選擇性環(huán)氧化酶-2抑制劑對骨折愈合過程的影響

劉恒,曹永平,楊昕

(北京大學第一醫(yī)院骨科,北京 100034)

選擇性環(huán)氧化酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2)抑制劑自20世紀 90年代發(fā)明以來,因其良好的抗炎、解熱、鎮(zhèn)痛作用和極少的胃腸道反應而被廣泛應用于骨科臨床,尤其是應用于骨折、骨關節(jié)病、類風濕性關節(jié)炎以及軟組織損傷的患者。但自 20世紀 80年代以來,許多關于非甾體類抗炎藥(nonsteroid anti-inflammatory drugs,NSAIDs)及 COX-2抑 制劑對骨折愈合和骨重建作用的研究表明,此類藥物的應用延遲了骨折愈合并且降低了骨折愈合后的骨強度[1～3]。普通的NSAIDs已在全髖置換術后或創(chuàng)傷后被臨床用于抑制異位骨化,但它同樣會抑制骨折的愈合以及增加人工關節(jié)置換術后假體松動的概率[4]。2004年 10月 M ERCK公司宣布全球范圍內撤回萬洛 (羅非昔布),2005年 4月 FDA對西樂葆等NSAIDs類藥物發(fā)出安全警示,人們逐漸認識到此類藥物并不像以前認為的那么安全。這也更加引起了人們對選擇性COX-2抑制劑這類非甾體類抗炎藥在骨折愈合過程及骨整合過程中所起作用的特別關注。

1 環(huán)氧化酶(cyclooxygenase,COX)

環(huán)氧化酶是一個位于細胞膜上的分子量為 71KD的糖蛋白,是催化花生四烯酸轉化為前列腺素 H2(prostaglandin H2,PGH2)的關鍵酶和限速酶。PGH2可再進一步轉化成多種前列腺素(prostaglandins,PGs),PGs與特定的 G-蛋白偶聯(lián)受體結合,該受體被激活后,能增加細胞間第二信使(環(huán)磷酸腺苷和鈣)的濃度,進而激發(fā) PGs的臨床效應。

1991年 Nishikawa等[5]發(fā)現(xiàn) COX有兩種同工酶:COX-1(結構性酶),COX-2(誘導酶)。可被細胞因子或內毒素刺激呈數(shù)十倍增長,由其產生的 PGs參與炎癥反應和疼痛致敏作用。

炎癥時組織釋放緩激肽、PGs和 5-羥色胺等炎性介質。而 COX-2抑制劑主要是通過選擇性抑制 COX-2,阻斷前列腺素 E2(急性炎癥時主要產生的前列腺素)的生成來發(fā)揮鎮(zhèn)痛作用的,從而避免了傳統(tǒng) N SAIDs由于抑制了 COX-1而產生的胃腸道、腎臟和血小板相關的不良反應。

2 COX-2抑制劑對骨折愈合和骨整合的影響

2.1 COX-2抑制劑對骨折愈合的影響 隨著對 COX-2抑制劑安全性研究的深入,學者發(fā)現(xiàn)不僅 NSAIDs對骨折愈合有負面效應,許多選擇性環(huán)氧化酶-2抑制劑對骨折愈合也有影 響。Simon等[6]用吲哚美辛 (1mg/kg? d)、塞來昔 布(4mg/kg? d)和羅非昔布(3mg/kg? d)對大鼠骨折模型進行試驗。8周后,塞來昔布組和羅非昔布組仍能發(fā)現(xiàn)骨折線存在。其中 ,羅非昔布組尤為明顯,在 X線下沒有一份樣本出現(xiàn)正常骨痂的橋接。說明選擇性 COX-2抑制劑延遲了大鼠骨折的愈合。Xie等[7]也認為選擇性 COX-2抑制劑嚴重影響了骨折局部骨膜前體細胞的活化、增殖、分化,從而影響到骨折愈合早期的骨纖維愈合,雖然提示選擇性 COX-2抑制劑的作用可能是劑量依賴性的,是可逆的,但其應用確實影響了骨折愈合。而且 COX-2基因變異小鼠的骨折愈合也是延遲的。Rundle等[8]研究表明,用 COX-2進行基因治療促進了大鼠骨痂組織的形成,促進了骨折愈合的過程。大量證據(jù)表明,COX-2對骨折愈合起著不可或缺的作用。

2.2 COX-2抑制劑對骨折愈合影響的可能機制 骨折愈合是一個包括生長因子、細胞因子及前列腺素等物質的釋放、間充質干細胞的募集與增生和其向成骨細胞和軟骨細胞的分化,最終形成膜內化骨或軟骨內化骨的復雜過程。在軟骨內化骨的過程中,間充質干細胞首先分化為軟骨細胞,并進一步凋亡,導致骨基質的鈣化。鈣化的基質即可以作為骨形成的模板,成骨細胞在此模板上沉積,完成軟骨內化骨。而在膜內化骨的過程中,間充質干細胞直接分化成為成骨細胞。

由此可見,間充質干細胞的分化在骨折的愈合過程中起著樞紐作用。盡管我們對間充質干細胞的募集和分化機制并不十分了解,但前列腺素作為一個重要的炎性介質,對骨折后的骨形成和再吸收無疑起著不可取代的作用。

前列腺素 E2在成骨細胞增殖分化成為骨細胞系和骨細胞的進一步增殖成熟過程中起著重要作用,其機制為促進細胞內環(huán)磷酸腺苷的大量表達,環(huán)磷酸腺苷作為信號分子促使間充質干細胞募集、增殖及分化,并進一步促進骨折部位的軟骨內化骨和膜內化骨。亦有體外實驗證實,前列腺素 E2可通過刺激 E-Prostanoid 2和 E-Prostanoid 4受體促進M C3T3-E1等成骨細胞系的增殖成熟。細胞內環(huán)磷酸腺苷顯著增多,堿性磷酸酶活性和Ⅰ型膠原的合成上升[9]。

早在30年前便有研究顯示,在兔的脛骨骨折后的3～14 d,組織中的前列腺素(E、F)水平和 COX-2信使核糖核酸(messenger ribonucleic acid,mRN A)均增高。 COX-2 mRN A的水平在骨折愈合的第 14天達到峰值,在第 21天的時候恢復到基線水平[10]。多數(shù)動物試驗都提示多種選擇性 COX-2抑制劑均有可能阻礙骨折的愈合,但其根本原因都是因為抑制了 COX-2的生成進而影響了前列腺素 E2的產生。有研究報道,在動物模型上使用前列腺素 E2確實增加了骨折愈合的概率。系統(tǒng)性或局部注射前列腺素 E2也刺激了骨生成。而且,通過抑制 COX而阻斷前列腺素的合成,進而減少骨形成已在活體內得到證明[11]。

Zhang等[1,12]2001～2002年報道在 COX-2基因敲除的小鼠中,觀察到間充質細胞的持續(xù)不分化和成骨細胞的低生成,并最終導致較高概率的骨折不愈合。相比之下對照組COX-1基因敲除的小鼠并沒有出現(xiàn)這一情況。隨后他們分別對 COX-2基因敲除和野生型小鼠的骨髓基質細胞進行培養(yǎng)并觀察成骨細胞的生成,結果 COX-2缺失的小鼠骨結節(jié)生成較對照組減少了 50%,而加入外源性前列腺素 E2后,骨結節(jié)生成減少得到了恢復。進一步研究表明,由于 COX-2的缺失,阻礙了間充質干細胞的募集和分化成為成骨細胞,進而阻礙了膜內化骨和軟骨內化骨。 Kellinsalmi[2]研究發(fā)現(xiàn),選擇性 COX-2抑制劑確實抑制干細胞向成骨細胞及破骨細胞的分化,但同時也發(fā)現(xiàn) COX-2抑制劑刺激了人骨髓間充質干細胞向脂肪細胞的分化,但對這一現(xiàn)象并沒有作出合理的解釋。

2.3 COX-2抑制劑影響骨折愈合存在的爭議 有研究顯示:在動物骨折模型中使用選擇性 COX-2抑制劑并不影響骨折愈合的時間或效果。Brown等[13]用小鼠的股骨骨折模型研究非選擇性 COX抑制劑和選擇性 COX-2抑制劑對骨折愈合的影響。研究結果顯示:在骨折后第 4周和第 8周,測量骨折纖維愈合、軟骨內成骨和不成熟的骨形成的指標,在吲哚美辛組和塞來昔布組較空白對照組均有下降,且有統(tǒng)計學意義。但在任何一個時間點上,塞來昔布組與空白對照組在機械強度或是影像形態(tài)學上均沒有顯示出差異。在 12周時,三組小鼠骨折模型在放射學、生物力學、組織學上都沒有顯著差異。Mullis[14]對骨折的生物機械學與生物化學指標進行檢測得出結論,傳統(tǒng) N SAIDs和選擇性 COX-2抑制劑的應用對骨折愈合均沒有影響。Gerstenfeld等[10]報道,使用選擇性的 COX-2抑制劑塞來昔布并不導致骨折愈合在影像學或生物力學上的差異,即使證實給予的塞來昔布劑量已達到足以完全抑制前列腺素生成的程度。

Long等[15]從脊柱融合的角度研究了選擇性環(huán)氧化酶-2抑制劑對骨愈合的影響。動物實驗結果顯示,8周后吲哚美辛組兔脊柱融合率為 18%,塞來昔布組為 45%,對照組為64%。提示非選擇性的 COX抑制劑對脊柱融合有影響,而塞來昔布組對脊柱融合的影響不具有統(tǒng)計學意義。

2.4 COX-2抑制劑對骨整合的影響 骨整合是指活骨與荷載種植體表面直接有序的結構和功能連接。隨著人工關節(jié)假體置換手術的普及及手術后假體松動研究的開展,人們對人工關節(jié)置換后骨整合的過程越來越重視。作為關節(jié)置換手術后及術后功能康復訓練時疼痛處方的 COX-2抑制劑是否對骨整合有影響,很早就引起了學者的重視。

Goodman等[3]分別用水、萘普生 (110mg/kg? d)、羅非昔布(12.5 mg/d)的新西蘭白兔做單側脛骨植入物的骨整合試驗。6周后發(fā)現(xiàn)與對照組相比,萘普生組和羅非昔布組均明顯抑制了骨整合過程(P值分別為 0.031和 0.035),且萘普生組和羅非昔布組均減少了 CD51(+)破骨樣細胞。羅非昔布組減少了區(qū)域內成骨細胞的數(shù)量,而萘普生組對成骨細胞數(shù)量減少的作用并沒有統(tǒng)計學意義。隨后,他又用同樣的方法檢測短時間使用 COX-2抑制劑對骨整合的影響[16]。三組新西蘭白兔分別在 6周中的前兩周和后兩周及全程 6周給予羅非昔布(12.5 mg/d)。6周后結果顯示,全程 6周給藥的兔子骨整合的過程受抑制明顯強于 6周中前兩周或后兩周的兔子,提示 COX-2抑制劑對骨整合的抑制作用與用藥時間有關。

Fernanda[17]用美洛昔康研究植入鈦釘?shù)男∈蠊钦线^程是否受到影響。通過骨與植入物的接觸面、骨面的皮質骨、松質骨以及骨密度判斷骨整合進程。結果顯示,持續(xù)使用美洛昔康顯著減弱了鈦釘植入物與周圍骨質的整合過程。

3 目前存在爭議可能的原因

目前,選擇性 COX-2抑制劑對骨折愈合影響的動物試驗結果不一致。 Dimmen等[18]和 Akritopoulos等[19]甚至曾于 2008年先后于同一本雜志上發(fā)表了關于塞來昔布對骨折愈合影響的兩篇文章,結果卻截然相反。當時評論是迷惑仍然存在。

Einhorn[20]認為不同試驗的不同結果多是由于不同的實驗動物種類和不同的實驗方法造成的。骨折動物模型的建立方法較多,大多采用較為方便的閉合骨折方法,術后不固定或外固定。然而閉合骨折的骨折類型難以統(tǒng)一,分析比較的可比性較差。而脊柱融合的實驗從理論上來說并不能完全代表骨折愈合的過程,因為它對破骨細胞活性的依賴性更小。并且許多動物實驗在藥物劑量、給藥時間和骨折評估的時間點上存在許多問題,因為雖然骨折愈合的過程可能需要數(shù)月,然而止痛藥的使用卻只需要幾天或幾周[21]。

綜上所述,選擇性 COX-2抑制劑到底是否會影響骨折愈合,目前尚無一個一致的結論。從理論上和現(xiàn)存的研究資料似乎讓人更傾向于認為選擇性 COX-2抑制劑對骨折愈合是有影響的,但這種影響是否只停留在理論水平,對實際作為疼痛處方應用并不構成有力的反面證據(jù),我們仍不得而知。因為實際上目前缺乏長期、大規(guī)模的、系統(tǒng)的隨機臨床試驗。在這些前瞻性臨床試驗得出結論之前,動物實驗研究還并不能解決這一方面的盲點。目前,更多的學者傾向于認為COX-2抑制劑會抑制骨折愈合過程和 /或骨整合過程。

[1]Zhang X,Schwarz EM,Young DA,et al.Cyclooxygenase-2 regulates mesenchymal cell differentiation into the osteoblast lineage and is critically involved in bone repair[J].J Clin Invest,2002,109(11):1405-1415.

[2]Kellinsalmi M,Parikka V,Risteli J,et al.Inhibition of cyclooxygenase-2down-regulates osteoclast and osteoblast differentiation and favours adipocyte formation in vitro[J].Eur J Pharmacol,2007,572(23):102-110.

[3]Goodman S,Ma T,Trindade M,et al.COX-2 selective NSAID decreases bone ingrowth in vivo[J].J Orthop Res,2002,20(6):1164-1169.

[4]Katriina V,Teemu M,Eeva M.Nonsteroidal anti-inflammatory drugs,cyclooxygenase-2 and the bone healing process[J].Basic and Clin Pharmacology-&Toxicology,2007,102(1):10-14.

[5]Nishikawa K,Morrison A,Needleman P.Exaggerated prostaglandin biosynthesis and its influence on renal resistance in the isolated hydronephrotic rabbit kidney[J].J Clin Invest,1977,59(6):1143-1150.

[6]Simon AM,Manigrasso MB,O′ConnorJP.Cyclooxygenase-2 function is essential for bone fracture healing[J].J Bone Miner Res,2002,17(6):963-976.

[7]Xie C,Ming X,Wang Q,et al.COX-2from the injury milieu is critical for the initiation of periosteal progenitor cell mediated bone healing[J].Bone,2008,43(6):1075-1083.

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

[9]Paralkar V M,Borovecki F,Ke HZ,et al.An EP2 receptor-selective prostaglandin E2 agonistinduces bone healing[J].Proc Natl Acad Sci,2003,100(11):6736-6740.

[10]Gerstenfeld L,Thiede M,Seibert K,et al.Differential inhibition of fracture healing by non-specific and cyclooxygenase-2(COX2)specific non-steroidal antiinflammatory drugs[J].Trans Orthop Res Soc,2002,27:239.

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

[12]Zhang X,Morham SG,Langenbach R,et al.Evidence for a direct role of cyclo-oxygenase2in implat wear debris-induced osteolysis[J].J Bone Miner Res,2001,16(4):660-670.

[13]Brown KM,Saunders M M,Kirsch T,et al.Effect of COX-2-Specific inhibition on fracture-healing in the rat femur[J].J Bone Joint Surg(Am),2004,86(1):116-123.

[14]Mullis B,Copeland S,Weinhold P.Effect of COX-2 inhibitors and N SAIDs on fracture healing in a mouse model[J].Trans Orthop Res Soc,2002,27:712.

[15]Long J,Lewis S,Kuklo T,et al.The effect of cyclooxygenase-2inhibitors on spinal fusion[J].J Bone Joint Surg(Am),2002,84(10):1763-1768.

[16]Goodman SB,Ma T,Mitsunaga L,et al.Temporal effects of a COX-2-selective NSAID on bone ingrowth[J].J Biomed Mate Res,2005,72(3):279-287.

[17]Fernanda V,Ribeiro,Joa-o B,Cyclooxygenase-2 Inhibitor May Impair Bone Healing Around Titanium Implants in Rats[J].Journal of Perodontology,2006,77(10):1731-1735.

[18]Dimmen S,Nordsletten L,Engebretsen L,et al.Negative effect of parecoxib on bone mineral during fracture healing in rats[J].Acta Orthop,2008,79(3):438-444.

[19]Akritopoulos P,Papaioannidou P,Hatzokos I,et al.Parecoxib has non-significant long-term effects on bone healing in rats when administered for a short period after fracture[J].Arch Orthop Trauma Surg,2009,129(10):1427-1432.

[20]Einhorn TA.COX-2:Where are we in2003?The role of cyclooxygenase-2in bone repair[J].Arthrites Res Ther,2003,5(1):5-7.

[21]Seidenberg AB,An YH.Is there an inhibitory effect of COX-2inhibitors on bone healing?[J].Pharmacol Res,2004,50(2):151-156.