骨代謝相關(guān)信號通路與抗骨質(zhì)疏松新型藥物的研發(fā)

上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院骨質(zhì)疏松和骨病科&骨代謝病和遺傳研究室 章振林

章振林 上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院骨質(zhì)疏松和骨病科主任、骨代謝病和遺傳研究室主任，醫(yī)學(xué)博士、教授、主任醫(yī)師、博士研究生導(dǎo)師，兼任中華醫(yī)學(xué)會骨質(zhì)疏松和骨礦鹽疾病分會副主任委員、上海醫(yī)學(xué)會骨質(zhì)疏松?？品謺魅挝瘑T。主要診治代謝病骨病，研究方向?yàn)榇x病骨病遺傳機(jī)制。以第一完成人獲得國家自然科學(xué)基金5項(xiàng)，發(fā)表SCI收錄論文60多篇。

引 言

原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥是常見疾病，罹患于絕經(jīng)后婦女和老年男性，其最大危害是會引起脆性骨折。因此，對骨質(zhì)疏松的治療目標(biāo)是降低首次骨折或再次骨折的發(fā)生風(fēng)險。目前抗骨質(zhì)疏松藥物按機(jī)制可以分為抑制骨吸收和增加骨形成兩類藥物，抑制骨吸收代表藥物是雙膦酸鹽類，而促進(jìn)骨形成代表藥物為甲狀旁腺素。最近已經(jīng)成功研發(fā)出一批新型抗骨質(zhì)疏松藥物，有些已經(jīng)或者即將上市，我們對此充滿期待，這些藥物的研發(fā)成功正是源于罕見骨病致病基因的發(fā)現(xiàn)及對其機(jī)制的闡明。本文將少見骨病致病基因及其相關(guān)信號通路進(jìn)行闡述，主要涉及OPG/RNKL/RANK、WNT Wnt/β-catenin和組織蛋白酶K信號通路，及與之相關(guān)的抗骨質(zhì)疏松新型藥物。

OPG/RNKL/RANK信號通路

該通路較早被學(xué)者們認(rèn)識，不但涉及骨骼系統(tǒng)，而且對免疫、血液系統(tǒng)等均有重要作用。核因子κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)受體活化素配體(receptor activator of nuclear factor κB ligand，RANKL)與NF-κB受體活化因子(receptor activator of nuclear factor κB，RANK)結(jié)合后激活NF-κB，促進(jìn)破骨細(xì)胞的生成、分化和成熟，而骨保護(hù)素(osteoprotegerin，OPG)可與RANKL結(jié)合，阻止RANK活化，抑制破骨細(xì)胞活性。如下一些少見或罕見遺傳性骨病致病基因均涉及該通路。

1. OPG基因突變

青少年性畸形性骨炎(juvenile Paget disease of bone)是常染色體隱性遺傳病，不同于經(jīng)典型畸形性骨炎，前者在出生后或嬰幼兒時期即起病，由于破骨細(xì)胞功能增強(qiáng)，骨吸收顯著增加，導(dǎo)致骨溶解和疏松、骨骼彎曲畸形，同時常伴骨折、血堿性磷酸酶顯著增高。美國Whyte教授于2002年首先鑒定到致病基因OPG[1]。OPG基因突變后，OPG與RANKL結(jié)合功能丟失，而RANKL和RANK結(jié)合，促使破骨細(xì)胞過多活化，骨吸收大大增加。

2. RANK基因突變

該基因突變導(dǎo)致早發(fā)性畸形性骨炎(early onset Paget's disease of bone)，非常罕見，迄今僅有3個家族報告[2-4]，第一個家系是日本人。英國Ralston等[2]于2003年鑒定到RANK突變，呈常顯遺傳方式，該家系患者發(fā)病很早，10歲左右，表現(xiàn)為多骨骼受累，以骨溶解為特征，與其他類型畸形性骨炎區(qū)別還在于雙手指關(guān)節(jié)膨大、下頜骨膨大。我們2008年[3]報告一個漢族家系鑒定到RANK基因第一外顯子27bp重復(fù)突變，與上述家系不同之處是雙手指關(guān)節(jié)膨大出現(xiàn)得較晚，在38歲以后。該疾病需要與家族性膨脹性骨溶解(familial expansile osteolysis，F(xiàn)EO)鑒別，后者也呈常顯遺傳，但主要累及長骨，表現(xiàn)為顯著骨膨大和骨溶解，由RANK突變第一外顯子18bp重復(fù)突變引起[5]。RNAK信號肽區(qū)域重復(fù)突變，導(dǎo)致RANK活性顯著增加，致使破骨細(xì)胞功能增強(qiáng)，表現(xiàn)為骨吸收、骨溶解等。

3. RANKL基因突變

RANKL基因純合突變導(dǎo)致的骨硬化癥伴低γ球蛋白血癥，屬于常染色體隱型遺傳性骨硬化癥。 Guerrini等[6]報告發(fā)病機(jī)制是破骨細(xì)胞功能低下、骨吸收下降，顯然與上述OPG或RANK基因突變導(dǎo)致破骨細(xì)胞功能增強(qiáng)的機(jī)制正好相反。

顯然，上述3個基因突變引起以破骨細(xì)胞活性顯著增加或者減低為特征的骨病，即以骨吸收增加為特征的畸形性骨炎、家族性膨脹性骨溶解和以骨吸收降低為特征的骨硬化癥，可見OPG/RANK/RANKL通路在破骨細(xì)胞活化中扮演了不可替代的作用。正是基于對上述罕見遺傳性骨病和致病基因的認(rèn)識，才研發(fā)了RANKL單克隆抗體，即狄諾塞麥(Denosumab)，其與RANKL結(jié)合，阻止了RANK和RANKL結(jié)合，導(dǎo)致破骨細(xì)胞功能下降，抑制骨吸收，從而達(dá)到治療骨質(zhì)疏松的目的。

已經(jīng)完成的3年隨機(jī)對照試驗(yàn)(FREEDOM)結(jié)果顯示[7]，Denosumab明顯降低絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松患者新發(fā)影像學(xué)椎體骨折和髖部骨折的發(fā)生風(fēng)險。隨后的FREEDOM延長試驗(yàn)[8]對4550例絕經(jīng)后婦女使用Denosumab治療5年后發(fā)現(xiàn)，骨轉(zhuǎn)換指標(biāo)可維持在低水平、骨密度顯著增加(腰椎和全髖部骨密度分別增加14%和7%)以及骨折風(fēng)險降低。為期8年的2期臨床試驗(yàn)[9]結(jié)果顯示，腰椎和全髖部骨密度與基線時比較分別增加16.5%和6.8%，血清骨吸收指標(biāo)beta-CTX下降達(dá)到65%。2013年LANCET報告了一組隨機(jī)對照試驗(yàn)[10]，三組分別使用PTH 20μg/d，Denosumab 60mg/次、6月1次，另外一組為兩組藥物聯(lián)合應(yīng)用。1年后結(jié)果顯示，聯(lián)合應(yīng)用組腰椎、股骨頸和全髖部骨密度增加顯著高于其他單獨(dú)應(yīng)用組，上述部位骨密度分別比基線時增加9.1%、4.2%和4.9%。本研究提示PTH聯(lián)合Denosumab治療取得的骨密度上升超過以往報道的其他治療。因此，聯(lián)合治療對于高骨折風(fēng)險的骨質(zhì)疏松患者是一個可以選擇的治療方案。在國內(nèi)，由本人牽頭聯(lián)合十多家三甲醫(yī)院也對安進(jìn)(Amgen)公司研發(fā)的Denosumab進(jìn)行了Ⅲ期臨床試驗(yàn)。

Wnt/β-catenin信號通路

Wnt信號系統(tǒng)對骨代謝具有重要作用的認(rèn)識，源于對兩類遺傳性骨代謝病的分子機(jī)制的闡明，即2001年Cell雜志[11]報道的骨質(zhì)疏松伴假性神經(jīng)膠質(zhì)瘤綜合征(osteoporosis pseudoglioma syndrome，OPPG)。該研究鑒定到低密度脂蛋白相關(guān)蛋白5(low density lipoprotein receptor-related protein 5，LRP5)純合突變?yōu)楣δ軄G失之突變；隨后，兩個獨(dú)立研究[12,13]均發(fā)現(xiàn)高骨密度綜合征，也稱為常染色體顯性遺傳性骨硬化癥1型，致病基因也是LRP5，為功能增強(qiáng)性雜合突變。我們也曾報道1個漢族患病家系[14]。LRP5對Wnt/β-catenin信號通路具有負(fù)調(diào)節(jié)作用，不同突變呈現(xiàn)出骨形成下降或增加的表現(xiàn)。至此，確立了Wnt/β-catenin通路對骨代謝的重要地位。而幾乎相同時期，2001年發(fā)現(xiàn)硬化性骨病(bone dysplasia sclerosteosis)和Van Buchem病致病基因?yàn)橛补撬?SOST)基因[15,16]，該基因編碼蛋白為骨硬化素(sclerostin)。骨硬化素就是通過對Wnt/β-catenin信號通路的負(fù)調(diào)節(jié)作用降低骨形成，而功能丟失性突變，促使骨形成顯著增加，導(dǎo)致骨密度顯著增加，而骨折風(fēng)險并沒有增加。正是基于上述疾病分子機(jī)制的闡明以及對骨硬化素促進(jìn)骨形成作用的深入理解，最近國外大制藥公司研發(fā)了血清骨硬化素單克隆抗體(Romosozumab)，就目前臨床試驗(yàn)結(jié)果來言，是非常有前景的絕經(jīng)后婦女骨質(zhì)疏松的治療藥物。2014年NEJM報告了一項(xiàng)隨機(jī)安慰劑對照研究[17]，該研究將419名55～85歲低骨量(腰椎或股骨頸或全髖BMD T值為-3.5～-2.0SD)絕經(jīng)后婦女隨機(jī)分成8組，分別接受不同劑量Romosozumab、阿侖膦酸鈉、特立帕肽和安慰劑治療1年。結(jié)果顯示，所有Romosozumab組均顯著增加各部位骨密度，其中每3個月皮下注射210mg組增加腰椎BMD為11.3%、阿侖膦酸鈉組增加4.1%、特立帕肽(甲狀旁腺素)組增加7.1%、安慰對照組下降0.1%，同時Romosozumab組顯示出短暫地增加骨形成指標(biāo)、持久地抑制骨吸收指標(biāo)的優(yōu)勢，同時沒有發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重不良反應(yīng)。顯然，Romosozumab升高骨密度的療效要高于骨吸收抑制劑——阿侖膦酸鈉和骨形成促進(jìn)劑——特立帕肽。該藥物預(yù)計(jì)明年在中國開展Ⅲ期臨床試驗(yàn)。

組織蛋白酶K通路

對于組織蛋白K(cathepsin K，CTSK)對骨代謝的影響源自致密性成骨不全(pycnodysostosis)，一種常染色體隱性遺傳病，表現(xiàn)為頭顱畸形(包括寬顱縫)、肢端骨質(zhì)溶解以及全身性骨骼發(fā)生均勻性致密性骨硬化，可以伴有鎖骨發(fā)育不全，容易發(fā)生骨折。Maroteaux和Lamy于1962年首次報道該病，1996年Gelb等[18]鑒定到致病基因是CTSK，存在無義突變、錯義突變等，以致其編碼蛋白功能丟失。2013年我們在1例非近親婚配男性先證者鑒定到CTSK基因R122Q純合突變[19]。CTSK是破骨細(xì)胞中表達(dá)量最高、溶骨活性最強(qiáng)的一種半胱氨酸蛋白酶，對包括Ⅰ型和Ⅱ型膠原蛋白等骨基質(zhì)蛋白具有降解作用。因此，抑制破骨細(xì)胞內(nèi)的CTSK，可以降低骨吸收、增加骨量。為此，美國默克公司、瑞士諾華公司和英國GSK公司相繼研發(fā)了選擇性CTSK拮抗劑，分別為Odanacatib、Relacatib和Balicatib。一項(xiàng)為期5年Odanacatib(ODN)對絕經(jīng)后婦女骨量減少或骨質(zhì)疏松影響的臨床試驗(yàn)[20]顯示，接受5年ODN 10～50mg/周的受試者，腰椎和髖部BMD持續(xù)上升。13例接受ODN 50mg連續(xù)5年的受試者，平均腰椎BMD變化百分比(95%CI)為11.9%(7.2%～16.5%)，而前2年接受ODN 50mg而后3年改為安慰劑的受試者(14例)平均腰椎BMD變化百分比(95%CI)為0.4%(3.1%～2.3%)；在連續(xù)接受ODN的受試者中(10～50mg，26～29例)，在第5年與基線相比，骨吸收指標(biāo)——尿Ⅰ型膠原氦基末端肽/肌酐比值和血清C末端肽的下降百分比的幾何均數(shù)達(dá)55%左右，而骨形成指標(biāo)包括骨源性堿性磷酸酶(bonespecific alkaline phosphatase，BSAP)和1型前膠原氨基端肽(amino-terminal propeptide of type I procollagen，P1NP)則接近基線水平，無明顯變化。在前2年接受ODN治療(10～50mg)而后3年為安慰劑的受試者中(25例)，骨轉(zhuǎn)換指標(biāo)與基線水平相似。主要不良反應(yīng)是治療后3年處理組發(fā)生尿路感染顯著高于安慰劑組，至于特別關(guān)注的硬皮病與安慰劑組沒有差異。隨后發(fā)表的另外1項(xiàng)為期2年的隨機(jī)安慰劑對照臨床研究[21]，納入214例研究對象為45～85歲絕經(jīng)3年以上婦女，腰椎、股骨頸、大轉(zhuǎn)子、全髖BMD在-1.5SD～-3.5SD之間，研究對象隨機(jī)服用odanacatib 50mg/周或安慰劑，同時每周服用維生素D35600IU和每日補(bǔ)充鈣劑1200mg。治療2年后，與基線時比較，腰椎和股骨頸BMD分別增加5.4%和3.8%，血CTX和P1NP分別下降54%和9.1%，同時兩組不良反應(yīng)無明顯差異。從以上臨床試驗(yàn)結(jié)果我們可以得出，選擇性CTSK拮抗劑具有顯著增加骨量、降低骨吸收的療效，且總體耐受性良好。

展望與挑戰(zhàn)

依據(jù)OPG/RNKL/RANK、Wnt/β-catenin和CTSK信號通路研發(fā)的抑制骨吸收或者促進(jìn)骨形成的抗骨質(zhì)疏松藥物，正是基于罕見或少見的遺傳性骨病的致病基因之發(fā)現(xiàn)，值得我們國內(nèi)學(xué)者關(guān)注和學(xué)習(xí)。在臨床關(guān)注罕見疾病家系的收集及分子機(jī)制的研究，不但可以明確診斷罕見疾病，而且對常見疾病治療藥物的研發(fā)具有重大意義。

總 結(jié)

從目前的臨床研究結(jié)果來言，上述信號通路研發(fā)的抗骨質(zhì)疏松新型藥物均具有良好的療效，部分藥物已經(jīng)在中國開展臨床試驗(yàn)。當(dāng)然，這些藥物的遠(yuǎn)期療效和潛在不良反應(yīng)尚待觀察，而且確切的作用機(jī)制以及與其他抗骨質(zhì)疏松藥物聯(lián)合應(yīng)用之療效均需要證實(shí)。

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