白三烯類在骨損傷后炎性反應(yīng)中的作用

陳東旭　李朝旭

【摘要】 重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白2及重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白7為目前四肢骨折及脊柱融合術(shù)后等需促進成骨代謝的藥物， 因價格高及一定的副作用對其在醫(yī)學(xué)臨床實踐中的應(yīng)用產(chǎn)生了不利影響。本文綜述了白三烯類及相關(guān)作用于5-脂氧合酶途徑和半胱氨酰白三烯類受體藥物對骨折后修復(fù)的調(diào)控作用。尋找新的加快骨折愈合、縮短住院時間及減少并發(fā)癥的治療藥物對于減輕患者及社會的負擔具有重要的意義。

【關(guān)鍵詞】 花生四烯酸;5-脂氧合酶;半胱氨酰白三烯類;骨折愈合

【Abstract】 Currently， recombinant human bone morphogenetic protein 2 and recombinant human bone morphogenetic protein 7 have been approved for the promotion of bone formation metabolism after limb fracture and spinal fusion， but their high price and related side effects limit their wide application in clinical practice.Leukotrienes and their related effects on the 5-lipoxygenase pathway and cysteine leukotrienes receptors are reviewed in this paper.It is of great significance to find new therapeutic drugs to accelerate fracture healing， shorten hospitalization time and reduce complications in order to release the burden on patients and society.

【Key words】 Arachidonic acid; 5-lipoxygenase; Cysteinyl leukotrienes; Fracture healing

有研究表明在美國2004年骨折的患者大約有1000萬人， 其中需要住院治療的高達100萬人， 這些患者的醫(yī)療開支高達200億美元[1]。有研究結(jié)果表明， 目前在臨床上只有重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白2及重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白7是被批準用于臨床的促進成骨折愈合的藥物[2-4]， 因為價格高及一定的副作用對其在醫(yī)學(xué)臨床實踐中的應(yīng)用產(chǎn)生了不利影響[5]。因此， 尋找新的加快骨折愈合、縮短住院時間及減少并發(fā)癥的治療藥物對于減輕患者及社會的負擔具有重要的意義。在骨損傷后的骨修復(fù)過程首先會在損傷周圍出現(xiàn)炎癥反應(yīng)， 調(diào)控這種炎癥應(yīng)答反應(yīng)可以影響到炎癥的進展以及進一步的骨損傷愈合。白三烯類（leukotrienes）和前列腺素類作為花生四烯酸（Arachidonic acid， AA）的代謝產(chǎn)物， 都在骨組織的損傷和修復(fù)中發(fā)揮有重要的作用。大量的動物實驗通過作用于環(huán)氧化酶-2（COX-2）途徑抗炎藥物的應(yīng)用證實了前列腺素在骨損傷修復(fù)中的積極作用， 目前通過調(diào)控早期炎癥反應(yīng)的其他途徑來研究其與骨損傷愈合的關(guān)系成為臨床研究的熱點。本文綜述了白三烯類及相關(guān)作用于5-脂氧合酶途徑和半胱氨酰白三烯類受體藥物對骨折后修復(fù)的調(diào)控作用。現(xiàn)報告如下。

1 骨損傷后的炎癥反應(yīng)及骨代謝

骨骼在受到損傷后， 會在損傷局部及全身出現(xiàn)炎癥應(yīng)答反應(yīng)， 損傷處骨和血管的再生是通過炎性介質(zhì)來促進的[6]。炎癥過程的主要參與者包括血小板、細胞因子、骨髓間充質(zhì)干細胞還有骨形態(tài)發(fā)生蛋白， 花生四烯酸在骨損傷后在炎性反應(yīng)中通過刺激細胞膜中的磷脂酶A2（PLA2）分解細胞膜磷脂產(chǎn)生[7]， 花生四烯酸是合成前列腺素類（prostaglandins， PGs）和白三烯類（leukotrienes）的底物， 在COX-2的作用下生成前列腺素H2（PGH2）和血栓烷類（thromboxanes， TXs）， PGH2接著轉(zhuǎn)變?yōu)镻GD2、PGE2、PGF2a、PGI2;或通過5-脂氧合酶（5-lipoxygenase， 5-LO）的作用下生成白三烯A4（LTA4） [8]， LTA4是一種不穩(wěn)定中間物， 通過一系列酶的催化作用下生成半胱氨酰白三烯類（cysteinyl leukotrienes）， 包括LTC4， 或者在LTA4水解酶的作用下水解為產(chǎn)物L(fēng)TB4。

在疼痛和體溫調(diào)節(jié)、胃酸分泌、氣管收縮等方面起有重要作用的花生四烯酸的代謝產(chǎn)物是通過與血漿膜受體結(jié)合來改變細胞內(nèi)的環(huán)單磷酸腺苷（cAMP）、鈣離子和肌醇三磷酸水平[9-11]。目前的一些研究表明骨組織的代謝同樣受這些產(chǎn)物的影響， 使骨髓間充質(zhì)干細胞募集于骨損傷處， 增生并向成骨細胞和軟骨細胞方向分化， 從而完成膜內(nèi)成骨和軟骨內(nèi)成骨的復(fù)雜過程。在軟骨內(nèi)化骨的過程中， 間充質(zhì)干細胞首先分化為軟骨細胞， 并進一步鈣化形成不成熟的編織骨， 鈣化的基質(zhì)即可以作為骨形成的模板， 成骨細胞在此模板上沉積， 并轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍖庸牵?完成軟骨內(nèi)化骨;而在膜內(nèi)化骨的過程中， 間充質(zhì)干細胞直接分化成為成骨細胞[12]。目前關(guān)于肥大性骨不連[13-15]和糖尿病所致骨折愈合不良或骨不愈合[16]等疾病已通過一些藥物或阻斷劑來影響或阻止炎性反應(yīng)階段來干預(yù)正常的骨折愈合階段， 來起到一定的臨床效果。

2 花生四烯酸代謝

Marcouiller等[17]通過試驗證實：抑制COX-2代謝途徑， 花生四烯酸類可以通過5-LO途徑產(chǎn)生更多的白三烯類;Byrum等[18]通過實驗表明：通過抑制5-LO途徑可以產(chǎn)生多量的前列腺素類。研究證實：花生四烯酸的COX-2代謝途徑和5-LO代謝途徑在骨折修復(fù)中起有不同的調(diào)控作用， COX-2代謝途徑產(chǎn)生的前列腺素類有助于骨損傷后的修復(fù)， 而5-LO途徑產(chǎn)生的白三烯類代謝產(chǎn)物則阻礙骨折愈合的作用。

2. 1 COX-2代謝途徑 非甾體類消炎藥（NSAIDs）是臨床上最常使用的鎮(zhèn)痛藥物， 其鎮(zhèn)痛機制是通過抑制環(huán)氧化酶（cyclooxygenase， COX）的活性， 減少前列腺素的生物合成， 對抗前列腺素的擴張血管、促進炎性介質(zhì)滲出、產(chǎn)生痛覺過敏等作用， 從而發(fā)揮抗炎、止痛和解熱作用[19]。雖然實驗及臨床應(yīng)用證實COX-2在軟組織修復(fù)和軟骨形成過程中起重要作用， 但目前文獻對COX-2抑制劑是否影響骨折愈合有著不同觀點， 實踐上目前缺乏長期、大規(guī)模、系統(tǒng)的隨機臨床試驗。從理論上和現(xiàn)有研究資料讓人更傾向于認為COX-2抑制劑影響骨折愈合， 這種影響只停留在理論水平， 所以應(yīng)當趨利避害， 合理使用， 才能發(fā)揮NSAID的最大功效[20]。研究表明：選擇性抑制COX-2的NSAIDs在動物骨折實驗中對骨折的愈合起到不利影響， 對人類的骨折愈合同樣有不利的作用[21]。關(guān)于在骨的合成代謝中起有重要作用的COX-2代謝途徑目前已有大量研究：Rundle等[22]研究表明， 用COX-2進行基因治療促進了大鼠骨折處骨痂的形成， 起到了促進了骨折愈合的作用;另外一些實驗則得出了抑制骨折愈合的作用， 是他們通過選擇性抑制COX-2代謝途徑來阻斷前列腺素的合成， 表明了前列腺素類在骨損傷后修復(fù)中的積極作用[23， 24];通過抑制COX-2代謝途徑不僅可以降低骨折處骨痂中前列腺素水平的含量而且導(dǎo)致白三烯類的合成增加。所以可以得出如下推斷， 白三烯類代謝產(chǎn)物可能在骨折愈合中也起到重要作用， 而不僅只和前列腺素類的合成減少有關(guān)， 應(yīng)該是多方面影響的結(jié)果。

2. 2 5-LO代謝途徑 花生四烯酸的代謝產(chǎn)物白三烯類主要有兩種， 一種是LTB4， 另一種包含一系列產(chǎn)物， 統(tǒng)稱半胱氨酰白三烯類， 包括LTC4、LTD4、LTE4等， 主要與兩類受體起作用， BLT1、BLT2受體主要于LTB4起作用， 而cys-LT1和cys-LT2受體主要與半胱氨酰白三烯類相結(jié)合。之前已有大量研究表明白三烯類代謝產(chǎn)物在肺部、神經(jīng)損傷、糖尿病、心血管疾病[25-28]發(fā)面發(fā)揮有重要作用。目前的研究表明，?5-脂氧合酶的作用下生成白三烯產(chǎn)生的白三烯類同樣在骨細胞的合成與破壞中起到至關(guān)重要作用。有學(xué)者用5-LO缺陷的大鼠制造骨折模型表明：這些5-LO缺陷大鼠骨折的愈合進程明顯加快 [29]。Cottrell等[30]通過給予骨折大鼠5-LO抑制劑AA-861也表現(xiàn)出加快骨折愈合。由此可見， 白三烯類確實起到抑制骨折愈合的作用。

2. 2. 1 白三烯類調(diào)控軟骨內(nèi)成骨 為了進一步驗證白三烯類代謝產(chǎn)物L(fēng)TB4和半胱氨酰白三烯類在骨折修復(fù)中的作用， Wixted等[31]進行了如下實驗， 為了抑制白三烯代謝途徑， 選用兩種抑制劑， 齊留通（Zileuton）同時抑制LTB4和半胱氨酰-白三烯類合成兩條代謝途徑;孟魯司特鈉（montelukast sodium）是一種cys-LT1受體抑制劑， 但并不影響B(tài)LT1受體， 研究結(jié)果表明白三烯類拮抗劑通過抑制白三烯類的產(chǎn)生都促進了骨組織的生成， 說明其可能是通過同一個機制發(fā)揮的作用。因為兩種藥物都影響半胱氨酰-白三烯類活動， 齊留通抑制其合成， 而孟魯司特鈉與cys-LT1受體結(jié)合起抑制作用。齊留通比孟魯司特鈉在促進骨折修復(fù)特別是軟骨內(nèi)成骨中起有更明顯的作用， 由此可以做出如下推論：齊留通同時抑制LTB4和半胱氨酰-白三烯類合成， 比孟魯司特鈉在骨折修復(fù)中作用更明顯的原因在于LTB4通過與其受體BLT1結(jié)合也可能起到抑制骨折處的軟骨內(nèi)成骨的作用。同期的實驗通過免疫組織化學(xué)技術(shù)觀察證實：在骨折后形成的骨痂軟骨細胞處5-LO和cys-LT1受體都有大量的表達， 孟魯司特鈉治療組和齊留通治療組5-LO及cys-LT1受體的表達均比對照組低， 然而具體的作用尚不十分清楚。通過上述的實驗可以得知， 通過藥物抑制5-LO途徑白三烯合成及其cys-LT1受體活性可以增強軟骨細胞的成骨反應(yīng)， 從而為后續(xù)的骨形成提供傳導(dǎo)矩形并增強成骨能力。這些研究的結(jié)果無疑具有十分重要的作用， 為臨床上加快骨損傷后的修復(fù)特別是軟骨的成骨過程提供了新的潛在可用的作用靶點。

2. 2. 2 白三烯類在骨髓間充質(zhì)干細胞分化中的作用 Akino等[32]研究表明通過半胱氨酰-白三烯受體抑制劑來抑制這一代謝途徑的對MC向軟骨細胞及成骨細胞的分化均有促進作用。通過半胱氨酰-白三烯類抑制劑促進了骨組織的分化， 說明半胱氨酰-白三烯類在骨組織分化中是其不利作用的。

2. 2. 3 白三烯類在成骨細胞及破骨細胞中的作用 有實驗證實， LTB4在成骨細胞增殖方面是起抑制性作用的[33]。一系列的動物實驗證實：破骨細胞的增殖可被5-LO代謝途徑代謝激活并促進骨質(zhì)吸收增加[34-36]。由此可見， 5-LO代謝途徑所致的破骨細胞活性增加及成骨細胞的抑制起到了延緩骨損傷后修復(fù)的作用， 其骨折愈合的影響來自成骨及破骨細胞兩方面因素。

3 小結(jié)

花生四烯酸類有5-LO和COX-2兩條代謝途徑。通過5-LO抑制劑5-LO代謝途徑， 可以使COX-2途徑代謝增加， 使前列腺素類生成增加而白三烯類生成減少， 起到促進骨折的修復(fù)的作用， 為在臨床上的應(yīng)用給出方向， 但將這些研究結(jié)果最終應(yīng)用于臨床實踐仍需要進一步的研究， 其安全性也需進一步驗證。

參考文獻

[1] Yelin E， Weinstein S， King T. The burden of musculoskeletal diseases in the United States. Semin Arthritis Rheum， 2016， 46（3）：259-260.

[2] Friedlaender GE， Perry CR， Cole JD， et al. Osteogenic protein-1 （bone morphogenetic protein-7） in the treatment of tibial nonunions. J Bone Joint Surg Am， 2001， 83-A Suppl 1（Pt 2）：S151-158.

[3] Boden SD， Kang J， Sandhu H， et al. Use of recombinant human bone morphogenetic protein-2 to achieve posterolateral lumbar spine fusion in humans： a prospective， randomized clinical pilot trial： 2002 Volvo Award in clinical studies. Spine， 2002， 27（23）：2662-2673.

[4] Govender S， Csimma C， Genant HK， et al. Recombinant human bone morphogenetic protein-2 for treatment of open tibial fractures： a prospective， controlled， randomized study of four hundred and fifty patients. J Bone Joint Surg Am， 2002， 84-A（12）：2123-2134.

[5] Smucker JD， Rhee JM， Singh K， et al. Increased swelling complications associated with off-label usage of rhBMP-2 in the anterior cervical spine. Spine （Phila Pa 1976）， 2006， 31（24）：2813-2819.

[6] Einhorn TA. The science of fracture healing. J Orthop Trauma， 2005， 19（10 Suppl）：S4-S6.

[7] Capper EA， Marshall LA. Mammalian phospholipases A（2）： mediators of inflammation， proliferation and apoptosis. Prog Lipid Res， 2001， 40（3）：167-197.

[8] Murphy RC， Gijon MA. Biosynthesis and metabolism of leukotrienes. Biochem J， 2007， 405（3）：379-395.

[9] Lam BK， Austen KF. Leukotriene C4 synthase： a pivotal enzyme in cellular biosynthesis of the cysteinyl leukotrienes. Prostaglandins Other Lipid Mediat， 2002（68-69）：511-520.

[10] Haeggstrom JZ， Tholander F， Wetterholm A. Structure and catalytic mechanisms of leukotriene A4 hydrolase. Prostaglandins Other Lipid Mediat， 2007， 83（3）：198-202.

[11] Boyce JA. Eicosanoids in asthma， allergic inflammation， and host defense. Curr Mol Med， 2008， 8（5）：335-349.

[12] 劉恒， 曹永平， 楊昕. 選擇性環(huán)氧化酶-2抑制劑對骨折愈合過程的影響. 實用骨科雜志， 2010， 16（9）：664-666.

[13] Kanakaris NK， Paliobeis C， Nlanidakis N， et al. Biological enhancement of tibial diaphyseal aseptic non-unions： the efficacy of autologous bone grafting， BMPs and reaming by-products. Injury， 2007， 38 （Suppl 2）：S65-S75.

[14] Iwakura T， Miwa M， Sakai Y， et al. Human hypertrophic nonunion tissue contains mesenchymal progenitor cells with multilineage capacity in vitro. J Orthop Res， 2009， 27（2）：208-215.

[15] Fajardo M， Liu CJ， Egol K. Levels of expression for BMP-7 and several BMP antagonists may play an integral role in a fracture nonunion： a pilot study. Clin Orthop Relat Res， 2009， 467（12）：3071-3078.

[16] Kayal RA， Tsatsas D， Bauer MA， et al. Diminished bone formation during diabetic fracture healing is related to the premature resorption of cartilage associated with increased osteoclast activity. J Bone Miner Res， 2007， 22（4）：560-568.

[17] Marcouiller P， Pelletier JP， Guevremont M， et al. Leukotriene and prostaglandin synthesis pathways in osteoarthritic synovial membranes： regulating factors for interleukin 1beta synthesis. J Rheumatol， 2005， 32（4）：704-712.

[18] Byrum RS， Goulet JL， Griffiths RJ， et al. Role of the 5-lipoxygenase-activating protein （FLAP） in murine acute inflammatory responses. J Exp Med， 1997， 185（6）：1065-1075.

[19] 王震， 張巖， 朱彥承， 等. 鎮(zhèn)痛藥對骨折愈合影響的研究進展. 中華創(chuàng)傷骨科雜志， 2017， 19（5）：457-460.

[20] 張先啟， 劉亞軍， 官建中. 環(huán)氧化酶-2對骨折愈合的影響研究進展. 創(chuàng)傷外科雜志， 2015， 17（2）：188-190.

[21] 何賽珠， 歐陽永寧， 許國勝. 非甾體抗炎藥對鎖骨骨折患者術(shù)后愈合的影響. 分子影像學(xué)雜志， 2018， 41（3）：384-387.

[22] Rundle CH， Strong DD， Chen ST， et al. Retroviral-based gene therapy with cyclooxygenase-2 promotes the union of bony callus tissues and accelerates fracture healing in the rat. J Gene Med， 2008， 10（3）：229-241.

[23] Li J， Burr DB， Turner CH. Suppression of prostaglandin synthesis with NS-398 has different effects on endocortical and periosteal bone formation induced by mechanical loading. Calcif Tissue Int， 2002， 70（4）：320-329.

[24] Abdul-Hadi O， Parvizi J， Austin MS， et al. Nonsteroidal anti-inflammatory drugs in orthopaedics. J Bone Joint Surg Am， 2009， 91（8）：2020-2027.

[25] Harizi H， Corcuff JB， Gualde N. Arachidonic-acid-derived eicosanoids： roles in biology and immunopathology. Trends Mol Med， 2008， 14（10）：461-469.

[26] Genovese T， Rossi A， Mazzon E， et al. Effects of zileuton and montelukast in mouse experimental spinal cord injury. Br J Pharmacol， 2008， 153（3）：568-582.

[27] Talahalli R， Zarini S， Sheibani N， et al. Increased synthesis of leukotrienes in the mouse model of diabetic retinopathy. Invest Ophthalmol Vis Sci， 2010， 51（3）：1699-1708.

[28] Traianedes K， Dallas MR， Garrett IR， et al. . 5-Lipoxygenase metabolites inhibit bone formation in vitro. Endocrinology， 1998， 139（7）：3178-3184.

[29] Manigrasso MB， O'Connor JP. Accelerated fracture healing in mice lacking the 5-lipoxygenase gene. Acta Orthop， 2010， 81（6）：748-755.

[30] Cottrell JA， O'Connor JP. Pharmacological inhibition of 5-lipoxygenase accelerates and enhances fracture-healing. J Bone Joint Surg Am， 2009， 91（11）：2653-2665.

[31] Wixted JJ， Fanning PJ， Gaur T， et al. Enhanced fracture repair by leukotriene antagonism is characterized by increased chondrocyte proliferation and early bone formation： a novel role of the cysteinyl LT-1 receptor. J Cell Physiol， 2009， 221（1）：31-39.

[32] Akino K， Mineda T， Mori N， et al. Attenuation of cysteinyl leukotrienes induces human mesenchymal stem cell differentiation. Wound Repair Regen， 2006， 14（3）：343-349.

[33] Traianedes K， Dallas MR， Garrett IR， et al. 5-Lipoxygenase metabolites inhibit bone formation in vitro. Endocrinology， 1998， 139（7）：3178-3184.

[34] Gallwitz WE， Mundy GR， Lee CH， et al. 5-Lipoxygenase metabolites of arachidonic acid stimulate isolated osteoclasts to resorb calcified matrices. J Biol Chem， 1993， 268（14）：10087-10094.

[35] Garcia C， Boyce BF， Gilles J， et al. Leukotriene B4 stimulates osteoclastic bone resorption both in vitro and in vivo. J Bone Miner Res， 1996， 11（11）：1619-1627.

[36] Flynn MA， Qiao M， Garcia C， et al. Avian osteoclast cells are stimulated to resorb calcified matrices by and possess receptors for leukotriene B4. Calcif Tissue Int， 1999， 64（2）：154-159.

[收稿日期：2019-05-24]