1.骨细胞位于骨骼中，源于成骨细胞, 与其他骨细胞群协同调节骨代谢。成熟的骨细胞表达硬化蛋白, 硬化蛋白是一种负性调节骨量的因子。
2.正常生理状态下,硬化蛋白作用于骨表面的成骨细胞，并且因所受机械负荷,炎性分子如前列腺素E2及激素如甲状旁腺激素和雌激素的刺激而差异性表达。
3.病理上,硬化蛋白失调已经在骨质疏松症相关骨折、骨移植失败、肿瘤骨转移和骨遗传性疾病中观察到。
4.针对硬化蛋白的抗体, 内源性减少硬化蛋白水平，同时增加骨盐密度,目前处于第三阶段临床试验。
5.骨细胞功能多样，是骨组织中不可缺少的。它位于广泛的树状骨网络, 与体循环和其他骨细胞密切沟通为治疗各种骨病治疗提供许多机会。
骨是骨骼系统的主要部分，骨骼系统维持运动，是肌肉附着处，保护内部器官和维持体内钙平衡。此外,骨还为成骨细胞、骨细胞、破骨细胞、造血细胞、间充质细胞和免疫细胞相互作用提供了独特的微环境 (图1)。单核细胞分化成促进骨吸收的破骨细胞。成骨细胞来源于间充质干细胞，主要产生新的骨质。成骨细胞、骨细胞和T细胞产生关键的促破骨细胞生成蛋白，即是核因子kappa-β配体(RANKL)，为了平衡破骨细胞产生及骨吸收,骨细胞和成骨细胞也产生骨保护素(OPG)干扰RANKL 信号传导。越来越多的证据表明骨细胞作用于其他系统如中枢神经系统、能量代谢、血糖调节和性腺功能。一个例子是成骨细胞分泌的一种蛋白质骨钙素，调节胰腺胰岛素分泌和性腺功能。
图1
骨细胞控制局部骨组织环境。骨细胞通过控制破骨细胞和成骨细胞活动，维持骨吸收和骨形成。骨细胞释放RANKL(核因子kappa-b配体)诱导破骨细胞分化、以及OPG(骨保护素)抑制破骨细胞生成。重要的是,骨细胞也释放FGF-23(纤维母细胞生长因子-23),BMP(骨形成蛋白质),以及骨硬化蛋白调节成骨细胞活动，狄诺单抗和骨硬化蛋白抗体是与骨细胞作用的两个抗体,可增加骨密度。
骨细胞是骨骼系统的主信号感受器,整合器,换能器。骨细胞、成骨细胞和破骨细胞主要维持骨细胞生长和骨愈合。骨硬化蛋白, 是生理条件下由骨细胞分泌的糖蛋白,是一个抑制成骨细胞形成的重要负性调节骨量因子 。
骨组织中的骨细胞新陈代谢高度活跃。矿化骨基质包括羟磷灰石、钙、和对体内平衡重要的一些离子。骨基质是许多蛋白质如胶原蛋白、骨钙蛋白、骨桥蛋白、转化生长因子和骨形成蛋白(BMP)的储存所。在骨表面, 破骨细胞吸收骨和重塑骨后，成骨细胞产生新的基质。占了骨组织细胞的95%以上的骨细胞由骨基质中的成骨细胞分化而成。直到现在还有很多骨细胞功能尚未揭示。
骨细胞在矿化的骨基质中形成一个生存网络, 过去有研究人员观测其处于静止状态。骨细胞胞体在15到20微米陷窝空间中,通过树突状管道交流,这些树突与其他骨细胞,骨髓,成骨细胞层联系。骨细胞在骨内的三维分布高度有组织以增强适应。巨大的骨细胞网络形成一个大的“骨膜”和细胞基质接触面。骨细胞都浸在提供营养、氧气和体循环信息的微管液体中。微管液体中携带激素,循环交流和机械传导信号,也提供潜在的药物治疗途径。
图2
骨中骨细胞。骨细胞在三维分布高度有组织的基质中。通过树突和其他骨细胞，骨髓,造骨细胞联系。
成骨细胞分化为骨细胞的信号通路尚在研究当中。几个识别成熟骨细胞的关键蛋白,如E11、碱性磷酸酶, 基因在染色体X上的Pi-调节肽链内切酶(PHEX),胞外基质磷酸糖蛋白(MEPE)、硬化蛋白和纤维母细胞生长因子-23(FGF-23)（图.1及图.3），差异性表达。只有分化完成的骨细胞产生硬化蛋白和对于骨细胞和成骨细胞交流很重要的FGF-23。FGF-23不仅在局部作用于骨内，还作用于肾脏影响磷平衡;然而,关于该骨细胞蛋白表达的讨论超出了本文的范围。
图.3
骨细胞分化。骨细胞分化源于成骨细胞。分化的确切机制尚不清楚,然而,在骨细胞成熟过程中表达若干不同的标记。RUNX2 = 侏儒相关转录因子-2，COL1 = Ⅰ型胶原蛋白,OCN =骨钙素,DMP1 =牙本质基质酸性磷蛋白质1, Alk Phos =碱性磷酸酶,PHEX = X染色体上Pi-调节肽链内切酶,MEPE =细胞外磷糖蛋白基质,FGF23 =纤维母细胞生长因子-23。
硬化蛋白自1958年首次描述,已经成为一个提示多种骨密度疾病的重要骨细胞分泌物。尽管骨细胞是硬化蛋白最好研究的产生者,然而，mRNA(信使RNA)也在软骨细胞、肾、肺、血管和心脏中发现。硬化蛋白是SOST基因精细调控下的产物。作为骨细胞功能信号抑制成骨细胞骨生成和控制骨代谢作用。其抗骨生成作用对骨折愈合，骨质疏松症，肿瘤骨转移和各种各样的其他疾病有重要影响 。硬化蛋白抗体对于骨科疾病显示出不错的效果和广泛的适用性。
硬化蛋白生理作用
硬化蛋白表达是由很多种因素调控, 包括机械感受,局部细胞因子,和内分泌因素。
骨细胞是骨组织的机械感受器， 承受机械负荷时，骨细胞调节骨量。骨细胞间陷窝和微管网络是机械应变力放大器,以增加骨细胞对机械负荷敏感性。探测信号的确切位置尚未知,可能在骨细胞的细胞体或树突,或两者兼有之。硬化蛋白调控差异性取决于骨骼机械负荷。骨集中应力区域的硬化蛋白量有所下降。在微重力和降低的机械负荷实验中,硬化蛋白上调，骨盐密度降低。临床上, 健康成年男性卧床休息时，血清硬化蛋白水平增加。长期无负荷的病例中，如脊髓损伤，硬化蛋白水平增加,且与骨质疏松进展正相关。
硬化蛋白下调与骨生成和骨量有关。通常认为硬化蛋白抑制成骨细胞Wnt / β-catenin通路,结合在成骨细胞膜上5/6的LRP(低密度脂蛋白受体相关蛋白) 受体上，发挥作用。治疗作用上,硬化蛋白抗体(AMG 785; Amgen, Thousand Oaks, California)降低硬化蛋白水平和恢复骨盐密度。此方法中，先假定硬化蛋白穿过骨微管网络到达骨表面的目标成骨细胞并激活Wnt通路。随后,硬化蛋白促进成骨细胞凋亡,最终减少骨生成。
遭受机械负荷后,骨细胞释放前列腺素。体外研究表明,前列腺素E2通过EP4受体迅速抑制硬化蛋白。释放前列腺素是为了调节成骨细胞增殖,也可以与Wnt / β-catenin途径交互作用。体外数据提示缺氧抑制硬化蛋白通过Wnt / β-catenin途径在骨细胞表达。许多其他炎性分子,如肿瘤坏死因子,抑癌蛋白M、心肌营养素-1和白血病抑制因子,迅速下调硬化蛋白在骨细胞表达。
骨细胞对通过改变硬化蛋白表达改变骨量的各种激素敏感。研究表明, 骨细胞和体循环间存在快速、有效的沟通。
例如,甲状旁腺素(PTH)是由甲状旁腺释放到血液中作用于骨组织降低骨钙水平。甲状旁腺素改变硬化蛋白表达作用于骨细胞。骨细胞中持续活跃的甲状旁腺素受体-1(PTHR1) 抑制骨硬化蛋白表达，以增加骨塑造和再塑造 。在一项27位绝经后妇女接受间歇性甲状旁腺素治疗研究中,外周血硬化蛋白水平和骨髓血涂片硬化蛋白显著下降。证据表明,甲状旁腺素导致直接上调SOST表达的runt-相关转录因子2(RUNX2) 酶解增加。间歇甲状旁腺素同化作用 可能的途径是抑制硬化蛋白在骨细胞表达。
性激素对于骨生长和维持很重要。雌激素信号影响骨细胞对骨密度的调控。去除雌激素α受体导致机械负荷敏感性下降，雌激素水平下降引起骨细胞凋亡。在特发性骨质疏松症男性中,循环中硬化蛋白水平与雌激素有关,可能表明骨细胞量降低。
在使用促性腺激素释放激素(GnRH) 和17 β-雌二醇治疗的老年男性中，血清硬化蛋白水平显著降低,而GnRH受体激动剂和雄激素治疗的男性中， 循环中硬化蛋白都有所增加。关于循环中硬化蛋白和性激素水平的研究尚未表明,硬化蛋白水平取决于骨细胞表达情况。该阶段,许多研究主要基于循环硬化蛋白水平,很大程度上是初步的研究。
众所周知,二型糖尿病患者骨量降低，骨折不易愈合。在二型糖尿病实验大鼠中，使用硬化蛋白抗体治疗后，骨量和骨强度增加,骨缺损再生改善。也有提出, 二型糖尿病患者的骨缺损再生可能出现障碍,因为在充足骨化之前，骨枷过早吸收。
骨疾病中硬化蛋白及骨细胞作用
骨细胞及分泌物是各种已知骨疾病的研究对象。骨质疏松、骨折愈合、移植骨愈合、肿瘤骨转移和遗传性骨病均涉及并影响骨细胞生物学(图4)。由于成熟骨细胞分泌的硬化蛋白与骨骼疾病有关,因此是一个的感兴趣研究问题。
图4
硬化蛋白和相关疾病。许多骨科疾病作用于骨细胞，增加硬化蛋白表达(红色)或减少表达(绿色),随后,分别下调或上调骨生成。PTH=甲状旁腺素。
骨折愈合
加深对骨折愈合的认识和提高骨折愈合率是主要的研究领域。优化这个系统可降低由于创伤性和病理性骨折所致的发病率和死亡率。骨折处血管破裂引起细胞坏死;然而,有证据显示,幸存下来的骨细胞对骨折愈合最初阶段的细胞募集和OPG释放很重要。在之后的骨枷重塑中，硬化蛋白减慢骨枷形成和成熟。
啮齿动物模型显示硬化蛋白表达下调有利于骨折愈合。在缺乏硬化蛋白基因的小鼠中，骨愈合显著加速，骨区域增加,软骨区减少, 在十四天时骨枷连接 (野生型老鼠此时没有出现骨桥接)。骨折后每周注射两次硬化蛋白抗体，骨形成、骨密度和骨强度在骨折后二周都有所增加。在六周时,最大破坏负荷增加了68%。硬化蛋白抗体注射到有大块股骨缺损的小鼠及无大块股骨缺损的小鼠体内后，结果显示早期愈合，愈合完全，骨缺损处生理成熟。大鼠牙周炎实验模型也得出类似的结论，硬化蛋白抗体治疗后，牙槽骨再生填满大量口腔骨缺损。
相反,一项包括75位长骨骨折患者的研究，骨折处血肿和血清中硬化蛋白水平升高,证明了骨折愈合时硬化蛋白的局部和全身作用 。Wnt途径的调整对于骨折愈合可能是必要的。而硬化蛋白激活Wnt通路，dickkopf-相关蛋白1(Dkk-1) （也在LRP6处抑制Wnt信号）,抑制骨愈合。在一个临床对比试验中，比较经唑来膦酸和狄诺单抗治疗的绝经后妇女血Dkk-1和硬化蛋白水平，结果显示唑来膦酸和狄诺单抗对最终降低骨吸收的Wnt途径起相反作用。
患有骨质疏松症的绝经妇女硬化蛋白水平可以预测骨折风险:增加的血清硬化蛋白水平、骨密度、年龄和其他混合因素与骨折风险密切相关。脆性骨折是骨质疏松症的主要并发症，由于骨强度不足难以行金属内固定手术,因而有高的延迟愈合率和骨折不愈合。骨折后的前几天,炎症分子如白细胞介素- 6出现在骨折断裂处,四天后可能引起骨重塑基因表达和硬化蛋白下调。切除卵巢的小鼠经硬化蛋白抗体处理后，一周后胫骨近端骨缺陷修复加速增强。硬化蛋白抗体不仅促进了骨折愈合，也对整个骨架有同化作用。硬化蛋白抗体也会降低骨折后手术固定不愈合的风险。
所有这些数据说明了可能硬化蛋白在骨折愈合的作用。尽管消除啮齿动物模型的硬化蛋白利于增加骨形成,然而人类患者在骨折生理愈合时，硬化蛋白水平在增加。此外,硬化蛋白水平在骨质疏松时改变。这些数据表明,骨矿化、骨枷骨化和重塑调节与硬化蛋白表达密切相关。骨受伤后在特定时间点骨细胞分泌的硬化蛋白，最有可能在骨折愈合过程中起着至关重要的调控作用。
骨移植物整合
骨科关节置换植入物最有可能因为无菌性松脱而失败。术后,所有假体不可避免地产生磨损粒子并嵌入在相邻组织。植入失败往往伴随着外周移植骨吸收和骨细胞死亡。
体外研究表明, 植入物产生的磨损颗粒显著改变骨细胞功能，导致Akt 失活和细胞凋亡,并将宏观研究和分子生物学联系了起来。为了增加植入物周围骨形成，Liu等人及Virdi等人对实验大鼠移植物模型进行硬化蛋白抗体处理。这些研究中的硬化蛋白抗体阻止磨损颗粒的负面影响,增加了骨体积。骨细胞的活力和骨量的维持对于降低关节置换术并发症发生率是至关重要的;预计全髋、膝关节置换术翻修率到2030年将分别提高到137%和601%。
转移性骨癌和恶性肿瘤诱发的骨缺失
转移性和原发性骨肿瘤与骨细胞蛋白产物作用密切。硬化蛋白可能是恶性肿瘤诱发骨病的一个关键中介子，给乳腺癌骨转移及骨髓瘤骨病提供一个有前景的治疗途径 。其他靶标包括OPG、RANK/RANKL、组织蛋白酶K,和作为转移性骨痛新靶标的其他途径分子。在多发性骨髓瘤中,骨髓瘤细胞越出骨组织中骨细胞的调节。骨髓瘤细胞释放RANKL，抑制产生及诱导降解OPG。其他研究也显示,骨髓瘤细胞通过分泌硬化蛋白抑制成骨细胞。骨疾病严重程度和循环血清硬化蛋白水平正相关表明，多发性骨髓瘤细胞利用硬化蛋白形成溶骨病变。
在某些疾病,如骨佩吉特病，前列腺癌, 成骨细胞数量和活性大幅增加。此外，骨矿化和成骨细胞损伤增加，提示这些病人硬化蛋白水平与骨更新速率有关。也许这些数据说明骨细胞代偿性释放硬化蛋白抑制成骨细胞过度活动。另外,硬化蛋白可能诱发骨细胞RANKL产生,增加破骨细胞活性及骨吸收。
乳腺癌转移细胞也可调节骨细胞活动。溶骨转移性乳腺癌中RUNX2和共激活剂结合因子β(CBFB)调节破骨细胞和成骨细胞功能。具体来说, 乳腺癌转移细胞分泌的骨桥蛋白激活破骨细胞,而成骨细胞被依靠RUNX2 / CBFB表达的硬化蛋白抑制 。硬化蛋白区域包含1(SOSTDC1)，即是一种在BMP和Wnt信号途径活跃的硬化蛋白家族基因,可能在乳腺癌中下调表达。患者中更高水平的SOSTDC1 mRNA和转移存活率有关,而原发性乳房肿瘤SOSTDC1信号水平下降。综上所述,这些数据显示, 硬化蛋白在转移性乳腺癌作用复杂。
遗传性骨疾病
大量骨疾病是由于基因畸变特异性影响骨细胞。骨细胞功能障碍或骨细胞基因产物功能障碍是否是疾病病因往往是不确定的。然而,特定硬化蛋白紊乱导致骨骼畸形。
硬化蛋白紊乱最常见于硬化性骨疾病和van Buchem疾病。硬化性骨疾病患者由于硬化蛋白突变功能缺失，骨密度增加，出现并指。硬化性骨疾病只确定了6个突变点，它们包括硬化蛋白基因和LRP5 。van Buchem病类似骨硬化病,但一般较骨硬化病轻。由于SOST基因下游调节域删除，成骨细胞活性增加。病人的人牙齿和生长板块受van Buchem疾病影响,骨细胞不产生高的硬化蛋白水平。临床上, van Buchem病硬化蛋白水平提示基因删除量与临床疾病严重程度有关(测量血清硬化蛋白水平)。尽管硬化蛋白显然与van Buchem病和硬化性骨病有关,它也可能在成骨不全症中发挥作用。成骨不全症,通常由于缺乏Ⅰ型胶原蛋白,特点是骨量减少和骨质疏松，易于骨折。小鼠成骨不全症模型中短期硬化蛋白中和抗体，改善骨量和减少骨折风险。
其他骨广泛受累及的遗传性疾病可能与骨细胞功能障碍有关。例如,强直性脊柱炎是一种异位骨形成引起竹节状外观伴随脊柱活动受限和背部疼痛的疾病。强直性脊柱炎的OPG水平改变提示疾病活动性状态时成骨细胞活动增强和异位骨形成。地中海贫血导致的骨质疏松症也表现骨更新速率高和血清Dkk-1浓度增加。患者经唑来膦酸治疗后，硬化蛋白水平无降低，表明骨细胞活性高。
以骨细胞和硬化蛋白为靶标的新治疗方案
硬化蛋白正成为调节骨功能状态的关键分子。硬化蛋白来源的骨细胞是深远影响人体内部变化的化学和机械信号主要整合者。血管系统通过微管液体和骨细胞网络提供了一个理想的小分子输送途径 。加深对骨细胞功能及硬化蛋白表达调节系统的认识是进行骨功能研究的重要方面。硬化蛋白其他应用也在出现,如骨关节炎软骨细胞表达硬化蛋白。控制硬化蛋白水平可以维持骨细胞,成骨细胞和破骨细胞之间的微妙平衡。
上面所讨论的,硬化蛋白抗体,是专门为治疗骨质疏松而开发。硬化蛋白抗体(AMG 785;Amgen)降低了内源性硬化蛋白水平，提高成骨细胞生存，骨生成增加。本文中讨论了硬化蛋白抗体许多新的应用,包括硬化性骨病 ,van Buchem疾病，骨折愈合和骨质疏松症。硬化蛋白抗体(AMG 785;Amgen) 治疗骨质疏松症的有效性评估正处于Ⅰ和II期临床试验。2011年单剂量AMGⅠ期临床试验耐受良好。II期临床试验选择的女性股骨颈T-scores在2.0和3.5之间，并给予五个剂量皮下给药。12个月后，五个剂量方案治疗与其他可用治疗方法比较，腰椎和股骨近端部分骨密度增加。此外, Amgen进行Ⅱ期试验评估AMG 785对于55到95岁髋部骨折后手术固定患者的骨折愈合疗效。2013年2月,Amgen和合作者UCB SA停止病人中期试验，因为AMG 785治疗相比于安慰剂，影像学上评估显示没有改善骨折愈合时间。Ⅲ期试验目前正在绝经后骨质疏松症妇女中进行。尽管在这些试验中有很低的毒性, 硬化蛋白在骨髓环境中还有其他重要的功能如支持免疫细胞; 研究显示硬化蛋白失调导致b细胞凋亡及减少。
许多研究已经确定一些疾病骨细胞数量殆尽或减少。多发性骨髓瘤患者较正常人和疗效待定的单克隆丙种球蛋白（MGUS）治疗患者，骨细胞凋亡明显增加 。且骨细胞分泌硬化蛋白失去控制 。研究表明克罗恩病患者胃肠道损害导致主要矿物质缺乏对骨细胞及骨重塑有不利影响 。然而，硬化蛋白抗体治疗克罗恩病动物模型，骨密度显著改善。此外,磷酸盐、降血钙素和QVDOPh（pan-caspase抑制剂）维持疾病状态下的骨细胞效果不错。
骨细胞树突网络也与疾病有关，骨表面的骨细胞和成骨细胞之间沟通存在异常。如在骨质疏松中骨细胞树突连接数量下降,结构精密的三维网络也受到破坏。与之相反的是,骨软化中树突和其间连通性均增加。骨软化中细胞外骨基质低矿化；最近的研究表明, 骨细胞陷窝低矿物化与其他相疾病过程有关,如骨关节炎等。骨细胞和细胞外形态学变化受相关疾病过程密切影响，和骨密度密切有关。
全身性疾病也与骨细胞和骨中细胞活动有关。甲状旁腺功能亢进,甲状旁腺素增加,促进病理性破骨细胞活动，进而破坏骨结构。然而,间歇性PTH治疗降低硬化蛋白水平和增加骨盐密度。因此,甲状旁腺素对于骨量的影响与治疗时间直接相关。 间歇甲状旁腺素治疗新效果促进了特立帕肽(Eli Lilly,Indianapolis, Indiana)的发展，特立帕肽治疗骨质疏松症效果显著,已被证明能减少硬化蛋白表达,提高骨细胞密度。
总结和未来方向
增加骨质的治疗方法正在快速更新。除了AMG 785外,双磷酸盐，狄诺单抗(Amgen)和特立帕肽(Eli Lilly) 在临床上应用越来越受到热捧，应用指证越来越广泛。(狄诺单抗被美国食品和药物管理局(FDA) 批准用于治疗骨质疏松症和实体肿瘤骨转移;磷酸盐被FDA批准用于预防和治疗骨质疏松症及其他骨疾病,如佩吉特病; 特立帕肽被FDA批准用于有骨折风险的男性和绝经后骨质疏松症妇女。) 然而,早期的研究显示阿仑膦酸钠，狄诺单抗(Amgen)和特立帕肽有严重的副作用 。因此,一直以来需要临床骨生物学进步 和发展新疗法。
当前骨细胞功能的数据已经用于发展各种治疗措施改变骨细胞功能。骨组织中的骨细胞及骨细胞源性蛋白如硬化蛋白，为开发新方法治疗骨疾病提供很多的机会。
