微循環(huán)與骨質(zhì)疏松的關(guān)系

陳瓊 王亮

1.山西醫(yī)科大學(xué)，山西 太原 030001 2.解放軍第309 醫(yī)院綜合骨科骨內(nèi)科, 北京 100091

骨質(zhì)疏松癥是以骨量減少，骨質(zhì)量受損及骨強度降低，導(dǎo)致骨脆性增加、易發(fā)生骨折為特征的全身性骨病[1],其發(fā)生主要與絕經(jīng)、老齡有關(guān)。骨骼由支配它的血管來完成營養(yǎng)的輸送及廢物的代謝，如果支配它的微循環(huán)出現(xiàn)障礙，是否會影響骨代謝從而導(dǎo)致骨質(zhì)疏松？我國部分中醫(yī)認為骨的微損傷導(dǎo)致骨內(nèi)壓升高、骨內(nèi)血液動力學(xué)和血液流變學(xué)發(fā)生異常、骨組織缺血缺氧加重、引起微循環(huán)障礙、導(dǎo)致骨重建障礙，形成惡性循環(huán)[2]。國內(nèi)學(xué)者韓英、眭承志、王紹萍等對骨質(zhì)疏松患者的甲襞微循環(huán)觀察研究發(fā)現(xiàn)其微循環(huán)較正常對照組有顯著改變[3-5]。但是國內(nèi)關(guān)于微循環(huán)與骨密度具體關(guān)系及作用機制研究報道較少。

國外研究報道認為，血管生成在骨骼的生理生長和重塑過程中起著重要作用，血管化對于骨小梁骨內(nèi)膜表面的骨重建或皮質(zhì)骨內(nèi)的哈佛氏管以及對軟骨下骨界面的平衡都很重要，血管同時還可以調(diào)節(jié)循環(huán)細胞的運輸及提供所謂內(nèi)分泌信號調(diào)節(jié)控制體內(nèi)器官組織的生長和平衡。在哺乳動物的骨骼系統(tǒng)，血管網(wǎng)的生長由軟骨細胞和骨細胞產(chǎn)生的信號因子調(diào)控。而同時，血管也具有影響新骨的成骨作用。最近的研究發(fā)現(xiàn)小鼠骨骼系統(tǒng)一些特定位置的毛細血管，調(diào)節(jié)骨骼血管的生長，直接影響骨的新陳代謝和微環(huán)境，營養(yǎng)血管周的骨祖細胞及耦合骨的血管生成和骨的生長。研究報道，血管生成可能比成骨先發(fā)生。并且，減少或血流量不足與受損的骨折愈合障礙和骨質(zhì)疏松癥相關(guān)[6,7]。

1 分子生物學(xué)研究

1.1 血管與骨的形成

血管與骨骼聯(lián)系緊密，血管為骨骼提供氧、營養(yǎng)、激素、細胞因子，以及破骨細胞前體細胞和成骨細胞，而骨骼中的破骨細胞，成骨細胞和骨細胞又反過來調(diào)節(jié)骨重塑中微血管的生成及維持。既往研究表明骨細胞能夠產(chǎn)生血管生成因子，而血管內(nèi)皮可以產(chǎn)生成骨因子，這也說明骨細胞和內(nèi)皮細胞之間存在密切的信息傳遞[8]。微血管周細胞也被證明具有向軟骨細胞、成骨細胞、脂肪細胞、成纖維細胞分化的潛能[9]。調(diào)節(jié)局部血管內(nèi)皮細胞和血管周細胞的骨血管生成因子，由來自骨重塑(BRC)中的基礎(chǔ)多細胞單位(BMU)細胞產(chǎn)生，這些血管生成因子包括VEGF(血管內(nèi)皮生長因子)，bFGF(堿性成纖維細胞生長因子)，BMP7(骨形成蛋白7)，NF-κB(核轉(zhuǎn)錄因子kappa B)配體RANKL(核因子κ B受體活化因子配體)的受體激活劑和EGF(表皮生長因子)樣家族成員[8]。其中，PDGF B/ PDGFRB(血小板源性生長因子B/血小板源性生長因子受體B)信號通路在微血管周細胞的增殖和粘附中起著至關(guān)重要的作用[10]。EGF樣的家庭成員，HB-EGF(肝素結(jié)合性表皮生長因子)也具有調(diào)節(jié)血管周細胞的增殖和募集的作用[11]。而且，骨局部環(huán)境中已發(fā)現(xiàn)由破骨細胞及成骨細胞表達的表皮生長因子EGFL 2，EGFL 3，EGFL 5，EGFL6，EGFL7，EGFL8和EGFL9[12]，其可能在血管生成中也起著重要作用[13]。

1.2 骨與血管的耦合

既往就有研究表明，骨血管的生長及骨的生長是耦合在一起的，但相對很少有人知道潛在的細胞和分子機制。Kusumbe 等[14]對小鼠的股骨及脛骨分子顯微結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)大量的分支動脈分布于干骺端，一些遠端小動脈的末端為骨內(nèi)膜的毛細血管。在干骺端和骨內(nèi)膜，內(nèi)皮細胞呈管柱狀和拱形排列，CD31及Emcn抗體呈強陽性，稱為H型內(nèi)皮，在CD31標(biāo)記陽性的干骺端和骨內(nèi)膜血管，I a型膠原蛋白成骨細胞、 Runx2早期骨祖細胞均較豐富，表達PDGFRβ(血小板源性生長因子受體)的間充質(zhì)細胞也與干骺端和骨內(nèi)膜具有H型內(nèi)皮的血管有很好的關(guān)聯(lián)性。且H型內(nèi)皮細胞分泌Pdgfa(血小板源性生長因子a)，Pdgfb(血小板源性生長因子b)，Tgfb1 (β轉(zhuǎn)化生長因子1)，Tgfb3(β轉(zhuǎn)化生長因子3)和Fgf1(成纖維細胞生長因子1)，促進骨祖細胞的存活和增殖。而衰老過程中H型內(nèi)皮細胞也會隨之丟失。H型血管內(nèi)皮下降和骨祖細胞的減少可能為老齡化過程中骨量丟失的重要原因，這也可能使老年人成骨治療有新的改進[18]。Xie等[15]也指出骨形成和重建過程中的成骨過程與血管生成相耦合。內(nèi)皮細胞抗體CD31和endomucin強陽性(簡稱CD31(hi)Emcn(hi))的特殊類型的血管，與血管生成和成骨相偶聯(lián)。骨形成和重建過程中，破骨細胞前體細胞分泌的PDGF-BB(血小板源性生長因子二聚體)促進CD31(hi)Emcn(hi)血管形成，從而增加骨小梁數(shù)量及皮質(zhì)骨骨量。通過促進破骨細胞前體細胞分泌PDGF-BB，從而促進血管生成和骨形成是治療骨質(zhì)疏松癥的治療新靶點。Kusumbe及 Ramasamy等[14,16]指出，用來定義骨骼系統(tǒng)的局部微環(huán)境的血管，在骨形成過程中起著至關(guān)重要的作用，為造血干細胞提供微環(huán)境。內(nèi)皮細胞中的Notch信號導(dǎo)致骨中造血骨干細胞微環(huán)境的擴增，包括CD31抗體陽性毛細血管和PDGFRβ(血小板源性生長因子受體)陽性的血管周細胞的增加，以及小動脈形成和細胞干細胞因子水平升高。

Ramasamy等[17]指出小鼠中Notch信號誘導(dǎo)的特異性血管內(nèi)皮細胞和基因的破壞，不僅損害骨血管的形態(tài)和生長，也導(dǎo)致成骨減少，長骨縮短，軟骨細胞缺乏，骨小梁減少以及骨量減少。在一系列的遺傳實驗的基礎(chǔ)上，得出結(jié)論，突變體的骨缺損導(dǎo)致有缺陷的angiocrine(內(nèi)分泌血管)上的內(nèi)皮細胞上釋放Noggin蛋白(頭蛋白)，這些都由Notch信號來調(diào)控。重組Noggin蛋白，一種內(nèi)分泌拮抗骨形態(tài)發(fā)生的蛋白，能修復(fù)骨骼的生長和礦化，軟骨細胞的成熟，骨小梁的構(gòu)架及內(nèi)皮細胞特異性的Notch信號通路突變體中的骨祖細胞的數(shù)量。這些發(fā)現(xiàn)建立了一個耦合血管生成、angiocrine信號和成骨的分子框架，這可能為未來治療應(yīng)用的發(fā)展帶來重大意義。

另外，研究發(fā)現(xiàn)，使用血管緊張素轉(zhuǎn)換酶 (ACE) 抑制劑通過對 RAS 的阻斷能減輕骨質(zhì)疏松，能降低骨折發(fā)生率，Shimizu等[18]的動物實驗也證實了這一點：卵巢去勢引起骨密度下降的大鼠使用ACE 抑制劑治療后，抗酒石酸酸性磷酸酶 (TRAP) 活性及尿脫氧吡啶啉水平均有降低。這也說明擴血管、改善骨骼局部血液循環(huán)能使破骨細胞活性降低。

2 動物實驗

Liu等[19]對骨質(zhì)疏松的動物模型進行了微循環(huán)的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)術(shù)后第12個月時，兩組卵巢切除手術(shù)組出現(xiàn)了明顯的骨質(zhì)疏松，且去卵巢-飲食干預(yù)組比去卵巢-類固醇組骨質(zhì)疏松更為嚴(yán)重。與健康對照比較(假手術(shù)組)、骨質(zhì)疏松的小鼠在術(shù)后第12個月出現(xiàn)了：血管通透性降低，血管成熟度增加，血管數(shù)量減少，血管腔縮窄，而血管直徑無明顯變化、血管外空間不變，擴散度不變。Ding 等[20]對60只小鼠進行了實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在卵巢切除小鼠的脛骨干骺端，骨密度、骨生物力學(xué)參數(shù)，微血管數(shù)量和VEGF較正常對照組明顯減少，其骨微結(jié)構(gòu)也被打亂了。因此得出脛骨干骺端局部血液供應(yīng)減少可能與絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥相關(guān)的結(jié)論。Faǐtel’son等[21]發(fā)現(xiàn)在白色Wistar 雌性大鼠去卵巢后，骨性組織微循環(huán)血管內(nèi)皮功能障礙發(fā)育，導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的發(fā)生。Wang等[22]曾報道說，在去勢雄性大鼠造模的骨質(zhì)疏松動物模型上，其椎體灌注有降低。

Rajkumar等[23]對222只白色 Wistar 雌性大鼠 進行了實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在大鼠去卵巢后，骨組織微循環(huán)血管的內(nèi)皮功能障礙，導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生以及實驗性骨折愈合延遲。使用依那普利和氯沙坦改善骨的微循環(huán)障礙后，能減緩骨小梁變薄和防止裂縫的發(fā)生，提高了骨折的愈合質(zhì)量。Szabó 等[24]對卵巢切除后大鼠補充雌激素治療實驗，發(fā)現(xiàn)慢性雌激素補充，通過減少腫瘤壞死因子-α 的釋放和骨膜中中性粒細胞的數(shù)目，顯著改善短暫性缺血對微循環(huán)的影響，從而逆轉(zhuǎn)骨質(zhì)疏松癥。

Dominguez等[25]將344只雄性Fischer大鼠分為兩組，其中一組進行耐力運動訓(xùn)練，結(jié)果發(fā)現(xiàn)實驗組股骨遠端的骨小梁體積較久坐不動組增加，同時骨和骨髓血流量增加及NOS(一氧化氮合酶)信號通路的上調(diào)與股骨骨小梁體積分?jǐn)?shù)(BV/TV)增加相關(guān)。實驗組恢復(fù)了因年齡下降導(dǎo)致的血管床血管舒張功能的減弱，從而改善骨特性。并因此得出結(jié)論：與年齡相關(guān)的骨質(zhì)疏松癥是與骨血流減少及一氧化氮(NO)介導(dǎo)骨血管舒張的能力下降有關(guān)。

3 臨床實驗

既往研究表明，脊椎骨骨髓微循環(huán)灌注的下降與BMD流失高度相關(guān)[26,27]。Ouyang等[28]對186名普通人群進行分層隨機抽樣及按年齡分組研究。對受試者的第三和第四腰椎椎體進行CTP和BMD檢查，采用CT動態(tài)增強掃描灌注成像了解腰椎微循環(huán)的血流動力學(xué)狀態(tài)。研究結(jié)果表明，脊椎骨髓微循環(huán)改變在很大程度上與年齡有關(guān)；當(dāng)年齡超過35歲時，其灌注壓降低，BF(血流量)速度減慢， BV(血容量)下降，以及組織的血液擴散能力降低。其研究表明，椎體骨髓的微循環(huán)系統(tǒng)到25歲才發(fā)展成熟，并從26至35歲保持一個穩(wěn)定的階段，卻在 35歲以后隨著年齡的增長而減少。骨密度與微循環(huán)灌注有著類似的成熟過程，在25歲時達到平臺期，從26至45歲維持在一穩(wěn)定水平，然后隨著年齡而下降。該研究揭示了與年齡相關(guān)的腰椎骨髓的微循環(huán)功能和骨密度、IDD(椎間盤退變)、和時空分布格局的變化規(guī)律，以及微循環(huán)功能下降先于骨密度的減少和椎間盤退變的增加。并推論微循環(huán)灌注障礙是骨密度流失和加速度IDD(椎間盤退變)的潛在原因。Ma等[29]發(fā)現(xiàn)在骨質(zhì)疏松患者灌注參數(shù)額外減少，振幅 A 也有減少，滲透性常數(shù) (A*k(ep)) 和清除率 (k(el))也有減少。同時發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)疏松骨骨髓脂肪含量增加。

Reeve等[30]對20例未經(jīng)治療的特發(fā)性或絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥患者，在6周內(nèi)進行骨骼血流(使用18F)和骨轉(zhuǎn)換(使用85Sr)的動力學(xué)研究與經(jīng)髂骨活檢的動態(tài)計量研究結(jié)合相結(jié)合。發(fā)現(xiàn)18F測得的骨骼肌血流量與吸收到骨交換池中85Sr的指數(shù)相關(guān)。此外，骨骼的血流量與骨的每一多細胞單位的成骨細胞的工作率指數(shù)獨立相關(guān)。

Stewart等[31]對18名 46～63 歲的婦女進行足底刺激與直立傾斜試驗，以增強受試者下半身的血液循環(huán)，采用應(yīng)變?nèi)莘e描記法測量小腿血流量、靜脈容量，和微過濾的關(guān)系，以及阻抗容積描記法檢測在保持35度直立傾斜仰臥姿勢時腿、內(nèi)臟及胸部血流的變化。結(jié)果表明，足底振動可以顯著提高外周血和全身血液循環(huán)，外周淋巴管循環(huán)，和靜脈回流，從而影響骨量。因此足底的振動可能對預(yù)防和治療骨質(zhì)疏松癥是一種有效的方法。

4 小結(jié)

骨的微循環(huán)及骨的生長是耦合在一起的，為造血干細胞提供微環(huán)境，分子生物實驗研究表明：H型內(nèi)皮細胞與成骨相關(guān)聯(lián)，破骨細胞前體細胞分泌PDGF-BB，從而促進血管生成和骨形成。而Notch信號誘導(dǎo)的angiocrine(內(nèi)分泌血管)釋放Noggin蛋白，導(dǎo)致骨小梁減少以及骨量減少；動物實驗研究表明：骨質(zhì)疏松的小鼠較對照組血管通透性降低、血管成熟度增加、血管數(shù)量減少、血管腔縮窄、長骨干骺端及椎體的血供減少，而血管直徑無明顯變化、血管外空間不變，擴散度不變；臨床實驗研究則表明：脊椎骨骨髓微循環(huán)灌注的下降與BMD流失高度相關(guān)，改善骨的微循環(huán)能促進骨折愈合及改善骨質(zhì)量。因此，防止H型內(nèi)皮細胞的丟失、以及生產(chǎn)一種內(nèi)分泌拮抗骨形態(tài)發(fā)生的重組Noggin蛋白、改善骨微循環(huán)，將成為骨質(zhì)疏松的預(yù)防和治療的新方向。