骨质疏松研究的现状与展望

?专论?

作者单位:410011长沙,中南大学湘雅二医院代谢内分泌研究所

骨质疏松研究的现状与展望

廖二元

骨质疏松症(OP )是严重威胁老年人身心健康的常见疾病,随着人均寿命的延长,老年性骨质疏松症发病率逐年增加。近年来,在骨代谢调节和骨质疏松发病机制的研究方面有了许多进展,临床诊断治疗水平也迅速提高,进一步揭示OP 的发病机制和抗骨质疏松药物的作用原理将有助于推动OP 防治工作的迅速发展。

一、骨代谢的偶联调节研究

成熟骨组织主要靠骨重建进行着持续的、循环性的破骨与成骨过程,这一过程的有序性偶联调节是维持正常骨量和骨的生理功能的基础。许多激素、细胞因子、生长因子互相联系,相互制约,控制着骨的代谢水平(骨代谢率)和破骨/成骨活性的平衡,以维持正常骨量和骨的生物学质量。骨重建的特点是:(1)发生于所有骨组织的所有骨表面和衬面;(2)与骨构塑不同,骨重建无方向性,但存在循环周期(骨重建周期);(3)骨的形成和吸收由骨的细胞来完成,但作用的部位主要在骨基质;(4)骨重建的成骨和破骨过程是相互依赖、相互影响和制约的,可以说没有破骨过程就没有成骨过程,反之亦然。

调节骨代谢偶联过程的因素很多,通常可分为下列若干种类型与层面。

1.循环激素(整体层面):主要有甲状旁腺素(PTH )、降钙素和1,252(OH )2D 3;生长激素(GH )则可能主要通过胰岛素样生长因子(IGF )2Ⅰ在局部起作用,其他激素如甲状腺激素、性激素、糖皮质激素、胰岛素、维生素等在生理条件下,对骨代谢的调节作用较弱,但在某些病理情况下,可导致多种代谢性骨病。

2.骨量的遗传性决定因子(基因2分子层面):自从认识到维生素D 受体基因变异与骨量的关系以来,目前认为骨量的75%左右是由遗传因素决定

的,这些因子可能还包括雌二醇受体、降钙素受体、β3肾上腺素能受体、

糖皮质激素受体的基因类型,以及转化生长因子(TGF )2β1、白细胞介素(IL )26、IL 21受体拮抗物、PTH 、IGF 2Ⅰ、Ⅰ型胶原α1链、骨钙素等的基因多态性等。此外,还鉴定出一些与骨

量有关的遗传位点(HLA 标志物、11q12213、11q 、

1p36、2p23224、4q32234等)。这些基因(或位点)的多态性类型组成个体的特定骨代谢类型,进一步研究他们与OP 的关系,找出我国各民族骨质疏松的易感基因类型,有助于评价本病的预后和风险性。建立易感基因的表达型基因芯片技术,可能是常规与大量筛选OP 易感人群、早防早治OP 的重要途径和发展方向。

3.旁分泌调节(组织2细胞层面):在某一个体,由于上述的循环激素水平和基因类型是基本固定的,所以决定个体骨代谢水平和调节骨代谢偶联的因素主要来源于细胞因子和旁分泌激素。重要的骨

代谢偶联调节因子主要有IL 21α、IL 21β、肿瘤坏死因

子(TNF )2α、TNF 2β、IL 26、粒细胞巨噬细胞集落刺激

因子(GM 2CSF )、前列腺素(P Gs )、内皮细胞生长因子(EGF )、IGF 、骨形成蛋白(BMP )、TGF 、血小板来源生长因子(PD GF )等。护骨素(OP G )及其配体(OP G L )和NF 2κB 受体活化素(RAN K )是一组对骨

代谢有明显调节作用的细胞因子。OP G 对破骨细胞的破骨功能起关键性调节作用(破骨细胞分化的负性调节因子),而OP G L 以其可溶性分子形式发挥作用(破骨细胞分化的正性调节因子),OP G L 基因突变鼠有严重的骨硬化。RAN K 又是OP G L 促进破骨细胞分化的靶信号受体,与OP G L 结合阻断OP G L 的作用。而且,随着研究的不断深入,相信还可发现更多的旁分泌/自分泌调节因子。

在上述的多种细胞因子和循环激素中,一些可上调而另一些则下调他们的表达。由此看来,骨代谢的调节是十分复杂的,而在生理和一般病理条件下(如OP )可能以骨组织局部的旁分泌调节占优势。因此,如果仍然从几种骨代谢调节的循环激素的作

用来理解和认识OP,那是片面而肤浅的。充分认识骨代谢的生理调节机制和特点对OP的防治具有十分重要的指导意义。进行OP机制的任何研究都应该着眼于偶联调节网络系统,任何具体调节因子的研究都只是局部的和零散的。而且在体内,任何激素、细胞因子的过表达或低表达都有可能被另一些相关因子的变化所代偿。当然,如果代偿不全或不能代偿则可致病。另一方面,机械因素、生物力学因素和环境生活因素等也在OP的发病中起重要作用。因此,通过比较、聚类、筛选等方法建立骨代谢变化的观测指标体系,并将他们与骨密度、骨的生物学质量和骨计量学指标结合起来,达到优化指标,全面反映骨质量的目的。象OP这样涉及多基因、多环境因素、多层面网络调节的慢性疾病(或综合征)的研究,无论是探讨发病机制,还是解决临床防治问题,都应该按多因素的设计与试验方法来处理,而且要尽量用多学科的最新技术来反映其全貌,揭示其本质。当然,在具体研究中,我们只能根据条件和可能,从局部入手,对OP的发病机制或抗OP药物的作用进行研究,但解释结果必须慎重,必须分析其在整个网络调节中的具体意义。

二、骨质疏松的细胞模型和动物模型研究

目前,用于骨质疏松研究的模型主要有细胞模型和动物模型。目前的研究材料以成骨细胞为主,来源于动物或人体。分离、纯化的正常人成骨细胞在体外培养体系中不能传代,使研究的时效被限制。而且由于获取细胞的来源不同,无法构建培养细胞模型和评价的指标体系。另一种方法是采用制备的人成骨样细胞株,这种细胞株可无限传代,解决了研究的时限性问题,而且一定的细胞株的基因型和表现型特征是基本固定的,所以被广泛采用。其中应用最广泛的是M G63人成骨样细胞株和Saos22细胞株,但其缺点是细胞为恶性的,其分化增殖和凋亡与正常的人成骨细胞殊不相同。另一方面,破骨细胞的建株十分困难。近年来已发展和建立了多种破骨细胞培养技术,并用诱导剂来诱导骨髓液中的破骨细胞前身细胞分化为破骨细胞。维生素D、巨噬细胞集落刺激因子等多种物质均可作为破骨细胞诱导剂,可明显增加细胞的产量,提高分化增殖速率。

但是,不论是成骨细胞还是破骨细胞培养技术均存在以下缺点:(1)在单种细胞培养体系中,由于不存在来自另一种细胞的调节因子,只能表达该种细胞在体外条件下的某些细胞因子,而且培养细胞分泌的偶联因子又无靶细胞效应,故实验结果难以反映体内骨组织代谢的本质;(2)培养体系中无骨组织,很难反映细胞对骨基质和骨矿物质(占骨组织的90%以上)的作用。为了克服单种细胞培养技术的缺点,研究骨代谢中成骨细胞和破骨细胞的偶联作用,探讨偶联因子的作用机制,或为了阐明某药物对骨代谢的影响,已有学者应用联合培养技术。国内也有一些学者用骨片作材料,与破骨细胞联合培养,研究破骨活性。早在1991年就有人试用两种细胞联合培养技术来研究细胞间的偶联调节,但因技术问题,难以推广。例如,在培养体系中加入刺激因子(IL21,TNF2α等)后,成骨细胞可产生大量的一氧化氮(NO)而促进破骨细胞凋亡。所以事实上,用这种方法来模拟骨组织的途径是行不通的,因为成熟破骨细胞在培养体系中迅速凋亡,使实验很难完成。但可根据研究目的的不同,设计其他各种骨细胞之间及骨细胞与其他细胞的联合培养方案,如成骨样细胞和骨髓细胞联合培养、永生性骨髓基质细胞和破骨细胞联合培养、骨髓细胞和原代成骨细胞联合培养等。

目前用于OP研究的动物模型主要有去卵巢(OVX)大鼠模型、老年性骨质疏松动物模型、制动(immobilization)模型,皮质醇致骨质疏松模型和维甲酸致骨质疏松模型等。由于老年女性骨质疏松以绝经后OP占绝大多数,故美国国立卫生研究院(N IH)和WHO都推荐用OVX大鼠来作为研究的最佳模型。但是在长期的动物实验和临床观察中发现,动物模型实验结果与临床观察结果常不一致。因此,应该建立特异性高、靶位专一的分子2细胞组织模型,深入地揭示其分子2细胞作用机制,提高药物评价的质量。另一方面,在进行关键性的重大研究时,还必须将小动物模型、大动物模型与细胞2组织模型结合起来,互补不足。

根据细胞2组织模型建模原则,N IH1996年的骨代谢研究模型和骨生化标志物的全球招标指南和2000年有关骨质疏松预防、诊断和治疗的专家会议文件的要求,筛选抗OP药物的模型要达到下列基本要求:(1)模型体系要尽量模拟骨组织(即能反映骨基质、骨矿物质、成骨细胞和破骨细胞等主要成分的变化);(2)细胞或组织模型能模拟或代表某疾病的病变过程与本质,对患OP的病人(或动物)来说,要能模拟OP的病变特点(但各型OP的病变特点并不相同);(3)评估实验的指标体系应该着眼于分子

2细胞水平作用机制的研究,从基因表达、活性蛋白质表达、细胞与骨组织的形态变化、骨质密度等多个层面来揭示发病机制或评价抗OP药物的作用;(4)模型体系稳定,重复性好;(5)具有快速、高效和经济的优点。

此外,在进行OP模型研究时,还必须注意两点。一是骨的生物学质量问题。一般来说,骨密度(BMD)下降易导致骨折,但BMD只是决定骨的生物学质量的一个主要因素而非全部。如果骨的抗压、抗扭等能力越强,则骨折的风险就越低;二是成骨性谱系细胞和破骨性谱系细胞的增殖与凋亡问题。骨组织有别于其他软组织,其细胞成分少,而骨基质所占的比例很高。因而,为数不多的骨组织细胞的增殖与凋亡及其调节就成为骨代谢调节的中心环节。事实上循环激素、旁分泌激素和细胞因子都可通过一定的途径作用于两类细胞的分化、增殖与凋亡过程。从这一点上看,老年性OP也可以被看作是骨的衰老现象。因而,研究骨组织细胞凋亡及其凋节机制就显得格外重要。

三、骨质疏松和抗骨质疏松药物的评价指标研究

目前,OP的诊断主要包括BMD测量和血、尿中的骨代谢生化标志物检测。但在应用中要注意克服BMD测量的下列缺点:(1)设备昂贵,难以普及;

(2)不能早期发现OP患者:用最敏感的双能X线吸收仪(DEXA)测到的BMD最小变化要比骨生化指标晚6个月以上,比骨形态计量指标晚3个月以上,因而BMD用于病情变化和药物疗效监测的敏感性有待进一步提高;(3)OP的诊断标准以正常人群中骨密度峰值(PBM)为标准(PBM-2.5个标准差),而人体的差异很大,对原PBM较高者标准过严,而对原PBM较低者标准过松;(4)BMD只反映骨矿物质含量的多少,不能反映占骨胳90%以上的骨基质的变化;(5)OP防治的根本任务是减少骨折发生率,提高骨的抗骨折能力(即骨的生物学质量), BMD作为目前OP诊断的金指标,仍存在不能反映骨的生物学质量的缺点。

经典的骨代谢生化标志物主要有血钙、磷、骨源性碱性磷酸酶(BAP)、骨钙素(B GP)、Ⅰ型胶原C末端肽(PICP)、Ⅰ型胶原N末端肽(PINP)、抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)、羟脯氨酸(HOP)等。近年来,发现一些新的偶联信号物质,如OP G/OP G L/ RAN K、基质金属蛋白酶(MMP)及其抑制因子(TIMP)、GM2CSF等可分泌进入血液,测定这些物质的变化可从某一侧面反映骨的代谢变化,故可作为OP的诊断、病情观察和药物疗效评价指标。开展这方面的研究有助于建立新的骨生化评价指标,补充现有指标的不足。例如,血液中的OP G浓度约为0.1～0.4μg/L,可用RIA或EL ISA方法测出,其他标志物亦可用Western杂交进行定性与定量。但不论是经典的还是新的骨代谢生化标志物都只能反映骨代谢的某一环节或某一方面,单项测定显然是不够的,而多项测定又存在费用较贵等问题。因此,必须对这些指标进行反复验证与比较,在大批量、多中心实验中确定各自的临床意义。

四、抗骨质疏松药物的开发与应用研究

目前,国内外开发抗OP药物的程序分为两大步骤。第一步是用拟开发的药物进行动物实验,探讨药物的药效、药代动力学、药理、急性与慢性毒副作用等,其中应用最广的是OVX动物模型,但在评价药效指标方面仍感其特异性和敏感性不高。第二步是临床试验,如经动物实验证明药物有效,并经过国家有关部门的审批,可进入临床试验。但这种传统的药物筛选与药物开发方法已落后于形势,有待改进。

我们面临的另一问题是要迅速提高抗OP药物的疗效/费用比。这对于我国病人基数大,经济相对不发达的国情来说,显得十分重要。因此,应该积极组织科技人员,进行统一规划的多中心临床观察研究,制定符合我国国情的防治优化方案,扩大防治人群,降低医疗费用,提高防治效果;并用循证诊断、循证决策和循证治疗的观点来指导临床防治工作,要特别讲究药物干预治疗的终点效果(提高骨量和骨的生物学质量,降低骨折发生率和致残率)。

在目前应用的经典抗骨质疏松药物中,绝大部分为抑制破骨细胞活性的药物(如降钙素、二膦酸盐、雌激素等),而缺乏刺激成骨细胞活性或既刺激成骨又抑制破骨的药物。因此,应该在深入研究和发掘化学合成药物的同时,更注重天然植物化合物的开发研究。从天然植物中寻找抗OP新药我国具有不可比拟的民族优势。在数千年积累起来的中医中药宝库中,应该存在高活性的抗OP天然成分。近年发现,植物雌激素具有选择性雌激素受体调节剂作用,这类化合物本身或经过加工、修饰或结构改造,可望获得高活性的抗骨质疏松药物。

(收稿日期:2001210223)