鐵蓄積、骨內(nèi)血管與骨質(zhì)疏松關(guān)系的研究進(jìn)展

單宇 王亮 張敏 鞠文 徐又佳*

1. 蘇州市吳江區(qū)第一人民醫(yī)院骨科，江蘇 蘇州 215200 2. 蘇州大學(xué)附屬第二醫(yī)院骨科，江蘇 蘇州 215004

鐵蓄積對骨質(zhì)疏松癥的影響已得到了國內(nèi)外學(xué)者的認(rèn)可，鐵蓄積通過氧化應(yīng)激、Wnt/β-catenin信號通路等途徑，抑制骨形成，促進(jìn)骨吸收[1-2]。骨質(zhì)疏松與骨內(nèi)血管的關(guān)系是近些年研究的熱點(diǎn)，骨內(nèi)存在一種特殊血管亞型，與骨形成相偶聯(lián)，二者間偶聯(lián)的機(jī)制可由Notch信號來解釋，老年后骨形成與血管形成均下降，但可為專用藥物所逆轉(zhuǎn)[3-5]。既然骨質(zhì)疏松與血管形成存在密切關(guān)聯(lián)，那么，鐵蓄積影響骨代謝是否通過調(diào)控骨內(nèi)血管從而影響骨代謝呢？筆者對近5年“鐵蓄積”與“骨質(zhì)疏松”、“骨質(zhì)疏松”與“骨內(nèi)血管”及“鐵蓄積”對“骨內(nèi)血管”影響的相關(guān)文獻(xiàn)作一綜述。

1 鐵蓄積的定義

臨床上反映機(jī)體鐵穩(wěn)態(tài)的主要指標(biāo)是血清鐵蛋白[6]。當(dāng)血清鐵蛋白大于1000 ug/L時(血清鐵蛋白正常值男性為15～200 ug/L、女性為12～150 ug/L)，常被認(rèn)為存在病理性鐵過載；當(dāng)血清鐵蛋白大于正常值而小于1000 ug/L時，被認(rèn)為存在鐵蓄積。機(jī)體目前已知的排鐵方式主要有排便、月經(jīng)、皮膚等。鐵蓄積常發(fā)生于絕經(jīng)后女性，主要原因包括以下幾點(diǎn)：①女性經(jīng)月經(jīng)排鐵約36 mg/年，一旦絕經(jīng)，排鐵減少，常發(fā)生鐵蓄積；②雌激素下降至正常值10%，血清鐵蛋白水平可增加2～3倍[7]。Cho等[8]對1691名絕經(jīng)前女性和1391名絕經(jīng)后女性進(jìn)行臨床相關(guān)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)血清鐵蛋白的增加與絕經(jīng)后女性代謝癥候群有關(guān)，而與絕經(jīng)前女性的狀態(tài)無關(guān)。所以，圍絕經(jīng)期及絕經(jīng)后期相關(guān)癥狀與疾病可能與血清鐵蛋白水平升高存在相關(guān)性。

2 鐵蓄積對骨質(zhì)疏松的影響

2006年美國學(xué)者Weinberg[9]提出鐵蓄積是骨質(zhì)疏松的獨(dú)立危險因素，鐵蓄積能抑制成骨細(xì)胞的分化，干擾骨的再生與修復(fù)。2013年徐又佳等[10]在《中華醫(yī)學(xué)雜志》發(fā)表專家論壇《鐵與性激素關(guān)系在骨質(zhì)疏松性別差異中的影響》；2015年徐又佳等[6,11]在《中華骨科雜志》分別發(fā)表述評及綜述《重視絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松性骨折及鐵蓄積》和《鐵蓄積與絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松關(guān)系的研究進(jìn)展》；2016年趙國陽等[12]分析臨床相關(guān)數(shù)據(jù)認(rèn)為輸血相關(guān)鐵蓄積的患者存在骨密度的降低，骨密度與體內(nèi)鐵蓄積的水平呈負(fù)相關(guān)。這一系列文章都說明鐵蓄積與骨量下降、骨質(zhì)疏松關(guān)系極其密切，是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)，這一理念為骨質(zhì)疏松相關(guān)疾病的防治提供了新的理論。筆者分別從細(xì)胞和臨床病例方面作一總結(jié)。

2.1 鐵蓄積對成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞及間充質(zhì)干細(xì)胞的影響

Borriello等[13]提取人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells，MSCs)進(jìn)行體外培養(yǎng)，應(yīng)用鐵劑干預(yù)，觀察MSCs增殖、分化的情況，鐵通過激活MAPK信號通路明顯抑制MSCs向成骨細(xì)胞分化，并干擾基質(zhì)礦化。Xie等[14]通過提取小鼠股骨、脛骨骨髓細(xì)胞并進(jìn)行體外培養(yǎng)，使用不同濃度外源性鐵劑干預(yù)3～5 d后，觀察到骨髓源性巨噬細(xì)胞向破骨細(xì)胞分化的程度增加，而去鐵胺(deferoxamine，DFO)治療后可部分抑制其分化作用。國內(nèi)劉祿林[15]等報道DFO治療后可緩解鐵蓄積導(dǎo)致的破骨細(xì)胞增強(qiáng)和成骨細(xì)胞功能的抑制，從而提高骨密度、改善骨微結(jié)構(gòu)。

Tsay等[16]建立鐵蓄積小鼠模型，鐵蓄積后小鼠體內(nèi)產(chǎn)生過量活性氧，造成骨量下降及骨顯微結(jié)構(gòu)的破壞，使用抗氧化劑后能部分改善骨量。Zhang等[17]報道鐵蓄積對小鼠骨髓微環(huán)境也產(chǎn)生不良影響，該團(tuán)隊構(gòu)建鐵蓄積小鼠模型，觀察骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖及分化，證實鐵蓄積后MSCs增殖能力下降，成骨/成脂分化失衡，應(yīng)用抗氧化劑治療可部分緩解骨髓細(xì)胞的受損程度。國內(nèi)袁曄等[18]報道鐵蓄積小鼠模型，骨髓內(nèi)造血干細(xì)胞也受影響，該研究提示鐵蓄積導(dǎo)致成骨相關(guān)指標(biāo)明顯受到抑制，而造血干細(xì)胞的數(shù)量及功能呈現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)象，考慮可能與造血干細(xì)胞是破骨細(xì)胞的前體有關(guān)。Wang等[19]報道鐵蓄積小鼠增加了氧化應(yīng)激的水平，在雌激素存在的情況下，鐵蓄積對骨的影響較小，而雌激素一旦缺失(去勢)，鐵蓄積通過促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化顯著降低了骨量。國內(nèi)王嘯等[20]報道了一定濃度的高鐵環(huán)境可升高活性氧水平，通過促進(jìn)p50-65二聚體核易位，加速單核細(xì)胞RAW264.7向破骨細(xì)胞分化，骨量下降。

2.2 鐵蓄積與臨床患者相關(guān)性分析

國內(nèi)張林林等[21]率先在本領(lǐng)域進(jìn)行了臨床相關(guān)研究，他們回顧性分析了76例絕經(jīng)后髖部脆性骨折患者臨床資料，結(jié)果顯示絕經(jīng)后髖部骨折患者的骨密度與血清鐵蛋白相關(guān)。張偉等[22]對156例絕經(jīng)后股骨頸骨折患者的股骨頭進(jìn)行骨鐵含量測定，發(fā)現(xiàn)股骨頸脆性骨折患者骨鐵含量隨年齡增加而升高，且高齡女性骨小梁邊緣和表面均有鐵沉積，而年輕女性則未見。Li等[23]在《Osteoporosis Int》發(fā)表綜述，闡述了鐵穩(wěn)態(tài)在骨質(zhì)疏松防治中具有潛在的臨床作用。Chen等[24]認(rèn)為降低鐵蓄積對絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松防治具有重要的臨床價值。韓國學(xué)者Kim等[25-26]對1729名體檢人群股骨頸骨密度與血清鐵蛋白進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)二者呈負(fù)相關(guān)；該團(tuán)隊又對45歲以上693名女性進(jìn)行股骨頸骨強(qiáng)度和血清鐵蛋白結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，高血清鐵蛋白與低股骨頸骨強(qiáng)度有關(guān)；因此他們認(rèn)為鐵蓄積可能是骨密度下降的獨(dú)立危險因素。

3 骨內(nèi)血管與骨形成的偶聯(lián)關(guān)系

2014年德國學(xué)者Kusumbe等[3]通過對小鼠骨組織進(jìn)行免疫熒光染色，發(fā)現(xiàn)在鼠類骨骼系統(tǒng)中存在一種新的毛細(xì)血管亞型，這種特殊的亞型血管表現(xiàn)為兩種內(nèi)皮細(xì)胞表面抗體共定位(CD31和Emcn)，這種特殊的亞型血管之所以重要，是因為其周圍伴隨大量Osterix陽性染色的骨祖細(xì)胞，進(jìn)一步分化為成骨細(xì)胞參與骨形成，二者的偶聯(lián)關(guān)系主要存在于骨骺端及骨內(nèi)膜區(qū)，而在骨干部位幾乎不存在，這種現(xiàn)象可能與干骺端、骨膜下骨代謝活躍有關(guān)。所以，研究骨內(nèi)特殊血管與骨形成之間的偶聯(lián)具有潛在的臨床意義。Ramasamy等[5]進(jìn)一步證明Notch信號通路參與了二者的偶聯(lián)機(jī)制，在內(nèi)皮細(xì)胞上特異性敲除Notch信號通路的相關(guān)基因，不僅骨量下降，形態(tài)變短，骨小梁稀疏，而且骨內(nèi)特殊亞型血管也減少，應(yīng)用外源性Noggin(骨形態(tài)蛋白拮抗劑)可部分恢復(fù)骨量。同年，Xie等[4]報道破骨細(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)這種特殊的亞型血管并刺激了骨形成。為了強(qiáng)調(diào)上述發(fā)現(xiàn)，Kusumbe等[27]在《Nature Medicine》上發(fā)表評述《破骨前體細(xì)胞可促進(jìn)骨內(nèi)血管新生與骨形成》?？梢?，骨內(nèi)存在特殊亞型血管偶聯(lián)了骨形成與血管形成，進(jìn)一步研究其在骨代謝領(lǐng)域的作用具有重要的臨床價值。

4 鐵蓄積與血管形成

4.1 鐵蓄積對組織器官血管形成的影響

張強(qiáng)等[28]報道在腫瘤的生長過程中鐵能促進(jìn)三陰性乳腺癌類血管的形成，三陰性乳腺癌細(xì)胞可通過自身變形形成類血管樣結(jié)構(gòu)，給腫瘤細(xì)胞提供營養(yǎng)，DFO處理后能明顯抑制類血管樣管腔的形成。鐵蓄積可增加心血管病的風(fēng)險，引起血壓升高，促進(jìn)動脈粥樣硬化形成，通過產(chǎn)生氧自由基對血管產(chǎn)生損傷，加重心力衰竭；過多鐵蛋白是腦損傷過程中的危險因素之一，參與了自由基的形成，損傷血管內(nèi)皮細(xì)胞，可引起腦卒中或再灌注損傷[29]。所以，鐵水平的檢測可作為動脈粥樣硬化程度和預(yù)測腦梗死風(fēng)險的重要指標(biāo)。在腫瘤細(xì)胞代謝中鐵蓄積可促進(jìn)類血管腔形成，而在心血管及腦血管病的發(fā)病過程中，可產(chǎn)生血管損傷，加速了腦卒中、冠心病的發(fā)生。

4.2 鐵蓄積對骨相關(guān)血管形成的影響

鐵蓄積對骨的影響除了對破骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞及骨髓相關(guān)細(xì)胞方面的作用以外，是否還存在其他方面的作用從而影響骨代謝呢？筆者查閱文獻(xiàn)，作一總結(jié)。

Eckard等[30]、Jian 等[31]通過體外細(xì)胞培養(yǎng)證實鐵缺乏能穩(wěn)定HIF信號通路，顯著促進(jìn)VEGF的分泌，增強(qiáng)血管形成；而鐵蓄積則增加了氧化應(yīng)激的水平并激活MAPK信號通路，抑制血管新生。Saghiri等[32]發(fā)表綜述評價多種元素(N、Fe、Se、P、Au和Ca)對血管形成的影響，體外實驗表明鐵蓄積干擾了HIF的穩(wěn)定性，下調(diào)HIF相關(guān)信號通路基因的表達(dá)，導(dǎo)致VEGF水平下降，抑制血管形成。Farberg等[33]通過對動物下頜骨進(jìn)行延長實驗，證實應(yīng)用去鐵胺能顯著促進(jìn)血管形成，加速骨再生。國內(nèi)王亮等[34]首先在人的骨標(biāo)本中發(fā)現(xiàn)H亞型血管的存在，并進(jìn)一步探討了骨質(zhì)疏松患者的骨標(biāo)本中H亞型血管的量較非骨質(zhì)疏松明顯減少，提示H亞型血管與骨密度存在密切偶聯(lián)，那么，上述實驗結(jié)果提示鐵蓄積可通過抑制骨內(nèi)血管形成來干擾骨形成，降低鐵蓄積可緩解其對血管及骨形成的影響，這或許是鐵蓄積干擾骨形成領(lǐng)域新的熱點(diǎn)(圖1)。

圖1 鐵蓄積通過影響骨內(nèi)血管形成導(dǎo)致骨生成障礙Fig.1 Iron accumulation leads to osteogenesis disturbance by affecting the formation of blood vessels in the bone

5 小結(jié)

綜上所述，臨床上確實存在鐵蓄積的患者，鐵蓄積程度與年齡相關(guān)，常引起骨量下降。骨形成與血管形成的偶聯(lián)是近年比較熱點(diǎn)的話題，本文從二者的偶聯(lián)現(xiàn)象、機(jī)制及相關(guān)干預(yù)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，為臨床相關(guān)問題的解決提出了新的思路。另外，筆者對鐵蓄積影響血管的可能機(jī)制也進(jìn)行了初步闡述，希望能引入鐵蓄積對骨內(nèi)血管方面的研究，為臨床鐵蓄積導(dǎo)致骨密度降低的機(jī)制提供新的思路。