鍶對骨生成的影響及其應(yīng)用的研究進(jìn)展

劉歡歡 綜述，張旭 審校

（天津醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)院口腔內(nèi)科教研室，天津300070）

鍶（Strontium，Sr）是人體的一種必需微量元素，是骨骼及牙齒的正常組成成分。體內(nèi)外研究均表明鍶具有促進(jìn)成骨細(xì)胞生成，刺激骨骼發(fā)育生長，抑制骨吸收過程，維持人體正常生理功能等作用[1]。臨床上不僅將鍶應(yīng)用于骨質(zhì)疏松或其它骨代謝疾病的藥物治療，還將鍶摻雜于組織工程領(lǐng)域的骨修復(fù)材料以修復(fù)骨腫瘤或外傷造成的骨缺損[2-3]。針對鍶的成骨機(jī)制與效應(yīng)這一問題，研究學(xué)者們做出了大量的深入研究。本文現(xiàn)就鍶對骨生成的影響及其應(yīng)用的研究進(jìn)展作如下綜述。

1 鍶的性質(zhì)及其體內(nèi)代謝

1.1 鍶的性質(zhì) 鍶是一種銀白色軟金屬，屬于堿土金屬族元素，在元素周期表中與鈣同族，鍶與鈣的元素性質(zhì)相似。鍶是人體不可缺少的微量元素之一，生理功能主要是與骨骼形成密切相關(guān)，體內(nèi)99%的鍶存在于骨骼中，骨化旺盛部位，鍶的聚集多，促進(jìn)骨骼的發(fā)育生長。由于缺鈣引起抽搐癥時，血內(nèi)鍶的量也減少，這說明鍶與鈣相似，影響神經(jīng)肌肉的興奮過程[4]。此外，鍶與血管的結(jié)構(gòu)及功能也相關(guān)，可能是鍶與鈉在腸內(nèi)存在競爭性吸收，減少鈉的吸收，增加鈉的排泄，故可預(yù)防體內(nèi)高鈉引起的心血管類疾病，改善心血管功能[5]。鍶的一些同位素（89Sr）具有放射性，因而鍶在疼痛治療中也發(fā)揮著重要作用[6]。

1.2 鍶的體內(nèi)代謝 正常人全血鍶的含量為39μg/L，成年人每天攝入鍶2 mg就可滿足生理需要。人體主要通過食物及飲水?dāng)z取鍶，在胃腸道通過主動運(yùn)輸和被動擴(kuò)散兩種方式進(jìn)入血液循環(huán)，還可通過皮膚及呼吸道進(jìn)入體內(nèi)。骨鍶與血鍶進(jìn)行交換，保持動態(tài)平衡。鍶主要隨尿液排出體外，腎小管對鈣的重吸收快于對鍶的重吸收，腎排泄鍶的速率相對于鈣較大。由于幼兒的腎小管吸收功能尚未發(fā)育健全，故對鍶的排泄能力較于成年人弱。

2 鍶對骨生成的影響及其機(jī)制

2.1 鍶對骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的作用 骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）來源于中胚層的未分化的間充質(zhì)細(xì)胞，存在于全身結(jié)締組織和器官間質(zhì)中，骨髓中含量最為豐富。具有自我復(fù)制和橫向分化潛能，特定的誘導(dǎo)條件下可分化為骨、軟骨、神經(jīng)、脂肪、肌肉等多種功能細(xì)胞，對軟骨、骨、脂肪、肌腱和骨髓基質(zhì)等間質(zhì)組織再生有重要作用。Li等[7]采用雷尼酸鍶培養(yǎng)鼠BMSCs，發(fā)現(xiàn)鍶能明顯抑制成骨細(xì)胞增殖，促進(jìn)其分化，并具劑量依賴性。提高重要成骨蛋白堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）的表達(dá)，誘導(dǎo) BMSCs表達(dá)成骨分化的啟動基因核結(jié)合因子（Cbfa1）基因和調(diào)節(jié)BMSCs向成骨細(xì)胞分化及成熟的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子Runx2基因，提高骨涎蛋白和骨鈣素的表達(dá)水平。Cbfa1基因編碼成骨細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞發(fā)育和分化。骨涎蛋白主要分布在礦化的膠原基質(zhì)中，特異性地位于骨組織，調(diào)節(jié)骨組織的功能。骨鈣素是由成骨細(xì)胞合成并分泌的一種非膠原蛋白，骨鈣素的高低反映了成骨細(xì)胞的活性，反映骨形成與骨轉(zhuǎn)化的情況[8]。

2.2 鍶對成骨細(xì)胞的作用 在細(xì)胞水平上的機(jī)制：Almeida等[9]已通過體外培養(yǎng)前成骨細(xì)胞（MC3TE-E1）的實(shí)驗(yàn)證明，鍶在濃度1～10 mmol范圍能有效增強(qiáng)前成骨細(xì)胞增殖能力和生存活性，加速成骨細(xì)胞表型的獲得。雷尼酸鍶與其它骨質(zhì)疏松藥物比較，它能夠調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞活性以促進(jìn)骨形成和預(yù)防骨吸收[10]。

在分子水平上的機(jī)制：實(shí)驗(yàn)研究同時證明了鍶像鈣一樣激活成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞中的鈣敏感受體，從而通過1,4,5-三磷酸肌醇釋放細(xì)胞內(nèi)鈣，激活MAPK（Erk1/2）和鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶，促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和分化。鍶通過激活鈣信號受體而激活了PI3K/Akt信號通路，使Wnt/β-連環(huán)蛋白信號級聯(lián)放大，加強(qiáng)了對RANKL/RANK骨吸收信號通路的調(diào)節(jié)作用。同時，鍶通過下調(diào)Wnt抑制劑硬骨素的作用，進(jìn)一步增強(qiáng)了骨中β-連環(huán)蛋白信號傳導(dǎo)[11-12]。細(xì)胞內(nèi)促成骨分子表達(dá)增多，促進(jìn)成骨細(xì)胞成熟、分化，增加骨的形成。

2.3 鍶對破骨細(xì)胞的作用 在細(xì)胞水平上的機(jī)制：Bakker等[13]在研究雷尼酸鍶對MLO-Y4骨細(xì)胞的信號傳導(dǎo)過程的實(shí)驗(yàn)中，已證明了鍶通過雙重機(jī)制發(fā)揮其對骨的作用，它能減少破骨細(xì)胞的骨吸收，刺激成骨細(xì)胞的骨形成。成骨細(xì)胞相關(guān)因子調(diào)控破骨細(xì)胞的功能、活化、成熟，因此鍶也能調(diào)控該過程。鍶增加成骨細(xì)胞向祖細(xì)胞的分化，刺激骨礦化基質(zhì)的合成，直接作用于骨細(xì)胞，還通過減少破骨細(xì)胞分化從而直接影響未成熟的破骨祖細(xì)胞，增加成熟的破骨細(xì)胞的凋亡。

在分子水平上的機(jī)制：核轉(zhuǎn)錄因子κB受體活化因子配體（RANKL）-核轉(zhuǎn)錄因子κB受體活化因子-骨保護(hù)素（OPG）信號通路可調(diào)節(jié)骨吸收。RANKL與OPG結(jié)合，向破骨細(xì)胞前體內(nèi)傳導(dǎo)信號，促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化、成熟[14]。Caudrillier等[15]研究表明鍶能降低RANKL表達(dá)，促進(jìn)骨保護(hù)素產(chǎn)生，通過調(diào)控破骨細(xì)胞功能的信號途徑來減少破骨細(xì)胞的形成和骨吸收。

2.4 鍶促進(jìn)血管化的機(jī)制 血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor,VEGF）是血管內(nèi)皮細(xì)胞特異性的肝素結(jié)合生長因子，可在體內(nèi)促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞的有絲分裂誘導(dǎo)血管新生?；|(zhì)金屬蛋白酶 2（matrix metalloproteinase,MMP-2）能影響內(nèi)皮細(xì)胞和血管壁細(xì)胞的遷移，在促進(jìn)毛細(xì)血管新生方面起著重要作用。Wang等[16]實(shí)驗(yàn)證明摻鍶聚磷酸鈣相對于不摻鍶組的VEGF、MMP-2蛋白表達(dá)量更高，摻鍶聚磷酸鈣組支架相對于單一的聚磷酸鈣支架細(xì)胞增殖速率更高。鍶可通過環(huán)氧化酶-2促進(jìn)前列腺素和內(nèi)皮素-2的合成，而前列腺素和內(nèi)皮素-2可上調(diào)VEGF的表達(dá)，因此鍶具有促血管化作用。Zhao等[17]將鍶摻雜微納米生物活性玻璃材料（Sr BGM）支架植入大鼠顱骨骨增加模型，研究體內(nèi)早期促進(jìn)成血管效果。研究結(jié)果表明，SrBGM具有調(diào)控巨噬細(xì)胞極化狀態(tài)從而促進(jìn)血管化形成的作用，釋放的Si、Ca、P、Sr元素可以顯著增加巨噬細(xì)胞從M1型向M2型極化的趨勢，并促進(jìn)抑炎相關(guān)細(xì)胞因子的表達(dá)，增強(qiáng)血管相關(guān)因子表達(dá)，促進(jìn)巨噬細(xì)胞分泌PDGF-BB，進(jìn)而有利于血管的形成和成熟[18]。

3 鍶的應(yīng)用及其研究進(jìn)展

3.1 抗骨質(zhì)疏松治療 骨質(zhì)疏松是多種原因引起的以骨組織顯微結(jié)構(gòu)退化，骨礦化成分和骨基質(zhì)等比例不斷減少，骨量減少為特征的代謝性骨病變。骨質(zhì)疏松藥物治療是目前主要的治療方案，治療目標(biāo)主要是：增加骨量，緩解骨痛，預(yù)防骨折發(fā)生。雷尼酸鍶主要用于治療和預(yù)防絕經(jīng)后婦女的骨質(zhì)疏松[19]。目前的藥理研究表明，鍶在骨細(xì)胞中激活多種信號傳導(dǎo)途徑來實(shí)現(xiàn)其藥理作用。鍶在破骨細(xì)胞或成骨細(xì)胞中激活鈣敏感受體導(dǎo)致磷脂酶Cβ，1，4，5-三磷酸肌醇，細(xì)胞內(nèi) Ca2+釋放和 MAPK(Erk1/2)和Wnt/NFATc信號通路活化。鍶介導(dǎo)的這些途徑的激活，促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖、分化[11，20]。

3.2 在骨組織工程中的應(yīng)用

3.2.1 摻鍶羥基磷灰石 Sr2+在羥基磷灰石（Hydroxyapatite,HA）晶格中主要占據(jù) Ca（I）位點(diǎn)，由于Sr2+（1.13?）的離子半徑大于Ca2+（0.99?），因此鍶取代羥基磷灰石與HA相比，在晶體結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)上發(fā)生了一定的改變，其中晶格常數(shù)，晶胞體積和密度線性增加。減少了晶體的缺陷，機(jī)械性能增強(qiáng)，材料的結(jié)晶性和溶解度發(fā)生改變，最終使得生物學(xué)性能增強(qiáng)[21]。摻鍶羥基磷灰石較單純羥基磷灰石有更好的生物相容性、生物降解性及骨誘導(dǎo)能力[22]。

3.2.2 摻鍶生物活性玻璃 臨床硬組織修復(fù)常用的磷酸鈣骨水泥具有良好的生物相容性，固化過程無放熱，但力學(xué)性能較低，生物降解率低。生物活性玻璃在生物體內(nèi)的降解速率快，并以其作為載體摻鍶，有效提高了抗壓強(qiáng)度和孔隙率[23]。Newman等[24]結(jié)合鍶和生物活性玻璃的骨形成效應(yīng)，評估其作為新的生物活性玻璃涂層的可能性，以增強(qiáng)植入物周圍的骨形成。鍶與生物活性玻璃的組合是將鍶的有益效果與生物活性玻璃溶解產(chǎn)物的骨刺激潛力相結(jié)合的方法。Naruphontjirakul等[25]研究摻鍶生物玻璃對成骨細(xì)胞影響的體外實(shí)驗(yàn)表示，鍶改性生物活性玻璃具有良好的細(xì)胞相容性和細(xì)胞活性，可促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖，提高其安全性及可用性。

3.2.3 摻鍶聚磷酸鈣 骨組織工程應(yīng)用的理想的骨組織支架材料需要具備良好的生物活性，適當(dāng)?shù)慕到馑俾?，可誘導(dǎo)骨內(nèi)新血管的生成等條件。Xie等[26]模擬體內(nèi)情況，評估了摻鍶聚磷酸鈣支架的體內(nèi)生物降解性，生物相容性和成骨性，使用兔大腿骨缺損模型來證明其作為骨替代物的潛在應(yīng)用。與Wang等[27]關(guān)于摻鍶聚磷酸鈣促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子mRNA表達(dá)的體外實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果一致，證實(shí)了摻鍶聚磷酸鈣不僅具有良好的生物相容性、可降解性，促進(jìn)骨生成，還能明顯上調(diào)成骨細(xì)胞血管化因子VEGF、MMP2 mRNA的表達(dá)，具有誘導(dǎo)新生血管生成作用。對為組織工程植入材料的血管化難題提供了解決途徑。

3.2.4 摻鍶硫酸鈣 硫酸鈣材料具有良好的生物相容性，但在生物體內(nèi)的降解速率相對較快，不建議單獨(dú)使用。Yang等[28]建立大鼠顱骨臨界缺損模型，使用摻鍶硫酸鈣水泥進(jìn)行修復(fù)，通過Micro-CT和組織學(xué)分析證實(shí)了摻鍶硫酸鈣水泥具有優(yōu)越的骨誘導(dǎo)活性，能顯著促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖，刺激新骨生成，并抑制破骨細(xì)胞活性，減少骨吸收。不僅可提高生物活性和生物相容性，還能刺激臨界尺寸缺損的骨再生和血管生成，有望成為骨組織缺損修復(fù)材料之一。

3.2.5 納米鍶磷灰石復(fù)合纖維多孔鈦微球 摻鍶羥基磷灰石相對于純羥基磷灰石具有更好的生物相容性和成骨性，應(yīng)用納米技術(shù)構(gòu)建納米鍶磷灰石復(fù)合纖維多孔鈦微球，具有更優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和功能特性。Lin等[29]通過水熱法合成了鍶磷灰石多孔鈦微球，諸多微孔有利于血管形成和骨骼生長，納米大小微球性能穩(wěn)定，可降解，組織相容性優(yōu)異。多孔微球的離子提取物促進(jìn)成骨分化和血管生成因子的表達(dá)，3.22 mol% Sr替代的微球在一個再生領(lǐng)域中具有最佳的潛在治療應(yīng)用價值。此外，鍶磷灰石多孔鈦微球的新型3D結(jié)構(gòu)抑制了較高的載藥量和持續(xù)的藥物釋放性能，適合用作骨再生和藥物遞送應(yīng)用中的新生物活性材料。

3.2.6 摻鍶凍干骨 同種異體凍干骨在臨床上廣泛用于骨缺損的充填修復(fù)和骨重建等，凍干的同種異體骨具有合理的三維結(jié)構(gòu)，并富含生物活性成分[30]。摻入具有成骨效應(yīng)的鍶元素形成一種新型的摻鍶凍干骨材料，可有效改善骨缺損的修復(fù)效果。Zhao等[31]使用體外離子交換方法將鍶摻入冷凍干燥的骨支架中制備了高度生物活性的支架材料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明鍶摻入改善了HA的機(jī)械性能和溶解性，具備有益的生物活性和細(xì)胞相容性，有效提高了骨形成率，摻鍶凍干骨材料是治療骨缺損的安全且更有效的材料。

4 小結(jié)

組織工程是近年生物醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)，鍶優(yōu)異的理化和生物性能使其能夠在骨組織工程領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，解決了骨組織工程支架材料存在的一系列難題。摻鍶生物材料提高了力學(xué)及生物學(xué)性能，促進(jìn)血管化生成。雖然鍶對骨生成的促進(jìn)作用已得到證實(shí),目前也有許多國內(nèi)外學(xué)者對鍶在細(xì)胞及分子水平的作用機(jī)制提出了各種見解，但其具體機(jī)制和臨床應(yīng)用的遠(yuǎn)期療效仍需進(jìn)一步研究。隨著骨組織工程材料的進(jìn)一步發(fā)展，以及鍶對骨生成影響的深入研究,摻鍶復(fù)合材料將是骨組織工程領(lǐng)域值得關(guān)注和亟待開發(fā)的研究熱點(diǎn)。