骨质疏松是一种以骨量下降、骨显微结构破坏为特征的退行性疾病。目前，研究发现Ⅰ型胶原纤维的结构和含量与骨质疏松密切相关。但是，将Ⅰ型胶原纤维作为治疗靶点从而防治骨质疏松却鲜有研究。因此，该文分别阐述了Ⅰ型胶原与骨质疏松、生物力学、骨基质及骨强度的关系；同时，进一步总结了骨质疏松中Ⅰ型胶原相关信号通路的研究现状，例如组织蛋白酶 K、转化生长因子-β/Sma 和 Mad 相关蛋白、转化生长因子-β/骨形态发生蛋白、c-Jun 氨基末端激酶和 Wnt/β 联蛋白等信号通路中关键靶点的调控，以期为骨质疏松的防治提供新的治疗方向。
引用本文： 吴元刚, 曾羿, 沈彬. Ⅰ型胶原在骨质疏松中的研究进展. 华西医学, 2019, 34(9): 1047-1052. doi: 10.7507/1002-0179.201907169 复制
骨质疏松是一种以骨量下降、骨显微结构破坏为特征的退行性疾病[1-4]。随着我国进入老龄化社会，骨质疏松的发病率呈较快上升趋势。此外，由骨质疏松及其引发的骨折造成的并发症已经严重威胁骨质疏松患者的生命健康和生活质量，其高昂的医疗费用也成为一个较严重的社会和经济问题[5-6]。据统计，2010 年美国 50 岁以上成年人中大约有 10.3% 患有骨质疏松症[7]，如果没有干预治疗，全世界在未来 25 年内的骨质疏松症患者将增加 3 倍以上[8]。骨质疏松症会增加各种疾病的风险，如骨折[9]、肺炎[10]等。其中，髋部骨折和椎骨骨折是骨质疏松症最具破坏性的并发症，并且与发病率和死亡率增加有关[11]。近年来研究发现，骨质疏松的发生发展与骨矿物质丢失、Ⅰ型胶原结构和含量的病理改变密切相关，这是诱发骨质疏松的重要原因之一[12-14]。但是，回顾文献发现，将Ⅰ型胶原纤维作为骨质疏松治疗靶点的报道却较少。因此，本文将对Ⅰ型胶原纤维生物力学及其相关信号通路的现状作一综述，以期为寻找骨质疏松新的治疗方向提供参考。
1 Ⅰ型胶原与骨质疏松的关系
骨质疏松中Ⅰ型胶原纤维数量和质量下降会造成骨细胞中有机质含量的下降，最后导致钙盐沉积不足。同时，胶原纤维变细、排列紊乱等微观结构的改变，最终会影响骨质的生物力学性能，给骨质疏松患者带来危害[15-18]。先前的研究已经证实，Ⅰ型胶原纤维是组成骨骼支架的基本有机质蛋白，如果其数量和质量减少，即使钙盐沉积充足，骨强度仍会随之降低[19-22]。
2 Ⅰ型胶原纤维与生物力学的关系
生物力学是一门生物学、医学、力学相互交叉而形成的新兴学科[23-24]。生物力学试验方法种类较多，较常见的包括张拉试验、三点弯曲试验、四点弯曲试验、压缩试验及扭转试验等[25-27]。胶原蛋白是人体众多蛋白质中的一种，占脊椎动物结缔组织蛋白质含量的 25%～35%[28-29]，主要负责维护组织结构的完整性和细胞、器官组织的力学功能。其中，Ⅰ型胶原蛋白是人体含量最丰富的胶原蛋白之一，它由 3 个多肽链（2 个 α1 链和 1 个 α2 链）形成 300 nm 长的三螺旋纤维状结构[30]，存在于皮肤、肌腱、韧带、血管和骨骼组织等之中，提供抵抗拉伸、剪切或压缩力的结构生物力学基础[31-32]。
2.1 Ⅰ型胶原蛋白参与骨基质的组成
骨基质主要由矿物质和有机基质组成，其中有机质主要由Ⅰ型胶原蛋白组成。因此，Ⅰ型胶原分子的结构变化以及发生的损伤都能影响到骨基质的质量。研究报道，胶原蛋白分子在纤维内以 1/4 交错的方式在末端重叠，这种结构可以为矿物质晶体提供潜在的成核结构，并且限制了晶体的大小，使其沿着胶原原纤维平行生长[33]。例如，成骨不全患者的矿物晶体虽然比正常人的要大，但是其胶原相关的晶体却比正常骨要小[34-36]。同时，先前的研究已经证实，骨组织中有机质的存在使原纤维的极限拉伸强度增加约 2 倍，杨氏模量增加约 10 倍[37]。但是，无组织胶原纤维构成的编织骨的机械性能低于板层骨，这表明Ⅰ型胶原蛋白能影响骨基质的组成和机械性能[37]。
2.2 Ⅰ型胶原蛋白提高骨强度
骨骼是一种复杂的组织，其主要功能是抵抗机械力和骨折。骨强度不仅取决于骨组织的数量，还取决于其质量。骨质量受到不同因素的影响，尤其是矿物质和胶原蛋白。在所有结缔组织中，胶原蛋白具有机械功能，为组织提供弹性和结构。先前的大量证据已经证实，Ⅰ型胶原纤维参与了骨骼的机械性质，特别是胶原蛋白对骨骼韧性起着重要作用，而矿物质含量主要与骨骼硬度有关[37-39]。Depalle 等[38]通过胶原纤维分析酶交联模型对胶原纤维力学的研究发现，交联纤维密度和类型决定了生物体变形的刚度，而交叉链接的机械性能决定失败纤维的应变和强度。这些研究结果表明，胶原纤维的密度、类型和机械性能的交叉连接对纤维造成的生物和机械力学起着至关重要的作用。Fazaeli 等[39]研究了猪颞下颌关节盘中胶原纤维在颞下颌关节盘机械压缩性能中的作用，通过消化酶分解关节盘中的胶原纤维后发现，经过消化酶治疗的关节盘的瞬时抗压模量减少 50%～90%；进一步对标本进行生化分析发现，关节盘中胶原蛋白和黏多糖含量分别平均下降了 14% 和 35%。Bertassoni 等[40]报道了Ⅰ型胶原在牙骨质中胶原蛋白的组织结构和脱钙的可能机制研究，研究者采用胰蛋白酶对健康成人牙进行脱钙，通过扫描电子显微镜、纳米压痕实验、表面硬度和抗蠕变性能等评估后发现，经过酶消化后的脱钙牙在扫描电子显微镜图像下出现纵向分离，分解了牙质Ⅰ型胶原的组织结构，这也潜在证实了Ⅰ型胶原对牙质周围的基质和矿化组织的机械性能的重要影响。
2.3 胶原结构异常与骨强度关系
胶原结构的异常可以通过基因突变或药物诱导造成。在成骨不全症中，Ⅰ型胶原的氨基酸序列中的一些突变可导致分支纤维形成，导致脆性骨折和异常矿化[41]。胶原结构中的交联物形成被乙酰基试剂抑制时，尽管骨组织可以正常矿化，但骨强度降低。同时，随着年龄的增长，矿物质和胶原蛋白的性质发生变化，改变了骨组织的材料特性。Fantner 等[42]的一项体外研究证明了有机基质对骨力学性质的重要作用：热干预能够使有机基质降解，从而改变骨折骨的微骨折外观和行为，导致弹性和韧性降低。因此，通过加热使有机基质变性是导致骨强度降低的原因。
3 骨质疏松中Ⅰ型胶原相关信号通路的研究
骨质疏松中，Ⅰ型胶原相关的信号通路包括组织蛋白酶 K 信号通路、转化生长因子（transforming growth factor，TGF）-β/Sma 和 Mad 相关蛋白（Sma- and Mad-related protein，Smad）信号通路、TGF-β/骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）信号通路、c-Jun 氨基末端激酶（c-jun N-terminal protein kinase，JNK）信号通路、Wnt（wingless/integrated）/β 联蛋白（β-catenin）信号通路等。
3.1 组织蛋白酶K信号通路的相关研究
组织蛋白酶 K 是一种木瓜蛋白酶半胱氨酸蛋白酶，主要在破骨细胞中表达并负责降解Ⅰ型胶原、骨连接蛋白等骨基质[43-44]。既往研究表明，组织蛋白酶 K 是骨形成中最重要的胶原蛋白溶解肽酶之一，其过度表达与骨质疏松症密切相关[45-47]。Chapurlat [48]使用小分子组织蛋白酶 K 抑制剂治疗绝经后骨质疏松症的Ⅲ期临床试验发现，组织蛋白酶 K 抑制剂能够有效增加脊柱、髋部、胫骨、桡骨远端等的骨密度，改善骨强度，在抗骨折疗效或安全性方面令人满意。此外，Panwar 等[47]通过对鼠尾中Ⅰ型胶原纤维研究发现，过多的组织蛋白酶 K 能介导骨和软骨中Ⅰ型和Ⅱ型胶原的降解，导致胶原纤维结构的破坏，造成拉伸性能和机械性能都不同程度地下降。
3.2 TGF-β/Smad信号通路的相关研究
TGF-β 家族包括 TGF-β1、TGF-β2 和 TGF-β3，以及相关的生长和分化因子如激活素、抑制素和 BMP 等[49-51]。在病理情况下，这些分子发挥重要作用，例如参与炎症、骨关节炎和骨质疏松的发生与发展[52-53]。Pincu 等[54]研究发现，肥胖可能引发骨骼肌细胞分泌 TGF-β1，可以通过 Smad 3 磷酸化和激活，刺激成纤维细胞引起Ⅰ型胶原纤维分泌增加，胶原蛋白的沉积也相应增加。Berria 等[55]也发现了类似的结果：与相对较瘦的受试者相比，非糖尿病肥胖受试者和 2 型糖尿病患者的肌肉活组织都分别检查到含有更多的胶原蛋白，研究证实了通过 TGF-β1 信号通路可以刺激Ⅰ型胶原基因表达增加。在另一项研究中，Zhang 等[56]发现糖尿病患者伤口愈合情况与炎症反应改变、血管生成不良、细胞外基质缺乏和周围神经病变有关：加强抗炎因子 TGF-β1 和白细胞介素（interleukin，IL）-4 的表达，可降低炎症因子 IL-1 和 IL-6 的表达，通过调节大鼠伤口愈合过程中巨噬细胞反应，能促进血管生成、神经支配，以及提高胶原纤维等细胞外基质的合成，加快伤口的愈合。此外，其他研究者则认为 TGF-β 与Ⅰ型胶原纤维的相关性仍有争议。例如，一些作者认为成骨不全是以常染色体显性基因（COL1A1 和 COL1A2）突变为主而造成的胶原异常疾病[57-58]，易造成骨质量的受损和骨折[59-60]。但是，Bi 等[61]通过抑制成骨不全小鼠模型的 TGF-β 信号通路也并没有增加胶原含量或提高骨的韧性。因此，以上研究结果的差异性表明 TGF-β 与Ⅰ型胶原的相关性还需进一步研究。
3.3 TGF-β/BMP信号通路的相关研究
BMP 作为调节成骨细胞生长最重要的生长因子之一，属于 TGF-β 家族中的重要一员。BMP 信号通路主要是通过 BMP 与其相应受体结合后激活细胞内下游信号通路，如 Smad 和丝裂原活化蛋白激酶等信号通路，实现一系列磷酸化反应[62-64]。此外，BMP 还可以与Ⅰ型胶原纤维相互作用，以Ⅰ型胶原为载体，促进新生骨的形成。Fujioka-Kobayashi 等[65]比较了重组人 BMP 结合两种骨质的情况：其中一种是没有胶原蛋白的天然骨矿物质，另一种是加入了Ⅰ型 atelocollagen 胶原（去除末端肽段的胶原）的天然骨矿物质；扫描电子显微镜发现，虽然没有胶原蛋白的天然骨矿物质显示表面矿化且粗糙，但加入了Ⅰ型 atelocollagen 胶原的天然骨矿物质颗粒在整个支架表面含有更多可见的胶原纤维，且从 8 h 至 10 d，通过酶联免疫吸附试验定量检测发现重组人 BMP 吸附显著增加；研究者进一步发现，等效剂量的情况下，重组人 BMP9 结合加入胶原蛋白的天然骨矿物质时，其 Runt 相关转录因子 2、Ⅰ型胶原 α2、碱性磷酸酶和骨钙素的 mRNA 水平高于结合没有胶原蛋白的天然骨矿物质时。
3.4 JNK信号通路的相关研究
JNK 信号通路是 TGF-β1 下游的重要信号通路，JNK 信号通路能有效且特异地传递应答细胞外多种刺激信号。例如，JNK 信号通路除了参与成纤维细胞增殖，转化为肌成纤维细胞外，还参与了细胞骨架的构建、Ⅰ型和Ⅲ型胶原纤维的表达、细胞凋亡和细胞恶变等多种生物学反应[66-67]。
Guo 等[68]探讨了微 RNA-214（microRNA-214，miR-214）对骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cell，BMSC）成骨分化的可能机制。作者发现，miR-214 能有效促进 BMSC 的体外脂肪细胞分化的过度表达，降低 BMSC 的碱性磷酸酶活性、Ⅰ型胶原基因表达、骨钙素和骨桥基因的表达；miR-214 过表达可抑制成纤维细胞生长因子蛋白的表达，并抑制 JNK 和 p38 的磷酸化；此外，miR-214 下调会促进 BMSC 向成骨细胞分化，并增加碱性磷酸酶活性和Ⅰ型胶原含量；然而，在 miR-214 对 BMSC 作用过程中，使用 JNK 和 p38 抑制剂却能抑制碱性磷酸酶活性和Ⅰ型胶原基因表达。
3.5 Wnt/β-catenin信号的相关研究
Wnt/β-catenin 信号通路在调节成骨细胞分化、骨骼形成、骨重塑的再生和修复中起着重要的作用[69-70]。抑制 β-catenin 蛋白或敲除 β-catenin 基因都可能引起成骨细胞分化不全、Ⅰ型胶原及骨钙素含量降低，最终会影响细胞外有机质和骨组织的形成。例如，骨质疏松症假性神经胶质瘤综合征、硬化性狭窄和 van Buchem 病等疾病都与异常的 Wnt 信号通路相关[71-72]。
Sun 等[73]用三氯化铝对大鼠成骨细胞的 Wnt/β-catenin 信号通路进行研究，将大鼠分为对照组（口服安慰剂）和三氯化铝组（口服 0.4 g/L 的三氯化铝），于服药 30、60、90、120 d 时分别进行检测；结果显示，随着时间的增加，三氯化铝组的Ⅰ型胶原 mRNA、胰岛素样生长因子-1、Runt 相关转录因子 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 蛋白的表达率均下降，而 dickkopf-1、融合调节蛋白 1 和胱天蛋白酶-3 的蛋白和 RNA 的表达在三氯化铝组却是升高的。这些结果表明，三氯化铝可抑制Ⅰ型胶原表达和骨基质的合成，并可能引起 Wnt/β-catenin 信号通路抑制的幼年大鼠骨损伤。相反，Ying 等[74]通过探讨杨梅素对人 BMSC 体外成骨分化的影响发现，在添加杨梅素后人 BMSC 碱性磷酸酶活性增强，并且Ⅰ型胶原纤维、Runt 相关转录因子 2 的表达也呈递增趋势；研究进一步发现，杨梅素除能通过激活 Wnt/β-catenin 信号通路来增强人 BMSC 的成骨细胞分化外，还能激活 Wnt/β-catenin 信号通路几个下游基因（包括细胞因子基因，如 T 细胞因子 1 基因和淋巴样增强因子-1 基因）的表达，提高细胞外基质的含量，最终达到增加骨量的目的。
4 研究展望
Ⅰ型胶原纤维的含量、结构和分解代谢的变化可以影响骨组织的骨强度。然而，目前对骨质疏松中Ⅰ型胶原纤维变化及其机制的研究有限。同时，胶原纤维虽然可以在骨形成的不同阶段成熟，但是也受到酶促或非酶促过程的影响，即酶促过程涉及赖氨酰氧化酶的活化，其导致不成熟和成熟的胶原蛋白交联，从而稳定胶原原纤维。另外，胶原蛋白的改变也与年龄有关。因此，对于骨质疏松中Ⅰ型胶原的靶向治疗也存在一些问题：① Ⅰ型胶原纤维的数量和空间结构排列的变化，是否会影响骨质疏松患者生物力学的强度尚不清楚。②骨质疏松中Ⅰ型胶原相关信号通路中关键靶点上调或者抑制，是否能够促进胶原含量的增加和促进成骨还需要进一步研究。③ 关于增加Ⅰ型胶原纤维药物的研制，以及基础研究向临床实践转化等需要较长时间。但是，考虑到骨质疏松的发生与发展与骨矿物质丢失、Ⅰ型胶原结构和含量的病理改变密切相关，这已经得到诸多研究者的认同，这对骨质疏松症的研究和治疗具有重要意义，也可能是指导未来研究的方向。④目前，胶原的生物材料缺乏生物力学刚度和快速生物降解的性能，是否可以通过化学交联方法或通过添加具有更高机械性能的组分以获得用于骨组织的复合材料，还需要进一步研究。
骨质疏松是一种以骨量下降、骨显微结构破坏为特征的退行性疾病[1-4]。随着我国进入老龄化社会，骨质疏松的发病率呈较快上升趋势。此外，由骨质疏松及其引发的骨折造成的并发症已经严重威胁骨质疏松患者的生命健康和生活质量，其高昂的医疗费用也成为一个较严重的社会和经济问题[5-6]。据统计，2010 年美国 50 岁以上成年人中大约有 10.3% 患有骨质疏松症[7]，如果没有干预治疗，全世界在未来 25 年内的骨质疏松症患者将增加 3 倍以上[8]。骨质疏松症会增加各种疾病的风险，如骨折[9]、肺炎[10]等。其中，髋部骨折和椎骨骨折是骨质疏松症最具破坏性的并发症，并且与发病率和死亡率增加有关[11]。近年来研究发现，骨质疏松的发生发展与骨矿物质丢失、Ⅰ型胶原结构和含量的病理改变密切相关，这是诱发骨质疏松的重要原因之一[12-14]。但是，回顾文献发现，将Ⅰ型胶原纤维作为骨质疏松治疗靶点的报道却较少。因此，本文将对Ⅰ型胶原纤维生物力学及其相关信号通路的现状作一综述，以期为寻找骨质疏松新的治疗方向提供参考。
1 Ⅰ型胶原与骨质疏松的关系
骨质疏松中Ⅰ型胶原纤维数量和质量下降会造成骨细胞中有机质含量的下降，最后导致钙盐沉积不足。同时，胶原纤维变细、排列紊乱等微观结构的改变，最终会影响骨质的生物力学性能，给骨质疏松患者带来危害[15-18]。先前的研究已经证实，Ⅰ型胶原纤维是组成骨骼支架的基本有机质蛋白，如果其数量和质量减少，即使钙盐沉积充足，骨强度仍会随之降低[19-22]。
2 Ⅰ型胶原纤维与生物力学的关系
生物力学是一门生物学、医学、力学相互交叉而形成的新兴学科[23-24]。生物力学试验方法种类较多，较常见的包括张拉试验、三点弯曲试验、四点弯曲试验、压缩试验及扭转试验等[25-27]。胶原蛋白是人体众多蛋白质中的一种，占脊椎动物结缔组织蛋白质含量的 25%～35%[28-29]，主要负责维护组织结构的完整性和细胞、器官组织的力学功能。其中，Ⅰ型胶原蛋白是人体含量最丰富的胶原蛋白之一，它由 3 个多肽链（2 个 α1 链和 1 个 α2 链）形成 300 nm 长的三螺旋纤维状结构[30]，存在于皮肤、肌腱、韧带、血管和骨骼组织等之中，提供抵抗拉伸、剪切或压缩力的结构生物力学基础[31-32]。
2.1 Ⅰ型胶原蛋白参与骨基质的组成
骨基质主要由矿物质和有机基质组成，其中有机质主要由Ⅰ型胶原蛋白组成。因此，Ⅰ型胶原分子的结构变化以及发生的损伤都能影响到骨基质的质量。研究报道，胶原蛋白分子在纤维内以 1/4 交错的方式在末端重叠，这种结构可以为矿物质晶体提供潜在的成核结构，并且限制了晶体的大小，使其沿着胶原原纤维平行生长[33]。例如，成骨不全患者的矿物晶体虽然比正常人的要大，但是其胶原相关的晶体却比正常骨要小[34-36]。同时，先前的研究已经证实，骨组织中有机质的存在使原纤维的极限拉伸强度增加约 2 倍，杨氏模量增加约 10 倍[37]。但是，无组织胶原纤维构成的编织骨的机械性能低于板层骨，这表明Ⅰ型胶原蛋白能影响骨基质的组成和机械性能[37]。
2.2 Ⅰ型胶原蛋白提高骨强度
骨骼是一种复杂的组织，其主要功能是抵抗机械力和骨折。骨强度不仅取决于骨组织的数量，还取决于其质量。骨质量受到不同因素的影响，尤其是矿物质和胶原蛋白。在所有结缔组织中，胶原蛋白具有机械功能，为组织提供弹性和结构。先前的大量证据已经证实，Ⅰ型胶原纤维参与了骨骼的机械性质，特别是胶原蛋白对骨骼韧性起着重要作用，而矿物质含量主要与骨骼硬度有关[37-39]。Depalle 等[38]通过胶原纤维分析酶交联模型对胶原纤维力学的研究发现，交联纤维密度和类型决定了生物体变形的刚度，而交叉链接的机械性能决定失败纤维的应变和强度。这些研究结果表明，胶原纤维的密度、类型和机械性能的交叉连接对纤维造成的生物和机械力学起着至关重要的作用。Fazaeli 等[39]研究了猪颞下颌关节盘中胶原纤维在颞下颌关节盘机械压缩性能中的作用，通过消化酶分解关节盘中的胶原纤维后发现，经过消化酶治疗的关节盘的瞬时抗压模量减少 50%～90%；进一步对标本进行生化分析发现，关节盘中胶原蛋白和黏多糖含量分别平均下降了 14% 和 35%。Bertassoni 等[40]报道了Ⅰ型胶原在牙骨质中胶原蛋白的组织结构和脱钙的可能机制研究，研究者采用胰蛋白酶对健康成人牙进行脱钙，通过扫描电子显微镜、纳米压痕实验、表面硬度和抗蠕变性能等评估后发现，经过酶消化后的脱钙牙在扫描电子显微镜图像下出现纵向分离，分解了牙质Ⅰ型胶原的组织结构，这也潜在证实了Ⅰ型胶原对牙质周围的基质和矿化组织的机械性能的重要影响。
2.3 胶原结构异常与骨强度关系
胶原结构的异常可以通过基因突变或药物诱导造成。在成骨不全症中，Ⅰ型胶原的氨基酸序列中的一些突变可导致分支纤维形成，导致脆性骨折和异常矿化[41]。胶原结构中的交联物形成被乙酰基试剂抑制时，尽管骨组织可以正常矿化，但骨强度降低。同时，随着年龄的增长，矿物质和胶原蛋白的性质发生变化，改变了骨组织的材料特性。Fantner 等[42]的一项体外研究证明了有机基质对骨力学性质的重要作用：热干预能够使有机基质降解，从而改变骨折骨的微骨折外观和行为，导致弹性和韧性降低。因此，通过加热使有机基质变性是导致骨强度降低的原因。
3 骨质疏松中Ⅰ型胶原相关信号通路的研究
骨质疏松中，Ⅰ型胶原相关的信号通路包括组织蛋白酶 K 信号通路、转化生长因子（transforming growth factor，TGF）-β/Sma 和 Mad 相关蛋白（Sma- and Mad-related protein，Smad）信号通路、TGF-β/骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）信号通路、c-Jun 氨基末端激酶（c-jun N-terminal protein kinase，JNK）信号通路、Wnt（wingless/integrated）/β 联蛋白（β-catenin）信号通路等。
3.1 组织蛋白酶K信号通路的相关研究
组织蛋白酶 K 是一种木瓜蛋白酶半胱氨酸蛋白酶，主要在破骨细胞中表达并负责降解Ⅰ型胶原、骨连接蛋白等骨基质[43-44]。既往研究表明，组织蛋白酶 K 是骨形成中最重要的胶原蛋白溶解肽酶之一，其过度表达与骨质疏松症密切相关[45-47]。Chapurlat [48]使用小分子组织蛋白酶 K 抑制剂治疗绝经后骨质疏松症的Ⅲ期临床试验发现，组织蛋白酶 K 抑制剂能够有效增加脊柱、髋部、胫骨、桡骨远端等的骨密度，改善骨强度，在抗骨折疗效或安全性方面令人满意。此外，Panwar 等[47]通过对鼠尾中Ⅰ型胶原纤维研究发现，过多的组织蛋白酶 K 能介导骨和软骨中Ⅰ型和Ⅱ型胶原的降解，导致胶原纤维结构的破坏，造成拉伸性能和机械性能都不同程度地下降。
3.2 TGF-β/Smad信号通路的相关研究
TGF-β 家族包括 TGF-β1、TGF-β2 和 TGF-β3，以及相关的生长和分化因子如激活素、抑制素和 BMP 等[49-51]。在病理情况下，这些分子发挥重要作用，例如参与炎症、骨关节炎和骨质疏松的发生与发展[52-53]。Pincu 等[54]研究发现，肥胖可能引发骨骼肌细胞分泌 TGF-β1，可以通过 Smad 3 磷酸化和激活，刺激成纤维细胞引起Ⅰ型胶原纤维分泌增加，胶原蛋白的沉积也相应增加。Berria 等[55]也发现了类似的结果：与相对较瘦的受试者相比，非糖尿病肥胖受试者和 2 型糖尿病患者的肌肉活组织都分别检查到含有更多的胶原蛋白，研究证实了通过 TGF-β1 信号通路可以刺激Ⅰ型胶原基因表达增加。在另一项研究中，Zhang 等[56]发现糖尿病患者伤口愈合情况与炎症反应改变、血管生成不良、细胞外基质缺乏和周围神经病变有关：加强抗炎因子 TGF-β1 和白细胞介素（interleukin，IL）-4 的表达，可降低炎症因子 IL-1 和 IL-6 的表达，通过调节大鼠伤口愈合过程中巨噬细胞反应，能促进血管生成、神经支配，以及提高胶原纤维等细胞外基质的合成，加快伤口的愈合。此外，其他研究者则认为 TGF-β 与Ⅰ型胶原纤维的相关性仍有争议。例如，一些作者认为成骨不全是以常染色体显性基因（COL1A1 和 COL1A2）突变为主而造成的胶原异常疾病[57-58]，易造成骨质量的受损和骨折[59-60]。但是，Bi 等[61]通过抑制成骨不全小鼠模型的 TGF-β 信号通路也并没有增加胶原含量或提高骨的韧性。因此，以上研究结果的差异性表明 TGF-β 与Ⅰ型胶原的相关性还需进一步研究。
3.3 TGF-β/BMP信号通路的相关研究
BMP 作为调节成骨细胞生长最重要的生长因子之一，属于 TGF-β 家族中的重要一员。BMP 信号通路主要是通过 BMP 与其相应受体结合后激活细胞内下游信号通路，如 Smad 和丝裂原活化蛋白激酶等信号通路，实现一系列磷酸化反应[62-64]。此外，BMP 还可以与Ⅰ型胶原纤维相互作用，以Ⅰ型胶原为载体，促进新生骨的形成。Fujioka-Kobayashi 等[65]比较了重组人 BMP 结合两种骨质的情况：其中一种是没有胶原蛋白的天然骨矿物质，另一种是加入了Ⅰ型 atelocollagen 胶原（去除末端肽段的胶原）的天然骨矿物质；扫描电子显微镜发现，虽然没有胶原蛋白的天然骨矿物质显示表面矿化且粗糙，但加入了Ⅰ型 atelocollagen 胶原的天然骨矿物质颗粒在整个支架表面含有更多可见的胶原纤维，且从 8 h 至 10 d，通过酶联免疫吸附试验定量检测发现重组人 BMP 吸附显著增加；研究者进一步发现，等效剂量的情况下，重组人 BMP9 结合加入胶原蛋白的天然骨矿物质时，其 Runt 相关转录因子 2、Ⅰ型胶原 α2、碱性磷酸酶和骨钙素的 mRNA 水平高于结合没有胶原蛋白的天然骨矿物质时。
3.4 JNK信号通路的相关研究
JNK 信号通路是 TGF-β1 下游的重要信号通路，JNK 信号通路能有效且特异地传递应答细胞外多种刺激信号。例如，JNK 信号通路除了参与成纤维细胞增殖，转化为肌成纤维细胞外，还参与了细胞骨架的构建、Ⅰ型和Ⅲ型胶原纤维的表达、细胞凋亡和细胞恶变等多种生物学反应[66-67]。
Guo 等[68]探讨了微 RNA-214（microRNA-214，miR-214）对骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cell，BMSC）成骨分化的可能机制。作者发现，miR-214 能有效促进 BMSC 的体外脂肪细胞分化的过度表达，降低 BMSC 的碱性磷酸酶活性、Ⅰ型胶原基因表达、骨钙素和骨桥基因的表达；miR-214 过表达可抑制成纤维细胞生长因子蛋白的表达，并抑制 JNK 和 p38 的磷酸化；此外，miR-214 下调会促进 BMSC 向成骨细胞分化，并增加碱性磷酸酶活性和Ⅰ型胶原含量；然而，在 miR-214 对 BMSC 作用过程中，使用 JNK 和 p38 抑制剂却能抑制碱性磷酸酶活性和Ⅰ型胶原基因表达。
3.5 Wnt/β-catenin信号的相关研究
Wnt/β-catenin 信号通路在调节成骨细胞分化、骨骼形成、骨重塑的再生和修复中起着重要的作用[69-70]。抑制 β-catenin 蛋白或敲除 β-catenin 基因都可能引起成骨细胞分化不全、Ⅰ型胶原及骨钙素含量降低，最终会影响细胞外有机质和骨组织的形成。例如，骨质疏松症假性神经胶质瘤综合征、硬化性狭窄和 van Buchem 病等疾病都与异常的 Wnt 信号通路相关[71-72]。
Sun 等[73]用三氯化铝对大鼠成骨细胞的 Wnt/β-catenin 信号通路进行研究，将大鼠分为对照组（口服安慰剂）和三氯化铝组（口服 0.4 g/L 的三氯化铝），于服药 30、60、90、120 d 时分别进行检测；结果显示，随着时间的增加，三氯化铝组的Ⅰ型胶原 mRNA、胰岛素样生长因子-1、Runt 相关转录因子 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 蛋白的表达率均下降，而 dickkopf-1、融合调节蛋白 1 和胱天蛋白酶-3 的蛋白和 RNA 的表达在三氯化铝组却是升高的。这些结果表明，三氯化铝可抑制Ⅰ型胶原表达和骨基质的合成，并可能引起 Wnt/β-catenin 信号通路抑制的幼年大鼠骨损伤。相反，Ying 等[74]通过探讨杨梅素对人 BMSC 体外成骨分化的影响发现，在添加杨梅素后人 BMSC 碱性磷酸酶活性增强，并且Ⅰ型胶原纤维、Runt 相关转录因子 2 的表达也呈递增趋势；研究进一步发现，杨梅素除能通过激活 Wnt/β-catenin 信号通路来增强人 BMSC 的成骨细胞分化外，还能激活 Wnt/β-catenin 信号通路几个下游基因（包括细胞因子基因，如 T 细胞因子 1 基因和淋巴样增强因子-1 基因）的表达，提高细胞外基质的含量，最终达到增加骨量的目的。
4 研究展望
Ⅰ型胶原纤维的含量、结构和分解代谢的变化可以影响骨组织的骨强度。然而，目前对骨质疏松中Ⅰ型胶原纤维变化及其机制的研究有限。同时，胶原纤维虽然可以在骨形成的不同阶段成熟，但是也受到酶促或非酶促过程的影响，即酶促过程涉及赖氨酰氧化酶的活化，其导致不成熟和成熟的胶原蛋白交联，从而稳定胶原原纤维。另外，胶原蛋白的改变也与年龄有关。因此，对于骨质疏松中Ⅰ型胶原的靶向治疗也存在一些问题：① Ⅰ型胶原纤维的数量和空间结构排列的变化，是否会影响骨质疏松患者生物力学的强度尚不清楚。②骨质疏松中Ⅰ型胶原相关信号通路中关键靶点上调或者抑制，是否能够促进胶原含量的增加和促进成骨还需要进一步研究。③ 关于增加Ⅰ型胶原纤维药物的研制，以及基础研究向临床实践转化等需要较长时间。但是，考虑到骨质疏松的发生与发展与骨矿物质丢失、Ⅰ型胶原结构和含量的病理改变密切相关，这已经得到诸多研究者的认同，这对骨质疏松症的研究和治疗具有重要意义，也可能是指导未来研究的方向。④目前，胶原的生物材料缺乏生物力学刚度和快速生物降解的性能，是否可以通过化学交联方法或通过添加具有更高机械性能的组分以获得用于骨组织的复合材料，还需要进一步研究。