骨內(nèi)血管作為骨質(zhì)疏松癥治療靶點的研究進展

桑曉文 詹紅生

1 陜西中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院,陜西 咸陽 712000

2 上海市中醫(yī)藥研究院骨傷科研究所，上海 201203

骨組織是一種富含血管的結(jié)締組織，血液供應(yīng)由小動脈網(wǎng)絡(luò)提供，并通過血管新生過程發(fā)展[1]。脈管系統(tǒng)可向骨細(xì)胞輸送氧氣、營養(yǎng)素、激素、神經(jīng)遞質(zhì)和生長因子等，并對于骨發(fā)育、再生和重塑起到重要作用[2-3]。隨著血管結(jié)構(gòu)生物學(xué)發(fā)展，人們對于骨內(nèi)血管在生理和病理條件下的特點有了更深入了解，而靶向骨內(nèi)血管促進新骨形成可能成為治療骨質(zhì)疏松癥的新治療靶點。

1 血管及血管新生過程

血管由內(nèi)層血管內(nèi)皮細(xì)胞、外周壁細(xì)胞(包括周細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞)組成[4]。血管新生包括血管發(fā)生(vasculogenesis)和血管形成(angiogenesis)兩種形式，前者指從中胚層來源的內(nèi)皮前體細(xì)胞(angioblast 成血管細(xì)胞)新形成血管，而后者指從原始血管床出芽形成新血管[5]。vasculogenesis一般發(fā)生在胚胎期，成人體內(nèi)的血管新生大多通過angiogenesis過程產(chǎn)生[6]。血管形成過程中，新形成的小毛細(xì)血管由外周壁細(xì)胞支持的內(nèi)皮細(xì)胞構(gòu)成的中空管腔，并有基底膜和細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)包繞[7]。在成人中，血管和內(nèi)皮細(xì)胞保持靜止?fàn)顟B(tài)且很少被激活形成新的分支，而內(nèi)皮細(xì)胞周圍的基底膜和周細(xì)胞維持內(nèi)皮細(xì)胞穩(wěn)定的位置，僅在特定刺激如缺氧、炎癥狀態(tài)時，血管形成才啟動[8-9]。首先，周細(xì)胞分離，ECM和基底膜被基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)降解，這導(dǎo)致血管的不穩(wěn)定和血管通透性增加。此外，細(xì)胞外基質(zhì)的分解過程釋放諸多促血管生成因子和趨化因子，如血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)、纖維細(xì)胞生長因子-2(FGF-2)和基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1(SDF-1)[9]。此類細(xì)胞因子可與內(nèi)皮細(xì)胞受體結(jié)合，激活內(nèi)皮細(xì)胞，并誘導(dǎo)內(nèi)皮形成新的出芽分支。此過程需要特定的“尖細(xì)胞”(tip cell)和“桿細(xì)胞”(stalk cell)在VEGF/Notch信號通路調(diào)控下完成[6,10]。內(nèi)皮細(xì)胞形成諸多偽足，來協(xié)調(diào)細(xì)胞遷移方向，而stalk cell跟隨tip cell方向增殖生長，而stalk cell通過細(xì)胞內(nèi)囊泡融合和結(jié)構(gòu)排列形成新的管腔[11]，并伴隨新的細(xì)胞外基質(zhì)沉積和周細(xì)胞的招募，最后形成穩(wěn)定的血管。如果沒有周細(xì)胞的附著，血管形成不穩(wěn)定，并可以被迅速分解退化[11]。促血管新生因子(VEGF、FGF-2、SDF-1、EGF)與血管抑制因子(thrombospondin、endostatin、angiostatin、angiopoietin-2)在局部微環(huán)境中保持動態(tài)平衡是維持器官穩(wěn)態(tài)的重要機制，而血管形成功能下降是損傷后修復(fù)困難的主要原因之一[8,12]。

2 骨內(nèi)血管結(jié)構(gòu)特征

骨組織具有豐富的血管網(wǎng)絡(luò)，消耗大約10%～15%的心臟輸出，骨內(nèi)血管的分布可有效地將氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)輸送至骨髓腔。研究[1,3,13]表明無論骨骼形態(tài)，骨的血管供應(yīng)大多都來源于來自皮質(zhì)骨區(qū)域的營養(yǎng)動脈，通過骨內(nèi)縱向的Haversian管內(nèi)動脈和橫向的Volkmann’s 管內(nèi)動脈，與干骺端或骨內(nèi)膜毛細(xì)血管連接，最終完成靜脈回流，而骨骺區(qū)域動脈血管有其獨立動靜脈系統(tǒng)。骨內(nèi)毛細(xì)血管的直徑通常為5～10 μm，并由單層排列的內(nèi)皮細(xì)胞構(gòu)成，其一般分連續(xù)型、孔隙型和血竇型[14]。連續(xù)型毛細(xì)血管的網(wǎng)絡(luò)屏障在體內(nèi)普遍存在，內(nèi)皮細(xì)胞緊密相連。此類毛細(xì)血管的獨特結(jié)構(gòu)允許水、小分子和脂溶性材料擴散到周圍組織或間質(zhì)液中，而不會損失循環(huán)細(xì)胞和血漿蛋白，而較大的分子如葡萄糖和其他營養(yǎng)素通過轉(zhuǎn)胞吞作用通過單層內(nèi)皮細(xì)胞?？紫缎兔?xì)血管具有穿透內(nèi)皮細(xì)胞襯內(nèi)的隔膜，孔隙存在不僅加速了水的交換，而且還允許溶質(zhì)通過。血竇型內(nèi)皮細(xì)胞在細(xì)胞之間具有間隙，這種特征導(dǎo)致水的自由交換，并為等離子體和間質(zhì)液之間的大量溶質(zhì)如血漿蛋白提供導(dǎo)管。由于在這些器官中需要廣泛交換，血流在血竇中減速以延長跨越血竇屏障的外部變化的時間。與此同時，沿著肝臟、脾臟和骨髓血竇分布的吞噬細(xì)胞充當(dāng)著處理和吞噬外源性病原體、受損細(xì)胞和碎片的作用[15]。在骨骼系統(tǒng)內(nèi)，孔隙型毛細(xì)血管和血竇型毛細(xì)血管占大多數(shù)，且與其他器官毛細(xì)血管類型不同，骨內(nèi)毛細(xì)血管不表達VEGFR3[16]。

3 骨內(nèi)血管與促骨形成偶聯(lián)調(diào)控

骨內(nèi)血管灌注不足與骨折愈合障礙和骨質(zhì)疏松癥密切相關(guān)[17-18]。通過卵巢切除(OVX)骨質(zhì)疏松癥模型發(fā)現(xiàn)，骨內(nèi)血流灌注減少的同時發(fā)生骨量下降的比例幾乎同步[19]；通過小鼠的活體成像顯示，當(dāng)血流受損傷可導(dǎo)致骨內(nèi)血管生成和骨形成減少，以及內(nèi)皮細(xì)胞Notch信號通路的下調(diào)；在老年小鼠中，骨內(nèi)血流和內(nèi)皮細(xì)胞Notch活性也降低，導(dǎo)致血管生成和成骨減少[3]。研究表明，骨系細(xì)胞可以產(chǎn)生血管因子，而內(nèi)皮細(xì)胞同樣可以貢獻促成骨的細(xì)胞因子，在成骨細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞共培養(yǎng)體系中發(fā)現(xiàn)血管生成和骨的礦化作用均得到增強[20]，血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)[21]、成纖維細(xì)胞生長因子2(FGF-2)[22]、血小板衍生因子BB(PDGF-BB)[23]、缺氧誘導(dǎo)因子1α(HIF-1α)[24]、表皮生長因子7(EGFL7)[25]及基質(zhì)細(xì)胞衍生因子1/趨化因子4(SDF1/CXCR4)軸[26]在血管形成和骨形成偶聯(lián)中發(fā)揮重要作用。同樣內(nèi)皮細(xì)胞Notch信號傳導(dǎo)可促進出生后長骨中的內(nèi)皮細(xì)胞增殖和血管生長，Notch信號傳導(dǎo)的破壞不僅損害了骨血管的形態(tài)和生長，而且還導(dǎo)致骨生成減少，長骨縮短，軟骨細(xì)胞缺損，骨小梁減少和骨量減少[27]。目前研究[28]發(fā)現(xiàn)，骨生長活躍區(qū)域如干骺端、骨膜區(qū)域具有CD31+/endomusin+的H亞型血管，其周圍有osterix陽性骨祖細(xì)胞聚集，并與成骨明確相關(guān)，而髓腔區(qū)域具有CD31-/endomusin-的L型血管，在結(jié)構(gòu)上H型血管在干骺端、骨膜區(qū)域呈現(xiàn)柱狀排列，而L型血管在髓腔內(nèi)呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。通過對骨內(nèi)微循環(huán)的測定，H型血管內(nèi)血流流速更高[3,29]，通過測量活體小鼠氧分壓(PO2)得出，在H型血管豐富的骨內(nèi)膜區(qū)域的氧分壓比L型血管分布的髓腔組織高[30]。此外發(fā)現(xiàn)，骨內(nèi)血管特殊類型CD31+/PDGFRβ+陽性血管周圍，小動脈形成明顯增加，而老年小鼠此類血管明顯減少。國內(nèi)學(xué)者[31]研究發(fā)現(xiàn)在老年人群和骨質(zhì)疏松癥人群中H型血管數(shù)量同樣減少，骨內(nèi)H型血管可能是成人骨量的生物標(biāo)志物。

4 骨內(nèi)血管與骨質(zhì)疏松癥治療

在哺乳動物體內(nèi)，骨形成與骨吸收共同維持骨穩(wěn)態(tài)，但由于成骨與破骨偶聯(lián)機制，在抑制骨吸收同時骨形成同樣受到抑制[32]。而近期臨床研究證實，對于重度骨質(zhì)疏松癥患者，促骨形成優(yōu)于抑制骨吸收治療[33]。骨形成效應(yīng)是從根本治療骨質(zhì)疏松癥的關(guān)鍵所在，而靶向骨內(nèi)血管促進新骨形成可能成為治療骨質(zhì)疏松癥新的研究方向[34]。研究[35]表明，促骨形成藥物特立帕肽在對卵巢切除(OVX)大鼠干預(yù)后發(fā)現(xiàn)可以提高骨量，同時可促進缺損部分新血管形成。Notch信號通路是一條在物種進化過程中高度保守的信號通路，該通路在骨質(zhì)疏松癥、骨性關(guān)節(jié)炎及骨腫瘤等疾病中均有表達，對骨骼系統(tǒng)有重要影響[36]。Notch信號通路通過調(diào)節(jié)內(nèi)皮生長因子受體2(VEGFR2)影響內(nèi)皮細(xì)胞向尖端細(xì)胞(tip cell)與莖細(xì)胞(stalk cell)的分化選擇，調(diào)節(jié)血管生成[37]。通過激活內(nèi)皮細(xì)胞Notch信號通路，可以促進出生后長骨中的內(nèi)皮細(xì)胞增殖和血管生長及造血干細(xì)胞微環(huán)境的擴張[38]；此外，破骨細(xì)胞前體細(xì)胞分泌的血小板源性生長因子(PDGF-BB)能誘導(dǎo)血管新生及骨形成，利用外源性PDGF-BB增加了骨內(nèi)H型血管并刺激骨形成[23]。小鼠中內(nèi)皮細(xì)胞特異性ZEB1的缺失，可損害骨內(nèi)H型血管形成，導(dǎo)致成骨減少，ZEB1的缺失減少了Dll4和Notch1啟動子上的組蛋白乙?；瑥亩种芅otch信號傳導(dǎo)[39]。通過激活NOTCH通路可釋放蛋白noggin，外源性noggin可以使Dll4-NOTCH信號突變小鼠的長骨長度、骨量恢復(fù)正?；痆38]。此外，Slit3可由脈管系統(tǒng)中的內(nèi)皮細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞表達和分泌，并且Slit3同源受體Robo1和Robo4由內(nèi)皮細(xì)胞普遍表達[40]。體內(nèi)實驗表明，Slit3敲除小鼠在胚胎發(fā)生期間顯示出血管生成的破壞，而成骨細(xì)胞分泌的Slit3可促進H型血管形成，并使H型血管內(nèi)皮細(xì)胞大量表達其受體Robo1，小鼠敲除Slit3可減少骨內(nèi)H型血管數(shù)量，導(dǎo)致低骨量的發(fā)生；當(dāng)給予重組Slit3可同時增強骨折愈合和對抗骨質(zhì)疏松小鼠骨丟失[41]。

5 展望

隨著血管生物學(xué)研究的不斷深入，對骨內(nèi)血管結(jié)構(gòu)、功能有了更多認(rèn)識。骨內(nèi)血管不僅為循環(huán)系統(tǒng)發(fā)揮作用，而且在骨骼系統(tǒng)疾病中也有重要意義。內(nèi)皮細(xì)胞與骨系細(xì)胞互相調(diào)控，對于維持骨穩(wěn)態(tài)、促骨形成有重要意義，通過對骨內(nèi)血管新生、血管形成與骨形成偶聯(lián)調(diào)控、內(nèi)皮細(xì)胞Notch信號通路及骨內(nèi)H型血管展開深入的研究，可為骨質(zhì)疏松癥防治提供新的治療思路和防治靶點。