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世界卫生组织（WHO）把骨质疏松症（osteoporosis，OP）定义为一种以骨量低下，骨微细结构损坏，导致骨脆性增加，易发生骨折为特征的全身性骨病 ［1］ 。2001年美国国立卫生研究院（NIH）提出OP是以骨强度下降、骨折风险性增加为特征的骨骼系统疾病，骨强度反映骨骼的两个主要方面，即骨矿密度和骨质量。OP可发生于不同性别和年龄阶段，但多见于绝经后妇女和老年男性。OP分为原发性和继发性两大类。原发性骨质疏松症又分为绝经后骨质疏松症（Ⅰ型）、老年骨质疏松症（Ⅱ型）和特发性骨质疏松症（包括青少年型）3类；继发性骨质疏松症是指由任何影响骨代谢的疾病（库欣综合征、甲状旁腺功能亢进等）和（或）药物（糖皮质激素、免疫抑制剂等），或其他因素（维生素D缺乏、性功能低下等）导致的骨质疏松。
随着人类寿命延长和老龄化社会的到来，OP已成为全人类的重要健康问题。在欧美发达国家，OP的发病率达13%～21.2%，其中美国的发病率为13%～18%，瑞典的发病率高达21.2% ［2，3］ ，而在我国OP的发病率预计在15.7%，并且这一数值将会随着人口老龄化而逐渐增加。据第六次人口普查结果，2010年我国60岁以上人口占总人口13.26%，约1.77亿人，其中65岁以上人口占8.87%；2013年数据显示，60岁以上人口已增加至15%，这一百分比预计在2050年将增至25%（约4亿人口）。预计OP患者将从1997年的0.839亿增至2050年的2亿 ［4］ 。
OP的严重后果是发生骨质疏松性骨折（脆性骨折），即在受到轻微创伤或日常活动中即可发生的骨折。骨质疏松性骨折的常见部位是脊椎、髋部和前臂远端。据统计，全世界范围内每年因OP导致的骨折数在890万例（折合每个小时就有1 000例骨质疏松性骨折的发生） ［5］ ；在我国，女性一生发生骨质疏松性骨折的危险性（40％）高于乳腺癌、子宫内膜癌和卵巢癌的总和，男性一生发生骨质疏松性骨折的危险性（13％）高于前列腺癌 ［6］ 。骨质疏松性骨折的危害很大，导致病残率和死亡率的增加。如发生髋部骨折后1年之内，死于各种并发症者达20％，而存活者中约50％致残，生活不能自理，生命质量明显下降 ［7］ 。而且，OP及骨质疏松性骨折的治疗和护理，需要投入巨大的人力和物力，费用高昂，造成沉重的家庭、社会以及经济负担。
骨质疏松症的分子水平研究发现，骨代谢过程中存在受多种调节因子调控的信号通路，其中Wnt/β-catenin、OPG/RANKL/RANK为经典通路，通过研究这些分子信号通路，明确各信号通路中的重要靶点，通过抑制或促进各靶点蛋白的合成和分泌，从而可达到抑制骨吸收和促进骨形成，防治骨质疏松症的目的。
Wnt是果蝇Inc基因与无翅蛋白Wg同源的合称。Wnt信号通路参与人体内多种器官和组织的发育、生长和分化调控，其在骨质疏松方面的研究目前已受到广泛的关注。目前已知的Wnt细胞内信号通路传导途径包括了Wnt/β-catenin通路、Wnt/Ca 2+ 通路和Wnt/Planar polarity通路，其中Wnt/β-catenin通路最为经典，在骨吸收和骨形成过程中起重要作用 ［8］ 。大量的研究结果显示，Wnt/β-catenin经典通路在成骨细胞的分化、增殖和凋亡过程中起重要的调控作用，抑制β-catenin蛋白或敲除β-catenin基因可以造成成骨细胞分化不全、Ⅰ型胶原和骨钙素含量降低，从而影响骨组织的形成和矿化 ［9，10］ 。Wnt信号通路可通过多种途径改变骨量，与骨质疏松有着密切关系，Wnt信号通路中所涉及的靶点或细胞因子将可能成为开发新的抗骨质疏松药物的潜在作用位点。通常情况下，Wnt配体与共受体LRP5/6、Frizzled 蛋白结合，通过DVL，使APC-Axin-GSK3β复合体解构，从而稳定细胞质内β-catenin，当游离β-catenin达到一定量时，β-catenin蛋白进入细胞核与TCF/LEF转录因子结合，激活下游靶基因完成基因转录，从而诱导骨形成。因此，针对Wnt信号通路在调控骨代谢方面的作用，人们希望通过促进Wnt信号通路正向调控因子的表达，或降低负向调控因子对Wnt通路的阻断作用，使得Wnt信号通路在骨形成过程中发挥更加积极的正向调控作用，达到治疗骨质疏松的目的。由于Wnt正向调控因子在保存和活化等方面存在一定的局限，目前的研究多集中在如何阻断Wnt信号通路负向调控因子方面，主要的调控靶点包括DKK家族的DKK1、DKK2和SFRPs相关蛋白中的sfrp1等 ［11］ 。
目前对Wnt信号通路的研究结果发现，抑制Wnt/β-catenin信号通路的蛋白主要来源于两个家族：DKK家族和SFRPs家族。DKK家族主要包含DKK1～DKK4四个成员，其分泌的调节因子与复合受体LRP5/6结合阻止了LRP-Fz-Wnt复合体的形成，因此DKK家族蛋白具有抑制Wnt信号通路的作用。其中DKK1与DKK4在抑制Wnt/β-catenin通路方面作用最强。另一类调控Wnt/β-catenin信号通路的蛋白SFRPs属于Wnt反义链家族，其氨基末端多含有丰富的半胱氨酸基团。SFRPs可以与Wnt通路中的CRD结合，进而阻止SFRPs与Frizzled相互作用；同时SFRPs可以直接与Wnt蛋白相结合以阻止其与受体结合，达到抑制Wnt通路的目的 ［12］ 。目前，Wnt信号通路这一调控途径已经被认为是改善骨质疏松症患者骨量的重要方法之一，但由于Wnt信号通路除调控骨代谢外同时参与了体内其他代谢活动，单纯的阻断Wnt信号通路可能会引起体内其他组织器官的病变，如肿瘤的发生、血管的钙化、甲状旁腺功能亢进症和高钙血症等，这些都还需要更深入的研究 ［13］ （图1-1）。
图1-1 Wnt/β-catenin经典通路
OPG/RANKL/RANK信号通路是近年来发现的在破骨细胞分化过程中起重要作用的一条信号传导通路。OPG/RANKL/RANK信号通路的发现不仅更加完善地解释了破骨细胞分化、成熟、凋亡过程中的信号传导及其调控过程，同时也为骨代谢疾病的治疗提供了理论依据和全新的方向 ［14，15］ 。OPG（osteoprotegerin，骨保护素）是一种肝素结合型分泌性糖蛋白，属于肿瘤坏死因子受体超家族中的一员。OPG有单体和二聚体两种形式，分子量分别为60ku和119ku。而人OPG基因属于单拷贝基因，位于染色体的8q23-24位点，其蛋白由401个氨基酸组成。骨组织中的OPG主要由成骨细胞谱系的各种细胞产生，并随细胞的分化成熟而增加，是目前发现的唯一能直接负向调控破骨细胞的调控因子。RANKL（细胞核因子kB受体活化因子配体）是OPG的配体，是肿瘤坏死因子超家族中的一员。RANKL属于跨膜蛋白，胞内区较短为氨基末端，胞外区较长为羧基末端。人RANKL基因位于染色体的13q14位点，RANKL基因启动子结构区含有维生素D和糖皮质激素反应元件。RANKL由OB、BMSCs和T、B淋巴细胞分泌，RANKL与其位于OC及其前体表面的受体RANK结合，激活RANK，使TRAF-6蛋白积聚，激活NF-kB，并进入细胞核执行核内转录过程，活化的NF-kB使AP-1家族中的c-Fos表达增强，c-Fos与NFATc1相互作用后引发OC基因转录。而这一过程可以被OPG拮抗，OPG由OB和BMSCs产生，在OC外与RANKL竞争性结合，使RANKL失活。若OPG缺失，RANKL与其受体RANK结合，导致前OC募集，合并为多核OC，提高OC活性和生存力。目前的研究结果证实，RANKL和M-CSF能取代成骨细胞来诱导破骨细胞分化成熟；同时，破骨细胞前体在分化成熟过程中必须要有低水平的RANKL和M-CSF的存在，说明RANKL对破骨细胞的分化成熟起着极为重要的正向调控作用 ［16］ 。而OPG能与RANKL竞争性结合RANK，从而阻断由RANKL引起的破骨细胞前体分化、存活和融合，抑制成熟破骨细胞活化剂骨吸收活性，最终导致破骨细胞凋亡 ［17，18］ 。
OPG/RANKL/RANK信号通路在骨质疏松症的发病机制中起重要作用，如何调控OPG和RANKL与RANK的相互作用，达到抑制破骨、促进成骨的目的，成为各项研究的重点。OPG的主要作用是成骨，RANKL的主要作用是破骨，因此，要通过OPG/RANKL/RANK信号通路来治疗骨质疏松，主要的手段就是促进OPG表达，或者抑制RANKL表达。目前，作用于OPG/RANKL/RANK信号通路中OPG、RANKL等靶点的人重组OPG、单克隆RANKL抗体已经研制成功，前期的实验室研究取得了较为满意的成果，部分药物已经开始临床试验 ［19，20］ 。目前，单克隆RANKL抗体的研制已经进入临床试验阶段（如Amgen公司的AMG-162），研究结果显示其在纠正骨质疏松、促进成骨方面优势明显，效果优于经典的双磷酸盐类抗骨质疏松药物。同时由于在恶性细胞中发现有RANKL的异常表达，单克隆RANKL抗体还被认为可以用于骨转移性肿瘤的治疗，如乳腺、前列腺骨转移性肿瘤 ［15，21］ （图1-2）。
图1-2 OPG/RANKL/RANK信号通路
组织蛋白酶K是一种在破骨细胞中表达丰富的半胱氨酸蛋白酶，它是番木瓜蛋白酶家族中的一种蛋白水解酶，主要参与Ⅰ型胶原、骨桥蛋白、骨连接蛋白等骨基质的降解。组织蛋白酶K主要通过调节骨胶原纤维降解来促进骨吸收，其主要作用靶点位于Ⅰ/Ⅱ型胶原纤维胶质的N端三股螺旋处 ［22］ 。既往的研究结果发现，组织蛋白酶K基因突变的患者可出现骨组织致密性成骨不全，表现为全身骨组织广泛硬化，伴有骨吸收标志物显著降低。另有研究通过对组织蛋白酶K基因敲出小鼠的骨组织进行组织形态学分析后发现，该类小鼠骨组织广泛硬化、骨小梁明显变粗，同时伴有骨脆性增加，证明了组织蛋白酶K在骨吸收过程中的重要作用 ［23］ 。在上述研究的基础上，部分学者希望通过抑制组织蛋白酶K对骨组织的作用，以达到延缓骨基质降解、改善骨质疏松症的目的。目前已发现了两种组织蛋白酶K抑制剂odanacatib（MK-0822）和balicatib（AAE581），它们通过紧密结合方式调节骨组织吸收，无论在体内还是体外实验中都表现出明显的抗骨重吸收的作用 ［24］ 。Stoch等 ［25］ 采用双盲随机对照方法对odanacatib的抗骨质疏松作用进行研究，21天后发现治疗组患者的骨吸收因子明显降低。其中每周使用odanacatib的患者其CTx下降62%、NTx/Cr下降约62%；而每天使用odanacatib的患者其CTx下降81%、NTx/Cr下降约81%。Bone等的研究结果与Stoch等的研究结果相似 ［26］ 。通过对399例绝经后骨质疏松患者进行为期2年的双盲随机对照研究，发现治疗组患者脊柱和股骨颈骨密度分别增加5.5%和3.2%；同时血清骨重吸收标记物CTx和P1NP分别下降40%和25%。未发现患者出现明显不良反应，安全性和耐受性较好。
骨形态蛋白（BMPs）属于转移生长因子TGF-β超家族中的一员，其主要生物学作用是诱导未分化的间充质细胞增殖及发生成骨性分化，最终促进软骨和新生骨的形成。BMP信号通路主要是通过BMPs与其活化素激酶受体相结合，激活细胞内下游通路如Smad和MAPK等信号通路，从而发生一系列磷酸化或聚合酶链反应 ［27］ 。BMP作为调节成骨细胞生长最重要的系列生长因子之一，对骨形态的发生具有决定性作用。目前的研究结果发现，BMP 具有很强的促进成骨细胞分化和诱导体外成骨的能力，同时能诱导人骨髓间充质干细胞向成骨细胞方向转化 ［28］ 。另外，BMP在发挥成骨作用的同时，还可抑制间充质干细胞向脂肪细胞和肌肉细胞转化。因此，如何通过促进骨组织中BMPs的表达来增加骨量成为目前的研究重点。BMPs受到细胞外相关因子的调控，目前研究得较多的三种调控BMPs的细胞因子包括Noggin、Gremlin和Twisted gastrulation ［29］ 。他们都可以与BMPs特异性结合，从而阻断BMPs对骨量的改善作用。Devlin和Gazzerro等的研究 ［30，31］ 发现骨质疏松症患者骨组织内存在高表达的Noggin和Gremlin，说明了Noggin和Gremlin这两种BMPs抑制剂可能是新的抗骨质疏松靶点。
活化素（Activin）是一类由抑制素βA和βB二聚体构成的BMP相关蛋白。活化素由下丘脑分泌的FSH调控，与其相应的受体如ActRIA、ActRIB、ActRIIA和ActRIIB结合后，通过促进成骨细胞和破骨细胞分化成熟等作用来达到调控骨代谢的目的。目前的研究结果发现活化素受体能被BMPs家族中具有骨吸收促进作用的BMP-3 所结合，进而激活破骨细胞使得骨量降低 ［32］ 。因此，通过抑制活化素及其受体与BMP-3的相互作用可能是抗骨质疏松的新靶点之一。Pearsall等 ［33］ 通过动物实验发现，将活化素高亲和性受体ActRIIA作用于小鼠后，其骨量、骨强度等指标较对照组小鼠均有明显增高。研究结果分析认为该类受体的抗骨质疏松作用可能与其阻断活化素或BMP-3对骨的负向调控有关。Fajardo等 ［34］ 将可溶性活化素受体通过皮下注射的方式用于猕猴骨质疏松的研究，发现3个月后治疗组猕猴的腰椎骨密度较对照组增加约13%，桡骨远端骨密度增加约15%，同时骨组织的生物力学强度也明显增加。Ruckle等 ［35］ 采用随机对照试验对48位绝经后妇女进行研究，发现可溶性活化素受体作用组患者的骨特异性碱性磷酸酶浓度明显增加，而骨吸收标记物如CTx和TRACP-5b则有所降低，证明了该类受体在促进骨形成和降低骨吸收方面的优势。由于BMPs调控体内多种生物代谢活动，因此通过BMPs和活化素这一信号通路来改善骨量还需要更加深入的研究。
目前，分子信号通路在骨质疏松防治方面的研究取得了较大的进步，部分调控靶点对骨质疏松症患者骨量的改善作用已进入临床试验，并取得了较为满意的成果。除上述报道的信号通路外，其他通路如MAPKs信号通路、Smads信号通路及NF kB信号通路也逐渐被人们所熟悉。然而，尽管上述信号通路的研究结果令人鼓舞，但研究成果的临床转化仍需要较长的时间，存在的问题主要包括：各信号通路之间有无交联（crosstalk）关系？单一靶点的促进或阻断是否能够在人体内起到促进成骨的作用？是否需要作用于多靶点药物？信号通路的促进或阻断是否会造成一定的副作用？这些都是阻止上述信号通路研究成果用于临床的因素，也是未来研究亟待解决的问题。
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