雷奈酸鍶對骨代謝的影響及其機制的研究進展

王紹泰, 姜 歡, 宋東升, 李 超, 胡 敏

（1.吉林大學(xué)口腔醫(yī)院正畸科，吉林 長春 130021；2.吉林省牙發(fā)育及頜骨重塑與再生重點實驗室，吉林 長春 130021）

骨代謝包括骨形成和骨吸收2 個方面，成骨細胞和破骨細胞是維持骨代謝穩(wěn)態(tài)最重要的2 種細胞。通過骨基質(zhì)和礦物質(zhì)不斷的沉積和吸收，使骨骼的成分維持動態(tài)平衡［1］。骨代謝異常多由于成骨細胞和破骨細胞活力的失衡導(dǎo)致，臨床上表現(xiàn)為骨缺損、骨折、骨痛和畸形等。許多疾病常并發(fā)骨代謝異常，長骨中表現(xiàn)為骨質(zhì)疏松癥和佝僂病等，口腔疾病中包括牙周炎和頜骨惡性腫瘤等。手術(shù)治療如甲狀旁腺切除術(shù)后，導(dǎo)致甲狀旁腺激素失調(diào)也會引起患者骨代謝異常［2］。臨床上針對骨代謝異常疾病的主要治療方法包括手術(shù)治療和藥物治療等，其中雷奈酸鍶（strontium ranelate，SrR）由于其顯著的治療優(yōu)勢逐漸成為研究熱點。SrR 一方面可以通過參與骨鈣化過程并在成骨細胞中聚集，增加膠原合成，另一方面可以通過抑制破骨細胞介導(dǎo)的骨吸收來調(diào)節(jié)骨代謝［3］。在早期和晚期愈合骨中，SrR刺激骨形成，減少骨吸收；而在成熟骨中，SrR 只減少骨吸收，骨形成作用不發(fā)生改變［4］。研究［5］顯示：SrR 具有明確的促進骨形成和抑制骨吸收作用。然而，對于SrR 影響骨代謝的分子調(diào)控機制研究較少，尤其是對于相關(guān)信號通路的研究尚不全面。現(xiàn)就SrR 對骨代謝的影響，總結(jié)SrR 通過各種信號通路調(diào)節(jié)骨代謝的機制，探討SrR 在臨床中的應(yīng)用并展望未來研究的方向，以期為今后臨床用藥及尋找新的作用靶點提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 SrR 藥理學(xué)性質(zhì)

1.1 SrR 化學(xué)結(jié)構(gòu)SrR 不溶于有機溶劑，微溶于水，含有2 個雷奈酸偶聯(lián)的鍶（Sr）原子。人體攝入SrR 后，發(fā)揮藥物療效的主要是Sr 元素，雷奈酸根難以被吸收，最后多排出體外。SrR 化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 SrR 的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.1 Chemical structure of SrR

1.2 SrR 促進骨形成在骨代謝功能活躍的區(qū)域，成骨細胞分泌類骨質(zhì)，經(jīng)過一段時間礦化后逐漸形成新骨。SrR 促成骨作用大部分通過鈣敏感受體（calcium-sensing receptor，CaSR）介導(dǎo)的信號通路產(chǎn)生，G 蛋白偶聯(lián)受體CaSR 在成骨細胞和破骨細胞中表達，使其能夠感知細胞外鈣的變化。利用SrR 激活CaSR，進而誘導(dǎo)成骨分化，促進細胞的增殖、礦化及骨合成代謝作用［6-8］。因此，應(yīng)用SrR 后可以觀察到細胞中的骨形態(tài)發(fā)生蛋白2（bone morphogenetic protein-2，BMP-2）、骨硬化素、骨鈣蛋白和骨橋蛋白基因的表達水平升高，同時Ⅰ型膠原表達增強［9-10］。在各種通路機制和作用靶點調(diào)控下，促進骨樣結(jié)節(jié)形成、細胞礦化和增殖，進而促進骨折愈合［11-13］。臨床上接受SrR 藥物治療的患者，可以觀察到骨組織不斷改善，骨小梁數(shù)量和厚度增加且骨小梁間距縮小，降低了骨折的發(fā)生風(fēng)險［14-16］。

1.3 SrR 抑制骨吸收骨質(zhì)吸收是指在致病因素作用下，破骨細胞活性增強而成骨細胞活性降低，導(dǎo)致骨量減少，骨微結(jié)構(gòu)破壞。在腫瘤、骨折和炎癥患者中常存在骨吸收，應(yīng)用SrR 可以抑制破骨細胞活性。破骨細胞前體細胞的激活在于核因子κB受體活化因子配體（receptor activator of nuclear factor-kappa B ligand，RANKL）的激活。鍶離子（Sr2+）增強骨保護素（osteoprotegerin，OPG）的表達，并且降低RANKL 的表達，由于OPG 與核因 子- κB 受 體 活 化 因 子（receptor activator of nuclear factor-kappa B，RANK）相 互 競 爭RANKL，提高了OPG/RANKL 蛋白比值，進而降低破骨細胞的激活［17-18］。SrR 抗骨吸收作用多是由于Sr2+抑制RANKL 誘導(dǎo)的破骨細胞分化，并通過激活CaSR 來降低破骨能力［19-20］。牙槽骨是高度可塑性組織，是全身骨骼中變化最活躍的部分。在病理狀態(tài)或應(yīng)力狀態(tài)下，牙槽骨會隨之進行骨改建。利用結(jié)扎的方法建立實驗性大鼠牙周炎模型，給予SrR 的實驗組大鼠牙槽骨吸收減少，破骨細胞數(shù)量減少，成骨細胞數(shù)量明顯增加［21］。通過對大鼠牙齒施加應(yīng)力作用破壞鄰近牙槽骨，若同時接受SrR 治療，破骨細胞活性就會明顯降低，根吸收面積明顯縮小［22］。

2 SrR 調(diào)控的相關(guān)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路及作用靶點

2.1 轉(zhuǎn)化生長因子β（transforming growth factor-β，TGF-β）/Smad 信號通路TGF-β/Smad通路是細胞中最常見的信號通路之一，參與多種細胞的生長、分化、增殖和遷移等。成骨細胞和破骨細胞均能合成分泌TGF-β，TGF-β 既能促進骨形成，也能抑制成骨細胞RANKL表達，增加OPG分泌。BMP-2 為TGF-β 超家族中的重要成員，是一種促骨生成因子，通過調(diào)節(jié)一系列基因的活性，控制成骨細胞和破骨細胞的生物活性［23］。激活的Smad 蛋白可將BMP-2 和TGF-β 信號從細胞膜傳遞至細胞核。通過檢測TGF-β、Smad 和BMP 蛋白含量可以確定是否激活TGF-β/Smad 信號通路，研究［24-25］顯示：應(yīng)用SrR 處理過的大鼠骨折部位BMP-2 蛋白表達水平明顯升高，SrR 也能通過激活該信號通路明顯改善家兔激素性股骨頭壞死的病理損傷?；赟rR 和BMP-2 蛋白聯(lián)合應(yīng)用可以更好地促進成骨細胞增殖分化，可以設(shè)計一種能聯(lián)合釋放Sr2+和BMP-2 的骨組織支架，促進骨形成作用［26-27］。

2.2 刺猬（hedgehog，Hh）信號通路Hh 信號通路在哺乳動物的發(fā)育過程中起重要作用，參與多種生物學(xué)過程，包括胚胎發(fā)育、干細胞增殖和分化等［28］。Hh 通路被異常激活時，會誘發(fā)癌癥。Hh 家族包括3 個同源基因：音速刺猬（sonic hedgehog，Shh）因子、印度刺猬（indian hedgehog，Ihh）因子和沙漠刺猬（desert hedgehog，Dhh）因子。其中，Shh 信號分子參與骨髓間充質(zhì)干細胞（bone mesenchymal stem cells，BMSCs）的 成 骨 分 化，而Ihh 并不參與此過程［29］。細胞膜上存在碎片蛋白（patched，Ptc）和潤滑蛋白（smoothened，Smo）2 種受體，在正常情況下，Ptc 抑制Smo 蛋白活性，從而抑制下游通路，而當Ptc 和Shh 結(jié)合后，解除對Smo 的抑制作用，促使 Gli 蛋白與其他分子形成大分子復(fù)合物，進入核內(nèi)激活下游靶基因轉(zhuǎn)錄。SrR 可以通過激活Hh 受體上調(diào)Gli1 蛋白表達，而Gli1 可以增加鈣結(jié)節(jié)形成并能使Runx2 高表達，因此可以通過激活Hh/Gli1 通路來促進BMSCs 成骨向分化［29-30］。Hh 通路激活后，也能降低細胞中促脂肪向分化的轉(zhuǎn)錄因子氧化物酶體增殖物激活受體γ（peroxisome proliferator-activated receptor γ，PPARγ）的表達，脂質(zhì)積累減少，促進間充質(zhì)干細胞的成骨向分化。

2.3 Wnt/β-連環(huán)蛋白（β-catenin）信號通路Wnt信號通路主要包括經(jīng)典Wnt/β-catenin 通路、平面細胞極性通路和Wnt/Ca2+通路，其中經(jīng)典Wnt/β-catenin 通路在成骨分化中發(fā)揮重要作用。SrR 可以刺激成骨細胞中Wnt 信號相關(guān)分子［Wnt3a、Wnt5a、Wnt7b、糖 原 合 成 酶 激 酶-3β （glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β）和β-catenin 等］的表達，抑制成脂基因PPARγ 的表達［31-32］。通過應(yīng)用SrR 激活Wnt 信號通路，可以對抗年齡相關(guān)的骨丟失，促進骨丟失處成骨作用。

應(yīng)用Wnt 信號通路抑制劑可明顯抑制SrR 誘導(dǎo)的成骨細胞基因表達。骨硬化素是一種骨細胞特異性分泌蛋白，可以抑制Wnt 信號通路，對骨形成有負向調(diào)控作用，在骨硬化素敲除小鼠模型中可以觀察到成骨細胞活力明顯升高。添加Sr 元素可抑制骨硬化素的表達，研究［33-35］顯示：SrR 可抑制顆粒誘導(dǎo)的小鼠慢性假體周圍骨溶解，減緩無菌性松動的發(fā)生，其主要依賴于SrR 下調(diào)了Wnt 信號通路中骨硬化素的表達。

2.4 絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信號通路MAPK 信號通路主要由c-Jun 氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）、細胞外信號調(diào)節(jié)激酶（extracelluar signal-regulated kinase，ERK）和p38 等 組 成，參與調(diào)控細胞生長、凋亡以及炎性反應(yīng)等。通過激活上游調(diào)控因子大鼠肉瘤病毒癌基因同源物或組蛋白甲基化酶Setd2［36］，可以在成骨分化過程中形成正反饋，激活MAPK 信號通路進而促進成骨作用［37-38］。Sr2+通過激活MAPK 通路來調(diào)控Setd2 表達，經(jīng)Sr2+刺激的牙周膜干細胞中Setd2 的表達明顯升高，這種升高是通過抑制不均一性核糖核蛋白L實現(xiàn)的［39-40］。CaSR 也可以調(diào)控下游的ERK，應(yīng)用Sr2+處理過的成骨細胞或人牙髓細胞均有ERK1/2磷酸化，表明MAPK 信號通路也可以通過CaSR激活［41-42］。

2.5 PI3K/Akt 信號通路PI3K/Akt 信號通路參與細胞增殖、分化、凋亡和葡萄糖轉(zhuǎn)運等多種功能，并且與腫瘤的發(fā)生有密切關(guān)聯(lián)。SrR 可以通過Akt 信號通路影響B(tài)MSCs 的增殖和分化。SrR 增加了Akt 相關(guān)通路的磷酸化，可通過Akt 依賴的方式干擾BMSCs 的脂肪向分化過程，進而促進成骨分化［43］。其中，Sr2+激活的CaSR 可以促進PI3K 的激活，進而水解底物二磷酸肌醇生成三磷酸肌醇，三磷酸肌醇可以通過激活磷酸肌醇依賴性蛋白激酶來激活PI3K/Akt 信號，進而促進細胞增殖和成骨分化，增強抗凋亡能力［40，44］。

2.6 其他信號通路除了上述常見信號通路，激活Ras 同源基因家族成員A （Ras homolog gene family member A，RhoA）-Rho 激酶（Rho kinase，ROCK）信 號 通 路 也 能 促 進BMSCs 成 骨 分 化［45］。研 究［46］顯 示：SrR 使 卵 巢 切 除 大 鼠BMSCs 中ROCK1 表達水平升高，可促成骨分化、抑制細胞凋亡，加入ROCK1 抑制劑Y-27632 可抑制該過程。SrR 也能通過刺激Ca2+通道來激活NF-κB 通路，促進血管平滑肌細胞增殖和遷移并增加成骨能力［47］。而在成骨細胞中，SrR 對細胞生長的影響也可通過陽離子感應(yīng)機制激活成纖維細胞生長因子受體（fibroblast growth factor receptors，F(xiàn)GFRs）來 介導(dǎo)，選擇性FGFRs 抑制劑可明顯抑制SrR 誘導(dǎo)的成骨細胞生長［48］。SrR 也可以通過鈣調(diào)磷酸酶（calcineurin，CaN）-活化T 細胞核因子（nuclear factor of activated T cells，NFAT）來增強骨形成作用，利用CaN 抑制劑可降低SrR 誘導(dǎo)BMSCs 中Runt 相 關(guān) 轉(zhuǎn) 錄 因 子2 （Runt-related transcription factor 2，Runx2）和PPARγ 的調(diào)節(jié)，表明NFAT信號通路與SrR 誘導(dǎo)BMSCs 中成骨形成和減少脂肪 形 成 有 關(guān)［32，49］。上 述SrR 調(diào) 控 骨 代 謝 的 相 關(guān) 信號通路見表1。

表1 SrR 調(diào)控骨代謝的相關(guān)信號通路Tab.1 Related signaling pathways of bone metabolism regulated by SrR

2.7 SrR 作用于細胞酶細胞酶也是SrR 的作用靶點，其中環(huán)氧化酶2（cyclooxygenase-2，COX-2）和血紅素加氧酶1（heme oxygenase-1，HO-1）在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中起重要作用。COX-2 在正常細胞內(nèi)的活性極低，但當細胞受到炎癥等刺激時其在細胞中的表達水平迅速升高。應(yīng)用選擇性COX-2 拮抗劑可以降低SrR 對成骨分化的作用［50］，細胞增殖和抗凋亡能力均下降［41］。HO-1 激活則會導(dǎo)致細胞遷移和促炎介質(zhì)釋放的減少，SOUZA 等［51］發(fā)現(xiàn)SrR （100 mg·kg－1）可 上 調(diào) 牙 齦 組 織 中HO-1 mRNA 表達水平，并且SrR 可抑制牙周炎造成的骨丟失，表明牙周炎患者中SrR 可以通過HO-1 調(diào)節(jié)骨代謝紊亂。

3 SrR 的臨床應(yīng)用

Sr2+在低濃度時能誘導(dǎo)細胞增殖，而在高濃度時則會抑制細胞增殖［52］。應(yīng)用體內(nèi)的生物材料支架，若對SrR 釋放速率不加控制，局部形成的高濃度Sr2+會抑制骨形成作用。埃洛石納米管作為SrR的納米載體摻入明膠涂層中可調(diào)節(jié)SrR 的釋放［53］。聚乳酸制備給藥系統(tǒng)也能調(diào)節(jié)釋放速率，利于骨形成作用［54］。因此，在臨床治療中常將SrR 與生物材料［55-58］或甲狀旁腺激素聯(lián)合應(yīng)用［59］，可增強堿性磷酸酶活性和有機基質(zhì)的合成能力，加速成骨分化。

SrR 可以降低重度骨質(zhì)疏松癥患者的骨折風(fēng)險［60-61］，并且對使用雙膦酸鹽治療但骨折仍未愈合的患者有積極的促骨形成作用［62］。在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，利用SrR 促骨形成特性，可將SrR 應(yīng)用于種植體表面來促進骨整合［63］，或應(yīng)用于上頜橫向擴弓后腭中縫的骨形成［64］。

4 SrR 不良反應(yīng)

作為一種重要的調(diào)節(jié)骨代謝的藥物，SrR 廣泛應(yīng)用于臨床，但其不良反應(yīng)在臨床上也不容忽視，主要包括頭痛、惡心、腹瀉、皮炎、濕疹和靜脈血栓等［65］。其最常見的是胃腸道不良反應(yīng)（腹瀉）［66-67］。同時，應(yīng)用SrR 治療的禁忌證包括心肌梗死、外周動脈疾病、腦血管疾病及未控制的高血壓［65］。只有遵循應(yīng)用SrR 的適應(yīng)證和禁忌證，才能在安全范圍內(nèi)實現(xiàn)對患者骨代謝的調(diào)控，降低應(yīng)用藥物后的不良反應(yīng)。

5 總結(jié)與展望

SrR 可以通過影響不同的信號通路進而起到調(diào)節(jié)骨代謝的作用。信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路可能通過靶點基因或蛋白與其他信號通路相互聯(lián)系，形成錯綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，研究上述信號通路機制有助于指導(dǎo)SrR 的臨床應(yīng)用。然而，SrR 影響骨代謝過程中的內(nèi)在機制仍未完全明確，SrR 對體內(nèi)其他細胞作用的相關(guān)報道也十分有限，需要進一步研究。未來，在深入探索SrR 藥理學(xué)性質(zhì)后，可以不斷尋找治療骨代謝疾病的新靶點并開發(fā)研究適合SrR 作用機制的藥物載體，以期在實現(xiàn)應(yīng)用SrR 調(diào)節(jié)骨代謝的同時最大程度減少其對機體的不良反應(yīng)。