放射性骨損傷的研究進展

徐非 程蕊棠 繆孫涵 邱麗穎

江南大學無錫醫(yī)學院基礎醫(yī)學系 214122

放射性骨損傷是人體全身或局部受到一次或短時間內受到分次大劑量外照射，或長期多次受到超過劑量當量限值的外照射而導致骨的一系列代謝和臨床病理變化[1]。放療是目前公認的高效利用射線進行腫瘤治療的方法之一。但低劑量的局部照射也會導致照射部位鄰近器官、組織和血管的并發(fā)癥，其中，骨因含鈣量高，射線吸收率可比周圍組織高30%～40%以上[2]，這表明骨對于任何給定劑量的照射的吸收率均比周圍組織高很多。因此，骨是放射損傷的常見部位，其并發(fā)癥在接受放療的患者中較為常見[3]。我們主要就放療導致的骨損傷展開綜述。

1 放療對骨的直接損傷

1.1 放療對骨相關細胞的影響

骨微環(huán)境中有大量的骨祖細胞，其可在骨折或某些骨病變的情況下被激活分化形成不同類型的細胞，在維持骨健康中起作用。骨處于多組件、多系統(tǒng)構成的環(huán)境，涉及多種生理過程：骨細胞和成骨細胞參與骨形成，破骨細胞參與骨質鈣化和骨吸收等。骨在生理上是礦化的，隨著成骨細胞沉積形成新骨基質，破骨細胞參與骨吸收，骨的不斷重建在維持礦物質穩(wěn)態(tài)方面起著至關重要的作用。盡管患者的年齡、健康狀況和遺傳等因素都有可能影響骨健康，但本質上，輻射所造成的機體外部和內部影響都會導致骨微環(huán)境破壞、骨周轉率下降和動態(tài)平衡被破壞等病理過程。其結果是骨愈合失調導致骨細胞或骨營養(yǎng)血管損傷；循環(huán)障礙產生的骨塊或骨片壞死，引起骨壞死[1,4]。

射線不僅會對骨相關細胞造成損傷，而且由于健康的骨需要足夠的血管和神經支持[2]，輻射也可通過損傷血管的完整性對骨功能產生影響。血管受到輻射后，其內皮細胞通透性增強，會導致血管周圍組織水腫、血細胞滲出等現(xiàn)象[3]。

1.1.1 射線對成骨細胞的影響

成骨細胞來源于骨髓間充質干細胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSC），與骨形成有關。Zhang 等[5]的研究結果表明，靈長類動物經總劑量為45 Gy 的X 射線照射2 周以上，骨髓內成骨細胞和間充質祖細胞的數量迅速減少，在較長時間內仍未得到恢復；研究者在觀察受到照射后的成骨細胞時發(fā)現(xiàn)，成骨細胞的增殖速率和活性受到顯著影響，與膠原生成和堿性磷酸酶活性降低有關，這表明成骨細胞分泌骨基質和促進骨礦化的能力降低。另Celii 等[6]的研究結果表明，輻射影響成骨細胞的凋亡和分化，通常情況下，小于2 Gy 的X 射線能促進部分細胞的分化，高劑量則會抑制其分化，成骨細胞受到50 Gy 的 X 射線照射會迅速凋亡；體外細胞實驗進一步證實，輻射可導致成骨細胞的細胞周期阻滯，細胞輻射敏感性增強；體內外關于成骨細胞的研究結果均顯示，輻射可直接影響成骨細胞的增殖、周期、活力、凋亡、分化和基因表達。

1.1.2 射線對破骨細胞的影響

與成骨細胞相比，破骨細胞及其祖細胞對輻射更敏感，且體內外研究結果均表明，輻射暴露可促進破骨細胞的形成[6]。Celii 和Beckmann[6]發(fā)現(xiàn)，采用2 Gy 的 X 射線照射全身可快速增強破骨細胞的活力；另外，經5 Gy 的X 射線單次照射全身后，破骨細胞數量顯著增多，隨后表現(xiàn)為持續(xù)減少。經照射后，早期破骨細胞數量增加迅速，從而導致丟失的骨質無法恢復。電離輻射能迅速引起組織產生活性氧簇（reactive oxygen species，ROS），因此，電離輻射對破骨細胞的作用可能與ROS 水平的升高密切相關。除此之外，電離輻射可激活NF-κB通路，TNF、集落刺激因子1、活化T 細胞核因子1、單核細胞趨化蛋白1、白細胞介素 (interleukin,IL) 6 等促破骨細胞因子表達水平升高，最終使得破骨細胞活化[6]，導致骨質流失。

1.1.3 射線對骨細胞的影響

已有研究結果表明，成骨細胞功能抑制和破骨細胞功能增強是導致骨損傷的主要原因，然而，目前對于骨細胞的研究較少[7]。骨細胞是成熟骨組織中最主要的細胞，其嵌入骨基質形成多個樹突，從而形成腔隙-小管系統(tǒng)（lacunar-canaliculus system，LCS）。樹突的伸長是LCS 形成、控制骨形成和骨吸收的基礎。射線照射可直接抑制樹突的伸長，引起細胞凋亡，從而改變骨細胞的形態(tài)，降低細胞活力[8]。在體外模型中，輻射劑量低至2～4 Gy 即可引起骨細胞凋亡。放射誘導的骨細胞凋亡可使骨碎裂原性增強，最終導致骨質流失[6]，這或許是癌癥患者長期骨質流失和骨折風險增加的病因。

1.2 放療對骨微觀結構的影響

眾所周知，骨是由有機物和無機物組成的。無機物以鈣含量最多，磷次之。骨中的礦物質使其更加堅硬，起到支架的作用。有機物主要包括膠原蛋白、蛋白多糖和軟骨素等。骨中的有機物起促進骨骼生長、修復骨、供給骨營養(yǎng)、連接和支持骨細胞、參與骨新陳代謝等作用。

1.2.1 放療對骨密度的影響

骨密度全稱為骨的礦物質密度，是反映骨強度的一個重要指標。對骨密度進行測定，不僅能夠判斷人體是否出現(xiàn)骨密度異常，同時還能有效判斷人體的骨生長狀況。骨組織受到電離輻射以后骨細胞變性壞死，產生以骨密度降低為主的放射性骨質疏松[1]，在骨質疏松的基礎上產生的骨的連續(xù)性破壞為放射性骨折[9]。人體的骨密度受到多種因素的影響，包括年齡、性別、日常運動狀況和營養(yǎng)攝入狀況等。

除上述因素外，胡麗萍[9]的研究結果表明，在癌癥患者接受放療的第1 年內，骨密度出現(xiàn)顯著的全身性降低。臨床上接受腹部放療的患者，胸椎和腰椎發(fā)生顯著的骨密度降低。輻射劑量和骨密度降低程度成正比：盆骨受到22.5 Gy 的電離輻射后導致骨密度降低[5]；盆腔受到45 Gy 的X 射線照射會導致其功能不全，骨折的發(fā)生率顯著升高。對于骨密度的減少，目前沒有公認的輻射劑量耐受性。因此，輻射引起的骨密度降低可能是沒有劑量閾值的非隨機效應[10]。

Zhang 等[5]進一步的研究結果表明，全身照射和局部照射均可引起嚴重的骨質流失。用2 Gy 的質子或γ 射線對小鼠進行全身照射，骨小梁發(fā)生顯著損傷。照射通過增強破骨細胞活性和降低成骨細胞活性使骨細胞的整體數量下降和功能受損，從而干擾骨小梁結構，但在皮質骨中未觀察到任何影響。Omolehinwa 和Akintoye[8]的研究結果表明，X射線（5 Gy 或20 Gy）照射導致骨小梁大量流失，但在后肢進行局部照射后觀察到皮質骨密度增加，其原因有待進一步研究；動物實驗結果表明，電離輻射對骨的影響不僅在照射部位，而且在照射范圍外也檢測到骨質流失等骨損傷特征。研究者發(fā)現(xiàn)小鼠右后肢接受2 Gy 的X 射線照射后，不僅損傷脛骨和股骨的骨小梁體積和微結構，而且還影響對側被屏蔽的骨（左后肢）[11]。同樣，當Sprague-Dawley大鼠的右脛骨近端和股骨遠端暴露于20 Gy 的γ 射線時，也發(fā)現(xiàn)全身性骨質流失現(xiàn)象[12]。綜上所述，骨質流失不僅發(fā)生在受輻射的骨中，也發(fā)生在未經輻射的骨中。Rocha 等[13]的研究結果表明，輻射產生的自由基對受輻射和未受輻射部位骨的BMSC存活產生不同程度的影響，且其對血管及微環(huán)境的損傷可影響干細胞在恢復期的生態(tài)位。關于骨質流失出現(xiàn)在非照射部位的原因，有研究者認為，未經直接照射的骨中出現(xiàn)細胞損傷是放療產生的一種旁效應，或涉及免疫系統(tǒng)的參與。被照射的細胞或可通過向胞外釋放信號分子與鄰近細胞溝通，因此這種射線對非放射部位的旁效應，或是由某種信號通路介導產生的旁分泌通路引起，該過程在輻射后期持續(xù)誘導未輻射組織產生損傷。但該現(xiàn)象僅在動物實驗中觀察到，在人體內，這些旁信號是否足以影響輻射場附近的骨修復還有待進一步研究。

1.2.2 放療對骨骼有機成分的影響

骨是由有機物、礦物質、水等組成的多相分層結構，骨的微結構和機械性能取決于有機基質或有機基體與礦物磷灰石晶體之間的特定排列和相互作用，從而形成復合物質[14]。拉曼光譜法被用于分析電離輻射后的骨成分，提供骨組織礦物質和基質的化學特征[15]。拉曼退偏比結果表明，接受照射的動物骨中，礦物質和膠原的退偏比均顯著低于對照組。這些成分變化與不良的骨質量有關，并在照射后持續(xù)較長時間[5]。因此，放療除了能影響骨密度外，還能破壞骨有機物的成分，這可能是導致骨脆性增加的原因。

此外，Limirio 等[16]的研究結果表明，輻射可抑制原纖維滑動，降低骨的可塑性，從而導致骨硬度顯著下降，引起骨脆性增加。水經放射分解產生的自由基會使膠原蛋白分子變性，改變其與羥基磷灰石形成膠原蛋白界面鍵的概率。特定的膠原蛋白交聯(lián)增加，從而增加鍵的數量；這不僅會使膠原蛋白嚴重降解，還會限制原纖維的滑動。

Zhang 等[5]對大鼠半下頜骨進行照射后，用拉曼光譜法量化骨的礦物質和基質化學成分性質，發(fā)現(xiàn)骨中的羥基磷灰石以其長軸為方向，沿膠原纖維方向排列。輻射可影響礦物質和膠原纖維的排列，這可能是由于輻射誘導膠原纖維束中分子間和纖維間形成病理交聯(lián)，一旦膠原蛋白被破壞，病理性交聯(lián)在重塑過程中將很難被吸收。故任何新形成的組織都將在有缺陷的支架上構建，最終導致骨生物力學性能下降。此外，在輻射早期會誘導骨糖基化瞬時增加，膠原蛋白老化。高級糖基化終產物交聯(lián)的形成增加會使膠原纖維變脆并破壞骨的機械性能。

2 放療對骨的間接損傷

2.1 放療對骨髓的間接影響

骨髓是填充于骨髓腔和骨松質間隙內的一種海綿狀組織，由多種類型的細胞和網狀結締組織構成。骨髓是機體中唯一有骨祖細胞的組織，且相關細胞對成骨有很強的誘導能力。因此，骨髓組織在骨損傷修復中發(fā)揮重要作用。骨髓移植可顯著修復骨創(chuàng)傷[17]，提高骨損傷的治愈率。

動物單肢照射模型研究結果表明，骨髓中B細胞和CD8+T 淋巴細胞增加可誘導BMSC 成骨能力降低。此外，骨細胞或骨髓在照射后產生的細胞因子、炎癥因子信號可提高破骨細胞的骨吸收能力[14]。有研究者將鼠單核巨噬細胞RAW264.7 接種在模擬骨表面的孔板中以刺激破骨細胞形成。此外，將鼠單核巨噬細胞RAW264.7 與類骨細胞MLO-Y4 或骨髓細胞共同培養(yǎng)，給予照射刺激后，破骨細胞的分化相較于單獨培養(yǎng)的鼠單核巨噬細胞RAW264.7 更為明顯[13]。以上結果表明，全身性輻射誘發(fā)的骨質流失可能是由受損的骨髓間接導致的結果。然而，骨髓中的哪些細胞及其以何種方式參與調節(jié)骨穩(wěn)態(tài)還需進一步研究。Chandra 等[18]的進一步研究結果表明，當以干骺端為中心，在一個小的準直場內給予16 Gy 的X 射線局灶性照射，在未照射到骨髓腔的情況下，并沒有引起全身骨質流失。此研究未闡明全身性骨損傷的原因及其是否與放療中未涉及到骨髓腔有相關性。以上研究大多是基于整個肢體范圍受照射后的結果，想要挖掘照射引起全身性骨質流失的具體機制，或需采取針對骨髓特定部位的照射方案。

另外，有研究報道，移植BMSC 分泌的外泌體可改善移植受體的骨質疏松表型，并通過表觀遺傳學改善受體骨量的減少，且移植來源于BMSC 的外泌體可促進局部血管生成和防止骨質流失，從而對股骨頭壞死起到預防作用[19]。在此基礎上，建立輻射誘導的大鼠左脛骨骨損傷模型，發(fā)現(xiàn)外泌體可以減輕DNA 和氧化應激損傷，延緩細胞衰老；還可通過Wnt/β-連環(huán)蛋白信號恢復受照射BMSC 的成脂和成骨的分化平衡，使BMSC 的功能得到恢復，從而減輕輻射誘導的骨質流失。以上研究結果表明，BMSC 分泌的外泌體可能是治療放射性骨質流失的一種有前景的無細胞治療方法[20]。

2.2 放療對脈管系統(tǒng)的影響

Lee 等[21]的研究結果表明，輻射可導致脈管系統(tǒng)的損傷，進而影響骨結構。射線可導致閉塞性動脈炎、內皮細胞腫脹和空泡化，還可導致骨髓腔內硬化性結締組織形成。在放射條件下，骨的血管首先表現(xiàn)為微血管的通透性增強等功能性改變，例如出現(xiàn)墜積性充血、張力減退型張力障礙和溢血等，晚期則會出現(xiàn)血管壁加厚、管腔變窄和血栓等現(xiàn)象，以致堵塞管腔，并引起營養(yǎng)障礙等。此外，Hopewell[22]的研究結果表明，陰極射線管導致骨密度變化的機制或與小血管和毛細血管的損傷有關。在陰極射線的作用下，骨中的脈管系統(tǒng)受到損傷，血管被破壞，進而破壞骨細胞，損傷骨，引起破骨細胞和成骨細胞凋亡，并造成脂肪浸潤環(huán)狀骨髓的出現(xiàn)。

3 放射性骨損傷的預防與治療

由于在放療開始時破骨細胞就被激活，骨質流失的進程可能非常迅速，因此，原疾病治療方案的制定、輔助治療方案的選擇和預防在控制放射性骨損傷中尤為重要。由于腫瘤放療過程中極易造成放射性損傷，因此預防與治療應貫穿整個放療過程[23]。

3.1 藥物的預防與治療

補充以還原型谷胱甘肽為基礎的一類抗自由基藥物，配合激素治療急性放射性損傷是目前治療放射性損傷較為常用的手段。迄今為止，研究者已發(fā)現(xiàn)多種抗氧化劑有助于減少ROS 產生的損傷，此類抗氧化劑通過促進BMSC 的成骨分化功能使其免受輻射影響，提高成骨細胞的存活率并促進成骨分化。已被證明具有輻射防護作用的抗氧化劑包括抗壞血酸、α-硫辛酸、氨磷汀、氧化鈰納米顆粒和亞硒酸鈉等[24]。Donneys 等[25]的實驗結果證實，氨磷汀可逆轉輻射引起的骨細胞數量減少與骨空洞增加。需要注意的是，應在照射前短期內給藥，照射后再給藥則無法很好地預防骨質流失。此外，硒（亞硒酸鈉）對去卵巢大鼠的成骨細胞和軟骨細胞具有保護作用，可促進骨修復，起輻射防護作用[24,26]。雙膦酸鹽是一類常用的抗骨吸收藥物，用于治療骨質疏松癥和骨轉換率增高的疾病。在放療過程中，其可降低破骨細胞的活性并誘導細胞凋亡[25]，從而起輻射保護作用。在連續(xù)放療過程中，吸收劑量呈累積增加趨勢，導致成骨細胞功能障礙和大多數破骨細胞凋亡。因此，具有合成代謝作用的試劑是首選，除了包括先前提及的抗氧化劑，還可以利用甲狀旁腺素對骨起輻射保護作用，其通過蛋白激酶A（PKA）/β-連環(huán)蛋白信號通路[4]，提高成骨細胞和骨細胞的存活率，最終逆轉輻射的負面影響[26-27]。此類藥物的研究與開發(fā)是預防及治療放射性骨損傷的主要措施。

3.2 總劑量效應對骨損傷的影響

值得注意的是，放療過程中的輻射效應與可修改參數密切相關，例如總劑量、劑量率、分餾、視野大小、束能量、線性能量轉移等。骨對于低劑量的輻射很敏感，因此在放療過程中，應當充分考慮射線所用的總劑量[25]。例如，生產CT 設備時控制好輻射劑量，對準直器、探測器、濾過器等進行改進；提高CT 檢查醫(yī)務人員的技術水平，最大程度地降低醫(yī)療輻射劑量，防止放射性骨損傷的發(fā)生。

目前，大多數研究集中于總劑量效應。我們尚不清楚其他參數對骨損傷的作用，仍需更多研究發(fā)現(xiàn)此類可修改因素與輻射效應之間的關系。這將有助于臨床醫(yī)師選擇適當的放療計劃，最大程度地減少不良反應。此外，輻射對骨微環(huán)境的局部擾動可引起鄰近骨丟失。因此，探究射線對局部和全身骨組織的作用機制對于制定對策以預防射線引起的骨損傷具有重要意義。

3.3 放射性損傷的評價指標

即使同樣的疾病、同樣的放療部位、同一臺醫(yī)療設備、相同的照射劑量，甚至幾乎相同的靶區(qū)勾畫，不同個體的放射性損傷程度也具有很大差異。人體不同的組織器官的放射敏感性亦不同。

骨髓損傷是傳統(tǒng)癌癥治療中最常見的照射劑量的限制因素之一，分析骨髓細胞中的細胞凋亡信號通路可能有助于確定新的治療策略，從而減少不良反應。有研究結果顯示，一種重要的DNA損傷修復基因范可尼貧血補充組D2（fanconi anemia complementation group D2, FANCD2）可通過多水平調節(jié)鐵代謝和脂質過氧化以非自噬的方式抑制Erastin 誘導的BMSC 鐵死亡[28]。另外，輻射產生損傷效應時，第一步是招募巨噬細胞 ，有研究結果表明，輻射可誘導骨髓源性巨噬細胞的NLRP3炎性小體激活和細胞焦亡，通過測定NLRP3 炎性小體激活情況，可判斷是否發(fā)生輻射損傷[29]。有研究報道，NRF2 調節(jié)的蛋白是理想的輻射損傷生物標志物，易于從血清、尿液、唾液、汗液等中獲得，存在輻射劑量依賴，在分診時間框架內持續(xù)存在，具有輻射特異性，并且不會被其他應激源混淆[30]。與放射性骨損傷有關的特征性基因或分子或能成為預測和治療放射性骨損傷的指標。

3.4 適當強度的運動

在嚙齒類動物實驗中，模擬阻力訓練的高強度運動可使皮質和骨膜表面的質量、密度、松質骨息微結構和骨形成率得到改善[27]，因此，適當強度的運動也是預防和治療放射性骨損傷的有效方法之一。

4 小結

在癌癥治療過程中，放療雖已成為一種常用方法，但其對骨的損傷不容忽視。射線可直接對骨相關細胞產生影響，進而影響骨的正常狀態(tài)，增加骨質流失和骨折的風險。另外，射線還可通過對骨的礦物質和有機成分產生影響，導致骨骼微觀結構和機械性能被破壞。除直接影響外，放療還可通過影響骨髓系統(tǒng)，誘導破骨細胞分化，間接引起骨質流失，也可通過引起血管腔閉塞或損傷骨的脈管系統(tǒng)，使骨發(fā)生營養(yǎng)障礙，破壞骨細胞，導致骨髓脂肪浸潤。值得注意的是，放療對骨的損傷并非單方面的，或伴隨多方面的損傷。在治療放療引起的骨損傷時要充分考慮射線的可修改參數，最常考慮的是總劑量效應。充分考慮不同階段局部和全身作用機制對預防及治療放射性骨損傷是非常重要的。

利益沖突 本研究由署名作者按以下貢獻聲明獨立開展，不涉及任何利益沖突。

作者貢獻聲明 徐非負責文題的設計、綜述的撰寫；程蕊棠、繆孫涵負責文獻的整理、綜述的修訂；徐非、邱麗穎負責綜述的立題與審閱。