骨質(zhì)疏松癥的診治及應(yīng)用間充質(zhì)干細(xì)胞的治療現(xiàn)狀

翁一杰 黎良盛 鐘向新 鄧妃富 王義昌 魏勁松

廣東醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院脊柱退變與畸形外科，湛江 524000

骨質(zhì)疏松癥的特征是骨組織數(shù)量和質(zhì)量的惡化，導(dǎo)致骨折風(fēng)險(xiǎn)增加，其可被分為原發(fā)性（病因不明）和繼發(fā)性（有明確病因）骨質(zhì)疏松［1］。原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥進(jìn)一步分為絕經(jīng)后Ⅰ型（50～70 歲）和年齡相關(guān)的Ⅱ型（70 歲以上同時(shí)影響骨小梁和皮質(zhì)骨），而繼發(fā)性骨質(zhì)疏松癥的病因較多，常見的有皮質(zhì)醇過多、甲狀腺功能亢進(jìn)、甲狀旁腺機(jī)能亢進(jìn)等［2］。骨質(zhì)疏松癥及其相關(guān)骨折的預(yù)防對(duì)老年人的健康維護(hù)和生活質(zhì)量保證至關(guān)重要。

骨質(zhì)疏松癥的診斷

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的標(biāo)準(zhǔn)，骨質(zhì)疏松癥的診斷主要依據(jù)T評(píng)分，而T評(píng)分反映的是腰椎和髖部的骨密度。當(dāng)患者骨密度值比年輕健康女性的平均值低2.5 標(biāo)準(zhǔn)差（T 評(píng)分≤-2.5）可被診斷為骨質(zhì)疏松癥，而平均T 評(píng)分介于-1.0 SD和-2.5 SD 之間的患者被歸類為骨質(zhì)減少癥［3］，大多數(shù)骨質(zhì)疏松性骨折發(fā)生在骨密度水平在骨質(zhì)疏松范圍內(nèi)（-2.5＜T評(píng)分＜-1）或甚至骨密度水平正常的人身上［4］。測(cè)量骨密度可以預(yù)測(cè)骨折風(fēng)險(xiǎn)，是評(píng)估骨折風(fēng)險(xiǎn)的最佳工具，但它在某些情況下并不可靠，特別是2 型糖尿病的患者，他們通常有更高的骨密度但伴隨著更高的骨折風(fēng)險(xiǎn)［5］。除了骨密度的應(yīng)用外，人們還開發(fā)了骨折風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（FRAX）工具，是目前可用的最全面風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工具，它綜合患者的骨密度和臨床風(fēng)險(xiǎn)因素，如年齡、性別、骨折史、父母髖部骨折史、吸煙飲酒史、糖皮質(zhì)激素使用史及其他繼發(fā)性骨質(zhì)疏松癥原因，估計(jì)40～90 歲之間的個(gè)體在10 年內(nèi)椎骨、髖部、前臂和肱骨近端發(fā)生嚴(yán)重骨質(zhì)疏松癥甚至骨折的概率，并為治療決策提供臨床指導(dǎo)［6］。

間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cells，MSCs）

骨骼是一種動(dòng)態(tài)器官，在一生中以協(xié)調(diào)良好的方式持續(xù)進(jìn)行骨重塑，以支持身體所需的機(jī)械特性并維持鈣穩(wěn)態(tài)，其持續(xù)的重塑過程主要依靠骨吸收與骨形成，需要多種細(xì)胞的精細(xì)協(xié)調(diào)［7-8］。19世紀(jì)末，人們發(fā)現(xiàn)骨髓基質(zhì)擁有造血干細(xì)胞和MSCs兩種不同的干細(xì)胞群體，前者是破骨細(xì)胞的來(lái)源，后者能自我更新和分化為中胚層細(xì)胞，具有多向分化潛能的能力［9-10］。將骨髓培養(yǎng)在培養(yǎng)皿中，去除非貼壁細(xì)胞后留下具有成纖維細(xì)胞樣形態(tài)的貼壁細(xì)胞，能夠形成對(duì)細(xì)胞密度不敏感的生長(zhǎng)特性的克隆細(xì)胞群，且保持向不同細(xì)胞系分化的能力，如成骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和軟骨細(xì)胞，它們廣泛存在于骨髓和松質(zhì)骨中，在骨代謝中發(fā)揮重要作用［11-12］。進(jìn)一步的研究表明，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMMSCs）在特定的環(huán)境下甚至可以分化為其他譜系，如神經(jīng)元、骨骼肌和心?。?3-14］。

骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，但成骨細(xì)胞的減少是其中最重要的機(jī)制，因?yàn)槌晒羌?xì)胞分泌類骨是產(chǎn)生骨組織的必要過程，成骨細(xì)胞增殖、成熟并分泌細(xì)胞外基質(zhì)蛋白，誘導(dǎo)骨基質(zhì)礦化，保持骨頭正常骨強(qiáng)度及骨密度［15］。越來(lái)越多的證據(jù)表明，BMMSCs 在骨骼維持和重建中起著重要作用［16］。在正常的生理?xiàng)l件下，由于BMMSCs 向成骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞分化的平衡，骨組織的動(dòng)態(tài)平衡得以維持［17］。在絕經(jīng)、衰老或卵巢切除等各種因素影響下，BMMSCs 這種分化的平衡被破壞，成骨細(xì)胞分化水平降低和脂肪細(xì)胞分化水平增高，導(dǎo)致大量骨髓脂肪細(xì)胞積聚，骨形成和骨吸收之間的失衡，最終導(dǎo)致骨量丟失和骨質(zhì)疏松癥［18］。

骨質(zhì)疏松癥的藥物治療

目前骨質(zhì)疏松癥的療法主要分為非藥物治療和藥物治療。非藥物治療適用于鈣和維生素D 攝入不足以及絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松風(fēng)險(xiǎn)較高的患者，可以通過攝入鈣和維生素D 對(duì)癥處理［19-20］。藥物治療分為抑制骨吸收或刺激骨生成兩種方式，適用于已發(fā)生骨質(zhì)疏松性骨折、有骨質(zhì)疏松性骨折或再骨折高風(fēng)險(xiǎn)的已被診斷為骨質(zhì)疏松癥患者［21］。

1、PTH1類似物

迄今為止，唯一被批準(zhǔn)用于治療骨質(zhì)疏松癥的骨合成代謝藥物是重組人甲狀旁腺激素的生物活性N-末端1-34 氨基酸片段（特立帕肽），它被公認(rèn)為治療嚴(yán)重骨質(zhì)疏松癥最有效的藥物［22］。甲狀旁腺素（PTH）是體內(nèi)最重要的鈣調(diào)節(jié)激素，由甲狀旁腺分泌，通過刺激骨吸收從骨骼中釋放鈣來(lái)增加血清鈣濃度。與PTH 作用類似，特利帕肽與成骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞前體［23］中表達(dá)的PTHR1 結(jié)合，不僅促進(jìn)成骨細(xì)胞分化和增殖，還表現(xiàn)為RANKL 的表達(dá)增加，進(jìn)而激活破骨細(xì)胞。當(dāng)原發(fā)性甲狀旁腺機(jī)能亢進(jìn)癥患者受持續(xù)甲狀旁腺激素過度分泌影響時(shí)，不僅骨形成的激活頻率明顯增加，骨重塑和骨吸收也明顯增加，總體效果為骨重建增強(qiáng)，與成骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨形成過程相比，破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收作用更強(qiáng)［24］，導(dǎo)致骨質(zhì)丟失甚至骨質(zhì)疏松癥。與促進(jìn)骨吸收的持續(xù)刺激相反，PTH 與其受體PTHR1 的間歇性結(jié)合能夠增加骨合成代謝，成骨細(xì)胞對(duì)PTH 刺激的反應(yīng)表現(xiàn)為骨形成大于骨吸收［25］。根據(jù)FDA 規(guī)定，特立帕肽的療程不允許超過2 年［26］，且終止治療后會(huì)迅速導(dǎo)致骨密度下降，須繼續(xù)使用抗骨吸收藥物［27］。

2、雙膦酸鹽

雙膦酸鹽是一種合成化合物，為治療骨質(zhì)疏松最常用的一線藥物。有幾種雙膦酸鹽已被批準(zhǔn)作為治療骨質(zhì)疏松癥的藥物，包括阿侖膦酸、班卓膦酸、利塞膦酸和唑來(lái)膦酸。其化學(xué)結(jié)構(gòu)類似于無(wú)機(jī)焦磷酸鹽，通過焦磷酸鹽分子中的一個(gè)碳原子取代一個(gè)氧原子而得到。雙膦酸鹽廣泛應(yīng)用于臨床實(shí)踐中以骨重塑增加為特征的疾病，如骨質(zhì)疏松癥、Paget 病、骨溶解性骨轉(zhuǎn)移瘤和炎癥相關(guān)骨丟失［28-29］。因?yàn)樗鼈兊闹饕飳W(xué)作用是破壞破骨細(xì)胞的功能和影響其生存的亞細(xì)胞定位和某些信號(hào)蛋白的正常功能，從而抑制骨吸收［30］。值得注意的是，雙膦酸鹽耐受性良好，能減少骨質(zhì)疏松性骨折的風(fēng)險(xiǎn)，但長(zhǎng)期使用雙磷酸鹽治療的患者可能會(huì)有嚴(yán)重的不良反應(yīng)，如腸胃不適、腎并發(fā)癥、頜骨壞死和非典型股骨骨折［31-32］。

3、雌激素和選擇性雌激素受體調(diào)節(jié)劑（SERMs）

SERMs 是一類能結(jié)合雌激素受體作為激動(dòng)劑的藥物，常用于治療骨質(zhì)疏松癥。絕經(jīng)后女性的雌激素水平降低，骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生率顯著增加。有研究證實(shí)，雌激素受體有在成骨細(xì)胞中表達(dá)，因此雌激素在調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞分化方面具有重要作用［33-34］。有研究發(fā)現(xiàn)，一定濃度的雌二醇除了可促進(jìn)體外培養(yǎng)的BMMSCs 增殖、成骨分化、軟骨分化外［35］，還能促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖、成熟及BMP2 的表達(dá)和分泌［36］。此外，雌激素也被證明可以抑制BMMSC向脂肪細(xì)胞的分化［37］。然而，長(zhǎng)期使用SERMs（如雷洛昔芬）也有其嚴(yán)重的不良反應(yīng)，特別是乳腺癌、心血管事件和血栓栓塞的風(fēng)險(xiǎn)，限制了雌激素和SERMs 作為骨質(zhì)疏松癥的長(zhǎng)期治療［38］。

4、雷奈酸鍶

鍶是一種在元素周期表中與鈣在同一主族的化學(xué)元素，因此其化學(xué)性質(zhì)也與鈣相似。這種相似性讓鍶能在骨組織中替代鈣而不干擾正常骨代謝［39］。雷奈酸鍶是一種鍶鹽，被認(rèn)為對(duì)骨代謝有雙重作用，既能增加成骨細(xì)胞以促進(jìn)骨形成，又能減少破骨細(xì)胞從而抑制骨吸收，是治療絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的潛在藥物，可降低脊柱和髖部骨折的風(fēng)險(xiǎn)和增加骨密度［40］。有研究表示，使用雷奈酸鍶治療有皮疹、心肌梗死、栓塞和靜脈血栓形成等不良反應(yīng)［41］。

5、地諾單抗

近幾十年來(lái)，生物療法的發(fā)展也為治療骨質(zhì)疏松提供了新藥物的開發(fā)。地諾單抗是一種IgG2 人源性單克隆抗體，有獨(dú)特的抗骨吸收作用機(jī)制。其對(duì)特異性靶向核因子κB受體活化因子配體（RANKL）有高度親和力，抑制破骨細(xì)胞形成和活化，減少骨吸收，增加骨密度［42］。地諾單抗被認(rèn)為是治療骨質(zhì)疏松癥相對(duì)安全的療法［43］。須注意的是，服用免疫抑制劑或免疫系統(tǒng)受損的患者使用該藥物時(shí)，發(fā)生嚴(yán)重感染的風(fēng)險(xiǎn)可能會(huì)增加。

MSCs的治療現(xiàn)狀

目前，骨質(zhì)疏松癥的治療方案是基于一系列抑制骨吸收或誘導(dǎo)骨形成的合成代謝藥物［44］。研究表明，抗吸收藥物不能逆轉(zhuǎn)現(xiàn)有的骨質(zhì)流失，只能抑制其進(jìn)一步骨吸收，且長(zhǎng)期服用都有一定的不良反應(yīng)。因此迫切需要找到治療骨質(zhì)疏松癥的替代方法。MSCs 是一種具有自我增殖和多向分化能力的未分化細(xì)胞，可以修復(fù)再生受損的組織，其在骨骼的維持和重建中起著重要作用，因此被認(rèn)為是骨質(zhì)疏松癥替代治療的發(fā)展方向。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型在開發(fā)新藥和治療方法時(shí)起到關(guān)鍵作用，盡管實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的發(fā)病機(jī)理和免疫應(yīng)答與人類疾病之間有差異，它們?nèi)匀粸槲覀兲峁┝睡熜Ш桶踩栽u(píng)估的重要信息［45］?，F(xiàn)階段中常用的骨質(zhì)疏松模型主要是接受了卵巢切除術(shù)［46］或服用糖皮質(zhì)激素［47］后的小鼠或大鼠，而主要的給藥方式是骨髓內(nèi)注射和經(jīng)尾靜脈注射。

MSCs 可從大量的組織中分離出來(lái)，并進(jìn)行選擇性培養(yǎng)，最常見的是BMMSCs，它已被廣泛應(yīng)用于去卵巢骨質(zhì)疏松模型和年齡相關(guān)性骨質(zhì)疏松模型中，也被證實(shí)具有促進(jìn)成骨分化的作用。脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞（ASCs）是通過微創(chuàng)方法從白色脂肪組織中分離出來(lái)，相對(duì)于BMMSCs 而言，更容易分離，細(xì)胞數(shù)量更豐富，產(chǎn)量更高。在骨質(zhì)疏松癥動(dòng)物模型體內(nèi)移植ASCs 后可以增強(qiáng)骨形成能力，骨密度顯著增加［46］，且自體ASCs在機(jī)體骨質(zhì)疏松條件下保持了其抗炎能力，其增殖和成骨能力受衰老及傳代的影響也較BMMSCs小［48］。牙髓間充質(zhì)干細(xì)胞（DP-SCs）是從牙髓組織中分離出，后來(lái)也陸續(xù)從乳牙、牙周韌帶、牙槽骨等地方分離得到其他的牙齒間充質(zhì)干細(xì)胞［49］，這些口腔組織的MSCs具有自我更新、多分化潛能、免疫調(diào)節(jié)功能以及組織再生的能力，且成骨能力強(qiáng)于BMMSCs，成脂能力弱于BMMSCs。羊水源性間充質(zhì)干細(xì)胞（AF-MSCs）在研究中被證實(shí)90%以上表達(dá)一些胚胎干細(xì)胞標(biāo)志物，如八聚體結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子4（Oct-4），因此被認(rèn)為是胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞中間的一個(gè)階段，其在促成骨的同時(shí)，也表現(xiàn)出抑成脂的特性。胎盤組織源性間充質(zhì)干細(xì)胞（PD-MSCs）的成骨能力同樣得到了研究，根據(jù)來(lái)源部位不同，分為羊膜MSCs（AM-MSCs）、臍帶MSCs（UC-MSCs）、絨 毛 膜MSCs（CM-MSCs）和 蛻 膜MSCs（DC-MSCs），且AM-MSCs 和UC-MSCs 較其他來(lái)源的MSCs具有更高的成骨潛能［39］。由于其來(lái)源的特殊性，使用胎盤組織源性MSCs時(shí)，總引起關(guān)于在政治、倫理、道德和情感方面的爭(zhēng)論。同樣值得爭(zhēng)議的還有人類囊胚的多能胚胎干細(xì)胞（hESCs），由于hESC的分離需要破壞人類胚胎，這也形成了一個(gè)難以回避的倫理問題［49］。

MSCs 移植可以改善骨質(zhì)疏松動(dòng)物模型的癥狀，實(shí)際治療效果卻有限，因?yàn)樗菀资艿礁鞣N因素的干擾。因此，為了提高M(jìn)SCs的增殖及成骨能力，人們寄希望于基因工程來(lái)提高治療效果［50］。通過基因修飾改變干細(xì)胞的表型可以改變細(xì)胞分化方向，促進(jìn)成骨分化以治療骨質(zhì)疏松癥［51］。目前的研究中，一般使用5 種基因修飾的方案：（1）過表達(dá)成骨相關(guān)基因，包括BMP-2、BMP-6、RUNX2 和OSX 等的表達(dá)基因［52-54］。（2）修飾抑制破骨細(xì)胞活化的相關(guān)基因，如RANK-Fc 的表達(dá)基因，RANK-Fc 可與RANKL 結(jié)合，阻止RANK 發(fā)揮激活破骨細(xì)胞的作用［55］。（3）過表達(dá)促血管生成的基因，如編碼血小板衍生生長(zhǎng)因子B（PDGFB）的基因，為新生骨及MSCs繁殖提供血供［56］。（4）修飾歸巢相關(guān)基因，如激 活CXCR4，以 促 進(jìn)MSCs 的 歸 巢 和 遷 移［57］。（5）延 緩BMMSCs的衰老，如激活端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶（TERT），以延長(zhǎng)或穩(wěn)定端粒［58］。

問題與展望

骨質(zhì)疏松癥是一種全身性骨骼疾病，其病因是由于破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞活動(dòng)失衡而導(dǎo)致骨密度降低。現(xiàn)有的預(yù)防骨質(zhì)流失進(jìn)一步進(jìn)展的藥物雖然對(duì)治療骨質(zhì)疏松癥有效，但長(zhǎng)期治療會(huì)引起嚴(yán)重不良反應(yīng)，這導(dǎo)致了對(duì)骨質(zhì)疏松癥新治療方法的迫切需求。干細(xì)胞療法有望為骨質(zhì)疏松癥的治療提供新的策略和方法，同時(shí)，這也應(yīng)引起我們對(duì)使用干細(xì)胞療法安全問題的思考，具有自我更新能力的干細(xì)胞某種意義上與腫瘤細(xì)胞無(wú)異，且經(jīng)傳代后的MSCs經(jīng)常不可避免地經(jīng)歷表型、功能及更重要的遺傳變化，與原代細(xì)胞相比會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的安全問題，存在潛在的參與腫瘤形成和進(jìn)展的風(fēng)險(xiǎn)，這些都有待進(jìn)一步的研究來(lái)解決，相信在不久的將來(lái)，MSCs將在骨質(zhì)疏松癥的治療中發(fā)揮重要作用。