混合物，后者主要是骨保护素（OPG）。糖皮质激素（GCs）间接抑制骨吸收，但也可能靶向破骨细胞及其前体。雌激素（E2）通过复杂的机制抑制T细胞的活化，减少RANKL和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）的分泌；性激素类固醇还抑制成骨细胞和破骨细胞分化和寿命。调节骨吸收的关键因素是RANKL / OPG比率。
IFN，干扰素; IL，白细胞介素; M-CSF，巨噬细胞集落刺激因子;TGF，转化生长因子。
Primer on the Metabolic Bone Diseases and
Disorders of Mineral Metabolism. 8th ed. Ames, IA: Wiley-Blackwell; 2013:2–33,
Copyright 2013, American Society for Bone and Mineral Research
已阐明了直接调节破骨细胞形成和功能的成骨细胞谱系细胞产物的性质【Endocr Rev. 1999;20:345–357】。破骨细胞形成的主要刺激因子是RANKL，它是肿瘤坏死因子蛋白超家族的成员。这种蛋白最初被鉴定为活化的T淋巴细胞的产物，但也被认为是间充质基质细胞、前成骨细胞、骨细胞和肥大软骨细胞破骨细胞形成的关键刺激物。成骨细胞谱系细胞中RANKL的产生基本上受所有促进破骨细胞形成的物质刺激，包括甲状旁腺素、1,25(羟基)2D、前列腺素和许多细胞因子。RANKL缺陷小鼠不形成破骨细胞，并有骨硬化症。相比之下，向小鼠体内注射RANKL刺激破骨细胞的形成和骨吸收，但也可能与骨髓脂肪化的增加有关。RANKL是作为膜蛋白产生的；在活化的T淋巴细胞中，RANKL从细胞膜上裂解并作为可溶性因子释放【Nat Rev Endocrinol. 2016;12:518–532】。尚不清楚是否在成骨细胞谱系细胞中发生类似事件，但有一些证据表明裂解和释放可溶性RANKL发生在转移至骨的恶性细胞中。OPG是破骨细胞生成的天然抑制剂；它是RANKL的可溶性受体，可结合该配体并阻止RANKL与其同源受体RANK相互作用。OPG生成广泛。在骨髓培养物中，许多骨吸收刺激物，包括甲状旁腺素、1,25(羟基)2D和前列腺素E2，可抑制OPG的产生。对于这些因素，RANKL刺激和OPG抑制之间存在相互关系，导致破骨细胞生成的激活和吸收的增强。OPG缺陷小鼠患有骨质疏松症，而过度表达OPG的小鼠骨量增加。这些结果，以及RANKL缺陷小鼠和注射RANKL的小鼠的结果，表明破骨细胞介导的骨吸收受到RANKL和OPG联合作用的严格调节。RANKL的活性受体是RANK，它是TNF受体超家族的一员。破骨细胞及其直接前体细胞表达RANK，这种表达由RANKL与RANK的结合诱导，激活一系列细胞内途径，激活核因子κB和丝裂原激活蛋白激酶，以及NFAT和激活蛋白-1（AP-1）转录因子家族【J Exp Med. 1999;190:1741–1754】。TNF受体相关因子(TRAF)，特别是TRAF6，是细胞内结合RANK并参与RANK反应的泛素E3连接酶。TRAF-6基因缺陷的小鼠，像RANK基因缺陷的小鼠一样，会发展成骨硬化症。除了对骨骼的影响外，RANKL/RANK系统还参与淋巴细胞功能、皮肤屏障功能以及乳房和淋巴结发育。成熟破骨细胞表达RANK，用RANKL治疗这些细胞可抑制细胞凋亡并刺激吸收活性【Am J Pathol. 2000;157:435–448】。除RANKL外，M-CSF对破骨细胞的形成也是必不可少的。M-CSF缺乏的小鼠有骨质增生和少量破骨细胞【Nature. 1990;345:442–444】。在分离的破骨细胞前体细胞培养物中，M-CSF和RANKL必须同时存在才能形成成熟的破骨细胞。M-CSF增强破骨细胞前体的RANK生成，抑制破骨细胞前体和成熟破骨细胞的凋亡。M-CSF的受体，CSF1受体(CSF1R)(以前命名为C-FMS)，存在于破骨细胞前体和成熟破骨细胞上【J Exp Med. 1999;190:1741–1754】。CSF 1受体与M-CSF结合会激活受体中的酪氨酸激酶活性，从而引发一系列细胞内下游事件。一系列共激活分子对破骨细胞的发育至关重要。这些分子包括细胞质免疫受体酪氨酸基激活基序(ITAM)家族的成员，即Fc-受体γ亚单位(FcRγ)和DNAX活化蛋白12
(DAP12)。ITAM蛋白与破骨细胞前体细胞细胞膜中的受体蛋白相互作用。对髓细胞中与这些ITAM衔接子相关的受体的研究已经确定了至少两个与FcRγ-破骨细胞相关受体(OSCAR)和成对免疫球蛋白样受体(PIR)相关的候选者，以及两个与DAP12髓细胞表达的触发受体-2(TRUM2)和信号调节蛋白-β1
(SIRPB1)相关的候选物。FcRγ和DAP12缺陷小鼠尽管具有表达RANKL、RANK、M-CSF和CSF1R的能力，但仍存在骨硬化症和破骨细胞形成缺陷【Proc Natl Acad
Sci U S A. 2004;101:6158–6163】。该信号通路对尚未在遗传上建立的配体产生应答；与RANK一起，它刺激细胞内钙的积累，这是NFAT去磷酸化所需要的；这使得NFAT转运到细胞核，在那里它充当一种转录因子。在体外形成多核破骨细胞样细胞需要造血前体和间充质/成骨细胞谱系的细胞存在于相应生态位内【Endocrinology.
1990;126:2733–2741】。在体内和灭活骨的培养物中，单核前破骨细胞附着在骨表面并通过融合形成多核破骨细胞【J Clin Invest. 1995;95:2846–2852】。当细胞主动再吸收时，通过融合向破骨细胞中积累额外的核可能会继续。破骨细胞的寿命是有限的。当破骨细胞变得不活跃，会通过凋亡而死亡。促进骨吸收的激素可能延缓细胞凋亡，而吸收抑制剂可能加速细胞凋亡。限制破骨细胞再吸收程度的机制尚不完全清楚，可能与钙离子(积聚在破骨细胞再吸收表面下)或局部抑制因子(如转化生长因子β/TGFβ)的抑制有关，后者在再吸收过程中被释放和激活。成熟破骨细胞是一种独特的高度分化的细胞(图13)。它通常含有10-20个核，但在Paget病和骨巨细胞瘤中可见到多达100个核的巨大破骨细胞。破骨细胞的大尺寸可能是其吸收功能所必需的。这方面的最佳证据来自对树突细胞特异性跨膜蛋白(DC-STAMP)的研究，因为在小鼠模型中对该蛋白的抑制或其完全缺乏，导致仅产生具有受损的再吸收活性的单核破骨细胞【J Cell Physiol. 2016;231:2402–2407】。破骨细胞通过分泌H+和Cl离子进行脱矿质，从而使吸收腔隙酸化，以及分泌溶酶体组织蛋白酶K降解I型胶原。
ADP，二磷酸腺苷; ATP，三磷酸腺苷; ATP酶，腺苷三磷酸酶; CLC-7，氯离子通道7; RANK，核转录因子κB的受体激活剂; RANKL，RANK配体。
IBMS Bonekey. 2008;5:16–24
破骨细胞再吸收骨的能力取决于它们将骨表面的一个区域与细胞外液隔离并产生能够溶解骨矿物质和降解基质的局部环境的能力。破骨细胞必须极化并产生与吸收间隙相对的基底外侧膜，有利于吸收产物的排泄(见图13)。再吸收结构由分泌氢离子和蛋白水解酶的中央褶皱边缘区域组成，被称为足细胞的结构中的透明或封闭区包围。足细胞含有与αvβ3整合素连接的丝状肌动蛋白，并将细胞锚定在骨表面。破骨细胞通过足细胞中的整合素与基质中的非胶原蛋白如玻连蛋白和骨桥蛋白相互作用而附着于骨。邻近皱折边界膜的再吸收空间的酸化需要破骨细胞具有空泡质子泵(H+-ATP酶/腺苷三磷酸酶)和氯离子通道，该通道与穿过皱折边界膜的H+分泌电荷偶联以保持电子中性【Science.
1989;245:855–857；Proc Natl Acad Sci U S A.
1992;89:6257–6261】。这些破骨细胞H+-ATP酶泵与酸化细胞内细胞器的空泡质子泵相似，但在破骨细胞中它们被外化以增加再吸收空间中的细胞外氢离子浓度(见图13)。氢离子从碳酸酐酶II合成的碳酸中解离；这种解离产生的碳酸氢盐通过破骨细胞的基底外侧膜处的氯化物-碳酸氢盐交换而从细胞中除去。离子泵可以将溶解的钙从骨表面通过细胞输送到细胞外液中。然而，如果封闭区被破坏，钙也可以直接到达细胞外液。破骨细胞产生的蛋白水解酶包括溶酶体酶和金属蛋白酶【J Cell Biol. 1986;102:1164–1172】。溶酶体蛋白酶可以在褶边边界区域存在的低pH下降解胶原蛋白。组织蛋白酶K可能是其中最重要的一种【J Cell Biochem. 2000;78:627–637】。在中性pH下具有活性的金属蛋白酶也已在再吸收位点被检测到【J Cell Sci. 1993;106(Pt 4):1071–1082】。再吸收的产物被转运穿过皱折的边缘膜，并通过称为胞质转运的过程通过破骨细胞的基底外侧膜排出【Science. 1997;276:270–273】。在小梁骨中，破骨细胞特征性地再吸收至有限的深度，然后横向移动，产生称为Howship腔隙的不规则板状再吸收区。在皮质重塑中，定向再吸收的路径更长，可能是因为破骨细胞从造血细胞通过哈弗氏管haversian canal）带到该部位而进行更新。
二、骨重塑及其调控
内容：
成人骨量由两个过程决定:在青春期获得峰值骨量和随后在成年后骨量丢失。骨量变化是骨重塑周期中生理和病理生理过程的结果，最终可能导致骨骼脆弱【J Bone Miner Res. 2018;33(3):371–385】。这方面女性最容易受伤害的时期是加速线性生长的青春期(10-16岁)和生命后期(通常是绝经后不久(45-60岁))。男性骨质流失要缓慢得多，但也是由峰值获取和年龄相关的流失决定的。骨重塑循环是一个紧密耦合的过程，借此骨以与新骨形成大致相同的速率被再吸收。BMU（基本多细胞单元）包括骨的重塑单位，如前所述，包括破骨细胞、成骨细胞、骨细胞和骨内衬细胞【Bone.
2000;26:319–323】。骨髓生态位（微环境，niche）包括这些细胞加上造血细胞、脂肪细胞、窦道衬里的网状内皮细胞和间充质基质细胞(见图11)。重塑循环的激活在成人骨骼中起两种作用:
当重塑过程解除耦合，使得吸收超过形成时，骨丢失。然而，在骨获取峰值期间，骨形成超过骨吸收，导致骨净增加。骨小梁(如脊柱、跟骨和股骨近端)是骨代谢最活跃的区域，其重塑更为明显。小梁细胞很可能被一个包围BMU（基本多细胞单元）的顶冠所包围，它包含一个用于营养供应的毛细血管网络以及可以被识别为osteomacs（骨巨噬细胞）的细胞。尽管小梁骨比皮质骨重塑更频繁，但它也极易受到局部或系统因素的干扰，这些因素会导致骨转换的严重失衡。骨重塑循环始于激活骨表面的静息成骨细胞以及骨衬细胞(见图11)。重塑的初始信号一直存在争议，该信号的来源也是如此(即全身性或局部性)。虽然成骨细胞、破骨细胞或内衬细胞分泌的局部因子也可能开始重塑过程，但骨细胞感知的微损伤或力变化可能会启动重塑信号。该起始信号之后是一系列分泌产物，由活化的成骨细胞分化为破骨细胞及其前体。这些细胞间信号募集造血干细胞并向多核细胞分化【Nat Rev Rheumatol. 2011;7:235–243】。破骨细胞诱导骨吸收后，TGF-β和胰岛素样生长因子1 (IGF1)等基质成分以及胶原、骨钙素、钙等蛋白质和矿物质成分释放到微环境中。再吸收释放的生长因子有助于将新的成骨细胞募集到骨表面，从而开始胶原合成和生物矿化的过程。此外，骨形态发生蛋白(BMP) 7、Wnt 10b、鞘氨醇1-磷酸等被激活的破骨细胞释放的细胞因子也可以逆向刺激成骨细胞的形成【Proc Natl Acad Sci U S A. 2008;105:20764–20769】。Ephrins既是配体又是受体，也有助于这种双向信号机制 (图14)【Cell
Metab. 2006;4:111–121】。破骨细胞负责局部骨包（packet of bone）的再吸收，当其停止活动时，一组成骨细胞被吸引到再吸收部位，在那里增殖、分化，然后再形成骨包（packet of bone）。
插图中，从破骨细胞到成骨细胞的Ephrin-Eph正向信号可能负责驱动新骨包的形成，而ephrin-Eph反向信号可能负责破骨细胞持续骨吸收的停止。
Cell. 2006;126[3]:441–443.
在健康成人中，在任何给定时间可能有多达200万个重塑位点活跃，据估计，所有小梁骨每年有近四分之一被重塑。一般而言，吸收只需要10-13天，而形成过程则要慢得多，可能需要3个月以上(见图2)。在理想情况下，到周期结束时，骨的再吸收量等于再吸收量。虽然骨质量的80%是皮质骨，但皮质骨的表面积仅为松质骨的五分之一左右。此外，在松质骨和皮质骨的骨内膜表面有更多的破骨细胞前体细胞。因此，这些表面的骨转换大于骨膜骨，骨膜骨通常几乎不经历重塑。然而，甲状旁腺功能亢进症可激活骨膜下吸收，骨膜表面含有前成骨细胞，这些细胞可能在老年变得活跃，并导致长骨骨膜直径随年龄增长而增加【APMIS. 2001;(suppl):1–52】。这种骨膜扩张可维持骨强度，弥补骨内膜表面和松质骨的损失【Physiol Rev. 2017;97:135–187】。重塑周期的几个关键组成部分易受全身和局部改变的影响，这会导致骨量的有害变化。特别是，通过成骨细胞激活重塑和招募破骨细胞代表这一周期中最脆弱的两个部位。通常，随着循环激素的全身性变化，如雌激素缺乏、慢性过多的PTH或甲状腺功能亢进，重塑循环受到应激，以致无法维持两个过程的耦合。这种耦合失败是由于吸收和形成之间的时间差异造成的，吸收通常发生在约2周的BMU内，形成可能需要12周以上才能完全矿化新合成的基质。另外，疾病状态改变的第三个细胞是骨细胞。骨骼重塑意味着吸收与形成的耦合，因此骨量无净变化。由于骨细胞通过与骨衬细胞和成骨细胞的交流来响应机械载荷或应力，这些细胞也可能受到损伤(见图11)【Trends
Endocrinol Metab. 2012;23:576–581】。事实上，骨细胞凋亡可能直接或通过系统肽的细化而导致与年龄相关的骨质疏松症。另外，重塑也可能以骨细胞结束，因为它产生硬化素蛋白，该蛋白通过拮抗Wnt/脂蛋白受体相关蛋白(LRP) 5和BMP途径来抑制成骨细胞活性【Endocrinol Metab Clin North Am. 2017;46:1–18】。已经在研发与硬化素结合的单克隆抗体，目前至少有一种正在进行III期试验，可减少该蛋白对成骨细胞分化的抑制作用，从而增加骨量【N Engl J
Med. 2014;370:412–420；J Bone Miner Res.
2014;29:935–943】。如上所述，由于雌激素缺乏或对内源性PTH量、细胞因子刺激、生长激素激增、糖皮质激素过量或血清钙变化的反应，绝经期间可发生非偶联重塑。在很大程度上，雌激素缺乏仍然是将再吸收率转移到更高调定点的最常见和最关键的因素之一。虽然骨形成最初可以“跟得上”，但重塑周期各组成部分的时间长度明显有利于吸收而不是形成，因为铺设新骨的过程需要数个进程的相互作用(见图2) 【Trends Endocrinol
Metab. 2012;23:576–581】。然而，雌激素水平下降是绝经期间的一个普遍现象，尽管对于大多数(如果不是所有的话)进入绝经的妇女而言，已经明确地证明了潜在的骨丢失，但仍不清楚为什么雌激素水平下降会在相对较小比例妇女中引起快速骨丢失【J Bone Miner Res. 2005;20:1085–1092】。其他因素，如外周血睾酮向雌二醇的转化(在肥胖个体中发生的程度更高)、肾上腺雄激素生成较高和/或遗传决定因素以及其他局部信号可能很重要。尽管尚未在人类中确定快速骨丢失的遗传原因，但小鼠具有强烈的可遗传决定因素，可影响与年龄相关和雌激素缺乏的骨丢失率【Osteorporos Int. 2001;12:803–810；Nat Rev
Genet. 2012;13:576–588】。随着年龄的增长，无论性别如何，当骨内衰老细胞的数量增加时，骨重塑中的负平衡是自然发生的。衰老细胞的染色质和分泌特征发生显著变化。它们在组织微环境中的存在可以通过检测生物标志物p16Ink4a的表达增加来识别。促炎分子是衰老细胞分泌的旁分泌和内分泌肽储备的一部分，在局部和全身产生负性（不利）环境。骨细胞是骨组织中最丰富的细胞，可以获得衰老表型。在实验研究中，通过使用编码在衰老细胞中特异性表达的诱导型caspase 8的INK-ATTAC“自杀”转基因来去除这些细胞。研究人员观察到骨量和微结构以及骨生物力学特性有所改善。这些结果通过使用“抗衰老/清除衰老细胞化合物（senolytic compound）”从药理学上消除衰老细胞得到加强，该化合物还逆转老年小鼠的骨退化。此外，这些结果与以往的数据一致，表明衰老细胞的去除可能对心血管系统、胰岛素敏感性和虚弱有有益的影响，为开发研发年龄相关性退行性疾病的新机会打开了大门【Nat Med. 2017;23:1072–1079】。骨细胞-成骨细胞-破骨细胞相互作用的性质一直是最活跃的研究领域之一(见图11)。静息成骨细胞和基质细胞的外部信号(如PTH、生长激素、IL1、雌激素剥夺)导致这些细胞释放细胞因子(如白细胞介素如IL1、IL6和IL11，以及M-CSF、TNF和TGFβ) ，增强多核巨细胞的募集和分化功能，最终成为骨再吸收细胞【J Clin Invest. 2017;127:2030–2039】。然而，成骨细胞-破骨细胞相互作用方案中最关键的途径之一是RANKL-OPG相互作用【Endocr Rev. 1999;20:345–357】。除M-CSF对破骨细胞增殖的影响外，影响破骨细胞分化的OPG、RANKL和RANK系统也是破骨细胞与成骨细胞之间的重要联系。对这一系统的研究，导致了RANKL抗体药物研发，其已在人体试验后已成功成为抑制骨吸收的治疗药物。Denosumab (地舒单抗，Prolia)是第一种抗RANKL的单克隆抗体，因其在减少脊柱和髋部骨折方面的强大疗效，已获FDA、欧洲监管机构以及内分泌和代谢药物咨询委员会(EMDAC)批准用于治疗绝经后骨质疏松症以及转移性骨病【N Engl J Med. 2009;361:756–765】。每6个月给药一次，可抑制骨吸收80%-90%。对原始III期试验的长期随访显示，长达10年的脊柱和髋部骨量显著改善，保持了抗骨折疗效，且不良事件(如有)很少【Lancet
Diabetes Endocrinol. 2017;5:513–523】。治疗10年后，腰椎骨量增加21.7%，全髋增加9.2%，股骨颈增加9.0%，整个治疗过程中BMD持续增加。然而，治疗停药导致BMD曲线快速拐点，意味着显著的骨丢失。在治疗间隙17个月后，腰椎和全髋关节的BMD降低幅度分别为8.1%和8.4%，相当于脊柱总增益的35.5%和全髋关节的103.3%【Osteorporos Int. 2018;29:41–47】。Denosumab还已被批准用于治疗患有乳腺癌和骨骼转移的女性，并且是唯一一种显示可减少接受前列腺癌雄激素剥夺治疗的男性骨折的药物【Am J Hematol. 2009;84:650–656；N Engl J Med.
2009;361:745–755】。成骨细胞的功能不仅是在重塑过程中向破骨细胞发出信号，还能沉积胶原蛋白并协调骨骼基质中先前再吸收腔隙的矿化。这些复杂的功能与间充质基质细胞和骨衬细胞的分化有关，后者成为成骨细胞并位于重塑空间的表面【Arch Biochem Biophys. 2014;561:22–28】。基质细胞向成骨细胞而不是脂肪细胞的募集是骨形成的关键步骤，需要一系列增强分化的因素(见图8)。这一过程最重要的驱动因素之一是RUNX2，一种对基质细胞向骨和远离脂肪生成的早期分化途径必不可少的转录因子【J
Intern Med. 2012;272:317–329；Adv Exp Med Biol.
2017;962:83–93】。run x2的调节及其下游效应已成为主要的研究交点，因为研究者已开始考虑新的方法来促进骨形成和减少骨髓脂肪生成。然而，在此背景下，很明显前脂肪细胞或前成骨细胞可具有显著的可塑性，使得图8中所示的旧模式可能不能真正代表骨髓小生境中间充质细胞的状态。在静息成骨细胞激活过程中，成熟细胞会合成I型胶原、数种次要胶原、非胶原基质蛋白；以及一系列的生长因子，如IGF1，IGF2，和TGF-β。这些反过来又是进一步募集骨形成细胞所必需的【J Clin Invest.
2014;124:466–472】。此外，成骨细胞在骨骼基质中沉积生长因子，并在那里以潜伏形式储存(如TGFβ、IGF1、IGF2)并在随后的重塑周期中释放。成骨细胞的命运在重塑序列中由几种不同的系统和局部因素决定。成骨细胞可进一步分化为骨细胞，或成为骨表面的静息内衬细胞，或通过凋亡而死亡【Arch Biochem Biophys. 2014;561:22–28】。如前所述，骨细胞可通过分泌RANKL刺激破骨细胞形成来参与皮质的骨吸收，也可参与破骨细胞性骨溶解，这可能发生在哺乳和其他高钙需求状态下【BoneKEy Rep. 2012;1:229】。Wnt/β-catenin信号通路已成为骨形成的主要调节因子和机械力状态的潜在介质。Wnt属于一个与卷曲受体（frizzled receptors）结合并激活细胞内多种途径的蛋白质大家族。当Wnts还与几个核心受体LRP5、LRP6，可能还有LRP4结合时，就触发所谓的典型信号通路【Maturitas. 2014;78:233–237】。该通路的激活通过β-连环蛋白介导的复杂细胞内信号通路发生，通过与TCF/勒夫转录因子的协同相互作用，β-连环蛋白转运至细胞核并刺激基因转录。硬化素(Sclerostin ，SOST基因的产物)是抑制骨形成的骨细胞特异性蛋白，它与另一种重要的Wnt抑制剂dickkopf 1 (Dkk1)，通过与LRP5和LRP6结合而发挥作用，从而阻断Wnt信号【J Clin Invest. 2017;127:2678–2688】。
对骨内产生的局部调节因子的表征代表了骨生物学的一个重大进展【Endocr Rev. 2003;24:218–235；N Engl J Med.
2007;357:905–916】。这些局部因子可由骨细胞或邻近的造血细胞合成，并可相互作用以及与全身激素相互作用。它们在骨骼损伤的修复和对机械力的反应中至关重要。促炎细胞因子IL1α、IL1β、TNFα和TNFβ是骨吸收的强效刺激因子和骨形成的抑制剂；因此，它们可能在雌激素停药后的骨丢失中起作用【J Clin Invest. 2017;127:2030–2039】。IL6增加细胞培养物中的破骨细胞形成，并可能介导PTH的一些再吸收活性。IL6由成骨细胞和免疫细胞合成，其产生受到PTH【Endocrinology. 1999;140:4683–4690】、PGE2等增加骨吸收因子的刺激。还有证据表明，IL6可能调节破骨细胞的骨细胞通讯【Cell Physiol Biochem. 2017;41:1360–1369】。IL11是IL6细胞因子家族的另一个成员，也刺激再吸收。LIF也是IL6家族的成员，可增加成骨细胞前体的增殖，但随后会减慢其向矿化成骨细胞的分化【Growth Factors. 2012;30:76–87】。炎性细胞因子如IL7、IL15和IL17可刺激骨吸收，而IL4、IL10、IL13和IL18可抑制骨吸收。干扰素-β和干扰素-γ通过阻断RANK信号通路来抑制再吸收【Nature. 2000;408:600–605】。IL10是破骨细胞生成和骨再吸收的抑制剂【J Immunol. 1996;157:936–940】。IL15和IL17刺激再吸收，而IL18通过其增加粒细胞-巨噬细胞CSF(GM-CSF)产生的能力来抑制再吸收【J Clin Invest. 1998;101:595–603】。干扰素-β和干扰素-γ通过阻断RANK信号通路抑制再吸收【Nature.
2000;408:600–605】。除直接作用外，对细胞因子的反应可被抑制剂阻断，如IL1受体拮抗剂和可溶性TNF受体，或它们可被激活剂增强，如可溶性IL6受体。这些肽通过相同的受体刺激骨吸收，并通过前列腺素依赖性和非依赖性作用路径。TGFα和表皮生长因子(EGF)是骨中强效的有丝分裂原，可能作用于间充质和造血前体【J Clin Endocrinol Metab. 1993;77:40–45；J
Clin Invest. 1986;77:1897–1902】。EGF肽家族调节细胞迁移和粘附，在成骨细胞祖细胞早期募集到重塑位点中起重要作用。EGF通过Cdc42/Rac网络在前成骨细胞中发出信号【J Bone Miner Res. 2005;20:2245–2253】。使用永生化和原代骨髓基质细胞的体外研究报告，EGF受体信号增强机械转导，表明EGF系统可能在骨髓基质细胞中充当机械敏化剂【Stem Cell Res. 2017;24:69–76】。TGF-α由肿瘤产生，可能在某些恶性肿瘤中发生的骨吸收增加中起作用。前列腺素是骨细胞代谢的强效调节剂，由骨骼中的多种细胞类型合成【Prog Lipid Res. 2015;59:126–146】。骨中前列腺素的产生受局部和全身激素以及机械力对诱导型环加氧酶2 (COX2)的作用调节。前列腺素生成增加可能导致制动时骨吸收增加，冲击负荷时骨形成增强，雌激素停药后骨丢失。许多刺激骨吸收的激素、细胞因子和生长因子也会增加前列腺素的产生。前列腺素对骨形成有双相作用。体内可见骨形成刺激，成骨细胞培养物中可见胶原合成抑制。骨细胞产生PGE2、PGF2α、前列环素和脂氧合酶产物(如白三烯B4)，这些产物也可能刺激骨吸收。骨细胞合成多种生长因子，调节骨细胞的复制、分化和功能。这些生长因子不仅由骨骼细胞合成，有些还存在于体循环中，可作为骨重塑的局部和全身调节因子。骨骼细胞还合成生长因子结合蛋白，调节特定因子的活性和储存，以及其与细胞外基质中其他蛋白的相互作用【Endocr Rev. 2003;24:218–235】。FGF形成了一个大的多肽家族，其特征是对糖胺聚糖肝素结合位点具有亲和力【Trends
Pharmacol Sci. 2016;37:1081–1096】。已经过广泛研究的FGF1和FGF2对成骨细胞谱系的细胞具有促有丝分裂特性，但在存在FGF肽家族的情况下不会最终分化为成熟成骨细胞【J Clin Invest. 1980;66:709–719】。事实上，FGF2抑制Wnt信号传导和IGF1的合成，这导致成骨细胞发生和成骨细胞功能的降低【Mol Cell Biol. 2008;28:4759–4771】。体内实验已经证实了FGF的这一作用，
并且过量表达Fgf2的小鼠是骨质减少的【J Cell Biochem.
2005;95:83–94.】。然而，在Fgf2 -null小鼠中的研究表明，FGF是成骨细胞形成所必需的，可能是因为其对细胞复制的早期影响【J Clin Invest. 2000;105:1085–1093】。FGF可以通过前列腺素依赖性和非依赖性途径刺激骨吸收【J Biol Chem. 2003;278:21258–21266】。FGF与一系列具有内在酪氨酸激酶活性的四种FGF受体结合。在脊椎动物中，FGF家族的22个成员的分子量范围从17到34
kDa，共有13%-71%的氨基酸同一性。在脊椎动物中，FGF在基因结构和氨基酸序列上都高度保守。FGF对硫酸乙酰肝素蛋白聚糖具有高亲和力，需要硫酸乙酰肝素来激活四种细胞表面FGF受体之一。在胚胎发育过程中，FGF在调节细胞增殖、迁移和分化方面发挥着多种作用。在成体生物中，FGF是稳态因子，在组织修复和损伤反应中起作用。当表达不当时，一些FGF可能参与癌症的发病机制。FGF19、FGF21和FGF23的独特之处在于它们结合与α-或β-Klotho异二聚的FGF受体。FGF23由骨细胞分泌，已证明可通过抑制肾脏中的维生素D 1α-羟化酶活性来调节磷酸盐稳态，从而抑制1，25(OH)2D的产生。此外，FGF23促进肾小管中磷酸盐的损失，作为骨细胞产生的内分泌激素。FGF23紊乱(包括生成过多或降解受损)会导致多种以低磷酸盐血症和佝偻病/骨软化症为特征的综合征。FGF21在肝脏和脂肪细胞中产生。它是一种重要的反调节激素，可刺激PPARα和脂肪酸氧化【Nat
Commun. 2018;9:636】。在热量限制、营养不良和哺乳期间，FGF21水平较高。它可能导致白色脂肪细胞褐变，但在小鼠中已显示出可刺激骨吸收。最近，FGF21已被证明可诱导显著的骨吸收，并且FGF21 -null小鼠具有非常高的骨量【Proc Natl Acad Sci U S A.
2012;109:3143–3148】。IGF BP 1产生的增加可能介导骨吸收，至少部分是通过增加FGF21的产生来介导的【Cell Metab. 2015;22:811–824；Hepatology. 2016;64:977–979】。血小板衍生生长因子、血管内皮生长因子、缺氧诱导因子和活性氧血小板衍生生长因子(PDGF)最初是从人血小板中分离出来的，已鉴定出PDGF基因家族的四个成员:PDGFA、PDGFB、PDGFC和PDGFD【Gene.
2017;614:1–7】。这些肽通过PDGFR受体家族发出信号。血管内皮生长因子(VEGF)与PDGF具有高度的序列同源性，这些因子通常被称为PDGF/VEGF家族成员【Endocr Rev. 1997;18:4–25】。PDGFs必须形成同二聚体或异二聚体才能显示活性。PDGF-AA、-AB和-BB是在骨骼细胞中研究更广泛的亚型，发挥相似的生物学作用。PDGF在骨中的主要功能是刺激细胞复制，而PDGF会损害成骨细胞的分化和功能【J Bone Joint Surg Am. 2008;90(suppl 1):48–54】。PDGF也会刺激骨吸收。在小鼠中，Pdfga或Pdfgb及其受体的NUll突变会导致胚胎致死或围产期死亡，从而无法研究PDGF在出生后骨骼中的功能【Cytokine Growth Factor Rev.
2004;15:215–228】。尽管骨骼细胞表达Pdfga、Pdfgb和Pdfgc基因的产物，但PDGF的主要来源是体循环，并且在血小板聚集后骨骼细胞暴露于PDGF。PDGF受体1a
(PDGFR1a)在造血生态位（微环境）的多种祖细胞上表达，包括早期成骨细胞和脂肪细胞。VEGFA是血管生成所必需的，VEGFA和VEGF受体基因由软骨细胞和成骨细胞表达【Bone. 2016;91:30–38】。VEGFA是软骨内骨形成过程中血管形成和血管侵入软骨以及骨骼发育过程中软骨细胞存活所必需的【Nat Med.
1999;5:623–628】。重要的是，VEGFA也是膜内骨形成和成骨细胞成熟所必需的【Proc Natl Acad Sci U S A. 2002;99:9656–9661】。PDGF和VEGF的成骨细胞表达受其他局部来源的生长因子调节。缺氧诱导因子(HIFs)是造血小生境对低氧张力的局部反应产物，是介导血管生成途径(包括产生VEGF)的转录因子。HIFs还诱导糖酵解必需的基因，糖酵解是在生态位中产生ATP的必需生化途径。在骨折修复过程中，已证明在成骨细胞中组成型活性HIF1α的小鼠模型中会产生更多的骨。相反，成骨细胞中HIF1α缺乏的小鼠的骨愈合有缺陷【Proc Natl Acad Sci U S A.
2008;105:686–691】。活性氧簇（Reactive
oxygen species，ROS）是包括过氧化物在内的自由基，是细胞代谢(尤其是氧化磷酸化)的产物。这些产物可被几种用来防止线粒体和细胞损伤的酶灭活。在几种小鼠衰老模型中，骨转换和细胞代谢中发生的变化与骨细胞中ROS的增加有关【J Biol Chem. 2007;282:27285–27297】。通过抗氧化治疗抑制ROS可以逆转性类固醇缺乏对骨的一些影响【Clin Cases Miner Bone Metab. 2017;14:209–216.】。然而，ROS的产生对于维持一定水平的代谢活性可能很重要，ROS产生的差异对于确定成骨细胞和脂肪细胞之间的命运转换可能很关键。IGF是有丝分裂原，也可以增加成骨细胞的分化功能，支持矿化和骨形成。动物模型已经证明，全身性和局部合成的IGF1都有助于骨形成【J Bone Miner Res.
2018;33:123–136】。过度表达IGF1的转基因小鼠骨量增加，而IGF1缺失的小鼠表现出骨形成减少、矿化减少和皮质骨减少【J Bone Miner
Res. 2001;16:2320–2329】。IGF1通过增加破骨细胞形成和骨重塑来刺激骨转换【Endocrinology.
1995;136:124–131】。IGF1和IGF2都是由骨细胞合成并储存在骨基质中的， 但IGF1是成骨细胞功能的更强刺激因子。在骨和循环中已鉴定出六种IGF结合蛋白(如IGFBP1-IGFBP6)。IGFBP可抑制或增强IGF反应，这取决于它们相对于IGF的局部浓度以及是否存在可裂解IGFBP的蛋白酶。研究显示，IGFBP2对成骨细胞的作用与IGF1通过磷酸化PTEN的多效性受体(磷酸酶和张力蛋白同源物)发出信号具有协同效应【J Biol Chem.
2011;286:14670–14680】。PTH和PGE2是骨骼IGF1和IGFBP2合成的主要诱导剂，糖皮质激素抑制IGF1转录【Exp Biol Med. 2003;228:245–252.】。因此，IGF可以介导这些激素对骨形成的选择性作用。TGFβ属于一个密切相关的多肽家族，具有不同程度的结构同源性，对细胞功能有重要影响，仅在哺乳动物中表达【Bone Res. 2018;6:2】。骨骼细胞表达TGFβ1、TGFβ2和TGFβ3。TGFβ在骨细胞中具有复杂且有些矛盾的作用。TGFβ可以刺激成骨细胞复制和骨形成，但不支持成骨细胞的分化【Bone. 2001;29:323–330】。TGFβ的作用取决于靶细胞和实验条件。TGFβ对骨吸收的影响一直是争议的来源。TGFβ对破骨细胞的形成有双相作用，但会减少骨吸收。靶向破坏小鼠TGFβ1基因是致命的，但不会导致骨骼发育异常【Nature.
1992;359:693–699】。TGFβ以潜伏性高分子量复合物的形式分泌，由TGFβ前体的C-末端残基和TGFβ结合蛋白组成。TGFβ的生物活性水平取决于其合成的变化及其从潜伏形式激活的情况。骨形态发生蛋白（Bone
Morphogenetic Proteins，BMPs）是TGFβ超家族多肽的成员，最初被鉴定是因为它们能够诱导软骨内骨形成。BMPs由成骨细胞表达，在成骨细胞的分化和功能中起自分泌作用【Endocr Rev.
2003;24:218–235】。BMPs的基本功能是诱导成骨细胞分化、软骨内骨化和软骨形成【Bone Res. 2016;4:16009】。成骨细胞和破骨细胞的发生和分化是协调的过程，BMPs还诱导破骨细胞的发生和破骨细胞的存活。BMP的活性受大量分泌的多肽调节，这些多肽结合并限制BMP的作用。这些细胞外BMP拮抗剂可阻止BMP信号传导。细胞外BMP拮抗剂包括noggin、卵泡抑素（follistatin）、肌生长抑制素（myostatin）、扭曲原肠胚形成蛋白（twisted
gastrulation）、chordin家族和Dan/
Cerberus蛋白质家族。这些分子还可与一种或两种激活素受体ACVR2A和ACVR2B结合。肌生长抑制素（myostatin）是TGFβ超家族成员，是通过ACVR2B作用的肌肉生长负调节因子。这些信号肽及其受体的抑制剂可能导致肌肉质量增加，在某些情况下导致骨量增加【Proc Natl Acad Sci U S A. 2012;109:E2353–E2360】。分泌的富含半胱氨酸的糖蛋白的Wnt家族，如BMPs，在指导成骨细胞的形成中起着关键作用。在骨骼细胞中，许多Wnt家族成员使用经典的Wnt/β-catenin信号通路【J Bone Miner Res.
2004;19:1749–1757.】。在没有Wnt的情况下，蛋白质AXIN、腺瘤性息肉病大肠杆菌蛋白(adenomatous polyposis coli，APC)和β-catenin形成复合物，促进β-catenin的磷酸化和降解。Wnt家族蛋白与特定卷曲膜受体及其核心受体(LRP5和LRP6)的结合导致β-catenin的稳定。这使得β-catenin能够转运至细胞核，并在那里调节转录目标基因。Wnt/β-catenin信号通路是成骨细胞生成和骨形成的核心，Wnt和BMPs共同调节细胞分化。Wnt或β-catenin基因的缺失会导致成骨不全和骨骼组织缺失，而Wnt核心受体的失活突变会导致骨量减少【Curr Top Dev Biol. 2006;73:43–84】。例如，LRP5中的功能丧失或功能获得突变都会导致骨骼疾病，分别表现为低骨量(骨质疏松性假胶质瘤)【Cell. 2001;107:513–523】或高骨量【Am J Hum Genet. 2002;70:11–19】。Wnt/β-catenin信号会诱导OPG，并且通过这种机制，Wnt会成为破骨细胞生成的负调节因子【Ann N Y Acad Sci. 2006;1068:117–130；J Biol
Chem. 2005;280:21162–21168】。Wnt活性与此类似，由细胞外拮抗剂和细胞内信号蛋白控制【N Engl J Med. 2007;357:905–916】。细胞外拮抗剂如硬化素和Dkk1可防止Wnt家族成员和共受体之间的相互作用，但其他拮抗剂如可溶性卷曲相关蛋白可直接结合Wnt并阻断其作用。这些拮抗剂会限制Wnt信号传导，从而降低成骨细胞功能和骨量【J Bone Miner Res.
2004;19:1749–1757；Endocrinology. 2007;148:2635–2643】。相反，小鼠中硬化素的缺失会产生高骨量表型【Calcif Tissue Int. 2008;83:332–341】。硬化素主要由骨细胞产生，受PTH等全身性因素和骨机械力的调节。与局部硬化素相比，循环硬化素如何调节骨形成和吸收是一个重要的尚未回答的问题，特别是因为循环硬化素水平已显示与正常个体和2型糖尿病(T2DM)患者的骨量和骨折分别呈负相关或正相关【J Clin Endocrinol Metab. 2012;97:3744–3750；BoneKEy
Rep. 2013;2:361】。
重塑由全身和局部因素共同激活。机械力的变化可以激活重塑来提高骨骼强度，而重塑会去除和修复已经经历微损伤的骨骼。这种情况尤其发生在皮质骨中，并可能解释了在老化的骨骼中维持重塑的事实【J Bone Miner Res. 2017;32:560–574】。然而，随着年龄增长，骨细胞丢失可能会损害这种反应【Am J Pathol. 2017;187:1686–1699.】。全身性激素影响骨重塑，以调节矿物质从骨向细胞外液的移动，从而维持血清钙水平并维持线性生长。在青春期生长期间，骨建模和重塑增强，并与IGF1的血清水平相关，支持生长激素作为骨骼形成主要介质的作用【Eur J
Endocrinol. 2010;163:157–164】。除生长激素/IGF1轴之外，现在认为，在获得峰值期间必须存在睾酮和雌二醇，以获得可能的最高BMD。新形成骨的矿化是通过激活肾脏中的维生素D 1α-羟化酶来保证的，这会导致更大的钙吸收和更高的1，25(OH)2D水平。因此，建模和骨骺闭合均由全身激素调节，系统激素既以钙调节为中心，又以生长为中心。PTH作用于骨以刺激吸收，但在没有成骨细胞谱系细胞的情况下不作用于破骨细胞。PTH受体在成骨细胞、骨衬细胞和骨细胞上丰富，但在破骨细胞上不丰富【Cold Spring Harb Perspect Med. 2018;8(8)】。PTH作用于成骨细胞引起细胞收缩；为了诱导即时-早期反应基因，包括c-Fos和可诱导形式的前列腺素G/H合酶(即环氧合酶COX)，并增加局部介质IGF1和IL6的合成【Cold
Spring Harb Perspect Med. 2018;8(8)；J Bone Miner Res. 2015;30:1959–1968】。体外高浓度的PTH抑制I型胶原的表达，但体内或体外间歇给予PTH可刺激骨形成【J Clin Invest. 1989;83:60–65】。PTH诱导RANKL的产生，并抑制成骨细胞谱系细胞产生OPG，从而增加破骨细胞形成并因此增加骨吸收。在某些情况下，PTH会增加成骨细胞谱系细胞的增殖，并通过凋亡减少其死亡【Cold Spring Harb Perspect Med. 2018;8(8).】。PTH还会诱导肾脏中的1α-羟化酶活性，从而增强维生素D的活性形式(参见后面的讨论)。在骨细胞中，PTH不仅能刺激RANKL蛋白的产生，还能抑制硬化素的产生，增加FGF23的合成。通过这种方式，PTH利用骨细胞来调节骨重塑和全身钙/磷稳态。小鼠骨髓间充质干细胞PTH/PTHrP受体(PTH1R)基因缺失对骨表型有很大影响(即骨形成低、骨吸收增加、骨髓脂肪组织/MAT高)【Cell Metab.
2017;25:661–672】。此外，同一研究还发现，对照组小鼠间断PTH给药显著降低了骨MAT。这些结果表明PTH还驱动祖细胞分化为成骨细胞。维生素D的激素形式1，25(OH)2D3是肠道钙和磷吸收所必需的，因此也是矿化所必需的。这种形式的维生素D也对骨骼有影响，但其在骨重塑中的生理作用尚不清楚【J Mol Histol.
2016;47:389–399】。通过增加成骨细胞或成骨细胞祖细胞的RANKL产量，维生素D是细胞培养中破骨细胞形成的有效刺激因子。高浓度会增加成骨细胞的骨钙素合成，并在体外抑制胶原合成和矿化【J Clin Invest. 2012;122:1803–1815】。较低浓度可能会增加骨形成，但不会达到间歇给予PTH时所见的程度。最近利用骨和肠中维生素D受体(VDR)条件性缺失进行的研究，进一步深入了解维生素D在骨重塑单位中的生理作用。VDR肠缺失模拟低钙饮食，与骨吸收增加和骨形成减少相关的骨丢失有关。但是，血清钙得以维持。但是在骨细胞和成熟成骨细胞特异性VDR-null小鼠中，钙、磷、PTH和1，25(OH)2D循环水平没有改变，并且没有骨表型。此外，仅在肠中缺失VDR的小鼠通过高水平的1，25(OH)2D3对成骨细胞的作用而延迟矿化。这些数据为活性维生素D对重塑的作用提供强有力的机理基础:由于增加了1，25(OH)2D，高水平的1，25(OH)2D与成骨细胞上的VDR结合，并刺激RANKL产生，导致骨吸收增加，从而保护身体免受低血清钙的影响。通过抑制体外和体内矿化，它进一步减缓钙进入骨骼的速度，从而保持哺乳动物的基本功能。降钙素通过直接作用于破骨细胞来抑制骨吸收，但在成年人的骨转换调节中似乎起较小的作用【Horm Metab Res. 2010;42:299–306】。甲状腺髓样癌患者中降钙素的产生量过多，或者在接受适当的甲状腺激素替代治疗的无甲状腺患者（比如术后）中降钙素的水平较低，这些患者的骨质量没有发生很大改变【N Engl J Med. 1987;317:537–541；Braz J Med
Biol Res. 2004;37:61–68.】。甲状腺髓样癌患者的骨转换增加【Bone.
1993;14:399–401】。降钙素/降钙素相关多肽-α基因（CALCA，其负责降钙素及其替代转录物降钙素基因相关肽的产生）缺失的小鼠，具有增加的骨量和增强的骨形成速率【J Clin Invest. 2002;110:1849–1857】。相反，仅缺失降钙素基因相关肽的小鼠具有降低的骨量【J Bone Miner Res. 2004;19:2049–2056】。这些结果暗示降钙素影响骨形成和骨吸收。然而，降钙素影响骨形成的机制仍然未知【Clin Kidney J. 2015;8:180–187】。如前所述，生长激素的缺乏和过量对骨骼生长有显著影响【Clin Endocrinol. 2009;70:35–40；Eur J
Endocrinol. 2017;177:R85–R97】。生长激素增加IGF1的循环和局部水平，介导生长激素的许多骨骼效应。外源性生长激素和IGF1可能通过直接作用于成骨细胞来增加骨重塑，尽管IGF1也存在于破骨细胞上，并且重组IGF1刺激骨吸收。骨细胞也具有IGF1【Am J Physiol Endocrinol Metab. 2013;305:E271–E281】，可以推测，在关键生长阶段它可能通过FGF23在调节磷酸盐稳态中发挥重要作用。生长激素刺激软骨生长，可能通过增加局部和全身IGF1的产生，也可能通过直接刺激软骨细胞增殖，因为软骨细胞中存在低水平的生长激素受体。糖皮质激素对骨重塑有着重要影响【Physiol Rev. 2016;96:409–447】。糖皮质激素减少肠道对钙的吸收，并有可能诱导破骨细胞形成和骨吸收，因为其可增加成骨细胞中RANKL和CSF1的表达【Endocrinology.
1999;140:4382–4389.】。然而，糖皮质激素最显著的作用，是其通过耗竭成骨细胞群来抑制骨重塑的能力【Bone. 2004;34:593–598；Horm Metab Res. 2016;48:755–763】。糖皮质激素抑制成骨细胞前体的复制及其向成熟成骨细胞的分化。出现这种效应的部分原因是因为其抑制Wnt信号传导和成骨细胞分化所需的因素【J Biol Chem.
2005;280:2388–2394】。在最近的一项研究中，观察到糖皮质激素对两种Wnt信号传导拮抗剂的血清水平有不同的影响:Dkk1进行性降低，同时硬化素的循环水平显著升高【Stem Cell Dev.
2018;27:85–99】。糖皮质激素诱导成骨细胞和骨细胞凋亡，导致骨形成细胞减少【J Clin
Invest. 1998;102:274–282】。糖皮质激素抑制成骨细胞的分化功能和骨形成。这是由糖皮质激素对成骨细胞的直接作用和对IGF1转录的抑制所致【Mol Endocrinol.
2001;15:1781–1789】。甲状腺激素信号传导由甲状腺激素受体(TR)介导，TR是一种配体依赖性转录调节分子。TR由甲状腺激素受体α (THRA或c-erbAα)和β (THRB或c-erbAβ)基因编码，这两种基因具有不同的亚型，其分布取决于组织和年龄【J Endocrinol. 2018;237(1):R19–R34；Mol Cell
Biol. 2000;20:8329–8342】。TRβ1和TRα1亚型在骨中表达，但既往研究认为TRα1是骨骼中甲状腺激素作用的主要介质【Am J Physiol Endocrinol
Metab. 2003;285:E1135–E1141】。然而，甲状腺激素的净效应是复杂的，取决于具体情况【Bone.
2014;67:222–227；Arq Bras Endocrinol Metabol.
2014;58:452–463】。在儿童中，甲状腺功能亢进与骨矿化和骨骺成熟增加有关，甲状腺功能减退导致生长减少【Ann Intern Med. 1999;130:750–758】。但在成人中，甲状腺功能亢进与骨丢失有关。甲状腺激素对软骨生长和分化至关重要，可增强对生长激素的反应。甲状腺激素增加骨吸收和骨转换，但它们对骨形成的影响并不清楚【Endocr Rev. 2016;37:135–187】。除对骨吸收的影响外，甲状腺激素还增加成骨细胞对胶原酶和明胶酶的转录【Am J Physiol. 1999;277:E496–E504.】。随着甲状腺激素增加骨重塑，甲状腺素(T4)也可能增加骨形成。甲状腺激素还通过抑制促甲状腺激素(TSH)的合成对骨骼代谢产生间接影响，促甲状腺激素(TSH)可抑制破骨细胞的形成和存活，从而抑制骨吸收【Endocr Rev.
2016;37:135–187；Cell. 2003;115:151–162；Proc Natl Acad Sci U S A. 2008;105:4289–4294】。然而，关于促甲状腺激素是否对成骨细胞和破骨细胞产生直接影响仍有争议。骨骼的正常生长有赖于足够量的胰岛素【Horm Res. 2003;60(suppl 3):80–86】。糖尿病未得到控制的母亲的胎儿产生过多的胰岛素会导致骨骼和其他组织过度生长，这可能是通过其对IGF1的作用实现的。糖尿病控制不佳会导致骨骼生长和矿化受损。1型糖尿病(T1DM)儿童和青少年骨矿物质获取减少和AGEs积聚的风险增加【J Bone Miner Res. 2008;23:1884–1891】。T2DM与正常骨量相关，但骨骼脆性增加，部分原因是皮质孔隙率增加和基质中AGEs增加。在体外，生理浓度的胰岛素通过翻译前机制选择性刺激成骨细胞胶原合成。胰岛素可以模拟IGF1的作用，但只是在超生理水平上【J Clin Invest.
1980;66:709–719】。胰岛素受体底物1(胰岛素和IGF1受体酪氨酸激酶的主要底物)缺乏的小鼠表现出分化成骨细胞功能受损、低转换骨量减少和对PTH的反应受损，体现出胰岛素和IGF1信号在维持骨重塑中的中枢作用【J Clin Invest.
2000;105:935–943】。最近，已显示胰岛素刺激成骨细胞功能和骨吸收，导致GLU13-OCN的更大释放(见图5)，这又导致更高的胰岛素敏感性和增强胰岛素。胰岛素对成骨细胞中葡萄糖转运的影响仍存在争议，而使用骨钙素Cre启动子在中缺失胰岛素受体成骨细胞中可导致低骨量、肥胖和胰岛素抵抗。在人类中，胰岛素抵抗对骨的最终影响仍有待阐明，但有许多临床证据表明，它对骨量没有不利影响。与胰岛素抵抗相关的流行性疾病(即肥胖)和罕见疾病(即全身性先天性脂肪营养不良)均与高骨量相关【Eur J Endocrinol. 2017;176:21–30；Bone. 2017;101:21–25】。此外，关于内脏脂肪组织与骨量之间的相关性，文献中没有达成共识【PLoS One. 2015;10:e0129764】。在共性中，胰岛素缺乏和胰岛素抵抗与AGEs的过度形成相关，AGEs参与典型糖尿病微血管病和大血管病的发生。AGEs还可能通过影响胶原交联(影响骨强度的胶原主要翻译后修饰)来影响骨微结构。胶原交联不仅可以通过赖氨酰羟化酶和赖氨酰氧化酶介导的酶促未成熟的二价交联和成熟的三价吡啶啉和吡咯交联形成，而且交联也可以通过糖基化或氧化诱导的非酶交联(AGEs)产生，例如葡聚糖和戊聚糖。后者可能损害矿化和骨骼从微损伤中自我修复的能力。这种机制可能是与骨脆性的共同联系，骨脆性在1型和2型糖尿病患者中都很常见【Diabetes
Metab Res Rev. 2010;26:622–630；Osteorporos Int.
2006;17:986–995】。雌激素和雄激素对骨骼发育和维护至关重要。骨细胞含有雌激素和雄激素受体，但在细胞和器官培养中很难证明性腺类固醇对骨形成或吸收的直接作用。性腺激素对青春期生长突增至关重要，雌激素对骨骺闭合是必要的【N Engl J Med. 1998;339:599–603】。此外，性腺类固醇促成骨骼性别差异。由于雄激素刺激骨膜形成，男性表现出较大的骨骼，而雌激素具有抑制作用【J Clin Endocrinol Metab. 2001;86:3555–3561】。骨骼性别二元性影响骨生物力学特性，至少部分解释了女性骨质疏松性骨折发病率较高的原因【Radiol Clin North Am. 2010;48:483–495】。雌激素或雄激素缺乏增加体内的骨吸收，部分是通过增加局部合成或增强对前列腺素、细胞因子如白介素-1和白介素-6或肿瘤坏死因子-α的敏感性；或通过增强对破骨细胞中的雌激素受体的直接作用。雄激素可以增加体内的骨形成【J Clin Invest. 2000;106:1553–1560】。雌激素对骨形成的影响不太明确，具体取决于动物模型和雌激素的剂量。在雌激素缺乏状态下，由于骨重塑增加，骨形成的绝对速率增加。然而，雌激素缺乏会导致骨丢失，这意味着骨形成相对不足。换句话说，在低雌激素状态下，骨形成的增加与骨吸收的增加幅度不同。
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