骨質疏松是一種以骨量下降、骨顯微結構破壞為特征的退行性疾病。目前，研究發現Ⅰ型膠原纖維的結構和含量與骨質疏松密切相關。但是，將Ⅰ型膠原纖維作為治療靶點從而防治骨質疏松卻鮮有研究。因此，該文分別闡述了Ⅰ型膠原與骨質疏松、生物力學、骨基質及骨強度的關系；同時，進一步總結了骨質疏松中Ⅰ型膠原相關信號通路的研究現狀，例如組織蛋白酶 K、轉化生長因子-β/Sma 和 Mad 相關蛋白、轉化生長因子-β/骨形態發生蛋白、c-Jun 氨基末端激酶和 Wnt/β 聯蛋白等信號通路中關鍵靶點的調控，以期為骨質疏松的防治提供新的治療方向。
引用本文： 吳元剛, 曾羿, 沈彬. Ⅰ型膠原在骨質疏松中的研究進展. 華西醫學, 2019, 34(9): 1047-1052. doi: 10.7507/1002-0179.201907169 復制
骨質疏松是一種以骨量下降、骨顯微結構破壞為特征的退行性疾病[1-4]。隨著我國進入老齡化社會，骨質疏松的發病率呈較快上升趨勢。此外，由骨質疏松及其引發的骨折造成的并發癥已經嚴重威脅骨質疏松患者的生命健康和生活質量，其高昂的醫療費用也成為一個較嚴重的社會和經濟問題[5-6]。據統計，2010 年美國 50 歲以上成年人中大約有 10.3% 患有骨質疏松癥[7]，如果沒有干預治療，全世界在未來 25 年內的骨質疏松癥患者將增加 3 倍以上[8]。骨質疏松癥會增加各種疾病的風險，如骨折[9]、肺炎[10]等。其中，髖部骨折和椎骨骨折是骨質疏松癥最具破壞性的并發癥，并且與發病率和死亡率增加有關[11]。近年來研究發現，骨質疏松的發生發展與骨礦物質丟失、Ⅰ型膠原結構和含量的病理改變密切相關，這是誘發骨質疏松的重要原因之一[12-14]。但是，回顧文獻發現，將Ⅰ型膠原纖維作為骨質疏松治療靶點的報道卻較少。因此，本文將對Ⅰ型膠原纖維生物力學及其相關信號通路的現狀作一綜述，以期為尋找骨質疏松新的治療方向提供參考。
1 Ⅰ型膠原與骨質疏松的關系
骨質疏松中Ⅰ型膠原纖維數量和質量下降會造成骨細胞中有機質含量的下降，最后導致鈣鹽沉積不足。同時，膠原纖維變細、排列紊亂等微觀結構的改變，最終會影響骨質的生物力學性能，給骨質疏松患者帶來危害[15-18]。先前的研究已經證實，Ⅰ型膠原纖維是組成骨骼支架的基本有機質蛋白，如果其數量和質量減少，即使鈣鹽沉積充足，骨強度仍會隨之降低[19-22]。
2 Ⅰ型膠原纖維與生物力學的關系
生物力學是一門生物學、醫學、力學相互交叉而形成的新興學科[23-24]。生物力學試驗方法種類較多，較常見的包括張拉試驗、三點彎曲試驗、四點彎曲試驗、壓縮試驗及扭轉試驗等[25-27]。膠原蛋白是人體眾多蛋白質中的一種，占脊椎動物結締組織蛋白質含量的 25%～35%[28-29]，主要負責維護組織結構的完整性和細胞、器官組織的力學功能。其中，Ⅰ型膠原蛋白是人體含量最豐富的膠原蛋白之一，它由 3 個多肽鏈（2 個 α1 鏈和 1 個 α2 鏈）形成 300 nm 長的三螺旋纖維狀結構[30]，存在于皮膚、肌腱、韌帶、血管和骨骼組織等之中，提供抵抗拉伸、剪切或壓縮力的結構生物力學基礎[31-32]。
2.1 Ⅰ型膠原蛋白參與骨基質的組成
骨基質主要由礦物質和有機基質組成，其中有機質主要由Ⅰ型膠原蛋白組成。因此，Ⅰ型膠原分子的結構變化以及發生的損傷都能影響到骨基質的質量。研究報道，膠原蛋白分子在纖維內以 1/4 交錯的方式在末端重疊，這種結構可以為礦物質晶體提供潛在的成核結構，并且限制了晶體的大小，使其沿著膠原原纖維平行生長[33]。例如，成骨不全患者的礦物晶體雖然比正常人的要大，但是其膠原相關的晶體卻比正常骨要小[34-36]。同時，先前的研究已經證實，骨組織中有機質的存在使原纖維的極限拉伸強度增加約 2 倍，楊氏模量增加約 10 倍[37]。但是，無組織膠原纖維構成的編織骨的機械性能低于板層骨，這表明Ⅰ型膠原蛋白能影響骨基質的組成和機械性能[37]。
2.2 Ⅰ型膠原蛋白提高骨強度
骨骼是一種復雜的組織，其主要功能是抵抗機械力和骨折。骨強度不僅取決于骨組織的數量，還取決于其質量。骨質量受到不同因素的影響，尤其是礦物質和膠原蛋白。在所有結締組織中，膠原蛋白具有機械功能，為組織提供彈性和結構。先前的大量證據已經證實，Ⅰ型膠原纖維參與了骨骼的機械性質，特別是膠原蛋白對骨骼韌性起著重要作用，而礦物質含量主要與骨骼硬度有關[37-39]。Depalle 等[38]通過膠原纖維分析酶交聯模型對膠原纖維力學的研究發現，交聯纖維密度和類型決定了生物體變形的剛度，而交叉鏈接的機械性能決定失敗纖維的應變和強度。這些研究結果表明，膠原纖維的密度、類型和機械性能的交叉連接對纖維造成的生物和機械力學起著至關重要的作用。Fazaeli 等[39]研究了豬顳下頜關節盤中膠原纖維在顳下頜關節盤機械壓縮性能中的作用，通過消化酶分解關節盤中的膠原纖維后發現，經過消化酶治療的關節盤的瞬時抗壓模量減少 50%～90%；進一步對標本進行生化分析發現，關節盤中膠原蛋白和黏多糖含量分別平均下降了 14% 和 35%。Bertassoni 等[40]報道了Ⅰ型膠原在牙骨質中膠原蛋白的組織結構和脫鈣的可能機制研究，研究者采用胰蛋白酶對健康成人牙進行脫鈣，通過掃描電子顯微鏡、納米壓痕實驗、表面硬度和抗蠕變性能等評估后發現，經過酶消化后的脫鈣牙在掃描電子顯微鏡圖像下出現縱向分離，分解了牙質Ⅰ型膠原的組織結構，這也潛在證實了Ⅰ型膠原對牙質周圍的基質和礦化組織的機械性能的重要影響。
2.3 膠原結構異常與骨強度關系
膠原結構的異常可以通過基因突變或藥物誘導造成。在成骨不全癥中，Ⅰ型膠原的氨基酸序列中的一些突變可導致分支纖維形成，導致脆性骨折和異常礦化[41]。膠原結構中的交聯物形成被乙酰基試劑抑制時，盡管骨組織可以正常礦化，但骨強度降低。同時，隨著年齡的增長，礦物質和膠原蛋白的性質發生變化，改變了骨組織的材料特性。Fantner 等[42]的一項體外研究證明了有機基質對骨力學性質的重要作用：熱干預能夠使有機基質降解，從而改變骨折骨的微骨折外觀和行為，導致彈性和韌性降低。因此，通過加熱使有機基質變性是導致骨強度降低的原因。
3 骨質疏松中Ⅰ型膠原相關信號通路的研究
骨質疏松中，Ⅰ型膠原相關的信號通路包括組織蛋白酶 K 信號通路、轉化生長因子（transforming growth factor，TGF）-β/Sma 和 Mad 相關蛋白（Sma- and Mad-related protein，Smad）信號通路、TGF-β/骨形態發生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）信號通路、c-Jun 氨基末端激酶（c-jun N-terminal protein kinase，JNK）信號通路、Wnt（wingless/integrated）/β 聯蛋白（β-catenin）信號通路等。
3.1 組織蛋白酶K信號通路的相關研究
組織蛋白酶 K 是一種木瓜蛋白酶半胱氨酸蛋白酶，主要在破骨細胞中表達并負責降解Ⅰ型膠原、骨連接蛋白等骨基質[43-44]。既往研究表明，組織蛋白酶 K 是骨形成中最重要的膠原蛋白溶解肽酶之一，其過度表達與骨質疏松癥密切相關[45-47]。Chapurlat [48]使用小分子組織蛋白酶 K 抑制劑治療絕經后骨質疏松癥的Ⅲ期臨床試驗發現，組織蛋白酶 K 抑制劑能夠有效增加脊柱、髖部、脛骨、橈骨遠端等的骨密度，改善骨強度，在抗骨折療效或安全性方面令人滿意。此外，Panwar 等[47]通過對鼠尾中Ⅰ型膠原纖維研究發現，過多的組織蛋白酶 K 能介導骨和軟骨中Ⅰ型和Ⅱ型膠原的降解，導致膠原纖維結構的破壞，造成拉伸性能和機械性能都不同程度地下降。
3.2 TGF-β/Smad信號通路的相關研究
TGF-β 家族包括 TGF-β1、TGF-β2 和 TGF-β3，以及相關的生長和分化因子如激活素、抑制素和 BMP 等[49-51]。在病理情況下，這些分子發揮重要作用，例如參與炎癥、骨關節炎和骨質疏松的發生與發展[52-53]。Pincu 等[54]研究發現，肥胖可能引發骨骼肌細胞分泌 TGF-β1，可以通過 Smad 3 磷酸化和激活，刺激成纖維細胞引起Ⅰ型膠原纖維分泌增加，膠原蛋白的沉積也相應增加。Berria 等[55]也發現了類似的結果：與相對較瘦的受試者相比，非糖尿病肥胖受試者和 2 型糖尿病患者的肌肉活組織都分別檢查到含有更多的膠原蛋白，研究證實了通過 TGF-β1 信號通路可以刺激Ⅰ型膠原基因表達增加。在另一項研究中，Zhang 等[56]發現糖尿病患者傷口愈合情況與炎癥反應改變、血管生成不良、細胞外基質缺乏和周圍神經病變有關：加強抗炎因子 TGF-β1 和白細胞介素（interleukin，IL）-4 的表達，可降低炎癥因子 IL-1 和 IL-6 的表達，通過調節大鼠傷口愈合過程中巨噬細胞反應，能促進血管生成、神經支配，以及提高膠原纖維等細胞外基質的合成，加快傷口的愈合。此外，其他研究者則認為 TGF-β 與Ⅰ型膠原纖維的相關性仍有爭議。例如，一些作者認為成骨不全是以常染色體顯性基因（COL1A1 和 COL1A2）突變為主而造成的膠原異常疾病[57-58]，易造成骨質量的受損和骨折[59-60]。但是，Bi 等[61]通過抑制成骨不全小鼠模型的 TGF-β 信號通路也并沒有增加膠原含量或提高骨的韌性。因此，以上研究結果的差異性表明 TGF-β 與Ⅰ型膠原的相關性還需進一步研究。
3.3 TGF-β/BMP信號通路的相關研究
BMP 作為調節成骨細胞生長最重要的生長因子之一，屬于 TGF-β 家族中的重要一員。BMP 信號通路主要是通過 BMP 與其相應受體結合后激活細胞內下游信號通路，如 Smad 和絲裂原活化蛋白激酶等信號通路，實現一系列磷酸化反應[62-64]。此外，BMP 還可以與Ⅰ型膠原纖維相互作用，以Ⅰ型膠原為載體，促進新生骨的形成。Fujioka-Kobayashi 等[65]比較了重組人 BMP 結合兩種骨質的情況：其中一種是沒有膠原蛋白的天然骨礦物質，另一種是加入了Ⅰ型 atelocollagen 膠原（去除末端肽段的膠原）的天然骨礦物質；掃描電子顯微鏡發現，雖然沒有膠原蛋白的天然骨礦物質顯示表面礦化且粗糙，但加入了Ⅰ型 atelocollagen 膠原的天然骨礦物質顆粒在整個支架表面含有更多可見的膠原纖維，且從 8 h 至 10 d，通過酶聯免疫吸附試驗定量檢測發現重組人 BMP 吸附顯著增加；研究者進一步發現，等效劑量的情況下，重組人 BMP9 結合加入膠原蛋白的天然骨礦物質時，其 Runt 相關轉錄因子 2、Ⅰ型膠原 α2、堿性磷酸酶和骨鈣素的 mRNA 水平高于結合沒有膠原蛋白的天然骨礦物質時。
3.4 JNK信號通路的相關研究
JNK 信號通路是 TGF-β1 下游的重要信號通路，JNK 信號通路能有效且特異地傳遞應答細胞外多種刺激信號。例如，JNK 信號通路除了參與成纖維細胞增殖，轉化為肌成纖維細胞外，還參與了細胞骨架的構建、Ⅰ型和Ⅲ型膠原纖維的表達、細胞凋亡和細胞惡變等多種生物學反應[66-67]。
Guo 等[68]探討了微 RNA-214（microRNA-214，miR-214）對骨髓間充質干細胞（bone marrow mesenchymal stem cell，BMSC）成骨分化的可能機制。作者發現，miR-214 能有效促進 BMSC 的體外脂肪細胞分化的過度表達，降低 BMSC 的堿性磷酸酶活性、Ⅰ型膠原基因表達、骨鈣素和骨橋基因的表達；miR-214 過表達可抑制成纖維細胞生長因子蛋白的表達，并抑制 JNK 和 p38 的磷酸化；此外，miR-214 下調會促進 BMSC 向成骨細胞分化，并增加堿性磷酸酶活性和Ⅰ型膠原含量；然而，在 miR-214 對 BMSC 作用過程中，使用 JNK 和 p38 抑制劑卻能抑制堿性磷酸酶活性和Ⅰ型膠原基因表達。
3.5 Wnt/β-catenin信號的相關研究
Wnt/β-catenin 信號通路在調節成骨細胞分化、骨骼形成、骨重塑的再生和修復中起著重要的作用[69-70]。抑制 β-catenin 蛋白或敲除 β-catenin 基因都可能引起成骨細胞分化不全、Ⅰ型膠原及骨鈣素含量降低，最終會影響細胞外有機質和骨組織的形成。例如，骨質疏松癥假性神經膠質瘤綜合征、硬化性狹窄和 van Buchem 病等疾病都與異常的 Wnt 信號通路相關[71-72]。
Sun 等[73]用三氯化鋁對大鼠成骨細胞的 Wnt/β-catenin 信號通路進行研究，將大鼠分為對照組（口服安慰劑）和三氯化鋁組（口服 0.4 g/L 的三氯化鋁），于服藥 30、60、90、120 d 時分別進行檢測；結果顯示，隨著時間的增加，三氯化鋁組的Ⅰ型膠原 mRNA、胰島素樣生長因子-1、Runt 相關轉錄因子 2、存活素蛋白、磷酸化糖原合酶激酶-β/糖原合酶激酶-β 和 β-catenin 蛋白的表達率均下降，而 dickkopf-1、融合調節蛋白 1 和胱天蛋白酶-3 的蛋白和 RNA 的表達在三氯化鋁組卻是升高的。這些結果表明，三氯化鋁可抑制Ⅰ型膠原表達和骨基質的合成，并可能引起 Wnt/β-catenin 信號通路抑制的幼年大鼠骨損傷。相反，Ying 等[74]通過探討楊梅素對人 BMSC 體外成骨分化的影響發現，在添加楊梅素后人 BMSC 堿性磷酸酶活性增強，并且Ⅰ型膠原纖維、Runt 相關轉錄因子 2 的表達也呈遞增趨勢；研究進一步發現，楊梅素除能通過激活 Wnt/β-catenin 信號通路來增強人 BMSC 的成骨細胞分化外，還能激活 Wnt/β-catenin 信號通路幾個下游基因（包括細胞因子基因，如 T 細胞因子 1 基因和淋巴樣增強因子-1 基因）的表達，提高細胞外基質的含量，最終達到增加骨量的目的。
4 研究展望
Ⅰ型膠原纖維的含量、結構和分解代謝的變化可以影響骨組織的骨強度。然而，目前對骨質疏松中Ⅰ型膠原纖維變化及其機制的研究有限。同時，膠原纖維雖然可以在骨形成的不同階段成熟，但是也受到酶促或非酶促過程的影響，即酶促過程涉及賴氨酰氧化酶的活化，其導致不成熟和成熟的膠原蛋白交聯，從而穩定膠原原纖維。另外，膠原蛋白的改變也與年齡有關。因此，對于骨質疏松中Ⅰ型膠原的靶向治療也存在一些問題：① Ⅰ型膠原纖維的數量和空間結構排列的變化，是否會影響骨質疏松患者生物力學的強度尚不清楚。②骨質疏松中Ⅰ型膠原相關信號通路中關鍵靶點上調或者抑制，是否能夠促進膠原含量的增加和促進成骨還需要進一步研究。③ 關于增加Ⅰ型膠原纖維藥物的研制，以及基礎研究向臨床實踐轉化等需要較長時間。但是，考慮到骨質疏松的發生與發展與骨礦物質丟失、Ⅰ型膠原結構和含量的病理改變密切相關，這已經得到諸多研究者的認同，這對骨質疏松癥的研究和治療具有重要意義，也可能是指導未來研究的方向。④目前，膠原的生物材料缺乏生物力學剛度和快速生物降解的性能，是否可以通過化學交聯方法或通過添加具有更高機械性能的組分以獲得用于骨組織的復合材料，還需要進一步研究。
骨質疏松是一種以骨量下降、骨顯微結構破壞為特征的退行性疾病[1-4]。隨著我國進入老齡化社會，骨質疏松的發病率呈較快上升趨勢。此外，由骨質疏松及其引發的骨折造成的并發癥已經嚴重威脅骨質疏松患者的生命健康和生活質量，其高昂的醫療費用也成為一個較嚴重的社會和經濟問題[5-6]。據統計，2010 年美國 50 歲以上成年人中大約有 10.3% 患有骨質疏松癥[7]，如果沒有干預治療，全世界在未來 25 年內的骨質疏松癥患者將增加 3 倍以上[8]。骨質疏松癥會增加各種疾病的風險，如骨折[9]、肺炎[10]等。其中，髖部骨折和椎骨骨折是骨質疏松癥最具破壞性的并發癥，并且與發病率和死亡率增加有關[11]。近年來研究發現，骨質疏松的發生發展與骨礦物質丟失、Ⅰ型膠原結構和含量的病理改變密切相關，這是誘發骨質疏松的重要原因之一[12-14]。但是，回顧文獻發現，將Ⅰ型膠原纖維作為骨質疏松治療靶點的報道卻較少。因此，本文將對Ⅰ型膠原纖維生物力學及其相關信號通路的現狀作一綜述，以期為尋找骨質疏松新的治療方向提供參考。
1 Ⅰ型膠原與骨質疏松的關系
骨質疏松中Ⅰ型膠原纖維數量和質量下降會造成骨細胞中有機質含量的下降，最后導致鈣鹽沉積不足。同時，膠原纖維變細、排列紊亂等微觀結構的改變，最終會影響骨質的生物力學性能，給骨質疏松患者帶來危害[15-18]。先前的研究已經證實，Ⅰ型膠原纖維是組成骨骼支架的基本有機質蛋白，如果其數量和質量減少，即使鈣鹽沉積充足，骨強度仍會隨之降低[19-22]。
2 Ⅰ型膠原纖維與生物力學的關系
生物力學是一門生物學、醫學、力學相互交叉而形成的新興學科[23-24]。生物力學試驗方法種類較多，較常見的包括張拉試驗、三點彎曲試驗、四點彎曲試驗、壓縮試驗及扭轉試驗等[25-27]。膠原蛋白是人體眾多蛋白質中的一種，占脊椎動物結締組織蛋白質含量的 25%～35%[28-29]，主要負責維護組織結構的完整性和細胞、器官組織的力學功能。其中，Ⅰ型膠原蛋白是人體含量最豐富的膠原蛋白之一，它由 3 個多肽鏈（2 個 α1 鏈和 1 個 α2 鏈）形成 300 nm 長的三螺旋纖維狀結構[30]，存在于皮膚、肌腱、韌帶、血管和骨骼組織等之中，提供抵抗拉伸、剪切或壓縮力的結構生物力學基礎[31-32]。
2.1 Ⅰ型膠原蛋白參與骨基質的組成
骨基質主要由礦物質和有機基質組成，其中有機質主要由Ⅰ型膠原蛋白組成。因此，Ⅰ型膠原分子的結構變化以及發生的損傷都能影響到骨基質的質量。研究報道，膠原蛋白分子在纖維內以 1/4 交錯的方式在末端重疊，這種結構可以為礦物質晶體提供潛在的成核結構，并且限制了晶體的大小，使其沿著膠原原纖維平行生長[33]。例如，成骨不全患者的礦物晶體雖然比正常人的要大，但是其膠原相關的晶體卻比正常骨要小[34-36]。同時，先前的研究已經證實，骨組織中有機質的存在使原纖維的極限拉伸強度增加約 2 倍，楊氏模量增加約 10 倍[37]。但是，無組織膠原纖維構成的編織骨的機械性能低于板層骨，這表明Ⅰ型膠原蛋白能影響骨基質的組成和機械性能[37]。
2.2 Ⅰ型膠原蛋白提高骨強度
骨骼是一種復雜的組織，其主要功能是抵抗機械力和骨折。骨強度不僅取決于骨組織的數量，還取決于其質量。骨質量受到不同因素的影響，尤其是礦物質和膠原蛋白。在所有結締組織中，膠原蛋白具有機械功能，為組織提供彈性和結構。先前的大量證據已經證實，Ⅰ型膠原纖維參與了骨骼的機械性質，特別是膠原蛋白對骨骼韌性起著重要作用，而礦物質含量主要與骨骼硬度有關[37-39]。Depalle 等[38]通過膠原纖維分析酶交聯模型對膠原纖維力學的研究發現，交聯纖維密度和類型決定了生物體變形的剛度，而交叉鏈接的機械性能決定失敗纖維的應變和強度。這些研究結果表明，膠原纖維的密度、類型和機械性能的交叉連接對纖維造成的生物和機械力學起著至關重要的作用。Fazaeli 等[39]研究了豬顳下頜關節盤中膠原纖維在顳下頜關節盤機械壓縮性能中的作用，通過消化酶分解關節盤中的膠原纖維后發現，經過消化酶治療的關節盤的瞬時抗壓模量減少 50%～90%；進一步對標本進行生化分析發現，關節盤中膠原蛋白和黏多糖含量分別平均下降了 14% 和 35%。Bertassoni 等[40]報道了Ⅰ型膠原在牙骨質中膠原蛋白的組織結構和脫鈣的可能機制研究，研究者采用胰蛋白酶對健康成人牙進行脫鈣，通過掃描電子顯微鏡、納米壓痕實驗、表面硬度和抗蠕變性能等評估后發現，經過酶消化后的脫鈣牙在掃描電子顯微鏡圖像下出現縱向分離，分解了牙質Ⅰ型膠原的組織結構，這也潛在證實了Ⅰ型膠原對牙質周圍的基質和礦化組織的機械性能的重要影響。
2.3 膠原結構異常與骨強度關系
膠原結構的異常可以通過基因突變或藥物誘導造成。在成骨不全癥中，Ⅰ型膠原的氨基酸序列中的一些突變可導致分支纖維形成，導致脆性骨折和異常礦化[41]。膠原結構中的交聯物形成被乙酰基試劑抑制時，盡管骨組織可以正常礦化，但骨強度降低。同時，隨著年齡的增長，礦物質和膠原蛋白的性質發生變化，改變了骨組織的材料特性。Fantner 等[42]的一項體外研究證明了有機基質對骨力學性質的重要作用：熱干預能夠使有機基質降解，從而改變骨折骨的微骨折外觀和行為，導致彈性和韌性降低。因此，通過加熱使有機基質變性是導致骨強度降低的原因。
3 骨質疏松中Ⅰ型膠原相關信號通路的研究
骨質疏松中，Ⅰ型膠原相關的信號通路包括組織蛋白酶 K 信號通路、轉化生長因子（transforming growth factor，TGF）-β/Sma 和 Mad 相關蛋白（Sma- and Mad-related protein，Smad）信號通路、TGF-β/骨形態發生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）信號通路、c-Jun 氨基末端激酶（c-jun N-terminal protein kinase，JNK）信號通路、Wnt（wingless/integrated）/β 聯蛋白（β-catenin）信號通路等。
3.1 組織蛋白酶K信號通路的相關研究
組織蛋白酶 K 是一種木瓜蛋白酶半胱氨酸蛋白酶，主要在破骨細胞中表達并負責降解Ⅰ型膠原、骨連接蛋白等骨基質[43-44]。既往研究表明，組織蛋白酶 K 是骨形成中最重要的膠原蛋白溶解肽酶之一，其過度表達與骨質疏松癥密切相關[45-47]。Chapurlat [48]使用小分子組織蛋白酶 K 抑制劑治療絕經后骨質疏松癥的Ⅲ期臨床試驗發現，組織蛋白酶 K 抑制劑能夠有效增加脊柱、髖部、脛骨、橈骨遠端等的骨密度，改善骨強度，在抗骨折療效或安全性方面令人滿意。此外，Panwar 等[47]通過對鼠尾中Ⅰ型膠原纖維研究發現，過多的組織蛋白酶 K 能介導骨和軟骨中Ⅰ型和Ⅱ型膠原的降解，導致膠原纖維結構的破壞，造成拉伸性能和機械性能都不同程度地下降。
3.2 TGF-β/Smad信號通路的相關研究
TGF-β 家族包括 TGF-β1、TGF-β2 和 TGF-β3，以及相關的生長和分化因子如激活素、抑制素和 BMP 等[49-51]。在病理情況下，這些分子發揮重要作用，例如參與炎癥、骨關節炎和骨質疏松的發生與發展[52-53]。Pincu 等[54]研究發現，肥胖可能引發骨骼肌細胞分泌 TGF-β1，可以通過 Smad 3 磷酸化和激活，刺激成纖維細胞引起Ⅰ型膠原纖維分泌增加，膠原蛋白的沉積也相應增加。Berria 等[55]也發現了類似的結果：與相對較瘦的受試者相比，非糖尿病肥胖受試者和 2 型糖尿病患者的肌肉活組織都分別檢查到含有更多的膠原蛋白，研究證實了通過 TGF-β1 信號通路可以刺激Ⅰ型膠原基因表達增加。在另一項研究中，Zhang 等[56]發現糖尿病患者傷口愈合情況與炎癥反應改變、血管生成不良、細胞外基質缺乏和周圍神經病變有關：加強抗炎因子 TGF-β1 和白細胞介素（interleukin，IL）-4 的表達，可降低炎癥因子 IL-1 和 IL-6 的表達，通過調節大鼠傷口愈合過程中巨噬細胞反應，能促進血管生成、神經支配，以及提高膠原纖維等細胞外基質的合成，加快傷口的愈合。此外，其他研究者則認為 TGF-β 與Ⅰ型膠原纖維的相關性仍有爭議。例如，一些作者認為成骨不全是以常染色體顯性基因（COL1A1 和 COL1A2）突變為主而造成的膠原異常疾病[57-58]，易造成骨質量的受損和骨折[59-60]。但是，Bi 等[61]通過抑制成骨不全小鼠模型的 TGF-β 信號通路也并沒有增加膠原含量或提高骨的韌性。因此，以上研究結果的差異性表明 TGF-β 與Ⅰ型膠原的相關性還需進一步研究。
3.3 TGF-β/BMP信號通路的相關研究
BMP 作為調節成骨細胞生長最重要的生長因子之一，屬于 TGF-β 家族中的重要一員。BMP 信號通路主要是通過 BMP 與其相應受體結合后激活細胞內下游信號通路，如 Smad 和絲裂原活化蛋白激酶等信號通路，實現一系列磷酸化反應[62-64]。此外，BMP 還可以與Ⅰ型膠原纖維相互作用，以Ⅰ型膠原為載體，促進新生骨的形成。Fujioka-Kobayashi 等[65]比較了重組人 BMP 結合兩種骨質的情況：其中一種是沒有膠原蛋白的天然骨礦物質，另一種是加入了Ⅰ型 atelocollagen 膠原（去除末端肽段的膠原）的天然骨礦物質；掃描電子顯微鏡發現，雖然沒有膠原蛋白的天然骨礦物質顯示表面礦化且粗糙，但加入了Ⅰ型 atelocollagen 膠原的天然骨礦物質顆粒在整個支架表面含有更多可見的膠原纖維，且從 8 h 至 10 d，通過酶聯免疫吸附試驗定量檢測發現重組人 BMP 吸附顯著增加；研究者進一步發現，等效劑量的情況下，重組人 BMP9 結合加入膠原蛋白的天然骨礦物質時，其 Runt 相關轉錄因子 2、Ⅰ型膠原 α2、堿性磷酸酶和骨鈣素的 mRNA 水平高于結合沒有膠原蛋白的天然骨礦物質時。
3.4 JNK信號通路的相關研究
JNK 信號通路是 TGF-β1 下游的重要信號通路，JNK 信號通路能有效且特異地傳遞應答細胞外多種刺激信號。例如，JNK 信號通路除了參與成纖維細胞增殖，轉化為肌成纖維細胞外，還參與了細胞骨架的構建、Ⅰ型和Ⅲ型膠原纖維的表達、細胞凋亡和細胞惡變等多種生物學反應[66-67]。
Guo 等[68]探討了微 RNA-214（microRNA-214，miR-214）對骨髓間充質干細胞（bone marrow mesenchymal stem cell，BMSC）成骨分化的可能機制。作者發現，miR-214 能有效促進 BMSC 的體外脂肪細胞分化的過度表達，降低 BMSC 的堿性磷酸酶活性、Ⅰ型膠原基因表達、骨鈣素和骨橋基因的表達；miR-214 過表達可抑制成纖維細胞生長因子蛋白的表達，并抑制 JNK 和 p38 的磷酸化；此外，miR-214 下調會促進 BMSC 向成骨細胞分化，并增加堿性磷酸酶活性和Ⅰ型膠原含量；然而，在 miR-214 對 BMSC 作用過程中，使用 JNK 和 p38 抑制劑卻能抑制堿性磷酸酶活性和Ⅰ型膠原基因表達。
3.5 Wnt/β-catenin信號的相關研究
Wnt/β-catenin 信號通路在調節成骨細胞分化、骨骼形成、骨重塑的再生和修復中起著重要的作用[69-70]。抑制 β-catenin 蛋白或敲除 β-catenin 基因都可能引起成骨細胞分化不全、Ⅰ型膠原及骨鈣素含量降低，最終會影響細胞外有機質和骨組織的形成。例如，骨質疏松癥假性神經膠質瘤綜合征、硬化性狹窄和 van Buchem 病等疾病都與異常的 Wnt 信號通路相關[71-72]。
Sun 等[73]用三氯化鋁對大鼠成骨細胞的 Wnt/β-catenin 信號通路進行研究，將大鼠分為對照組（口服安慰劑）和三氯化鋁組（口服 0.4 g/L 的三氯化鋁），于服藥 30、60、90、120 d 時分別進行檢測；結果顯示，隨著時間的增加，三氯化鋁組的Ⅰ型膠原 mRNA、胰島素樣生長因子-1、Runt 相關轉錄因子 2、存活素蛋白、磷酸化糖原合酶激酶-β/糖原合酶激酶-β 和 β-catenin 蛋白的表達率均下降，而 dickkopf-1、融合調節蛋白 1 和胱天蛋白酶-3 的蛋白和 RNA 的表達在三氯化鋁組卻是升高的。這些結果表明，三氯化鋁可抑制Ⅰ型膠原表達和骨基質的合成，并可能引起 Wnt/β-catenin 信號通路抑制的幼年大鼠骨損傷。相反，Ying 等[74]通過探討楊梅素對人 BMSC 體外成骨分化的影響發現，在添加楊梅素后人 BMSC 堿性磷酸酶活性增強，并且Ⅰ型膠原纖維、Runt 相關轉錄因子 2 的表達也呈遞增趨勢；研究進一步發現，楊梅素除能通過激活 Wnt/β-catenin 信號通路來增強人 BMSC 的成骨細胞分化外，還能激活 Wnt/β-catenin 信號通路幾個下游基因（包括細胞因子基因，如 T 細胞因子 1 基因和淋巴樣增強因子-1 基因）的表達，提高細胞外基質的含量，最終達到增加骨量的目的。
4 研究展望
Ⅰ型膠原纖維的含量、結構和分解代謝的變化可以影響骨組織的骨強度。然而，目前對骨質疏松中Ⅰ型膠原纖維變化及其機制的研究有限。同時，膠原纖維雖然可以在骨形成的不同階段成熟，但是也受到酶促或非酶促過程的影響，即酶促過程涉及賴氨酰氧化酶的活化，其導致不成熟和成熟的膠原蛋白交聯，從而穩定膠原原纖維。另外，膠原蛋白的改變也與年齡有關。因此，對于骨質疏松中Ⅰ型膠原的靶向治療也存在一些問題：① Ⅰ型膠原纖維的數量和空間結構排列的變化，是否會影響骨質疏松患者生物力學的強度尚不清楚。②骨質疏松中Ⅰ型膠原相關信號通路中關鍵靶點上調或者抑制，是否能夠促進膠原含量的增加和促進成骨還需要進一步研究。③ 關于增加Ⅰ型膠原纖維藥物的研制，以及基礎研究向臨床實踐轉化等需要較長時間。但是，考慮到骨質疏松的發生與發展與骨礦物質丟失、Ⅰ型膠原結構和含量的病理改變密切相關，這已經得到諸多研究者的認同，這對骨質疏松癥的研究和治療具有重要意義，也可能是指導未來研究的方向。④目前，膠原的生物材料缺乏生物力學剛度和快速生物降解的性能，是否可以通過化學交聯方法或通過添加具有更高機械性能的組分以獲得用于骨組織的復合材料，還需要進一步研究。