鋰鹽在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用及作用機(jī)制研究進(jìn)展

黃楷 蘇為 趙金忠

鋰離子是自然界中鋰的普遍存在形式，在人體內(nèi)也微量存在。近年來(lái)，鋰鹽在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用受到越來(lái)越多的關(guān)注。目前臨床上應(yīng)用的鋰鹽主要是碳酸鋰，可用于治療雙相障礙、阿爾茲海默癥及甲狀腺癌等疾病[1]。越來(lái)越多的證據(jù)表明，鋰鹽在骨科相關(guān)領(lǐng)域可能具有更為廣泛的潛在應(yīng)用價(jià)值。

1 鋰鹽在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用

1.1 鋰鹽與骨質(zhì)疏松癥

骨質(zhì)疏松癥是一種以骨量減少和微結(jié)構(gòu)惡化為特征的骨骼疾病，可表現(xiàn)為骨脆性增加，容易引發(fā)骨折 。

研究發(fā)現(xiàn)，鋰鹽可增加患者的平均骨密度，有助于治療骨質(zhì)疏松或促進(jìn)骨折愈合。在一項(xiàng)研究對(duì)75例因精神問(wèn)題需長(zhǎng)期口服治療劑量鋰鹽(0.6～1.2 mmol/L)的患者隨訪至少1年后發(fā)現(xiàn)，鋰鹽組的血鈣量、尿鈣量和甲狀旁腺素水平基本與對(duì)照組無(wú)差異，但平均骨密度更高[2]。另一項(xiàng)研究則證實(shí)，將鋰鹽與磷酸鈣骨水泥結(jié)合后植入骨質(zhì)疏松大鼠的股骨缺損處，既可促進(jìn)骨缺損的修復(fù)，也可增加局部范圍的骨量[3]。也有其他研究發(fā)現(xiàn)，將鋰鹽與電紡膜或生物玻璃水凝膠等生物材料結(jié)合使用，可促進(jìn)成骨細(xì)胞分化和體內(nèi)新骨形成[4-6]。

1.2 鋰鹽與骨關(guān)節(jié)炎

骨關(guān)節(jié)炎是常見(jiàn)的影響關(guān)節(jié)軟骨的退行性疾病，其發(fā)生受衰老、肥胖、關(guān)節(jié)不穩(wěn)定、過(guò)度的慢性機(jī)械應(yīng)力、關(guān)節(jié)炎癥和創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)損傷等多種因素影響，可導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨發(fā)生進(jìn)行性破壞，出現(xiàn)滑膜炎癥、關(guān)節(jié)周圍骨改變并伴有骨贅形成和軟骨下骨硬化等改變[7-8]。目前，針對(duì)骨關(guān)節(jié)炎的局部治療手段主要是消除無(wú)菌性炎癥和保護(hù)關(guān)節(jié)軟骨。

多項(xiàng)研究已證實(shí)，鋰鹽對(duì)骨關(guān)節(jié)炎具有治療作用。一項(xiàng)研究通過(guò)手術(shù)建立小鼠骨關(guān)節(jié)炎模型并連續(xù)8周向關(guān)節(jié)腔注射含氯化鋰(LiCl)的磷酸鹽緩沖液(10 mmol/L，0.6 μL/周)后發(fā)現(xiàn)，與單純注射磷酸鹽緩沖液組相比，含鋰鹽組關(guān)節(jié)軟骨破壞的進(jìn)展較慢且程度較輕[9]。另有研究發(fā)現(xiàn)，在沒(méi)有生長(zhǎng)因子誘導(dǎo)的情況下，通過(guò)溶膠凝膠法制備的緩釋型二氧化硅(SiO2)-氧化鋰生物玻璃的溶解產(chǎn)物仍可誘導(dǎo)軟骨分化和透明軟骨基質(zhì)形成，提示該材料可能誘導(dǎo)軟骨再生[10]。用氟化鋰與SiO2結(jié)合制造的納米膠囊與透明質(zhì)酸同時(shí)應(yīng)用于大鼠膝骨關(guān)節(jié)炎模型，8周時(shí)干預(yù)組的國(guó)際骨關(guān)節(jié)炎研究學(xué)會(huì)(OARSI)評(píng)分降低71%，且未出現(xiàn)全身毒性反應(yīng)[11]。將LiCl涂布于3D打印的軟骨支架上，也可有效促進(jìn)兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的體外軟骨形成[12]。Hui等[13]的研究證實(shí)，鋰鹽可通過(guò)抑制p38絲裂原活化蛋白激酶途徑減少基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)的產(chǎn)生，從而減輕炎癥因子介導(dǎo)的軟骨降解。

鋰鹽可通過(guò)保護(hù)軟骨細(xì)胞和抑制微環(huán)境炎癥發(fā)揮治療骨關(guān)節(jié)炎的作用。

1.3 鋰鹽的促進(jìn)骨血管再生作用

近來(lái)有研究發(fā)現(xiàn)，鋰離子在體外可刺激具有促血管生成活性的生長(zhǎng)因子的分泌[14]，參與體內(nèi)的血管生成[15]并促進(jìn)腦缺血和心肌缺血后的血管重塑[16-18]。一項(xiàng)研究在建立大鼠激素性股骨頭壞死模型并予大鼠200 mg/kg的 LiCl溶液灌胃治療2周后發(fā)現(xiàn)，與生理鹽水組相比，鋰鹽組通過(guò)顯微CT重建的微血管結(jié)構(gòu)保留更多，提示鋰鹽可用于預(yù)防股骨頭壞死過(guò)程中的血管丟失[19]。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)將鋰鹽以微弧氧化法涂層于鎂合金制備的骨科材料，不僅成骨效果良好，成血管效果也較好[20]。

1.4 鋰鹽的抗炎作用

鋰鹽不僅能在骨關(guān)節(jié)炎模型中減輕炎癥、保護(hù)軟骨，而且可以在脊髓損傷或炎癥性骨病等其他炎癥微環(huán)境中發(fā)揮作用。Liu等[21]在建立大鼠脊髓損傷模型并持續(xù)10 d向其腹腔注射 LiCl溶液[50 mg/(kg·d)]后發(fā)現(xiàn)，鋰鹽組脊髓損傷Basso-Beattie-Bresnahan評(píng)分較生理鹽水組明顯提高，蛋白印跡實(shí)驗(yàn)顯示鋰鹽組脊髓組織自噬相關(guān)蛋白-Ⅱ水平上升，p62水平下降，提示鋰鹽可促進(jìn)炎癥反應(yīng)中的自噬流。有研究將鋰鹽與聚己內(nèi)酯材料打印成支架并觀察巨噬細(xì)胞在支架上的變化后發(fā)現(xiàn)，巨噬細(xì)胞的免疫調(diào)節(jié)基因表達(dá)上調(diào)，而促炎基因表達(dá)減少，提示鋰鹽對(duì)巨噬細(xì)胞極化也有影響[22]。

2 鋰鹽的作用機(jī)制

鋰離子在體內(nèi)所結(jié)合的生物靶點(diǎn)相對(duì)較少，F(xiàn)rausto da Silva等[23]在1976年首先提出，鋰離子和鎂離子分別與生物分子競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合可能是細(xì)胞中鋰離子作用的主要途徑。這里著重介紹與骨科領(lǐng)域相關(guān)的糖原合成酶激酶(GSK)-3β和作為主要調(diào)控通道的Wnt/β-連環(huán)蛋白(β-catenin)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。

2.1 鋰鹽與GSK-3β

GSK-3β在生物體內(nèi)具有廣泛的效應(yīng)，其底物多達(dá)數(shù)百種，能夠調(diào)節(jié)大量轉(zhuǎn)錄因子和細(xì)胞凋亡閾值，是介導(dǎo)線粒體產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)的核心，還有促進(jìn)免疫反應(yīng)、調(diào)節(jié)炎癥等多種作用[24-25]。GSK-3β可對(duì)多種組織的生理或病理狀態(tài)產(chǎn)生不同程度的影響，而鋰鹽對(duì)其具有抑制作用，因此也可通過(guò)該因子進(jìn)行干預(yù)。

Kanzariya等[26]發(fā)現(xiàn)，在體型肥胖的嚙齒類動(dòng)物的骨骼肌和脂肪組織中，GSK-3β活性升高可能與胰島素敏感性降低有關(guān)。用不同劑量的LiCl喂養(yǎng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物對(duì)降低高血糖、降低胰島素水平和調(diào)整脂質(zhì)分布均有作用[27]。對(duì)于關(guān)節(jié)軟骨來(lái)說(shuō)，GSK-3β活性是維持軟骨細(xì)胞增殖潛能和表型所必需的，其失活可導(dǎo)致線粒體活性氧生成增加，細(xì)胞增殖減少，S期短暫停滯和細(xì)胞衰老。鋰鹽的作用是激發(fā)軟骨細(xì)胞的氧化應(yīng)激[28-29]。LiCl能夠抑制Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2基因過(guò)表達(dá)的骨質(zhì)疏松雌性小鼠的GSK-3β，并通過(guò)增加骨形成和減少骨吸收完全恢復(fù)了骨小梁體積[30]。GSK-3β作為成骨過(guò)程重要調(diào)控通路中的一環(huán)，可負(fù)向調(diào)控β-catenin，鋰鹽則可通過(guò)抑制GSK-3β提升β-catenin水平，從而促進(jìn)成骨[31-32]。

2.2 鋰鹽與Wnt/β-catenin信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

Wnt/β-catenin信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在骨形成過(guò)程中具有重要作用，可調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞活性[33-34]。鋰鹽可激活Wnt/β-catenin通路，進(jìn)而促進(jìn)前體或成熟成骨細(xì)胞中骨保護(hù)蛋白(OPG)/核因子κB受體活化因子配體(RANKL)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路保持平衡并向成骨方向轉(zhuǎn)化，同時(shí)抑制破骨細(xì)胞活性和骨吸收[35]。一項(xiàng)研究在對(duì)小鼠進(jìn)行連續(xù)6周的低劑量鋰[10 mg/(kg·d)] 口飼后發(fā)現(xiàn)，血清鋰濃度為0.02 mmol/L時(shí)GSK-3β受到顯著抑制，骨中的Wnt/β-catenin信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路被激活，同時(shí)OPG表達(dá)顯著增加，而RANKL表達(dá)沒(méi)有改變，最終導(dǎo)致OPG/RANKL比值顯著增加[31，36]。

Wnt家族由許多高度保守的基因組成，這些基因可調(diào)節(jié)其他基因表達(dá)、細(xì)胞行為、細(xì)胞粘附和細(xì)胞極性，調(diào)節(jié)信號(hào)通過(guò)細(xì)胞表面的受體和細(xì)胞內(nèi)的多步驟過(guò)程觸發(fā)下游基因表達(dá)。Wnt/β-catenin為Wnt信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的經(jīng)典途徑，該途徑被證實(shí)與骨骼發(fā)生時(shí)的塑形和終身的骨骼組織更新再塑形，尤與影響成骨細(xì)胞的分化密切相關(guān)[37]。β-catenin的穩(wěn)定有利于前體細(xì)胞向成骨細(xì)胞系分化[38-39]。

Wnt/β-catenin信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路還可負(fù)向調(diào)控脂肪的早期生成[40]。研究發(fā)現(xiàn)，鋰鹽可通過(guò)激活Wnt/β-catenin信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路提升β-catenin活化水平，同時(shí)促進(jìn)成骨和抑制脂肪生成[41-43]。

另外，β-catenin的其他功能也逐漸被揭示，通過(guò)鋰鹽的刺激，還會(huì)使滑膜關(guān)節(jié)中軟骨細(xì)胞成熟肥大[44]、促進(jìn)傷口愈合[45]和血管再生[20, 46]等。

目前關(guān)于鋰鹽對(duì)軟骨細(xì)胞的保護(hù)作用的相關(guān)機(jī)制尚存爭(zhēng)議。Regard等[44]認(rèn)為，β-catenin可抑制軟骨生成，相關(guān)基因敲除的小鼠可出現(xiàn)軟骨細(xì)胞形成延遲、軟骨細(xì)胞增殖和存活減少等改變。然而一旦軟骨形成，β-catenin則可促進(jìn)生長(zhǎng)板中軟骨細(xì)胞的成熟肥大。由于鋰鹽對(duì)β-catenin有激活作用，故其在保護(hù)軟骨細(xì)胞方面的作用具有兩面性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，除通過(guò)影響β-catenin通路刺激血管再生[19-20]，鋰離子能夠刺激骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分泌含miRNA-130a的外泌體，激活血管內(nèi)皮細(xì)胞中的PTEN/AKT信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，最終促使血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖、遷移和管狀形成的增加[46]。因此，含鋰材料在促進(jìn)成骨的同時(shí)，亦能促進(jìn)骨血管的再生，是修飾骨修復(fù)材料的理想選擇。

3 結(jié)語(yǔ)

鋰鹽作為經(jīng)典的精神疾病治療用藥，其在骨科領(lǐng)域的應(yīng)用效果及機(jī)制也逐漸為人熟知。因其在骨再生、軟骨生成和保護(hù)、促進(jìn)骨血管新生和抗炎等方面均有作用，越來(lái)越多的研究將其運(yùn)用于骨關(guān)節(jié)炎、骨質(zhì)疏松癥以及骨科材料的修飾改進(jìn)等方面，也為骨科疾病的治療途徑開拓新的渠道，臨床應(yīng)用前景可期。