H亞型血管與骨質(zhì)疏松癥

韓鈞 孫偉* 高福強 李子榮

1. 北京大學(xué)中日友好臨床醫(yī)學(xué)院，北京 100029 2. 中日友好醫(yī)院骨關(guān)節(jié)外科，北京 100029

骨質(zhì)疏松癥是以骨量丟失和骨微結(jié)構(gòu)退變?yōu)樘攸c的骨骼疾病，可導(dǎo)致骨骼脆性增加，發(fā)生骨折的風(fēng)險也隨之變高[1-3]。值得注意的是，這種全身性的疾病在臨床上往往得不到及時和應(yīng)有的治療，最終出現(xiàn)因骨折而引發(fā)的一系列嚴重并發(fā)癥。所以，骨質(zhì)疏松性骨折的臨床干預(yù)及圍手術(shù)期管理對降低骨質(zhì)疏松性骨折的發(fā)生率具有積極作用[4]。骨質(zhì)疏松性骨折的發(fā)生主要取決于兩個關(guān)鍵因素：骨骼的機械強度和作用于骨骼的應(yīng)力。骨骼機械強度降低是發(fā)生骨折的必要條件，而凡是影響骨量的因素均可引起骨骼機械強度的改變[5-6]。

目前，普遍接受的兩種骨質(zhì)疏松的危險因素是雌激素水平降低和高齡，前者見于絕經(jīng)后的女性人群，后者主要見于老年男性人群[7-10]。雌激素水平降低和高齡的致病機制均是基于影響破骨細胞的增殖，骨吸收作用大于骨形成作用，最終導(dǎo)致骨量的損失[11-12]。所以，骨質(zhì)疏松癥的治療通常集中于調(diào)節(jié)骨代謝等方面。近年來，血管形成與骨形成之間的偶聯(lián)關(guān)系成為骨質(zhì)疏松治療的新突破點。正常骨形成的維持需要間質(zhì)干細胞不斷向骨祖細胞分化，繼而形成成骨細胞，參與骨形成，維持骨的穩(wěn)態(tài)[13-14]，這對保證新骨形成、骨折愈合的再生修復(fù)必不可少，而整個過程需要血管參與[15-16]。動物實驗表明應(yīng)用他昔莫芬處理小鼠制作骨質(zhì)疏松模型，發(fā)現(xiàn)骨量與骨內(nèi)血流灌注量幾乎同步下降，而特定藥物干預(yù)治療后可逆轉(zhuǎn)骨量下降并恢復(fù)骨內(nèi)血管的形成[17-18]；體外細胞實驗也證實血管內(nèi)皮細胞分泌的一種生長因子可抑制破骨細胞的分化[19]。Kusumbe等[20]和 Ramasamy等[21]的研究顯示，骨骼內(nèi)血管根據(jù)內(nèi)皮細胞位置和功能的區(qū)別，可分為H亞型血管和L亞型血管，而H亞型血管可促進其周圍骨祖細胞的分化與增殖。本文將圍繞H亞型血管與骨形成的關(guān)系進行綜述如下。

1 H亞型血管的組織和功能特點

Kusumbe等[20]在實驗小鼠中發(fā)現(xiàn)，干骺端、骨內(nèi)膜及骨髓腔區(qū)域的毛細血管分布著兩類亞型內(nèi)皮細胞。根據(jù)內(nèi)皮細胞表面抗體的表達差異，可分為H亞型血管和L亞型血管。H亞型血管主要分布于干骺端和骨膜下，表現(xiàn)為兩種內(nèi)皮細胞標記抗體(CD31和EMCN)強陽性；而L亞型血管表現(xiàn)為兩種內(nèi)皮細胞抗體(CD31或EMCN)弱陽性，分布于骨干區(qū)。王亮等[22]取股骨近端轉(zhuǎn)子間骨折行近端髓內(nèi)釘固定患者的骨標本進行實驗，證明人的骨組織也存在H亞型血管和L亞型血管。

雖然H亞型內(nèi)皮細胞在數(shù)量上僅占所有骨內(nèi)皮細胞的1.77%和整個骨髓內(nèi)皮細胞的0.015%，但H亞型血管周圍聚集著大量的Osterix+骨祖細胞[(70.0±1.9)%]、膠原類1α+成骨細胞[(74.0±3.3)%]和Runx2+的早期骨祖細胞[(82.6±1.8)%][16]，而L亞型血管周圍卻幾乎沒有骨祖細胞分布。大量骨祖細胞聚集在H亞型血管周圍，提示兩種細胞間存在某種功能上的聯(lián)系。因此，Kusumbe等[20]從新鮮長骨中分離純化出兩種亞型內(nèi)皮細胞，并且分別檢測兩種亞型內(nèi)皮細胞中分泌型生長因子(促進骨祖細胞存活和增殖)的mRNAs 表達量。結(jié)果顯示，基因Pdgfa、Pdgfb、Tgbf1、Tgfb3 和Fgf1 的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在H 亞型內(nèi)皮細胞中的水平明顯高于L亞型內(nèi)皮細胞。此外，根據(jù)之前報道的機體老化過程中成骨細胞的數(shù)量會下降的結(jié)論[23]，Kusumbe等[20]還發(fā)現(xiàn)隨著小鼠老齡化，H亞型內(nèi)皮細胞在整體骨血管內(nèi)皮細胞含量不變的前提下也隨之降低，并且與小鼠機體的成骨細胞含量呈偶聯(lián)關(guān)系。

Kusumbe等[20]還發(fā)現(xiàn)H亞型內(nèi)皮細胞可調(diào)節(jié)骨內(nèi)新生血管的形成，是L亞型內(nèi)皮細胞的上游層次細胞。綜上所述，H亞型血管在骨形成和血管形成方面扮演著不可或缺的角色，可調(diào)節(jié)骨祖細胞的增殖與分化。

2 H亞型血管與骨形成的偶聯(lián)機制

Kusumbe等[20]和Xie等[24]研究發(fā)現(xiàn)，H亞型血管減少后可影響骨代謝的平衡，導(dǎo)致骨量下降。所以，H亞型血管與骨代謝存在“偶聯(lián)關(guān)系”，且這種偶聯(lián)關(guān)系可被破骨前體細胞分泌的血小板源性生長因子(platelet-derived growth factor-BB，PDGF-BB)進行正強化。這個觀點被認為是對以往“骨量變化與成骨細胞—破骨細胞平衡、鈣丟失、維生素D減少相關(guān)”的重大補充[25-27]。

關(guān)于H亞型血管與骨形成的偶聯(lián)關(guān)系的機制探討，Pugh等[28]首先根據(jù)H和L亞型內(nèi)皮細胞兩者間缺氧誘導(dǎo)型轉(zhuǎn)錄因子1α(Hif-1α)的表達水平不同的結(jié)論，觀察了Hif-1α功能缺失小鼠(Hif1αiΔEC)的骨形成和血管形成的情況，Hif-1α是一種轉(zhuǎn)錄因子，在調(diào)節(jié)細胞代謝和新血管形成方面具有重要的作用。結(jié)果顯示，與對照組小鼠相比較，Hif1αiΔEC小鼠骨骼的H 亞型內(nèi)皮細胞和骨祖細胞的數(shù)量極大地減少，但L亞型內(nèi)皮細胞的數(shù)量則沒有影響。相反，Hif-1α水平的提高會增加H 亞型內(nèi)皮細胞的數(shù)量，特別是在長骨的干骺端區(qū)域，而且這種現(xiàn)象會伴隨骨祖細胞數(shù)量和骨形成作用呈顯著性增加[20]。所以，H亞型內(nèi)皮細胞增殖和骨祖細胞形成與內(nèi)皮細胞性Hif-1α水平呈正相關(guān)，Hif-1α則可以誘導(dǎo)動物體血管生成和骨形成。

Ramasamy等[21]進一步通過內(nèi)皮細胞性Dll4-Notch 信號傳導(dǎo)途徑來研究內(nèi)皮細胞和成骨作用之間的分子串?dāng)_，Dll4-Notch 信號傳導(dǎo)途徑已經(jīng)在許多器官中被定義為血管生成作用的負性調(diào)節(jié)劑。令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)在小鼠出生后的長骨中Dll4-Notch 信號途徑對血管生成具有正向調(diào)節(jié)作用，這一現(xiàn)象強調(diào)了骨血管內(nèi)皮細胞的特殊性質(zhì)。在Dll4-Notch 信號傳導(dǎo)遺傳破壞的小鼠中發(fā)現(xiàn)，骨的血管形態(tài)和增殖均受到破壞，而且出現(xiàn)了成骨作用減弱、長骨變短、軟骨細胞缺失、小梁結(jié)構(gòu)及骨質(zhì)量減少流失等現(xiàn)象。相反，如果激活這些信號則會使成骨作用增強，骨量也隨之增加。同時，H亞型內(nèi)皮細胞在內(nèi)皮性Dll4-Notch 信號傳導(dǎo)激活作用下會增殖，而這正與H 亞型內(nèi)皮細胞在骨血管生長和骨形成過程中充當(dāng)重要角色的現(xiàn)象相一致。

研究人員接著對小鼠中內(nèi)皮細胞分泌的因子進行了分析，所采用的小鼠經(jīng)遺傳工程改造后具有激活Dll4-Notch信號傳導(dǎo)作用的特點，他們發(fā)現(xiàn)Noggin呈現(xiàn)強上調(diào)現(xiàn)象，Noggin是一種分泌性骨形態(tài)形成蛋白的拮抗劑。對內(nèi)皮細胞特異性Dll4-Notch信號途徑突變小鼠施以重組的Noggin進行處理后，小鼠骨的生長和礦化作用、軟骨細胞的成熟、小梁結(jié)構(gòu)的形成以及骨祖細胞的數(shù)量均恢復(fù)到正常狀態(tài)。而這種挽救作用背后的分子機制被追溯到Noggin對Sox9 蛋白局部表達以及血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)水平的恢復(fù)作用。蛋白Sox9既與啟動軟骨與骨之間轉(zhuǎn)變相關(guān)，又能調(diào)節(jié)VEGF的釋放，因此Dll4-Notch傳導(dǎo)途徑和Noggin的釋放將H 型內(nèi)皮細胞的促血管形成作用與成骨作用聯(lián)系在一起。

Xie等[24]發(fā)現(xiàn)破骨前體細胞分泌PDGF-BB可以促進骨形成和H型血管的形成。因為PDGF-BB可以誘導(dǎo)間質(zhì)干細胞和內(nèi)皮母細胞的遷移[29-30]，間質(zhì)干細胞可分化為成骨細胞，而內(nèi)皮母細胞可進分化為H亞型內(nèi)皮細胞。另外，間質(zhì)干細胞還可以分泌促進血管形成的VEGF，從而誘導(dǎo)H亞型內(nèi)皮細胞的形成[31]。

3 H亞型血管與骨質(zhì)疏松癥

目前，關(guān)于骨質(zhì)疏松癥的治療仍然集中于調(diào)節(jié)骨吸收與骨形成方面，而H亞型血管與骨形成之間的偶聯(lián)關(guān)系為骨質(zhì)疏松癥的治療提供找到了新的突破口[32]。Kusumbe等[20]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，隨著實驗小鼠的老齡化，H亞型內(nèi)皮細胞與成骨細胞的數(shù)量均隨之下降，這提示老年性骨質(zhì)疏松癥可能與H亞型內(nèi)皮細胞的減少有關(guān)。

關(guān)于H亞型血管與骨質(zhì)疏松癥的關(guān)系，王亮等[22]進行了相關(guān)實驗研究。他們對20例行股骨近端髓內(nèi)釘固定手術(shù)的患者進行取材，然后分為骨質(zhì)疏松組和非骨質(zhì)疏松組，每組各10人。患者均為絕經(jīng)后女性，年齡在60～70歲。實驗發(fā)現(xiàn)，人類骨骼中也存在H亞型和L亞型血管。H亞型血管主要表現(xiàn)為兩種內(nèi)皮細胞標記抗體(CD31和EMCN)強陽性，存在于干骺端與骨膜下；而L亞型血管僅表現(xiàn)一種特異抗體陽性，存在于骨干區(qū)。將骨質(zhì)疏松組與非骨質(zhì)疏松組對比后發(fā)現(xiàn)，兩組骨標本免疫熒光染色均發(fā)現(xiàn)了H亞型血管的存在，但兩組骨標本中H亞型血管的形態(tài)、走行及數(shù)量均存在明顯差異。非骨質(zhì)疏松組患者H亞型血管較多、分布完整，呈柱狀、弓狀，表現(xiàn)為CD31和EMCN強烈雙陽性染色；骨質(zhì)疏松組患者H型血管稀疏、分布凌亂，呈點狀、竇狀，表現(xiàn)為CD31和EMCN極弱的陽性染色。應(yīng)用專用軟件對血管的面積進行測量，發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)疏松組患者骨切片中特殊亞型血管的面積占總血管面積的比例較非骨質(zhì)疏松性骨折組明顯減少，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(t=26.66，P<0.0001)，說明H亞型血管的面積可能與骨密度存在相關(guān)性，此表現(xiàn)間接提示在骨質(zhì)疏松性骨折患者中進一步研究H亞型血管有很好的臨床價值。

4 展望

H亞型血管與骨形成存在密切偶聯(lián)關(guān)系，這一結(jié)論在骨質(zhì)疏松癥防治領(lǐng)域具有一定的前瞻性意義。根據(jù)H亞型血管與骨形成的偶聯(lián)機制，可以從多條思路來研究骨質(zhì)疏松癥的治療新方法。例如甲磺酸去鐵胺(deferoxaminemesylate，DFM)是一種抑制脯氨酰-4-羥化酶對Hif-1α進行降解的化合物，目前用于治療多鐵癥患者，一般與透析組合使用，因此該藥對骨質(zhì)疏松癥的臨床價值具有可預(yù)見性。DFM也許還可以考慮和二膦酸鹽藥物進行組合療法，后者通常用于治療慢性骨流失[33]。因此，H亞型血管在骨質(zhì)疏松癥防治方面具有廣闊前景，需要更多的基礎(chǔ)研究來做進一步探索。