甲狀旁腺素的生物學(xué)研究與成骨作用

張萌萌

中國骨質(zhì)疏松雜志社，北京100102

甲狀旁腺素(parathyroid hormone，PTH)是由甲狀旁腺主細(xì)胞合成分泌的、含有84個(gè)氨基酸的堿性單鏈多肽，是調(diào)節(jié)血鈣、磷水平的主要激素之一，可促使血鈣水平升高，血磷水平下降［1］?？删?xì)調(diào)節(jié)骨的合成、分解代謝，對成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的分化、成熟、凋亡發(fā)揮重要作用。PTH對骨形成和骨吸收具有雙重效應(yīng)，持續(xù)大劑量PTH促進(jìn)骨吸收，間歇性小劑量PTH促進(jìn)骨形成［2］。

PTH水平增高，見于原發(fā)性甲狀旁腺功能亢進(jìn)、異位性甲狀旁腺功能亢進(jìn)、繼發(fā)于腎病的甲狀旁腺功能亢進(jìn)、假性甲狀旁腺功能減退等。

PTH水平減低，見于甲狀腺手術(shù)切除所致的甲狀旁腺功能減退癥、腎功能衰竭［3］和甲狀腺功能亢進(jìn)所致的非甲狀旁腺性高血鈣癥等。

1 甲狀旁腺素的命名與化學(xué)結(jié)構(gòu)

甲狀旁腺素是甲狀旁腺主細(xì)胞合成和分泌的單鏈多肽激素，基因定位在11號(hào)染色體短臂。甲狀旁腺主細(xì)胞內(nèi)首先合成前甲狀旁腺激素原，即PTH的第一前身物質(zhì)，含115個(gè)氨基酸，前甲狀旁腺激素原在細(xì)胞內(nèi)裂解為含有90個(gè)氨基酸的第二前身物質(zhì)－甲狀旁腺激素原，后者在細(xì)胞內(nèi)裂解成為含84個(gè)氨基酸的多肽，即甲狀旁腺素。正常人血漿中PTH的水平約為1ng/mL。PTH在循環(huán)血液中的半衰期約為20 min，主要在腎臟內(nèi)滅活。

人完整的PTH由84個(gè)不同的氨基酸組成的直鏈多肽，分子量為9425，兩端同時(shí)具有氨基端和羧基端，氨基端是活性端，只要帶有氨基端就有生物活性。見圖1。

圖1 甲狀旁腺素化學(xué)結(jié)構(gòu)式

甲狀旁腺素最早是由Sliye于1923年發(fā)現(xiàn)的。

在1929－1937年間，北美多家實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了PTH可以促進(jìn)骨形成、增加骨量，改善骨的生物力學(xué)性能［3］。

19世紀(jì)70－80年代，美國哈佛大學(xué)麻省總院研究證明，甲狀旁腺素N端的34個(gè)氨基酸殘基PTH(l-34)與由84個(gè)氨基酸組成的天然PTH具有相同的受體結(jié)合和激活功能［4］。

甲狀旁腺素N端氨基酸序列高度保守，為PTH生物活性所必需，與靶組織受體結(jié)合后可產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)。PTH氨基端l-34氨基酸片段，具有與內(nèi)源性PTH相同的與受體結(jié)合的能力、相似的作用機(jī)制及生物學(xué)效應(yīng)。

目前臨床應(yīng)用的甲狀旁腺素藥物主要包括重組人甲狀旁腺素片段(parathyroid hormone，PTH 1-84)和人工合成的PTH1-34(hPTH1-34)，又稱特立帕肽(Teriparatide，TPTD)。在研的有PTH類似物:甲狀旁腺素相關(guān)肽(parathyroid hormone related peptide，PTHrP)［5］。

2 甲狀旁腺素的生理作用

甲狀旁腺素作用的靶器官是腎臟，骨骼和小腸。PTH受體分為Ⅰ型甲狀旁腺素受體 (PTH R1)、Ⅱ型甲狀旁腺素受體-2(PTH R2)、Ⅲ型甲狀旁腺素受體-3(PTH R3)三類，其中PTH R1最為重要。PTH通過刺激靶器官發(fā)揮正常生理作用，作用機(jī)制復(fù)雜，主要通過自分泌與旁分泌形式對靶細(xì)胞起調(diào)控作用。

PTH通過對骨、腎臟、小腸的作用來調(diào)節(jié)體內(nèi)的鈣磷代謝，是調(diào)節(jié)血鈣、血磷水平的主要激素之一，總的效應(yīng)是升高血鈣和降低血磷。

PTH通過作用于靶細(xì)胞膜上PTH R1發(fā)揮生物學(xué)作用，主要是通過三條信號(hào)通路的激活:①cAMP/PKA通路、②PLC/PKC通路、③nonPLC/PKC通路［6］。

其中，最主要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑是腺苷酸環(huán)化酶(adenylate cyclase，AC)-環(huán)磷酸腺苷(cyclic AMP，cAMP)-蛋白激酶 A(protein kinase A，PKA)通路［7］。PTH作用于靶細(xì)胞膜激活環(huán)磷酸腺苷，增加胞質(zhì)內(nèi)cAMP及焦磷酸鹽的水平。cAMP促進(jìn)線粒體內(nèi)Ca2+向胞質(zhì)透出，焦磷酸鹽則作用于細(xì)胞膜外側(cè)，增加Ca2+向細(xì)胞內(nèi)透入，使細(xì)胞質(zhì)Ca2+水平升高，激活細(xì)胞膜上的“Ca2+-ATP酶”(鈣泵)，將細(xì)胞內(nèi)Ca2+大量輸送到細(xì)胞外液，使血鈣升高，血磷降低，維持血鈣平衡。

PTH還可通過磷脂酶C(phospholipase，PLC)-二酰甘油(diacylglycerol，DAG)-蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑［8］發(fā)揮生理作用，PLC催化磷脂酰肌醇4，5-二磷酸(PIP2)分子，水解成磷酸肌醇(IP)和DAG，引起胞內(nèi)鈣離子的釋放，進(jìn)而激活PKC［6］，PLC/PKC信號(hào)通路對 PTH破骨作用有輔助增強(qiáng)的功能。

PTH可通過非PLC依賴PKC激活途徑(PTH/nonPLC/PKC)［9］進(jìn)行成骨調(diào)節(jié)作用。此外，PTH 也可通過β-arrestin通路等信號(hào)途徑［11］，調(diào)節(jié)血鈣平衡。

2.1 甲狀旁腺素對腎臟與小腸的作用

PTH對腎臟的直接作用是促進(jìn)遠(yuǎn)曲小管對Ca2+的重吸收，減少Ca2+從尿中排泄，使血鈣升高。抑制近曲小管對磷的重吸收，尿中磷酸鹽增加，血磷降低。

PTH增強(qiáng)腎1-α羥化酶活性，活化維生素D3，使25-羥維生素 D3轉(zhuǎn)化為 1，25-雙羥維生素 D3，1，25(OH)2D3進(jìn)入小腸粘膜內(nèi)，生成與鈣親和力很強(qiáng)的鈣結(jié)合蛋白D，間接使腸道Ca2+的吸收增加。

2.2 甲狀旁腺素對骨重建的影響

研究表明，PTH對骨形成和骨吸收具有雙重效應(yīng)，持續(xù)大劑量 PTH促進(jìn)骨吸收，間歇性小劑量PTH 促進(jìn)骨形成［2］。

持續(xù)大劑量給予 PTH時(shí)，PTH通過RANKLOPG-RANK受體信號(hào)通路，上調(diào)破骨細(xì)胞RANKL的表達(dá)，誘導(dǎo)成熟的破骨細(xì)胞形成，明顯提高破骨細(xì)胞生物活性，抑制破骨細(xì)胞凋亡，加快骨吸收［11，12］。

間歇性小劑量給藥時(shí)，PTH的氨基末端區(qū)域與PTH R1結(jié)合，通過與G蛋白和腺苷酸環(huán)化酶相互作用，產(chǎn)生 cAMP，進(jìn)一步磷酸化活化蛋白激酶C［13］，激活成骨細(xì)胞。cAMP還可上調(diào)成骨細(xì)胞內(nèi)c-fos基因的表達(dá)水平，c-fos基因編碼的c-fos蛋白可以促進(jìn)與骨生長發(fā)育有關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)［14］，增加成骨細(xì)胞數(shù)量，促進(jìn)骨重建。

研究發(fā)現(xiàn)，PTH可提高骨形態(tài)發(fā)生蛋白2(BMP2)的表達(dá)與功能，BMP2是促進(jìn)成骨分化信號(hào)通路中的重要因子，與PTH協(xié)同作用促進(jìn)成骨細(xì)胞分化［12，15］，刺激骨形成。并促使骨髓中的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSC)移行至骨小梁表面，分化為成骨細(xì)胞［16］，并抑制BMSC分化為脂肪細(xì)胞、從而增加BMSC向成骨細(xì)胞分化的數(shù)量。

PTH提高骨密度、增加骨量，降低骨折風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，可以增強(qiáng)軟骨內(nèi)成骨、膜內(nèi)成骨與骨痂重建，加快骨組織修復(fù)，促進(jìn)骨折愈合。

3 甲狀旁腺素的生物學(xué)研究成果

Polyzons 等［17］研究證明腺苷酸環(huán)化酶(adenylate cyclase，AC)-環(huán)磷酸腺苷(cyclic AMP，cAMP)-蛋白激酶 A(protein kinase A，PKA)通路是PTH活化調(diào)節(jié)骨代謝的重要途徑。郝松等［8］通過相關(guān)信號(hào)通路屏蔽和基因表達(dá)分析，探討甲狀旁腺素(PTH)非PLC依賴PKC信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑(PTH/nonPLC/PKC)的功能，分析其對骨代謝的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PTH的nonPLC/PKC信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的激活能夠使成骨細(xì)胞共轉(zhuǎn)錄因子CITED1的表達(dá)量明顯升高，介導(dǎo)PTH對成骨代謝的作用，該途徑不依賴PLC和PKA信號(hào)的激活。

Kim等［18］實(shí)驗(yàn)證明PTH可促使內(nèi)襯細(xì)胞，轉(zhuǎn)化為成熟的成骨細(xì)胞，從而促進(jìn)骨形成。

Ben-awadh等［11］研究表明 PTH可通過甲狀旁腺素受體信號(hào)通路，上調(diào)破骨細(xì)胞RANKL的表達(dá)，從而誘導(dǎo)骨吸收。

Friedl等［19］研究PTH對大鼠松質(zhì)骨骨密度的影響，結(jié)果顯示，PTH能夠促進(jìn)大鼠軟骨修復(fù)，增加骨痂的體積、提高骨密度、增強(qiáng)抗扭強(qiáng)度和剛度，促進(jìn)骨形成。

Mognetti等［20］對小鼠脛骨骨折模型給予研究PTH(1-34)治療的實(shí)驗(yàn)研究顯示，PTH(1-34)可加速小鼠脛骨骨折部位骨痂礦化、提高骨痂硬度。

陳波等［21］探討重組人甲狀旁腺素 PTH1-34(hPTH1-34)對去卵巢大鼠骨質(zhì)疏松的治療作用，結(jié)果顯示，hPTH1-34可通過刺激成骨細(xì)胞的活性，抑制破骨細(xì)胞，顯著增加大鼠股骨、腰椎BMD，對去卵巢大鼠骨質(zhì)疏松治療有效。

林華等［22］、Ellegaard 等［23］的研究均顯示，PTH(1-34)可加強(qiáng)皮質(zhì)骨厚度，增加骨小梁的連通性，提高骨的微體系結(jié)構(gòu)及生物力學(xué)特性，改善骨質(zhì)量，改善骨折愈合能力。

Sloan等［24］采用動(dòng)物應(yīng)力性骨折模型的研究結(jié)果顯示，PTH(1-34)可促進(jìn)皮層內(nèi)骨重塑過程，提高骨折愈合能力。

Komatsubara等［25］對股骨骨折大鼠給予PTH治療，結(jié)果顯示，PTH治療組可形成更大、更密集和更成熟的骨痂，PTH可改善骨折動(dòng)物模型的生物力學(xué)性能，加快骨礦化。

4 甲狀旁腺素的臨床應(yīng)用

4.1 PTH是診斷骨質(zhì)疏松的重要骨代謝調(diào)節(jié)激素

甲狀旁腺素可有效調(diào)節(jié)人體血漿Ca2+離子水平，同時(shí)PTH的分泌受血漿Ca2+水平的反饋調(diào)節(jié)，血漿Ca2+水平升高，PTH的分泌受到抑制;血漿Ca2+水平降低，則刺激PTH的分泌。臨床骨質(zhì)疏松診斷與鑒別診斷，需檢測PTH。

絕經(jīng)期婦女，體內(nèi)雌激素水平降低，對PTH促骨吸收作用的抑制減弱;老年男性患者，體內(nèi)雄激素分泌嚴(yán)重不足，腎功能顯著減退，PTH分泌明顯增加，骨吸收增加，骨密度降低，從而誘發(fā)骨質(zhì)疏松。

謝海燕的臨床研究［26］，探討 25-羥基維生素D3、骨鈣素、甲狀旁腺素檢測在骨質(zhì)疏松癥診斷中的應(yīng)用價(jià)值，結(jié)果表明，骨質(zhì)疏松患者血清PTH水平異常升高，血清骨鈣素、25-羥基維生素D3水平異常降低，臨床上，可以將PTH作為骨質(zhì)疏松診斷的主要參考指標(biāo)。

Tannenbaum等［27］對絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松患者血清PTH檢測結(jié)果顯示，PTH升高者占15.6%，建議臨床實(shí)驗(yàn)室應(yīng)將血清PTH、鈣和尿鈣作為診斷骨質(zhì)疏松的基本檢測項(xiàng)目，以對骨質(zhì)疏松病因進(jìn)行評估。

李朦［28］的骨質(zhì)疏松相關(guān)激素與骨密度相關(guān)性研究結(jié)果顯示，血清PTH水平與骨密度呈負(fù)相關(guān)，可以作為較好的骨質(zhì)疏松診斷指標(biāo)，早期發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)疏松。

4.2 PTH治療骨質(zhì)疏松、促進(jìn)骨折愈合

PTH是目前臨床應(yīng)用治療骨質(zhì)疏松藥物中，唯一的促進(jìn)骨形成的藥物。并可降低椎體及非椎體骨折的發(fā)生。

Yamamoto等［29］一項(xiàng)對日本1671名具高骨折風(fēng)險(xiǎn)的骨質(zhì)疏松患者給予PTH(1-34)治療12個(gè)月，結(jié)果顯示，患者腰椎、股骨頸骨密度較治療前增加，患者背痛的視覺模擬量表評分(VAS)從治療開始后3個(gè)月持續(xù)下降。

Neer等［30］對1637名曾發(fā)生過椎體骨折的絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松患者，連續(xù)2年應(yīng)用PTH(1-34)治療的報(bào)道，研究結(jié)果顯示，患者腰椎骨密度提升13%，股骨頸骨密度提升6%，全身骨密度提升4%，并降低65% 的椎體及53%的非椎體骨折發(fā)生率。

Niimi等［31］對80歲以上老年骨質(zhì)疏松患者，連續(xù)兩年每日給予PTH(1-34)治療，結(jié)果顯示，患者腰椎和股骨頸骨密度均顯著增加。

Han等［32］一項(xiàng)薈萃研究顯示，對絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松患者給予PTH(1-34)治療，患者椎體骨密度提高8.14%，髖部骨密度提高2.84%，椎體骨折發(fā)生率降低70%，非椎體骨折發(fā)生率降低38%。

Rajzbaum等［33］一項(xiàng)對309名絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松患者給予特立帕肽治療6個(gè)月的試驗(yàn)研究顯示，患者腰背痛明顯緩解，骨折發(fā)生率明顯下降。

Walsh等［34］對75歲以上骨質(zhì)疏松患者給予PTH(1-34)治療發(fā)現(xiàn)，使用36周后，PTH(1-34)能明顯改善患者骨質(zhì)疏松引起的背痛，降低骨折發(fā)生率，提高患者生活質(zhì)量。

Orwoll等［35］對男性骨質(zhì)疏松患者給予PTH(1-34)治療，試驗(yàn)組患者椎體骨密度、股骨頸骨密度均較安慰劑組明顯增加，說明甲狀旁腺素對男性骨質(zhì)疏松也具有良好的治療效果。

Aspenberg等［36］一項(xiàng)回顧性研究發(fā)現(xiàn)，給予橈骨遠(yuǎn)端骨折后患者使用不同劑量 PTH(1-34)治療后，患者骨折愈合情況良好，PTH(1-34)可以促進(jìn)骨折部位早期骨痂形成，促進(jìn)骨折愈合。

Ohtori等［37］一項(xiàng)前瞻性研究顯示，使用PTH(1-34)與雙膦酸鹽藥物比較，更能有效地提高絕經(jīng)后患者腰椎植骨融合的成功率。

Saag等［38］一項(xiàng)對428名糖皮質(zhì)激素所致骨質(zhì)疏松(GIOP)患者隨機(jī)雙盲對照試驗(yàn)研究顯示，治療18個(gè)月后，PTH(1-34)治療組患者腰椎骨密度較阿侖膦酸鈉治療組增加明顯，患者椎體骨折發(fā)生率顯著低于阿侖膦酸鈉組。說明甲狀旁腺素對糖皮質(zhì)激素性骨質(zhì)疏松治療有效，且效果優(yōu)于阿侖膦酸鈉。

Cosman等［39］一項(xiàng)對142例絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松患者的多國多中心隨機(jī)對照雙盲試驗(yàn)顯示，PTH(1-34)提高椎體骨密度的作用強(qiáng)于唑來膦酸強(qiáng)，唑來膦酸提高髖部骨密度的作用強(qiáng)于PTH(1-34)，PTH(1-34)與唑來膦酸聯(lián)合使用，骨密度提高最明顯，治療效果最佳。

Ohtori等［40］對絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松合并腰椎滑脫患者，行腰椎后外側(cè)減壓植骨融合內(nèi)固定術(shù)的試驗(yàn)中，術(shù)后2～8個(gè)月期間，一組使用PTH(1-34)治療，另一組口服利塞膦酸鈉治療，結(jié)果顯示，PTH(1-34)組能更快、更好的促進(jìn)骨折愈合。表明甲狀旁腺素能加快腰椎后外側(cè)減壓植骨融合內(nèi)固定術(shù)后的脊柱融合。

綜上所述，甲狀旁腺素對Ⅰ型骨質(zhì)疏松(絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥)、Ⅱ型骨質(zhì)疏松(老年骨質(zhì)疏松癥)、雌激素缺乏的年輕婦女及糖皮質(zhì)激素所致的骨質(zhì)疏松癥均有治療作用，能顯著升高骨密度，并能降低患者骨質(zhì)疏松性骨折發(fā)生率，加速骨折愈合，效果優(yōu)于雙膦酸鹽類藥物。研究［41］表明，PTH治療骨質(zhì)疏松時(shí)，可單獨(dú)應(yīng)用或與雌激素、降鈣素、雙膦酸鹽、維生素D等聯(lián)合應(yīng)用。其治療效果明顯，安全有效，在骨質(zhì)疏松治療及骨折治療方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。