鉛對骨代謝生化指標影響的研究進展

林露茜，徐婷婷，曹芹芹，岳 珂，張朝棟，鄭晶晶，賀秀媛，黃淑成

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院，河南 鄭州 450002）

眾所周知，鉛是三大重金屬污染物（鉛、汞、鎘）之一。近年來，鉛被加入有毒有害污染物名錄。目前，我國鉛生產(chǎn)業(yè)因無技術(shù)提升，導(dǎo)致能源消耗多，排污量大，成為我國鉛污染嚴重的首要原因之一［1］。 另一方面，由于生物代謝不能分解重金屬，鉛在環(huán)境中成為持久性的污染物。 而人和動物一旦飲用含鉛的水或長期使用鉛制品， 會造成鉛在體內(nèi)的蓄積，進而影響機體各系統(tǒng)功能。醫(yī)學(xué)研究表明， 鉛在人體的分布隨時間和蓄積量的變化而變化，早期存在于血液等軟組織中，數(shù)周后，從軟組織轉(zhuǎn)移到骨并以溶解度極低的磷酸鉛形式沉積下來，且骨鉛負荷可達95%。 當缺鈣或因飲酒、服用酸性藥物等改變體內(nèi)酸堿平衡， 以及發(fā)生骨骼疾病時（如骨質(zhì)疏松癥、骨瘤等），將導(dǎo)致骨內(nèi)蓄積的磷酸鉛轉(zhuǎn)化為易溶的磷酸氫鉛進入血液循環(huán)，引起鉛中毒癥狀發(fā)作或加重癥狀［2］。

骨骼是人和動物機體的支架， 不僅有造血功能，還是重要的礦物質(zhì)倉庫。其主要功能是保護內(nèi)臟同時為肌肉收縮提供附著點。 骨骼中的細胞也在持續(xù)進行細胞代謝，通常將其稱為骨代謝。骨代謝從功能上可分為骨吸收和骨形成， 在整個過程中破骨細胞和成骨細胞發(fā)揮重要作用［3］，前者可以吸收骨基質(zhì)，而后者能夠合成骨基質(zhì)。骨代謝生化指標是反映骨代謝狀態(tài)和輔助代謝性骨病的診療、鑒別診療以及療效評價的重要指標，經(jīng)常用于臨床試驗， 并且為骨質(zhì)疏松癥的治療提供有效信息。 骨代謝生化標志物可概括為一般生化標志物如血鈣、尿鈣、尿磷等，骨代謝調(diào)控激素和骨轉(zhuǎn)換標志物（BTMs）［4］。 骨代謝生化指標實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測機體骨代謝狀況， 通過高水平表達反映全身骨形成與骨丟失的關(guān)系［5］。

由于骨骼是鉛毒性作用的重要靶器官， 在骨骼中的積累能直接對成骨細胞和破骨細胞產(chǎn)生損傷［6］。 目前，鉛通過影響骨代謝相關(guān)指標如鈣磷代謝、骨形成標志物等影響骨骼的生長發(fā)育，導(dǎo)致骨發(fā)育異常、骨鈣化障礙的研究備受關(guān)注。該文就鉛對骨形成標志物、 骨吸收標志物以及骨代謝相關(guān)激素的影響進行綜述。

1 鉛對骨形成標志物影響

BTMs 是反映骨骼細胞活性與骨基質(zhì)代謝水平的生化產(chǎn)物，通常分為兩類，即骨形成標志物和骨吸收標志物， 兩者的生化指標可以從血液或尿液中檢測到， 且骨形成標志物和骨吸收標志物選擇性地組合可以表達成骨細胞和破骨細胞的代謝活性［7］。 骨形成標志物是在骨質(zhì)形成過程中由成骨細胞生成并分泌到血液循環(huán)中的物質(zhì)。 通常認為，骨形成標志物主要包括骨鈣素（OC）、骨特異性堿性磷酸酶（BALP）、骨保護素（OPG）、Ⅰ型前膠原氨基端前肽（PINP）和Ⅰ型前膠原羧基端前肽（PICP）［8］。 OC、BALP、PINP 是反映骨形成的特異性生化指標，通常OC 作為成骨細胞成熟的標志，而BALP 和PINP 在骨形成前期敏感性較好。 目前，這方面研究結(jié)果更多來自小鼠或大鼠，人醫(yī)方面將其與糖尿病或骨瘤等疾病相結(jié)合做出的調(diào)查同樣意義重大（見表1）。 臨床上，骨形成標志物的測定結(jié)果結(jié)合骨密度值， ?？捎糜诠琴|(zhì)疏松癥的診斷， 也可用于鑒別原發(fā)性骨質(zhì)疏松和繼發(fā)性骨質(zhì)疏松。 另外，在骨質(zhì)疏松癥的治療過程中，定期采取血液測定骨形成標志物數(shù)值， 可通過動態(tài)觀察數(shù)值變化評估治療效果。此外，在繼發(fā)性骨質(zhì)疏松癥的鑒別中， 骨形成標志物測定可起到?jīng)Q定性作用。

表1 鉛對骨形成標志物的影響

1.1 骨鈣素

骨 鈣 素 （osteocalcin，OC 或bone glaprotein，BGP）是骨組織中含量最豐富的非膠原蛋白，大部分與骨基質(zhì)內(nèi)的羥磷灰石（HA）緊密結(jié)合。 堆積在骨基質(zhì)中的羧化OC 能有效吸引并使HA 附著，抑制異常HA 結(jié)晶的形成， 降低生長軟骨礦化的速度［9］。已有研究發(fā)現(xiàn)OC 是成骨細胞分化成熟的標志，主要參與骨吸收的調(diào)節(jié)、基質(zhì)的礦化過程與成骨細胞的分化［10］，因此，OC 是反映骨形成的特異性生化指標。 Zhang 等［11］的研究發(fā)現(xiàn)，鉛暴露大鼠骨內(nèi)OC 水平有所下降， 經(jīng)螯合治療部分情況好轉(zhuǎn)，說明鉛暴露可影響成骨細胞的分化和增殖；路小婷等［12］證實了鉛接觸可引起工人血清OC 水平降低；吳煥卿［13］和劉康生等［14］研究結(jié)果也支持鉛抑制OC 合成分泌的觀點。 另外，在分子水平上進一步發(fā)現(xiàn)， 鉛減少OC 的產(chǎn)生并抑制堿性磷酸酶的活性［15］，因此，研究OC 在骨代謝過程中的作用可能對預(yù)防鉛中毒有重要意義。

1.2 骨特異性堿性磷酸酶

骨特異性堿性磷酸酶 （bone specific alkaline phosphatase，BALP） 是成骨細胞產(chǎn)生的一種糖蛋白，在特異水解酶作用下，釋放入血，在骨骼發(fā)生病變時其活性增加，以促進鈣鹽沉積于骨骼內(nèi)。通常成骨細胞成熟和具有活性的標志就是BALP，且被認為是最精確的骨形成標志物之一［3］。 張玲［16］通過探討血清BALP 與非小細胞肺癌骨轉(zhuǎn)移的相關(guān)性， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，BALP 升高對診斷骨轉(zhuǎn)移的靈敏度為86.7%，特異度為83.3%，即BALP 對診斷骨轉(zhuǎn)移靈敏度高， 因此，BALP 可為骨轉(zhuǎn)移的早期診斷、 治療效果的監(jiān)測、 病情預(yù)后等提供有效的依據(jù)。 鉛對成骨細胞的直接作用是抑制其合成、分泌BALP， 但探討胎兒期低水平鉛暴露對新生兒骨代謝的影響發(fā)現(xiàn)BALP 水平與血鉛濃度成正相關(guān)［15］；在鉛致大鼠骨骼損傷的干預(yù)作用研究中，也發(fā)現(xiàn)鉛暴露使BALP 活性上升［17］，這與鉛對骨骼細胞水平的毒性作用相悖， 提示可能與鉛毒性作用引起的鈣、VD 降低有關(guān)。

1.3 Ⅰ型前膠原C-端前肽/N-端前肽

Ⅰ型前膠原C-端前肽 （type Ⅰprocollagen carboxyl-terminal peptide，PICP） 和Ⅰ型前膠原氨基末端肽（type Ⅰprocollagen amino-terminal peptide，PINP）來自Ⅰ型膠原，占有機骨基質(zhì)的90%。膠原合成中前膠原的細胞外加工包括切割氮末端和碳末端延伸前肽。 因為這些前肽與新形成的膠原分子以1∶1 的化學(xué)計量比產(chǎn)生［18］，在一定范圍內(nèi)血液中PINP 水平作為特異指標反映成骨細胞活性、骨形成以及Ⅰ型膠原合成速率，是具有真正意義的骨形成標志物［9］。目前，大量研究表明PINP與多種骨代謝疾病密切相關(guān)，且其檢測不受食物、激素等干擾因素影響。 因此， 與PICP 相比，PINP是骨形成更特異和敏感的指標， 是一個優(yōu)質(zhì)的新型骨代謝疾病的臨床診斷標志物， 可以利用放射免疫法進行檢測［19］。研究發(fā)現(xiàn)，鉛暴露大鼠在成骨細胞增殖期間分泌的早期骨形成標記物PINP 增加［11］，這與OC 水平表達不一致，推測原因可能是鉛損害成熟的成骨細胞，降低OC 水平，而未成熟的成骨細胞增加并分泌更多的PINP，以維持機體骨骼生長發(fā)育的平衡［20］。

1.4 骨保護素

骨保護素（ostoeprotegerin，OPG）是一種分泌的腫瘤壞死因子受體相關(guān)蛋白，在體外和體內(nèi)對破骨細胞分化和維持骨密度具有負調(diào)節(jié)的作用［21］。OPG 在多種骨細胞中均有表達，如成骨細胞、破骨細胞等［22-23］。 OPG 對骨的作用表現(xiàn)在OPG 對OC的作用上， 即抑制OC 的分化、 活化成熟和誘導(dǎo)OC 的凋亡，還能影響OC 的存活，通過減少OC 的數(shù)量減少骨吸收［24］。現(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn)，參與調(diào)節(jié)骨重建最重要的分子系統(tǒng)之一是OPG/RANK/RANKL信號通路及相關(guān)分子， 這對女性絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的防治意義重大［25］。研究表明，OPG 基因的表達受雌激素調(diào)節(jié)， 雌激素是一種控制包括維持骨量在內(nèi)的多種生理過程的關(guān)鍵激素［26］。 女性絕經(jīng)后骨代謝發(fā)生變化，血清中OPG 持續(xù)升高，且與年齡成正相關(guān)［27］，由此推測雌激素缺乏時破骨細胞功能活躍，機體代償性骨吸收，導(dǎo)致骨形成增加，OPG 水平升高。 在研究鉛暴露對不同年齡組大鼠骨代謝的影響中， 發(fā)現(xiàn)鉛暴露主要使幼齡大鼠OPG 水平下調(diào)， 而青年大鼠和成年大鼠在鉛暴露后OPG 蛋白表達和基因表達均無明顯變化［11］；在鉛暴露對胎兒影響的研究中也發(fā)現(xiàn)孕婦低濃度鉛暴露能直接影響新生兒骨代謝［28］，因此，可以推測嬰幼兒時期骨代謝生化指標對鉛暴露更敏感。

2 鉛對骨吸收標志物的影響

骨吸收標志物代表破骨細胞活動以及骨吸收的代謝產(chǎn)物，特別是骨基質(zhì)的降解產(chǎn)物，主要包括Ⅰ型膠原交聯(lián)C-末端肽（CTX）、Ⅰ型膠原交聯(lián)N-末 端 肽 （NTX）、 抗 酒 石 酸 酸 性 磷 酸 酶-5b（TRACP5b）、 尿吡啶啉 （PYD） 和尿脫氧吡啶啉（DPD）等物質(zhì)［29］。 這些指標的測定能幫助鑒別骨轉(zhuǎn)換的類型、計算骨丟失的速率和評估骨折風(fēng)險，有益于治療方法的選擇以及療效的監(jiān)測。 但在臨床發(fā)生鉛中毒時，NTX、TRACP、PYD 等不常作為檢測指標，實驗研究中也鮮有報道。 目前，臨床與實驗研究中較多推薦β-Ⅰ型膠原交聯(lián)C-末端肽（β-carboxy-terminal cross-linking telopeptide of type I collagen，β-CTX）作為骨吸收的標志物。

除此之外， 對CTX 的研究報道也較多，CTX由破骨細胞介導(dǎo)的Ⅰ型膠原蛋白降解并釋放到血液中，而后在骨中由豐富的有機物質(zhì)構(gòu)成。Ⅰ型膠原蛋白C 末端肽α1 鏈經(jīng)過β 異構(gòu)化和消旋化形成血清CTX［30］。 血清CTX 可反映破骨細胞的骨吸收活性，Brito 等［31］和Monir 等［32］研究結(jié)果均顯示，鉛暴露后，CTX 濃度顯著增加，表明此時破骨細胞高度活躍，加速骨吸收，進而影響骨代謝的平衡。

3 鉛對骨代謝調(diào)控激素的影響

在骨代謝過程中， 發(fā)揮激素調(diào)節(jié)作用的主要有鈣磷代謝調(diào)節(jié)指標、激素以及細胞因子。鈣磷代謝是影響骨代謝以及骨病痊愈的重要因素， 正常的鈣磷代謝能夠促進骨的形成以及骨骼礦化［33］。鈣磷代謝調(diào)節(jié)指標主要包括甲狀旁腺激素、 降鈣素和VD3及其代謝產(chǎn)物（見表2）。

表2 鉛對骨代謝調(diào)控激素的影響

3.1 甲狀旁腺激素

甲狀旁腺激素 （parathyroid hormone，PTH）是甲狀旁腺主細胞分泌的多肽類激素，骨、腎以及小腸是其主要靶器官。PTH 作用于骨時，能加快骨質(zhì)吸收，使骨鈣轉(zhuǎn)入血液。 當血鈣降低時，PTH 可間接誘導(dǎo)破骨細胞的增殖、分化，促進骨基質(zhì)的吸收，進而使骨鈣釋放滿足身體對鈣的需求。因此，通常情 況 下，鉛 暴 露 后 機 體 血 鈣 水 平 變 化 不 大［2，34-35］。鉛能損傷甲狀旁腺， 從而影響PTH 的生成及VD3的羥化，進而干擾鈣磷代謝。 鉛暴露后，PTH 濃度代償性增加，以維持血清鈣水平。 有研究發(fā)現(xiàn)，鉛中毒兒童血清PTH 表達增加與全血中OC 含量輕微下降有相關(guān)性［36］。宋波等［37］的實驗結(jié)果顯示，低濃度鉛暴露可造成未懷孕小鼠血清總PTH 水平升高44.21%，證實了鉛可對小鼠甲狀旁腺的功能造成直接影響。而郝稱莉等［38］的研究結(jié)果顯示，一定劑量的鈣可通過調(diào)節(jié)骨骼中的BGP 和PTH 的變化，緩解鉛導(dǎo)致的骨代謝紊亂，從而保護骨組織的損傷。

3.2 維生素D3

VD3可以促使骨鈣動員到循環(huán)中， 促進鈣鹽堆積在骨基質(zhì)內(nèi)［33］。 VD3代謝產(chǎn)物中活性最高的是1，25（OH）2D3。1，25（OH）2D3是調(diào)節(jié)骨代謝的重要激素，具有極強的生物活性，可促進人體小腸上皮細胞吸收鈣、磷并加速入血，還可作用于成骨細胞，影響遺傳信息轉(zhuǎn)錄過程，促進蛋白質(zhì)合成和細胞分化，加速成骨作用。 研究表明［39］，鉛可使1，25（OH）2D3分解增加，降低血中活性維生素D水平。 Needleman［40］研究指出，隨著體內(nèi)鉛濃度增加，兒童1，25（OH）2D3水平降低，進而影響骨發(fā)育。 董秋穎等［41］在研究維生素D 受體（VDR）基因與血鉛水平的meta 分析中發(fā)現(xiàn)， 不同VDR 基因位點的血鉛水平有差異， 在普通人群中攜帶b 基因的人血鉛含量較高，因此，鉛的接觸水平還可能與一些調(diào)控基因有關(guān)。

3.3 降鈣素

降鈣素（calcitonin，CT）由甲狀腺的濾泡旁細胞（明亮細胞或C 細胞）產(chǎn)生和分泌，能夠降低血鈣、血磷的濃度；阻止小腸對鈣離子的吸收，使體內(nèi)血鈣濃度降低，導(dǎo)致血中游離鈣轉(zhuǎn)至骨組織中［3］。CT 能直接作用于人的成骨細胞， 使其增殖分化，但CT 主要靶細胞是破骨細胞，對其骨吸收功能有顯著的抑制作用。 另外，CT 還能抑制破骨細胞成分的生成，如酸性磷酸酶等［42］。當鉛鎘聯(lián)合使用致大鼠亞慢性中毒后，測定血清中PTH 和CT 濃度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PTH 水平上升，而CT 水平下降，該結(jié)果表明鉛鎘聯(lián)合染毒可使大鼠鈣磷代謝紊亂， 進而影響骨代謝過程［43］。

4 其他

此外，與骨代謝相關(guān)的指標還有細胞因子，如白細胞介素-1（interleukin-1，IL-1）、白細胞介素-6（IL-6）、轉(zhuǎn)化生長因子（TGF）、胰島素生長因子-1（insulin like growth factor-1，IGF-1）；激素，如生長激素（growth hormone，GH）、雌激素和睪酮等（見圖1）。申海琴等［44］研究還發(fā)現(xiàn)，持久職業(yè)性鉛暴露會造成促炎細胞因子與血管生成因子的濃度均升高，影響骨骼細胞營養(yǎng)吸收，進而影響骨骼的生長發(fā)育。 徐焰等［45］研究發(fā)現(xiàn)，鉛可能通過促進IGF-1相關(guān)信號通路分子的磷酸化從而影響IGF-1 介導(dǎo)的GH 促生長作用，進而導(dǎo)致兒童生長矮小。 由此可見，骨代謝過程受多種因素的調(diào)節(jié)，而探索更多的影響因素對預(yù)防及治療鉛中毒意義重大。

圖1 骨代謝生化指標分類

5 結(jié)論

綜上所述， 鉛可以通過影響骨代謝指標的水平影響骨骼的生長和發(fā)育， 即鉛暴露對骨代謝的影響是多因素綜合作用的結(jié)果， 且這種影響可以通過骨代謝生化指標如PINP、CTX 等檢測到。 目前，隨著骨代謝生化指標檢測技術(shù)不斷發(fā)展，其在臨床應(yīng)用日益廣泛，但國內(nèi)外仍無統(tǒng)一檢測標準，因此， 不斷探索骨代謝生化指標的具體作用以及統(tǒng)一檢測標準，或?qū)︻A(yù)防鉛中毒有重大意義。