環(huán)氧化酶-2/前列腺素E2信號傳導通路對骨折愈合的影響及相關藥物研究進展*

陳秉雄,宋敏,陳秉虎,董萬濤

(1.甘肅中醫(yī)學院,蘭州 730000；2.甘肅省定西市臨洮縣人民醫(yī)院,定西 730500；3.甘肅中醫(yī)學院附屬醫(yī)院,蘭州 730020)

·藥學進展·

環(huán)氧化酶-2/前列腺素E2信號傳導通路對骨折愈合的影響及相關藥物研究進展*

陳秉雄1,2,宋敏1,陳秉虎2,董萬濤3

(1.甘肅中醫(yī)學院,蘭州 730000；2.甘肅省定西市臨洮縣人民醫(yī)院,定西 730500；3.甘肅中醫(yī)學院附屬醫(yī)院,蘭州 730020)

探討環(huán)氧化酶-2/前列腺素E2(Cox-2/PGE2)信號傳導通路及其PGE2生物學意義,闡述Cox-2/PGE2信號傳導通路及其產物作用于EP2/EP4受體,促進PGE2、血管內皮生長因子(VEGF)等因子的分泌,參與骨折端內皮細胞、血管及骨細胞的形成,完成骨折的修復與重建體系。概述Cox-2/PGE2信號傳導通路抑制藥干擾骨折的愈合的機制與抑制藥的合理應用。從而開拓Cox-2/PGE2信號傳導通路影響空泡型氫離子ATP酶、OGP-RANKL-RANKN系統(tǒng)等信號途徑的研究將有可能成為介導骨折愈合的新靶標。

環(huán)氧化酶;前列腺素;骨折愈合;信號通路

創(chuàng)傷性骨折是一種常見骨外傷綜合征,造成骨折處骨骼和骨髓破壞、局部肌肉血管和神經損傷,其愈合過程復雜,不但有神經系統(tǒng)的參與,而且體液調節(jié)在其修復體系中發(fā)揮著重要作用。環(huán)氧化酶(cyclooxygenase,Cox)又稱前列腺素合成酶(prostaglandin synthetase,PGHS),是前列腺素E2(prostaglandin E2,PGE2)合成過程中一個重要的限速酶。當機體受到各種刺激因素包括生長因子、細胞因子、炎性遞質等作用時,Cox-2的表達迅速上調,PGE2是Cox-2催化花生四烯酸生成的主要產物[1]。Cox-2/ PGE2信號轉導通路在骨折愈合過程及骨代謝過程中發(fā)揮重要作用。

1 Cox-2/PGE2的信號傳導途徑及生物學意義

花生四烯酸(arachidonic acid,AA)大量存在于細胞膜磷脂成分內,當細胞受到刺激時細胞的磷脂酶激活,分別生成前列腺素(prostaglandin,PG)和白三烯(leukotriene,LT)[2]。其中PGE2的產生主要有3步:①細胞膜上的磷酸經過磷脂酶A2水解,生成AA；②AA經過Cox-2或Cox-1催化生成前列腺素H2(PGH2)；③PGHS的作用下PGH2轉化為PGE2。

Cox-2/PGE2生物學作用是通過G耦聯蛋白膜受體EP產生作用,EP受體包括EP1、EP2、EP3、EP4。PGE2產生后可通過自分泌或旁分泌途徑與細胞膜上的G蛋白受體家族即EP2、EP4受體結合,從而導致第二信使環(huán)腺苷酸(cyclic adenosine monophosphate, cAMP)水平升高,而激活的EP1使細胞溶質的游離鈣水平升高,細胞內升高的cAMP將更多地刺激Cox-2和血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的高表達,PGE2可通過正反饋信號通路促使Cox-2高表達[3-4]。其中EP2/EP4與骨折愈合的關系密切,這些信號轉導促使VEGF在骨折端濃度的升高,促進血管生長、內皮細胞的增殖[5]。PGE2產生后通過G蛋白耦聯途徑促進細胞增殖,也可通過核內過氧化物酶增殖體激活受體直接促進細胞的生成。Cox-2及其主要產物PGE2刺激骨細胞的增殖,并使骨髓間充質干細胞可以正常啟動分化發(fā)育為成骨前體細胞,成骨前體細胞在調節(jié)蛋白的作用下,進一步增殖分化為成熟的成骨細胞,成骨細胞分泌骨基質形成骨痂,骨痂經過后期的自身改建完成骨折的修復[6]。研究表明,Cox-2/PGE2信號轉導通路抑制藥能抑制PGE2的合成,從而抑制多種細胞因子的合成,如VEGF等因子的合成有抑制作用,從而抑制其血管內皮細胞、骨細胞的形成。雖然能緩解骨折、軟組織損傷產生的疼痛,但同時會延遲骨折的愈合。

2 Cox-2/PGE2對骨折愈合影響的病理生理機制

2.1 PGE2對血管內皮細胞的影響 參與骨折愈合的因素很多,其中VEGF作為血管生成的最重要因子,在骨折愈合中血管內皮細胞的生成扮演舉足輕重的角色。創(chuàng)傷后血管的再生可由多種生長因子誘導,能特異作用于血管內皮細胞表面的受體,促進其增殖和血管生成。新生血管的生成,為骨折的愈合提供營養(yǎng)物質并排泄代謝產物,提供骨再生必需的微環(huán)境。Cox-2/PGE2信號轉導通路可以上調β-catenin蛋白表達,從而激活Wnt/β-catenin信號上調VEGF[7]；Cox-2/PGE2對VEGF的調節(jié)作用與EP2受體激動、cAMP-PKA信號轉導通路激活有關[8]；田建等[9]研究發(fā)現,Cox-2與VEGF表達及其蛋白產物呈正直線關系。Cox-2/PGE2信號通路可通過VEGF特異性作用于血管內皮細胞,促進內皮細胞分裂、增殖,并誘導產生蛋白水解酶、間質膠原酶和組織因子來促進血管形成。VEGF是一種具有肝素結合活性的生長因子,能特異性地作用于血管內皮細胞,促使體內血管形成[10]。VEGF通過活化磷脂酶C和刺激第2信使IP3直接促進骨折端及周圍軟組織血管內皮細胞增殖,增加微血管通透性,形成血管生成的臨時基質。實驗表明PGE2引起血管擴張和血管生成,但它卻不直接作用于內皮細胞刺激內皮細胞增殖[11]。VEGF同時也能促進內皮細胞的遷移、增殖。骨折修復,特別是纖維骨痂、軟骨痂形成到成熟骨痂生成階段的血管形成,加速軟骨的鈣化及骨組織的改建過程。所以Cox-2/PGE2信號通路對于VEGF的調節(jié)促進血管的形成以及骨的生成耦聯的主要機制。在骨折的修復過程中,VEGF參與纖維骨痂的轉化,軟骨骨痂、骨性骨痂及其成熟骨痂的各個時期,并參與在血管的形成、軟骨的吸收與骨痂的改建的過程中[12]；成骨細胞表面上的flt-1與VEGF特異性的結合,聚集成骨細胞在骨折部位,在VEGF所提供的微環(huán)境下,促進骨細胞的分化,堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)活性增強,其ALP的高表達是NF-κB途徑來介導,抑制Id2細胞因子,誘導成骨細胞的分化[13]。徐曉峰等[14]在實驗中發(fā)現損傷周圍比損傷中心VEGF mRNA、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein-2,BMP-2)的表達時間提前和延長,其強度也低于損傷外周區(qū),血管的修復先于骨的修復,其作為骨折愈合修復的重要調節(jié)因子發(fā)揮作用。骨痂形成后,還需要對形成的骨痂進行塑形、改建,破骨細胞吸收多余的成分,繼而成骨細胞形成新骨。在骨小梁的表面的成骨細胞釋放VEGF,形成毛細血管,破骨細胞移行在毛細血管的尖端,縮短吸收的距離,而成骨細胞產生細胞外基質[15]。VEGF在骨折愈合修復過程中不但能促進血管的形成,而且能直接或間接的影響骨細胞等組織的增殖與分化,其在多種細胞因子的作用下完成骨折愈合與修復,對于骨折的愈合有極為重要的作用。

2.2 Cox-2/PGE2對骨細胞的影響 在骨折愈合中, Cox-2/PGE2傳導通路激活,PGE2高表達,通過MAPK信號途徑,促使骨髓細胞c-fox、c-jun和egr-1基因表達,加強骨間質細胞向成骨細胞的轉化加快新骨生成[16]；Cox-2/PGE2能刺激大鼠骨表面成骨細胞增殖、分化和分泌并能激活骨髓來源的間充質細胞,使其轉化前成骨細胞[17]；Cox-2表達明顯上調,導致PGE2合成增加,PGE2可以刺激成骨細胞的增殖,并促使成骨細胞分泌更多的骨生長因子,這些生長因子有利于骨基質及骨細胞的形成和鈣鹽沉積[18]；PGE2能增加骨內鈣化組織含量、骨基質的形成、骨愈合速度以及成骨細胞的復制和定向分化功能[19]；Cox-2催化合成的PGE2介導成骨細胞內的cAMP發(fā)揮成骨效應,加速成骨細胞增殖分化成熟,促進骨痂的鈣化和重塑,以及提前形成軟骨內成骨和編織骨痂,是骨折愈合提前[20-21]。成骨細胞內的Ⅰ型膠原纖維、骨鈣素(bone glaprotein,BGP)等都是與軟骨內骨化相關的重要細胞外基質蛋白,它們的合成受到PGE2和cAMP調控[22]。骨折發(fā)生后,機體通過各種信號通路激活,產生PGE2、VEGF等修復因子,積極動員骨折斷端周圍骨膜、骨髓和骨組織內的骨原細胞、成骨細胞等參入骨組織的修復及重塑。局部注射PGE刺激骨的生成,并且Cox-2抑制藥減少PG的合成,進而減少骨的形成。Cox-2是通過調節(jié)蛋白聚糖類(proteoglycans,PG)對骨發(fā)揮作用,其中PG對骨的新陳代謝具有雙向調節(jié)作用,尤以PGE2作用最強,低劑量的PGE2刺激成骨細胞增殖、促進骨形成,高劑量的PGE2能夠提高成骨細胞內cAMP的水平,使其向破骨細胞轉化,刺激骨吸收[23]。

3 信號轉導通路抑制藥對于骨折愈合的影響

信號轉導通路抑制藥能選擇性地抑制Cox-2/ PGE2信號傳導通路。從而使AA轉化為PG過程受到抑制,減少PGE2的生成,延遲骨折的愈合。臨床上,如非甾體抗炎藥物(nonsteroidal antiinflarmmatory drugs, NSAIDs)能減少炎性反應達到抗炎鎮(zhèn)痛的作用,但是同樣會干擾骨折的愈合[24]。

3.1 NSAIDs影響骨折愈合的生理病理機制 成骨細胞和破骨細胞在骨折的局部募集、活化及耦聯,完成骨折的修復。NSAIDs能降低PGE2的合成,干預成骨細胞和破骨細胞的正常修復功能。在體外實驗中發(fā)現NSAIDs能抑制干細胞向成骨細胞的分化,而脂肪細胞相應的增加；并且能顯著抑制破骨細胞的分化、成熟以及破骨細胞的活性[25]。體內實驗證實在大鼠股骨遠端鉆孔造成骨缺損,10 d后發(fā)現持續(xù)應用NSAIDs組的缺損區(qū)成骨細胞數量顯著下降[26]。通過上述實驗,推測Cox-2/PGE2-成骨細胞和破骨細胞之間的信號途徑是影響骨折愈合的分子機制之一。

NSAIDs對骨折端血供的影響和對骨折的不良影響是相互獨立的,證實NSAIDs影響了骨折端血管再生,進而影響骨折端血液供應及細胞增殖,以及骨痂的形成。對于骨折的愈合極為不利。對大鼠的骨折模型中,用多普勒檢測骨折端的血液供應,NSAIDs組骨折端的血液供應低于對照組。其在放射學分析、組織學評價以及生物力學的研究中發(fā)現NSAIDs組的骨折愈合時間低于對照組[27]。

細胞因子在調控骨折愈合過程中發(fā)揮著重要的作用,數量眾多,如轉化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)、血小板衍生生長因子、成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factor,FGF)、白細胞介素-1 (interleukin-1,IL-1)等。對大鼠骨折愈合過程中血清TGF-β濃度的影響進行研究時發(fā)現:骨折后各組進行用藥干預,第1天各組的血清TGF-β濃度差異無統(tǒng)計學意義；而第1,2,4周萘普生鈉組的血清TGF-β濃度顯著低于對照組,粒細胞集落刺激因子組的血清TGF-β濃度則顯著高于對照組[28]。血清TGF-β濃度在正常骨折愈合過程中會明顯升高,起到啟動骨折愈合過程、促進骨折愈合的作用。NSAIDs能抑制TGF-β的形成和釋放,從而干擾骨折的愈合。

3.2 NSAIDs延緩骨折愈合的時間、降低骨折愈合的強度 NSAIDs對骨折愈合的不利影響首先表現為骨折愈合時間延長。研究表明核因子-κB抑制藥BAY11-7082能夠抑制PGE2誘導的ALP活性、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein-7,BMP-7)以及Id2的表達,核因子-κB抑制藥能夠抑制骨折部位的PGE2生物合成、ALP的活性以及BMP-7和Id2表達,引發(fā)骨折愈合的延遲[13]。XIE等[29]通過大鼠骨折模型研究骨的重建和塑型,NSAIDs并不會明顯干擾編織骨重塑的機制,但會延長骨折愈合的時間。Cox-2抑制藥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,Cox-2抑制藥對于骨折的延遲愈合可能具有劑量依賴性,但其確實干擾了骨折的愈合[30]。選擇性Cox-2抑制藥均有可能抑制延緩骨折的愈合,其原因都是抑制Cox-2的生成,影響PGE2的合成。在動物模型上使用PGE2能增加骨折愈合的概率,局部使用PGE2也能刺激骨的生成。MURNAGHAN等[27]認為NSAIDs延遲骨折愈合,可能抑制骨折部位血管再生。NSAIDs在延緩骨折愈合的同時,降低了骨折愈合的強度,使軟骨內軟骨數量增多,成熟骨組織減少,進一步會引起骨折不愈合率明顯增加。BERGENSTOCK等[31]在實驗中發(fā)現塞來昔布組明顯降低已愈合股骨的最大切變應力和最大切變模量,并且塞來昔布組中軟骨細胞數量明顯高于對照組,導致骨的強度下降。在大部分動物實驗研究中, NSAIDs延遲骨折的愈合,降低骨折愈合的強度,增加骨的不愈合率。

3.3 NSAIDs在骨折愈合過程中的合理應用NSAIDs對骨折的愈合有不利的影響,但是仍然存在不同的認識。NSAIDs對于骨折的愈合是否具有時間和劑量依賴性。目前還沒有令人信服的結論。NSAIDs主要影響骨折愈合的早期,與劑量呈正相關,特異性的抑制藥對骨折愈合的影響大于非特異性的抑制藥,所以在藥物的選擇上應多選擇非特異性藥物,而且在發(fā)生某些并發(fā)癥時應及時停藥[32]。但是常規(guī)適量應用NSAIDs對異位化骨有一定的預防作用。

4 展望

骨折愈合是多種細胞因子參與、多個信號傳導途徑介導的生理生化過程。損傷與修復共存,促進與抑制平衡,形成與吸收并存。Cox-2/PGE2信號傳導通路干預骨折愈合分子機制尚不明確。Cox-2/PGE2表達水平的升高,通過對NF-κB、Wnt/β信號途徑等多個途徑的調控,影響空泡型氫離子ATP酶、骨保護素-核因子-κB受體活化因子配體-核因子-κB受體活化因子系統(tǒng)等多個信號途徑對骨折愈合分子機制,NSAIDs對于骨折愈合的影響仍然存在異議,因此合理應用NSAIDs又成為一個熱點課題,有待于進一步的研究,這些方面的研究將會給骨科的基礎研究、臨床治療提供新的思路。

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DOI 10.3870/yydb.2014.09.023

R982;R683

A

1004-0781(2014)09-1197-05

2013-09-20

2013-11-07

*吳階平醫(yī)學基金會臨床科研專項基金資助項目(320.6750.11061)；甘肅省青年科技基金計劃(1208RJYA066)；甘肅省自然科學基金資助項目(1010RJZA160)

陳秉雄(1983-),男,甘肅臨洮人,在讀碩士,研究方向:中醫(yī)藥治療骨傷疾病的研究。電話:(0)13919484035；E-mail:cxx19830802@163.com。

董萬濤(1980-),男,甘肅臨洮人,主治醫(yī)師,碩士,研究方向:骨延遲愈合與不愈合的中醫(yī)藥防治。電話:(0) 13893262503,E-mail:dwt130@126.com。