微量元素在骨質(zhì)疏松防治中的作用

朱磊

（上海市楊浦區(qū)平?jīng)錾鐓^(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心 郵編 200082）

人類生長(zhǎng)發(fā)育、新陳代謝等生命特征的化學(xué)及分子生物學(xué)本質(zhì)，實(shí)際上是人體與環(huán)境進(jìn)行多種元素交換及不同元素在體內(nèi)進(jìn)行代謝的過程?，F(xiàn)證實(shí)，人體內(nèi)微量元素平衡失調(diào)是疾病發(fā)生的病生基礎(chǔ)。微量元素與骨質(zhì)疏松的發(fā)病、病理及治療密切相關(guān)。雖微量元素在骨組織的成分中含量甚微，卻是人與動(dòng)物骨骼正常生長(zhǎng)發(fā)育的必需因子，在調(diào)節(jié)骨代謝和骨重建中起重要作用。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，骨質(zhì)疏松大鼠在骨礦物質(zhì)主要成分—鈣、磷丟失的同時(shí)，微量元素的含量也隨之發(fā)生改變。目前國(guó)內(nèi)外研究比較多的與骨質(zhì)疏松相關(guān)微量元素有：氟、硒、鍶、鋅等，其中鍶鹽已作為防治骨質(zhì)疏松的新藥于2004年在歐洲上市。本文就氟、硒、鍶、鋅在骨質(zhì)疏松發(fā)病過程中的作用機(jī)制作一綜述。

1 氟與骨質(zhì)疏松

氟是人體的必需微量元素之一，是一種已知可影響骨形成的非激素因子。氟是生物的鈣化作用所必需的物質(zhì)，適量氟有利于鈣和磷的利用及在骨骼中沉積，加速骨骼的形成，增加骨骼的硬度，并降低硫化物的溶解度，對(duì)骨骼被吸收起抑制作用。因此氟對(duì)兒童的生長(zhǎng)發(fā)育有促進(jìn)作用。老年人缺氟時(shí)，鈣磷的利用受到影響，可導(dǎo)致骨質(zhì)疏松，因此氟對(duì)骨質(zhì)疏松癥有一定預(yù)防作用。但人體如果攝人過量的氟會(huì)產(chǎn)生氟斑牙、氟骨癥。因此氟對(duì)骨形成具有雙向調(diào)節(jié)作用。長(zhǎng)期小劑量氟可促進(jìn)骨形成，大劑量可引起骨質(zhì)疏松或骨硬化[1,2]。

1.1 氟在骨形成過程中的直接作用

氟可以取代骨中羥磷灰石中羥基，形成更不溶于酸的氟磷灰石結(jié)晶。氟并不能浸潤(rùn)到已形成的骨中，但卻在骨質(zhì)形成期與骨質(zhì)結(jié)合。另外，在正常情況下，羥磷灰石與骨膠原同時(shí)形成，在骨質(zhì)疏松中氟磷灰石結(jié)晶與膠原形成交又，所形成的氟磷灰石結(jié)晶比羥磷灰石結(jié)晶粗大，不易溶解，以致氟磷灰石結(jié)晶在轉(zhuǎn)換過程中能較強(qiáng)地拮抗破骨細(xì)胞的溶骨，從而抑制骨吸收。堿性磷酸酶（ALP）和骨鈣素（BGP)分別是成骨細(xì)胞（OB）培養(yǎng)過程中早期和晚期分化的指標(biāo)。ALP表達(dá)隨著細(xì)胞分化的發(fā)展而增強(qiáng)，其作用是水解有機(jī)磷釋放出無(wú)機(jī)磷、而作用于羥磷灰石的形成，是骨形成所必需的酶，它的表達(dá)代表著骨形成的狀況，表明細(xì)胞分化的開始[3]。BGP是OB合成和分泌的一種含羧基谷氨酸的非膠原蛋白，是反映OB分化成熟及骨更新狀況的一項(xiàng)特異性指標(biāo)。骨鈣素在維持骨的正常礦化，抑制軟骨的鈣化和不規(guī)則晶體沉積中扮演著重要的角色，具有骨代謝調(diào)節(jié)功能。一方面氟能刺激OB分泌骨鈣素，使得有更多的羥磷灰石晶體與之結(jié)合并沉積于骨基質(zhì)，同時(shí)由于F半徑與OH半徑相同，且具有相同電荷，故易使羥磷灰石置換為氟磷灰石，而使更多的氟磷灰石沉積于骨基質(zhì)[4]。高濃度氟對(duì)OB的持續(xù)性刺激使產(chǎn)生過量的骨鈣素，從而導(dǎo)致過多的氟磷灰石與骨鈣素結(jié)合，引起骨晶體結(jié)構(gòu)異常而導(dǎo)致骨損害。

1.2 氟對(duì)成骨細(xì)胞的作用

成骨細(xì)胞(osteoblast, OB)在氟中毒時(shí)成骨細(xì)胞系的細(xì)胞明顯活躍，細(xì)胞數(shù)增大，胞體肥大。1983年Fareley等[5]首次通過雞胚骨細(xì)胞培養(yǎng)，證實(shí)氟化物能直接刺激成骨細(xì)胞系的增生和增強(qiáng)堿性磷酸酶(ALP)活性，加強(qiáng)成骨作用。氟還可刺激間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞方向分化，誘導(dǎo)骨形成。Dequcker[6]認(rèn)為氟化物通過對(duì)OB的有絲分裂的作用，促使OB沉積形成階段性的生長(zhǎng)速度增加，使OB數(shù)量增多，功能增強(qiáng)。Chavassieux[7]等的實(shí)驗(yàn)研究表明:氟化物可能作用于骨原細(xì)胞或通過輔因子介導(dǎo)的間接機(jī)制而起作用。用氟化物治療的骨質(zhì)疏松病人骨骼取得的OB也表明，在體外培養(yǎng)顯示氟化物對(duì)OB有較高的增殖能力。由此推論，在活體內(nèi)氟化物可通過合成一些局部生長(zhǎng)因子間接作用于OB，或者直接作用于成骨細(xì)胞系的某些亞群。許多研究表明，氟化物能影響成骨細(xì)胞系的分化過程，能使成骨細(xì)胞系的ALP活性升高和骨鈣素含量增加，能刺激培養(yǎng)人的骨髓基質(zhì)細(xì)胞生成骨鈣蛋白(BGP)。李廣生等在大鼠氟中毒實(shí)驗(yàn)中觀察到血清BGP水平明顯升高，與ALP活性升高一致。

1.3 氟對(duì)破骨細(xì)胞的作用

目前對(duì)于氟對(duì)破骨細(xì)胞（OC）的作用主要有兩種不同的看法，其一認(rèn)為：氟對(duì)破骨細(xì)胞主要起抑制其增殖、促進(jìn)其凋亡的作用。邱明才等[8]的研究表明，氟化鈉可呈劑量依賴性的抑制正常和OVX大鼠OC的形成井促進(jìn)正常和OVX大鼠OC凋亡。其二認(rèn)為：氟可以增強(qiáng)破骨細(xì)胞骨吸收的功能及促進(jìn)破骨細(xì)胞的增殖。李廣生等[9]的研究表明：在一定劑量范圍內(nèi)的氟化物可呈劑量依賴性的增加破骨細(xì)胞骨吸收陷窩的數(shù)目及提高基質(zhì)金屬蛋白酶9（MMP-9）的mRNA和蛋白質(zhì)的表達(dá)而增強(qiáng)破骨細(xì)胞骨吸收功能。破骨細(xì)胞在氟中毒時(shí)常呈活躍增生狀態(tài)。任立群等[10]在氟中毒大鼠脛近端干髓端用雙方形網(wǎng)絡(luò)細(xì)胞試驗(yàn)系統(tǒng)做OC計(jì)數(shù)，在低鈣偏食飼料飼養(yǎng)2個(gè)月者，投氟組OC數(shù)明顯增多;在富鈣平衡飼料飼養(yǎng)4個(gè)月者，投氟組OC數(shù)較對(duì)照組亦有一定程度增加，但無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；只是在富鈣平衡飼料飼養(yǎng)2個(gè)月者，投氟組OC數(shù)反而較對(duì)照組減少。表明在多數(shù)情況下，氟化物造成的是骨轉(zhuǎn)換增高，破骨性吸收增強(qiáng)。國(guó)外研究大多強(qiáng)調(diào)氟化物的基本作用是刺激成骨，抑制骨吸收。Belyc曾推測(cè)，氟中毒時(shí)人骨量增加不僅是由于成骨活動(dòng)的加強(qiáng)，還可能由于OC數(shù)量減少和生命周期縮短。氟化物在什么條件下對(duì)OC起抑制作用，又在什么條件下由抑制轉(zhuǎn)為激活，還有待于進(jìn)一步研究。

2 硒與骨質(zhì)疏松

目前，對(duì)硒與骨質(zhì)疏松關(guān)系的研究主要觀點(diǎn)認(rèn)為：硒主要通過硒蛋白的抗氧化效應(yīng)而起到維護(hù)正常骨代謝的作用。在我國(guó)的西藏地區(qū)，由于土壤中的硒含量過少而導(dǎo)致一種硒缺乏癥大骨節(jié)病。有研究表明活性氧參與骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生發(fā)展，骨質(zhì)疏松癥患者的整體抗氧化能力比較低，在這些研究中的數(shù)據(jù)顯示骨質(zhì)疏松癥患者的維生素E和GPx水平較正常組低。此外，在肝素誘發(fā)骨質(zhì)疏松的兔模型中，硒與維生素E可以恢復(fù)重建的骨結(jié)構(gòu)。硒在體內(nèi)的活性形式有含硒酶和含硒蛋白，谷胱甘肽過氧化物酶(GSHpx)是含硒酶的一種，是體內(nèi)的一種預(yù)防性的抗氧化劑，主要作用是阻斷自由基的生成。此外，硒具有保護(hù)細(xì)胞、增強(qiáng)細(xì)胞膜功能，從而保護(hù)細(xì)胞間緊密結(jié)構(gòu)，減少鋁的吸收而促進(jìn)排泄，同時(shí)促進(jìn)鈣的吸收。因此硒通過改善鈣磷代謝增加血鈣和骨鈣沉積、減少骨鹽分解，同時(shí)降低機(jī)體對(duì)鋁的吸收，對(duì)高鋁引發(fā)的骨質(zhì)疏松有一定的保護(hù)作用，因而降低骨質(zhì)疏松的產(chǎn)生和發(fā)展。

2.1 活性氧與骨質(zhì)疏松

骨的代謝受間充質(zhì)細(xì)胞來源的成骨細(xì)胞和造血系統(tǒng)來源的破骨細(xì)胞的影響。后者最終通過細(xì)胞溶合分化為多核的巨噬細(xì)胞。它們通過整合素作用緊密地吸附在骨表面形成所謂封閉區(qū)。其細(xì)胞膜的基底面有皺褶，能夠分泌氫離子、氯離子和蛋白酶進(jìn)入一種“細(xì)胞外溶酶體”的管腔。在骨吸收的過程中產(chǎn)生大量的活性氧，如果活性氧沒有得到足夠的區(qū)室化或中和，那么它將會(huì)損害周圍微環(huán)境中的細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)組分。實(shí)驗(yàn)表明，由于去卵巢大鼠的雌激素缺乏，導(dǎo)致了骨的活性氧含量增高，進(jìn)而導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥。另有實(shí)驗(yàn)證明，泄出的活性氧可改變成骨細(xì)胞功能。因此研究者假定，適當(dāng)?shù)墓谴x和細(xì)胞外基質(zhì)的質(zhì)量需要良好的硒蛋白活性，從而能增強(qiáng)抗骨折能力。

2.2 硒蛋白是一種良好的抗氧化劑

眾所周知，抗氧化劑硒蛋白是谷胱甘肽過氧化物酶1-4和6(GPx)和硫氧還蛋白還原酶1-3(TrxR)蛋白家族[11]。研究者很早就利用放射性硒發(fā)現(xiàn)硒蛋白在骨中的表達(dá)。研究者發(fā)現(xiàn)，幾種在人類成骨樣細(xì)胞中的標(biāo)記帶能部分的被識(shí)別為GPxs、SeP、TrxRl和TrxR2。體外試驗(yàn)證明，GPx和TrxR的活性取決于硒的供應(yīng)。當(dāng)硒充足時(shí)，維生素D可以刺激TrxR的活性。對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)中硒蛋白表達(dá)的分析，前者能分化為成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞，說明間充質(zhì)干細(xì)胞中含有差不多20種硒蛋白的mRNA。研究者在體外試驗(yàn)中可以看到，細(xì)胞培養(yǎng)液中含硒量能夠影響微核的形成，這表明硒蛋白的活性能夠降低遺傳毒性。此外，在體外培養(yǎng)的單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和破骨細(xì)胞的分化過程中表達(dá)高水平的抗氧化蛋白(如GPxs)，它的活性很大程度上取決于含硒量。

3 鍶鹽與骨質(zhì)疏松

鍶是骨骼的重要組成成分，它能促進(jìn)骨骼的發(fā)育和類骨質(zhì)的形成，并有調(diào)節(jié)鈣代謝的作用。雷奈酸鍶（SR）對(duì)骨的作用有雙重性，低劑量的鍶能刺激新骨形成，高劑量的鍶能引起骨礦化低下。Meunier等在對(duì)1 649名患絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松的婦女進(jìn)行隨機(jī)雙盲安慰劑對(duì)照藥物試驗(yàn)，隨訪3年接受鍶化合物治療的患者椎骨骨折的發(fā)生率較安慰劑組明顯下降。此外，Seeman等發(fā)現(xiàn)鍶化合物可以降低年輕婦女和老年婦女椎骨和非椎骨骨折發(fā)生率。

3.1 鍶鹽抑制骨吸收及促進(jìn)骨形成的實(shí)驗(yàn)研究

在小鼠顱骨的培養(yǎng)系統(tǒng)中，通過測(cè)定鈣的排出情況，發(fā)現(xiàn)SR(0.1～1 mmol/L)能夠抑制骨吸收。Baorn和Tsouderosl進(jìn)一步驗(yàn)證了SR抑制骨吸收的機(jī)理[12]。SR(0.1～1 mmol/L)能夠使破骨細(xì)胞分化的兩項(xiàng)主要指標(biāo)—碳酸酐酶II和親玻黏連蛋白受體的表達(dá)明顯減少，分別下降30.0%～46.0%，30.7%～40.6% (P<0.05)，并有劑量依賴性。將大鼠的破骨細(xì)胞在牛骨骨片上進(jìn)行培養(yǎng)，加入SR (0.1～1 mmol/L)后，其吸收功能(骨吸收陷窩指數(shù))下降32.0%～66.0%。因此，SR通過減弱前破骨細(xì)胞的分化以及降低破骨細(xì)胞的骨吸收能力，抑制骨吸收。關(guān)于SR對(duì)成骨細(xì)胞的作用同樣有體外研究的結(jié)果。Canalis等將新生大鼠的顱骨用SR培養(yǎng)24 h，1～3 mmo l/LSR使前成骨細(xì)胞的復(fù)制增加30.0%～50.0%(24 h)和60.0%(96 h)。將22 d的大鼠胚胎顱骨用1～3 mmol/LSR培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)前成骨細(xì)胞群的DNA合成增加3～4倍，成骨細(xì)胞的膠原蛋白和非膠原蛋白合成增加35.0%。研究顯示，SR通過促進(jìn)前成骨細(xì)胞的復(fù)制以及增強(qiáng)成骨細(xì)胞的功能，達(dá)到促進(jìn)骨形成的作用。

3.2 鍶鹽促進(jìn)成骨、抑制吸骨的分子機(jī)制

鍶與鈣非常相似，具有很高的親骨性?，F(xiàn)已證明了鍶可能部分通過作用于鈣感受器受體，并且能活化第二信使和細(xì)胞絲裂原活化蛋白激酶信號(hào)途徑發(fā)揮作用，從而達(dá)到促進(jìn)前成骨細(xì)胞增殖、促進(jìn)成骨細(xì)胞分化和激活、誘導(dǎo)I型膠原的合成及骨砊化形成[13,14]。雖然其他研究也已證明了可能存在一種新的鍶作用于成骨細(xì)胞感受器的機(jī)制。然而同鈣相比，在親和力及動(dòng)力學(xué)方面，鍶和受體的直接相互作用尚未得到明確。最近的研究也證明鍶能通過環(huán)加氧酶2促進(jìn)前列腺素E2的產(chǎn)生，促進(jìn)了骨髓基質(zhì)細(xì)胞的成骨分化。然而并不清楚鍶在細(xì)胞水平上的干擾機(jī)制?，F(xiàn)有的研究也表明：鍶鹽可通過作用于鈣感受器受體而促進(jìn)破骨細(xì)胞的凋亡。破骨細(xì)胞的功能主要是通過核因子KB受體活化劑(RANK)來調(diào)控的，RANK本身是通過存在于成骨細(xì)胞的特定配體(RANKL)而活化的。一些研究表明鍶能減少RANKL的表達(dá)和促進(jìn)骨保護(hù)素的產(chǎn)生，骨保護(hù)素和RANKL相競(jìng)爭(zhēng)的與RANK結(jié)合而起到抑制破骨細(xì)胞活性的作用。因此鍶能抑制RANKL/RANK之間的相互作用，但并不清楚鍶是否能直接影響任何已知的在骨重吸收中調(diào)控破骨細(xì)胞功能的信號(hào)途徑。

4 鋅與骨質(zhì)疏松

鋅元素既是骨的組分，又參與骨的代謝過程。由鋅決定或影響著的酶有100多種。細(xì)胞內(nèi)鋅的含量豐富，主要在細(xì)胞核內(nèi)，近年來發(fā)現(xiàn)在mRNA中濃度比總RNA中濃度高許多倍，顯示鋅與蛋白質(zhì)合成遺傳信息的傳遞有關(guān)。在骨細(xì)胞體外培養(yǎng)和斷奶鼠口服硫酸鋅的實(shí)驗(yàn)中均證實(shí)鋅能增加骨骼膠原蛋白的合成，提高堿性磷酸酶的活性。鋅是成骨細(xì)胞分化標(biāo)志性酶--堿性磷酸酶(ALP)的輔基，補(bǔ)鋅可增加ALP活性。鋅能調(diào)節(jié)激素對(duì)骨代謝的影響。實(shí)驗(yàn)證明鈣調(diào)激素1.25(OH)2D3對(duì)斷奶鼠骨代謝的調(diào)節(jié)作用明顯因鋅的作用而加強(qiáng)，說明鋅是骨代謝調(diào)節(jié)的激活劑。鋅具有穩(wěn)定肥大細(xì)胞和抑制內(nèi)源性肝素顆粒釋放的作用，而內(nèi)源性肝素與骨質(zhì)疏松病理過程有關(guān)。鋅缺乏時(shí)可降低成骨細(xì)胞功能，使膠原和硫酸軟膏素合成降低。在許多去勢(shì)動(dòng)物模型中提到，鋅在骨新陳代謝中具有成骨作用，歸功于抑制骨再吸收和刺激骨形成。骨質(zhì)疏松大鼠骨鋅含量明顯較正常低。

鋅可以調(diào)節(jié)各種膜上的酶，如ATP。在骨礦化鈣沉積過程中，堿性磷酸酶和ATP最為重要，缺鋅將使堿性磷酸酶和ATP活性降低，影響骨的代謝[15]。鋅能穩(wěn)定成纖維細(xì)胞和溶酶體細(xì)胞膜，起保護(hù)作用。破骨細(xì)胞含有大量的溶酶體，缺鋅會(huì)使溶酶體膜的穩(wěn)定性降低，使溶酶體膜發(fā)產(chǎn)特異性改變。作為膜的結(jié)構(gòu)成份鋅，它的特異功能不能為別的離子所代替。

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