放射性骨丟失機(jī)制與防護(hù)研究進(jìn)展

邱新宇，閆玉潔，奚可迪，張琨嵐，胡文濤(蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州，215123)

張 健(貴州中醫(yī)藥大學(xué)，貴陽，550025)

放射治療是控制或殺死癌癥患者腫瘤細(xì)胞最有效、不可缺少的方式之一，但是不可避免的會(huì)對周圍的正常骨組織造成損傷，通?？捎^察到未成熟骨骼的生長障礙、放射性骨壞死、骨質(zhì)疏松癥和病理性骨折，并在一定程度上影響患者的生活質(zhì)量。如，宮頸癌、子宮內(nèi)膜癌和前列腺癌患者接受放療后很可能出現(xiàn)盆腔功能不全性骨折[1-3]。最新動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究表明，電離輻射不僅引起照射部位骨丟失，非照射部位的骨組織也會(huì)出現(xiàn)，也即全身性的骨丟失[4-5]。并且，最早照射后一周內(nèi)即可出現(xiàn)骨丟失現(xiàn)象[5-9]。

骨是一種動(dòng)態(tài)平衡組織，成骨細(xì)胞的骨形成和破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收之間的協(xié)調(diào)而不斷重塑[10]。電離輻射可直接影響這些骨組織細(xì)胞的存活、增殖、細(xì)胞周期、細(xì)胞活性、凋亡、分化和基因表達(dá)。研究電離輻射對多種骨組織細(xì)胞的影響，有助于更好地理解電離輻射導(dǎo)致的骨重建破壞機(jī)制。本文從動(dòng)物水平和細(xì)胞水平兩個(gè)方面總結(jié)放射性骨丟失機(jī)制的研究現(xiàn)狀，并提出可能的防護(hù)措施。

1 電離輻射對骨組織的影響

1.1 電離輻射對動(dòng)物骨微觀結(jié)構(gòu)的影響

大多數(shù)實(shí)驗(yàn)研究采用低傳能線密度(LET)類型的輻射，如X射線和γ射線，以臨床放療使用的劑量為參考。表1總結(jié)了已經(jīng)發(fā)表的關(guān)于電離輻射對動(dòng)物骨微觀結(jié)構(gòu)的影響研究結(jié)果。文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，X射線、質(zhì)子束以及γ射線均可導(dǎo)致受照部位的骨丟失。就照射方式而言，不論全身照射和局部照射，還是單次照射和多次照射，均可導(dǎo)致嚴(yán)重的骨丟失。電離輻射對骨小梁以及皮質(zhì)骨的影響不同。2 Gy質(zhì)子或γ射線的全身照射可導(dǎo)致小鼠骨小梁微觀結(jié)構(gòu)的破壞，然而，在皮質(zhì)骨中卻沒有觀察到變化[7-11]。此外X射線(5或20 Gy)可導(dǎo)致骨小梁的顯著丟失，但是在后肢局部照射后的確觀察到皮質(zhì)骨的密度增加[9, 12]。

一些動(dòng)物研究不僅揭示了局部，還揭示了電離輻射對骨骼的系統(tǒng)性影響。不僅在照射部位，而且在非照射區(qū)域也檢測到骨丟失。Wright等[5]發(fā)現(xiàn)小鼠的右后肢接受2 Gy的X射線照射后，不僅破壞了受照區(qū)域的脛骨和股骨的骨小梁體積和微觀結(jié)構(gòu)，也破壞對側(cè)后肢骨的微觀結(jié)構(gòu)。與此研究相一致的是，當(dāng)Sprague-Dawley大鼠右側(cè)脛骨和股骨遠(yuǎn)端暴露于20 Gy的γ射線時(shí)，可發(fā)現(xiàn)全身性骨丟失。骨丟失不僅發(fā)生在照射的骨骼，而且發(fā)生在未照射的左肢[4]。進(jìn)一步的研究表明，與受照射側(cè)的骨髓相似，未經(jīng)照射的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的分化功能受到影響[4-13]。來自骨細(xì)胞或骨髓的信號可能會(huì)促進(jìn)輻射誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞的骨吸收[5-14]。這些結(jié)果表明，全身輻射誘導(dǎo)的骨丟失可能受到照射骨髓細(xì)胞的間接調(diào)節(jié)。需要說明的是，這些結(jié)果基于對整個(gè)后肢股骨和脛骨的輻照。最新研究發(fā)現(xiàn)，對單側(cè)小鼠股骨中段利用準(zhǔn)直器對骨髓腔施加5 mm精確的輻照后，也發(fā)生系統(tǒng)性骨丟失現(xiàn)象[15]。輻射敏感組織骨髓可能是輻射導(dǎo)致系統(tǒng)性骨丟失的關(guān)鍵。然而，一些研究者卻發(fā)現(xiàn)，當(dāng)右側(cè)脛骨干骺部在接受16 Gy局部照射時(shí)，沒有發(fā)現(xiàn)全身性骨丟失[16-17]。在他們的研究中，照射只是在一個(gè)以干骺端為中心的小的準(zhǔn)直場中進(jìn)行，避開了骨髓腔。

表1 電離輻射對動(dòng)物骨微觀結(jié)構(gòu)的影響

電離輻射除了破壞骨的微結(jié)構(gòu)外，還破壞骨有機(jī)基質(zhì)的成分，這可能是骨脆性增加的原因。采用拉曼光譜來分析電離輻射后骨的化學(xué)成分[18]，觀察到基質(zhì)和礦物質(zhì)的去極化顯著降低，且膠原交聯(lián)比率增加，并持續(xù)很長時(shí)間[18]。輻射誘導(dǎo)了骨骼糖基化的早期瞬時(shí)增加，這種異常改變了骨中的膠原基質(zhì)。但是，對骨膠原含量沒有影響[19]。

一些研究顯示嚙齒動(dòng)物暴露于電離輻射后造成骨密度增加。Wernle等[12]評估了X射線(5或20 Gy)局部照射后BALB/c小鼠的微觀結(jié)構(gòu)與股骨強(qiáng)度之間是否存在相關(guān)性。發(fā)現(xiàn)皮質(zhì)骨部分中骨密度呈劑量依賴性增加。盡管受照側(cè)肢骨量較高，骨強(qiáng)度仍未能維持。17.5 Gy X射線照射后兩周，照射后的脛骨也出現(xiàn)短暫的骨密度增加，這可能由于破骨細(xì)胞的數(shù)量立即減少導(dǎo)致[20]。應(yīng)該指出的是，這些研究使用高劑量的電離輻射，并且表明增加的骨密度可能與減少的破骨細(xì)胞數(shù)目相關(guān)。

血管化在骨代謝中起著關(guān)鍵作用，提供對骨形成有積極影響的營養(yǎng)物質(zhì)，氧氣和調(diào)節(jié)因子[21]。一些研究已經(jīng)證明電離輻射可以直接減少血管分布并抑制新血管形成，這可能與電離輻射誘導(dǎo)的骨丟失有關(guān)。對大鼠的脛骨施加單次劑量(80 Gy)的X射線照射以誘導(dǎo)放射性骨壞死模型，隨后，大量的皮質(zhì)骨和骨小梁被破壞。受照骨的血管也變少[22]。使用20 Gy的X射線照射破壞股骨遠(yuǎn)端，導(dǎo)致整個(gè)股骨中不含骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞。四周后，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞水平在股骨近端恢復(fù)，但在血管系統(tǒng)被破壞的照射部位沒有恢復(fù)[23]。如果在下頜骨照射后局部注射血管生成劑去鐵胺(DFO)，血管可以顯著改善。此外，照射后病理性骨折的骨愈合得到改善[24]。這表明血管形成減少可能與電離輻射誘導(dǎo)的骨丟失密切相關(guān)。

1.2 電離輻射對骨組織細(xì)胞的影響

骨是一個(gè)動(dòng)態(tài)的組織，骨重建過程中有五種類型的骨組織細(xì)胞：骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)，成骨細(xì)胞，骨細(xì)胞，造血干細(xì)胞和破骨細(xì)胞。成骨細(xì)胞的骨形成和破骨細(xì)胞的骨吸收之間的骨重建平衡對維持骨的完整性和強(qiáng)度起著重要的作用[10]。在細(xì)胞水平，電離輻射可能對細(xì)胞存活、增殖、細(xì)胞周期分布、分化等產(chǎn)生不利影響，從而破壞骨重建的平衡。另一方面，在較低劑量下可以促進(jìn)破骨細(xì)胞分化。表2總結(jié)了骨組織細(xì)胞對電離輻射的響應(yīng)。

1.2.1骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)

BMSCs是多能基質(zhì)細(xì)胞，具有分化成各種細(xì)胞譜系的潛能，例如成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和軟骨細(xì)胞。電離輻射可以通過劑量依賴的方式負(fù)面影響B(tài)MSCs。Wang等[25]研究了電離輻射對Sprague-Dawley大鼠提取的BMSCs成骨分化能力的影響。與對照組相比，γ射線(0.25～10 Gy)可降低細(xì)胞的增殖能力、堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP，一種成骨標(biāo)志物)活性、以及礦化能力，且呈劑量依賴性的方式。同樣，γ射線也以劑量依賴的方式降低了大鼠BMSCs的細(xì)胞粘附、鋪展、增殖和成骨分化的能力[26]。

與成纖維細(xì)胞和造血譜系細(xì)胞相比，BMSCs具有較高的輻射抗性[27]。Nicolay等[28]研究了人類原代BMSCs和成纖維細(xì)胞之間放射敏感性的差異。與成纖維細(xì)胞相比，BMSCs的DNA損傷修復(fù)相關(guān)的基因表達(dá)較高，電離輻射并沒有誘導(dǎo)顯著的BMSCs的凋亡。即使在高劑量10 Gy的情況下，BMSCs仍能保持其分化能力。Green等[29]發(fā)現(xiàn)造血干細(xì)胞與BMSCs相比對輻射更敏感。同時(shí)，輻照誘導(dǎo)BMSCs向脂肪細(xì)胞分化的能力，進(jìn)而抑制造血作用。另外，BMSCs也對碳重離子輻射具有抗性。Nicolay等[30]研究了人BMSCs對γ射線和碳離子輻照的放射敏感性。他們發(fā)現(xiàn)光子或碳離子輻照都不能改變細(xì)胞形態(tài)、粘附和遷移能力。它們的成骨分化也沒有改變。以2×9 Gy在一周的時(shí)間內(nèi)分別暴露豬下頜骨后，分離出不同時(shí)間點(diǎn)的BMSCs發(fā)現(xiàn)增殖能力和成骨分化都沒有明顯改變[31]。然而，高劑量的單次照射在早期可引起B(yǎng)MSCs活性嚴(yán)重下降，但活性水平隨后逐漸恢復(fù)[23]。BMSCs相對放射線耐受的原因可能與其對DNA損傷的有效應(yīng)答有關(guān)，并且激活DNA損傷檢查點(diǎn)和修復(fù)[30]。DNA損傷反應(yīng)相關(guān)蛋白高表達(dá)(ATM、Chk2、DNA-PKcs、RAD51)和抗凋亡蛋白(Bcl-2和Bcl-xl)，最終抑制由電離輻射引起的細(xì)胞凋亡[32]。在DNA修復(fù)過程中，lamin B1通過抑制蛋白酶體介導(dǎo)的降解來穩(wěn)定RAD51，然后促進(jìn)RAD51依賴的同源重組[33]。

電離輻射照射可促進(jìn)BMSCs成脂分化。2 Gy X射線照射后，受照的小鼠脛骨中觀察到骨髓脂肪增加近3倍[5]。大鼠右側(cè)脛骨和股骨遠(yuǎn)端暴露于20 Gy的γ射線后，不僅在受照的骨骼中，而且在對側(cè)的后肢中都發(fā)生骨丟失和骨髓脂肪增多。在該模型中，照射后BMSCs的脂肪細(xì)胞分化增強(qiáng)，因?yàn)樵谡丈涞暮臀凑丈涞闹w中分離出的BMSCs中RUNX2/PPARγ的表達(dá)比例均為下調(diào)。這些結(jié)果表明輻射引起的骨丟失部分是由BMSCs的分化改變介導(dǎo)的[4]。與成骨分化不同，電離輻射不會(huì)以劑量依賴的方式影響B(tài)MSCs的成脂分化。Huang等[26]研究了不同劑量的γ射線對大鼠BMSCs的影響，發(fā)現(xiàn)低劑量促進(jìn)其成骨分化，高劑量抑制其分化。

1.2.2成骨細(xì)胞

成骨細(xì)胞來源于BMSCs，起到骨形成作用。電離輻射影響成骨細(xì)胞的存活和分化。通常，劑量小于2 Gy的X射線促進(jìn)成骨分化，而較高劑量起到抑制作用。使用成骨細(xì)胞OCT-1細(xì)胞來研究對電離輻射的早期反應(yīng)。1 Gy X射線照射后，成骨樣OCT-1細(xì)胞出現(xiàn)表征DNA雙鏈斷裂的γ-H2AX焦點(diǎn)，但大部分焦點(diǎn)在一天后消失[34]。結(jié)果表明，照射后成骨細(xì)胞可快速從DNA損傷中恢復(fù)。X射線也可以使OCT-1細(xì)胞的增殖速度明顯下降，這可能是由于細(xì)胞周期阻滯在G2期。然而，在成骨培養(yǎng)條件或標(biāo)準(zhǔn)條件下，細(xì)胞存活率沒有明顯差異[35]。與BMSCs類似，成骨細(xì)胞具有輻射抵抗性。低劑量的X射線對成骨細(xì)胞MC3T3-E1細(xì)胞的增殖沒有作用或甚至有正向作用[36, 37]。30 Gy的γ射線照射后，成骨細(xì)胞MC3T3-E1細(xì)胞仍然存活[38]。在動(dòng)物研究中，當(dāng)局部照射骨組織時(shí)，成骨細(xì)胞也表現(xiàn)出相對較強(qiáng)的輻射抗性。在接受2 Gy劑量照射的脛骨中成骨細(xì)胞數(shù)量沒有改變[5]。分離顱骨后，用X射線照射，劑量高達(dá)10 Gy時(shí)降低了成骨細(xì)胞的細(xì)胞總數(shù)，但不能誘導(dǎo)分離的原代成骨細(xì)胞凋亡[5]。然而，當(dāng)脛骨近干骺端接受16 Gy的X射線照射時(shí)，凋亡的成骨細(xì)胞顯著增加，成骨細(xì)胞數(shù)量和骨形成率降低[18, 19]。成骨細(xì)胞凋亡發(fā)生在脛骨而不是顱骨成骨細(xì)胞的原因可能是所用劑量的不同。劑量高達(dá)16 Gy對細(xì)胞有更多的毒性作用。

劑量小于2 Gy的X射線可刺激成骨分化。例如，1 Gy的X射線增強(qiáng)了OCT-1細(xì)胞的成骨分化，表現(xiàn)為礦化骨結(jié)節(jié)形成增多[34]。然而，劑量為2 Gy和4 Gy時(shí)，礦化減少[35]。在使用小鼠顱骨細(xì)胞和MC3T3-E1細(xì)胞的研究中觀察到類似的結(jié)果。2 Gy的X射線增加了小鼠顱骨成骨細(xì)胞的分化和礦化。然而，在X射線劑量高于2 Gy時(shí)對成骨分化沒有影響，但在沒有毒性效應(yīng)的情況下抑制DNA的合成[39]。同時(shí)，在相對低劑量如0.5和1 Gy時(shí)，MC3T3-E1細(xì)胞的成骨分化增強(qiáng)，堿性磷酸酶活性增強(qiáng)，礦化過程和成骨標(biāo)志基因表達(dá)增加[36，37]。在一項(xiàng)大鼠研究中，低劑量照射被證明可以加速骨折愈合過程[36]。這些結(jié)果揭示了低劑量輻射在治療骨疾病的新療法中的潛在作用。

1.2.3破骨細(xì)胞

破骨細(xì)胞來自造血干細(xì)胞(HSCs)，并在骨吸收中發(fā)揮作用。HSCs具有極高的輻射敏感性。骨髓暴露于電離輻射導(dǎo)致輻射敏感的HSC及其祖細(xì)胞迅速死亡[29, 40]。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在單次5 Gy或4次分次照射(4×5 Gy)照射后，后肢骨破骨細(xì)胞持續(xù)減少[9]。與成骨細(xì)胞相比，分化的破骨細(xì)胞或其祖細(xì)胞對電離輻射敏感。一項(xiàng)體外研究顯示，X射線降低了RAW264.7細(xì)胞和分化RAW-破骨細(xì)胞的細(xì)胞活性，但是對成骨細(xì)胞包括它們的成骨分化沒有影響[41]。

盡管破骨細(xì)胞及其祖細(xì)胞輻射敏感性很強(qiáng)，但較低劑量的電離輻射可以促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化[41]。一些研究表明電離輻射處理后骨吸收可較快發(fā)生[5-9]。體內(nèi)和體外研究表明，通過電離輻射照射可促進(jìn)破骨細(xì)胞形成。Willey等[6]進(jìn)行的一項(xiàng)研究表明，全身照射2 Gy的 X射線可以使破骨細(xì)胞迅速活化。輻照3天后，脛骨中破骨細(xì)胞數(shù)量和破骨細(xì)胞表面積顯著增加，而成骨細(xì)胞表面積和血清中骨鈣素濃度沒有明顯變化。γ射線照射(2 Gy)后三天也導(dǎo)致脛骨小梁骨骨量的快速下降，同時(shí)破骨細(xì)胞表面增加[7]。Alwood等[8]也觀察到一致的結(jié)果：接受2 Gy的γ射線或重離子輻照導(dǎo)致松質(zhì)骨在短短一周后礦物質(zhì)迅速丟失。對鼠后肢骨進(jìn)行局部照射來研究破骨細(xì)胞隨著時(shí)間的分化情況。小鼠接受單次5 Gy照射或4次分次照射(4×5 Gy)后，破骨細(xì)胞短暫增加，隨后長期消失。此外，由于破骨細(xì)胞的早期增加導(dǎo)致的骨丟失未能恢復(fù)[9]。γ射線和X射線照射可以上調(diào)破骨細(xì)胞前體RAW264.7細(xì)胞中的破骨細(xì)胞分化相關(guān)基因的表達(dá)[5，42]。我們最近的研究表明在較低劑量(1 Gy的X射線)下破骨細(xì)胞生成加速，但在較高劑量下被抑制[41]。此外，Willey等[6]和Alwood等[8]證明電離輻射能夠迅速增加體內(nèi)骨吸收標(biāo)志物的表達(dá)，如骨髓中的NF-κB配體受體激活劑(RANKL)和血清中抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)。RANKL是破骨細(xì)胞分化所需的細(xì)胞因子。RANKL在誘導(dǎo)破骨細(xì)胞分化過程中產(chǎn)生大量的活性氧(ROS)[43]。體外和體內(nèi)研究也表明，氧自由基刺激破骨細(xì)胞的吸收[44]。由于電離輻射可迅速造成活性氧大量產(chǎn)生，這可能是電離輻射直接刺激破骨細(xì)胞分化的機(jī)制之一。

體內(nèi)研究表明，電離輻射也可以促進(jìn)骨髓細(xì)胞中促前破骨細(xì)胞生長因子的表達(dá)上升，如RANKL、腫瘤壞死因子(TNF)、集落刺激因子1(Csf1)、活化T細(xì)胞核因子1(Nfatc1)、單核細(xì)胞趨化蛋白-1(Mcp1)和白細(xì)胞介素6(IL6)[8]。接受照射的RAW264.7細(xì)胞與骨髓細(xì)胞共同培養(yǎng)可增強(qiáng)X射線對破骨細(xì)胞分化的促進(jìn)作用[5]。即使高劑量的X射線(17.5 Gy)破壞所有的破骨細(xì)胞。三周后，破骨細(xì)胞恢復(fù)，并且增加的破骨細(xì)胞的數(shù)量比未經(jīng)照射的骨中的破骨細(xì)胞數(shù)量要多[20]。這些結(jié)果表明，電離輻射可以直接促進(jìn)破骨細(xì)胞分化，而且受到輻照的骨髓細(xì)胞釋放的某些細(xì)胞因子也可以間接促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化。

2 放射性骨丟失的預(yù)防和治療

2.1 抗氧化劑

電離輻射通常會(huì)誘導(dǎo)活性氧(ROS)的大量生成，增加氧化脅迫。電離輻射誘導(dǎo)的ROS的大量生成被認(rèn)為是放射性骨丟失的主要原因之一。紊亂的細(xì)胞抗氧化系統(tǒng)可以加重電離輻射誘導(dǎo)的骨丟失。核轉(zhuǎn)錄因子Nrf2可以調(diào)節(jié)抗氧化酶基因的表達(dá)，在抗氧化應(yīng)激中發(fā)揮重要的保護(hù)作用[45]。骨組織接受照射后通常伴隨著Nrf2的上調(diào)表達(dá)[8]。Nrf2表達(dá)缺失后，輻照可以加重骨丟失的程度，并伴隨著增加的氧化應(yīng)激的程度[46]。電離輻射誘導(dǎo)的ROS可破壞骨髓腔的微環(huán)境，并且負(fù)向影響B(tài)MSCs的活力。當(dāng)左側(cè)股骨遠(yuǎn)端每天接受4 Gy連續(xù)5天的照射后，在受照射側(cè)股骨遠(yuǎn)端以及非照射股骨近端并未發(fā)現(xiàn)BMSCs。輻照同時(shí)也導(dǎo)致股骨遠(yuǎn)端和近端活性氧的生成。非照射側(cè)股骨活性氧的生成可能與活性氧從照射側(cè)骨髓腔擴(kuò)散相關(guān)[47]。如果在照射前注射抗氧化劑維生素C，則可以減弱電離輻射X射線對骨髓的傷害。維生素C可以促進(jìn)BMSCs的成骨分化能力和骨髓的血管生成能力[48]。Kondo等研究發(fā)現(xiàn)2 Gy的γ射線照射降低BMSCs的細(xì)胞活力，并伴隨著大量活性氧的生成。當(dāng)在照射后使用抗氧化劑硫辛酸處理后，急性骨丟失的情況可以得到一定程度的緩解[49]。這些結(jié)果表明抗氧化劑的輻射防護(hù)作用可能與增加的BMSCs相關(guān)。

目前研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些具有輻射防護(hù)作用的抗氧化劑，如維生素C[48]、硫辛酸[49]、氨磷汀[50]、二氧化鈰納米顆粒(CeO2NP)[51]、亞硒酸鈉[52]等。這些抗氧化劑已經(jīng)證實(shí)具有減弱氧化應(yīng)激的效果，并且可以增加成骨細(xì)胞的存活。X射線可以劑量依賴性的抑制成骨樣細(xì)胞MC3T3-E1細(xì)胞的細(xì)胞存活、堿性磷酸酶活性以及成骨分化基因的表達(dá)。氨磷汀預(yù)處理則可以對MC3T3-E1細(xì)胞起到輻射防護(hù)作用[50]。輻照可以顯著降低骨細(xì)胞的數(shù)目，并且伴隨著增加的空的骨陷窩數(shù)量，氨磷汀同樣可以對骨細(xì)胞起到輻射防護(hù)作用[53]。CeO2NP可通過減弱X射線對成骨細(xì)胞的氧化應(yīng)激來起到輻射防護(hù)作用。CeO2NP處理可以降低輻照導(dǎo)致的微核、胞內(nèi)活性氧的生成以及胞外H2O2濃度[51]。硒元素可抑制X射線誘導(dǎo)的大鼠下頜骨的骨丟失，并且在去勢大鼠的骨組織修復(fù)過程具有輻射防護(hù)作用[52-54]。前面提到，電離輻射誘導(dǎo)ROS生成刺激破骨細(xì)胞分化是放射性骨丟失的重要機(jī)制?？寡趸瘎┑氖褂每赡芤种破乒羌?xì)胞生成。綜上所述，抗氧化劑的使用能夠挽救輻照對BMSCs和成骨細(xì)胞的抑制作用，可應(yīng)用到癌癥接受放療病人放射性骨丟失的防護(hù)。

2.2 甲狀旁腺激素

由甲狀腺分泌的甲狀旁腺激素(PTH)參與到機(jī)體的鈣磷代謝過程。特立帕肽[Forteo，重組人PTH(1-34)]在2002年獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)上市，用于骨質(zhì)疏松的治療。一些研究表明PTH對于電離輻射所致的骨損傷具有治療作用。大鼠左側(cè)后肢接受照射1 d后，每天并且連續(xù)8周進(jìn)行PTH皮下注射。與接受照射且未經(jīng)PTH處理組相比，PTH可以保護(hù)輻照導(dǎo)致的骨脆性增加。并且，PTH的輻射防護(hù)作用在停止PTH注射后效果消失[55]。已有研究表明PTH對成骨以及骨細(xì)胞具有輻射防護(hù)效應(yīng)[17, 56]。Chandra等[17]人采用小動(dòng)物輻照研究平臺(tái)(SARRP)對大鼠脛骨干骺端進(jìn)行8 Gy的照射。他們發(fā)現(xiàn)輻照可導(dǎo)致顯著的小梁骨的骨丟失，并且伴隨著成骨細(xì)胞數(shù)目的減少以及活性降低。皮下注射PTH1-34可以抑制電離輻射導(dǎo)致的成骨細(xì)胞數(shù)目以及活性下降，并且抑制成骨細(xì)胞以及骨細(xì)胞的凋亡。Chandra等[57]對輻射防護(hù)的機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，PTH可通過促進(jìn)DNA損傷修復(fù)以及降低凋亡的方式降低輻射對成骨細(xì)胞的損傷。PKA/β-catenin通路參與了PTH的輻射防護(hù)效應(yīng)。這些結(jié)果表明PTH可應(yīng)用在輻射導(dǎo)致的骨損傷治療。

2.3 去鐵胺

鐵代謝與骨骼健康密切相關(guān)。鐵過載或者鐵匱乏均會(huì)導(dǎo)致骨質(zhì)疏松。研究表明，電離輻射可增加血清的鐵元素濃度水平[58-59]。這些結(jié)果表明，電離輻射可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)體鐵過載，這可能是電離輻射導(dǎo)致骨丟失的機(jī)制之一。一些結(jié)果已經(jīng)表明，鐵螯合劑(如去鐵胺)可以減弱電離輻射導(dǎo)致的骨丟失效應(yīng)。在大鼠骨牽拉骨生成模型中，與輻照組相比，去鐵胺可以顯著促進(jìn)骨連接速率，將骨量以及力學(xué)性能恢復(fù)到對照組水平[60]。去鐵胺也可以恢復(fù)放療后骨折恢復(fù)過程中的骨痂體積、礦化程度以及力學(xué)性能[61]。此外，局部注射去鐵胺可以增加血管生成，這可能是去鐵胺促進(jìn)放療后骨折愈合進(jìn)程的機(jī)制之一[24]。氨磷汀與去鐵胺聯(lián)合用藥具有更好的輻射防護(hù)效果[62]。我們的最新研究也發(fā)現(xiàn)去鐵胺在電離輻射誘導(dǎo)的系統(tǒng)性骨丟失中的治療作用。通過皮下注射去鐵胺降低機(jī)體的鐵儲(chǔ)水平后，可以抑制局部照射引起的系統(tǒng)性骨丟失。鐵螯合劑同樣可以在體外水平抑制輻照誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞分化[15]。

2.4 雙磷酸鹽

雙磷酸鹽是一種治療骨質(zhì)疏松的常用抗骨吸收藥物，其功能是作用于破骨細(xì)胞降低其活性并誘導(dǎo)凋亡[63]。如上所述，電離輻射可在一周內(nèi)迅速導(dǎo)致骨丟失，并且伴隨著破骨細(xì)胞骨吸收活性的增加?？构俏账幬锟赡芤种齐婋x輻射對破骨細(xì)胞早期的促分化作用。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，接受X射線照射的小鼠，注射雙磷酸鹽(唑來膦酸)可以抑制骨小梁的骨丟失[64]。另外一項(xiàng)研究也表明接受皮下注射雙磷酸鹽(利塞膦酸鹽)可以抑制輻照小鼠導(dǎo)致的脛骨、股骨以及椎骨的骨丟失。此外，利塞膦酸鹽可以抑制輻照增加的破骨細(xì)胞數(shù)目、表面積以及血清破骨細(xì)胞分化標(biāo)志物的濃度[65]。這些結(jié)果表明，雙磷酸鹽可通過抑制破骨活性減小輻照引起的骨丟失。需要注意的是接受放療的病人通常在治療初期接受較低的輻照劑量。在相對較低劑量輻照時(shí)，破骨細(xì)胞分化能力增加。隨著劑量的累積，造血系細(xì)胞以及破骨細(xì)胞出現(xiàn)凋亡。鑒于此，建議病人在放療初期采用抗骨吸收藥物進(jìn)行放射性骨丟失的預(yù)防以及治療。

2.5 力學(xué)刺激

力學(xué)刺激是一種有效的可以促進(jìn)骨形成并增強(qiáng)骨強(qiáng)度的方法。在多種骨丟失模型中，力學(xué)刺激可以緩解甚至完全抑制骨質(zhì)的丟失[10]。Shirazi-Fard等[66]研究表明力學(xué)刺激也對接受輻照的骨組織具有保護(hù)作用。小鼠接受2 Gy的鐵重離子輻照后，連續(xù)5個(gè)月對小鼠脛骨進(jìn)行縱向壓力的刺激。結(jié)果顯示力學(xué)加載可以增加松質(zhì)骨的骨量以及骨形成速率。然而脛骨中段皮質(zhì)骨部分，力學(xué)加載則不能恢復(fù)電離輻射降低的骨形成速率。力學(xué)刺激不僅可以促進(jìn)新骨形成，在力學(xué)加載部位也可以抑制骨吸收[67]。具體的機(jī)制可能與力學(xué)敏感骨細(xì)胞對破骨細(xì)胞的調(diào)控相關(guān)[68]。一些研究已經(jīng)表明，力學(xué)加載可以降低骨細(xì)胞的RANKL以及硬骨素的表達(dá)，從而抑制破骨細(xì)胞分化同時(shí)促進(jìn)骨形成過程[69-70]。這些發(fā)現(xiàn)表明力學(xué)加載可能是一種有效的治療放射性骨丟失的治療手段。

2.6 硬骨素抗體

硬骨素主要由骨細(xì)胞分泌，作用于成骨細(xì)胞并抑制其分化。硬骨素可以與Wnt受體LRP4/5/6結(jié)合，從而拮抗經(jīng)典的Wnt信號通路[71]。研究表明，電離輻射可以刺激骨細(xì)胞硬骨素的表達(dá)[16,72]。當(dāng)使用硬骨素單抗降低機(jī)體內(nèi)硬骨素的水平，輻照所引起的骨丟失得到減輕。硬骨素抗體對成骨細(xì)胞具有輻射保護(hù)作用，其機(jī)制是通過促進(jìn)DNA損傷修復(fù)從而減弱成骨細(xì)胞的凋亡[16,57]。此外，硬骨素抗體可以部分抑制BMSCs的成脂分化能力[16]。綜上所述，硬骨素抗體治療可能是一種新的潛在的放射性骨丟失治療方法。

3 結(jié)論與展望

骨重塑涉及多種骨組織細(xì)胞，因此，開展電離輻射對骨組織細(xì)胞影響的研究十分必要。然而，電離輻射效應(yīng)強(qiáng)度取決于輻射時(shí)所接受的劑量。越來越多的結(jié)果表明，與BMSCs和成骨細(xì)胞相比，破骨細(xì)胞的抗輻射能力較差。一些研究人員采用相對較低的劑量(通常小于2 Gy)，證明電離輻射誘導(dǎo)的骨丟失是由于快速激活的破骨細(xì)胞和增強(qiáng)的BMSCs的成脂分化[5-9]。此外，使用高劑量(通常大于10 Gy)的研究顯示，被破壞的骨骼結(jié)構(gòu)與BMSCs和成骨細(xì)胞的存活和成骨分化下降有關(guān)[11, 18, 42, 43, 50]。這些發(fā)現(xiàn)意味著在應(yīng)用保護(hù)措施時(shí)應(yīng)考慮吸收劑量。在臨床實(shí)踐中，放射治療通常使用劑量為1.8～2.2 Gy /次，總劑量通常超過50 Gy。由于骨組織細(xì)胞的放射敏感性和分化對電離輻射的不同響應(yīng)，所以不同劑量下的放射性骨丟失機(jī)制可能不同。在應(yīng)用相應(yīng)的治療和預(yù)防措施時(shí)應(yīng)考慮使用的劑量。由于在放療開始時(shí)，由于骨組織接受較低的劑量，破骨細(xì)胞很可能會(huì)被激活，骨丟失迅速發(fā)生。此時(shí)優(yōu)先選用抗骨吸收試劑。隨著放療的不斷進(jìn)行，吸收劑量逐漸增加，造成成骨細(xì)胞功能障礙，大部分破骨細(xì)胞死亡。此時(shí)優(yōu)選具有對成骨細(xì)胞具有保護(hù)效應(yīng)的試劑。