鍶的成骨機(jī)制及富鍶食品的研發(fā)現(xiàn)狀

席雪瑤，高亞男，王加啟，鄭楠

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部奶及奶制品質(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部奶產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

國(guó)家衛(wèi)健委2018年發(fā)布的《中國(guó)居民骨質(zhì)疏松癥流行病學(xué)調(diào)查報(bào)告》顯示，我國(guó)低骨量人群龐大，40～49歲人群低骨量率達(dá)到34.0%，50歲以上人群低骨量率為57.4%，針對(duì)骨質(zhì)流失問(wèn)題，在2021年1月和2月分別召開(kāi)的世界神經(jīng)外科學(xué)會(huì)聯(lián)合會(huì)（WFNS）脊柱委員會(huì)會(huì)議上均達(dá)成這樣的共識(shí)，即口服鈣（Calcium，Ca）是預(yù)防骨質(zhì)流失的有力干預(yù)措施[1]。Ca能夠影響骨骼健康是廣為人知的，但是鍶（Strontium，Sr）作為一種同樣重要的元素，其對(duì)骨骼健康的重要性卻一直未被充分認(rèn)識(shí)?，F(xiàn)有研究已證實(shí)Sr和Ca具有高度相似性，故Sr在各種細(xì)胞內(nèi)過(guò)程中常?？梢匀〈鶦a[2]。Sr在人體內(nèi)以Sr離子形式存在，含量約320 g，99%存在人體硬組織如骨骼中，在人體內(nèi)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于0.05%，為人體的必需元素[3,4]。已有研究證實(shí)Sr具有雙重成骨作用，即同時(shí)具有刺激成骨細(xì)胞和抑制破骨細(xì)胞活性的成骨潛力[5]。除此以外，近年來(lái)的研究還表明Sr還在抗炎、抗菌、抗癌、鎮(zhèn)痛等方面具有活性效果。

20世紀(jì)70年代的報(bào)道顯示有研究者將Sr的毒性定義為主要的關(guān)注點(diǎn)，結(jié)果顯示Sr攝入過(guò)量可能導(dǎo)致低血鈣癥和佝僂病的發(fā)生[6,7]，但Sr作為一種對(duì)人體的健康功效具有深遠(yuǎn)意義的微量元素其每日攝入是不可或缺的，然而當(dāng)前我國(guó)對(duì)Sr的限量攝入標(biāo)準(zhǔn)尚不明確，那么在Sr的攝入方面要達(dá)到安全性好、副作用小的目的無(wú)疑是通過(guò)飲食這一途徑，含鍶食品在日常生活中較含鍶藥物具有接觸頻率更高，原料更易獲得的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）的數(shù)據(jù)顯示，全球Sr已探明儲(chǔ)量最少在6 230萬(wàn)t以上，其中中國(guó)的產(chǎn)量排名位于全球前三，這表明我國(guó)擁有較為豐富的Sr資源，富鍶產(chǎn)品的研發(fā)極具前景。本文將對(duì)高發(fā)骨科疾病進(jìn)行簡(jiǎn)介，聚焦Sr于骨骼的作用機(jī)制以及富鍶食品的研發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，以期為未來(lái)向民眾科普鍶于骨骼的健康知識(shí)，富鍶食品的研發(fā)以及應(yīng)用提供更多參考依據(jù)。

1 常見(jiàn)骨科疾病發(fā)病類型

在門診患者中，骨科損傷很常見(jiàn)[8]，骨科疾病如骨關(guān)節(jié)炎、骨腫瘤、骨質(zhì)疏松癥、慢性炎癥等不僅會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)障礙、其他軟組織和器官失去保護(hù)或造血功能障礙、影響礦物質(zhì)穩(wěn)態(tài)，甚至還會(huì)使其他功能發(fā)生失調(diào)[9]，這對(duì)人體健康的影響是巨大的。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外對(duì)常見(jiàn)高發(fā)骨科疾病做了大量的研究。

1.1 關(guān)節(jié)炎

關(guān)節(jié)炎（Arthritis）是一種以炎性滑膜炎為主的系統(tǒng)性疾病，常伴有關(guān)節(jié)疼痛、腫脹僵硬、活動(dòng)受限等癥狀，其患病率隨著年齡的增加而增加，嚴(yán)重影響患者的健康和日常生活[10,11]。

常見(jiàn)關(guān)節(jié)炎包括骨關(guān)節(jié)炎（Osteoarthritis，OA）、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎（Rheumatoid Arthritis，RA）、銀屑病關(guān)節(jié)炎（Psoriatic Arthritis，PsA）和強(qiáng)直性脊柱炎（Ankylosing Spondylitis，AS）[12,13]，其中骨關(guān)節(jié)炎（OA）是各種肌肉骨骼疾病中最常見(jiàn)的膝關(guān)節(jié)疾病[14]，多發(fā)于髖、膝等關(guān)節(jié)，會(huì)為患者帶來(lái)巨大的疾病負(fù)擔(dān)，目前已成為全球排名第二位的致殘疾病[15]，也是成人致殘的主要原因之一[16-18]。軟骨細(xì)胞自噬功能障礙常被認(rèn)為是骨關(guān)節(jié)炎中軟骨降解的關(guān)鍵發(fā)病機(jī)理[19]，但因骨關(guān)節(jié)炎病理機(jī)制復(fù)雜，其發(fā)病機(jī)制尚不完全清楚，一般認(rèn)為與衰老、肥胖、創(chuàng)傷和機(jī)械負(fù)荷等常見(jiàn)風(fēng)險(xiǎn)因素相關(guān)。

一項(xiàng)2020年公布的流行病學(xué)結(jié)果提示，目前我國(guó)＞65歲人群關(guān)節(jié)炎整體發(fā)病率已達(dá)到驚人的8.1%，且隨著人口結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，老齡化的增加，患病人數(shù)很可能呈現(xiàn)出繼續(xù)增加的趨勢(shì)[20]。

1.2 骨腫瘤

骨腫瘤（Bone Tumours）是發(fā)生于骨骼或其附屬組織（血管、神經(jīng)、骨髓等）中的一種腫瘤。骨腫瘤有良性，惡性之分，良性骨腫瘤容易治愈，預(yù)后良好，惡性骨腫瘤發(fā)展迅速，預(yù)后不佳，死亡率高[21]。

已知的惡性骨腫瘤包括骨肉瘤（Osteosarcoma，OS）、尤文肉瘤（Ewing Sarcoma，ES）、軟骨肉瘤（Chondrosarcoma）和脊索瘤（Chordoma）等[22]。需要引起注意的是，原發(fā)性惡性骨腫瘤雖然僅占所有人類癌癥的不到1%[23]，但惡性程度較高，易致殘，患病類型以骨肉瘤最為常見(jiàn)，其次是尤文肉瘤和軟骨肉瘤[24]，骨肉瘤常好發(fā)于兒童和年輕人[25]，其發(fā)病機(jī)制較為復(fù)雜，前期研究表明其最關(guān)鍵的途徑有Notch通路，經(jīng)典Wnt通路，NF-κB（Nuclear Factor Kappa-B）通路等[26]。為了有效區(qū)分骨肉瘤與其他原發(fā)性骨腫瘤，Barger等[27]對(duì)免疫組織化學(xué)標(biāo)記物如堿性磷酸酶（Alkaline Phosphatase，ALP）、骨連接蛋白（Osteonectin，ON）、骨橋蛋白（Osteopontin，OPN）等的能力進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果顯示這幾種抗體都對(duì)骨肉瘤的檢測(cè)表達(dá)高度敏感。

早些年間骨肉瘤的治療方法通常是多種藥物強(qiáng)化治療和手術(shù)切除聯(lián)合治療，但近幾年來(lái)隨著研究的深入，該方案已被證明具有顯著的藥物毒性以及復(fù)發(fā)率，可能導(dǎo)致患者二次遭受疾病的折磨，故而探索惡性骨腫瘤的發(fā)病機(jī)制為防癌治癌提供科學(xué)支撐，從而減輕患者痛苦是迫在眉睫的[28,29]。

1.3 骨質(zhì)疏松

骨質(zhì)疏松癥（Osteoporosis，OP）是一種以骨量減少和骨骼松質(zhì)微結(jié)構(gòu)改變?yōu)橹饕卣?，伴隨著退化性骨質(zhì)流失，繼而可能導(dǎo)致骨折的疾病[30,31]。

OP主要分為原發(fā)性骨質(zhì)疏松和繼發(fā)性骨質(zhì)疏松，其中與絕經(jīng)和衰老相關(guān)的原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥是最常見(jiàn)的代謝性骨病[32]。目前，大約有900萬(wàn)美國(guó)成年人患有OP，預(yù)計(jì)到2030年，這些數(shù)字將增加到1 190萬(wàn)[33]，且隨著年齡的增加該病的發(fā)生率也會(huì)越來(lái)越高，絕經(jīng)后的女性發(fā)生率尤其較高，故而女性被建議從65歲開(kāi)始篩查OP[34,35]。OP常常引發(fā)諸多不良后果如肌肉力量下降、脆性骨折率升高等，據(jù)預(yù)測(cè)2040年我國(guó)年脆性骨折患病率將增加135%，到2050年我國(guó)因OP引起的骨折人數(shù)將近600萬(wàn)，相應(yīng)的醫(yī)療費(fèi)用可高達(dá)1 745億元[36,37]。OP作為一項(xiàng)全球公共衛(wèi)生問(wèn)題，如果其發(fā)病率和醫(yī)療保健費(fèi)用繼續(xù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，有可能會(huì)在未來(lái)給世界經(jīng)濟(jì)帶來(lái)嚴(yán)重負(fù)擔(dān)[38]。

Iwamoto等[39]提示當(dāng)前OP的治療仍是以藥物治療和功能鍛煉為主，抑制破骨細(xì)胞分化和促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖是其主要思路。當(dāng)前用于骨質(zhì)疏松的藥物主要關(guān)注點(diǎn)在骨吸收的抑制或者骨形成的促進(jìn)的單方面作用[40]，因此，尋找一種能夠發(fā)揮雙重成骨作用的藥物至關(guān)重要。

1.4 其他

除上述疾病外，近些年來(lái)骨科疾病方面同樣聚焦了其他的大量研究。Sposen等[41]發(fā)現(xiàn)腎功能衰竭患者常伴隨腎性骨病如甲狀旁腺骨病等，而在選擇透析治療的患者中該病的患病率可能達(dá)到63%，且骨骼狀態(tài)往往會(huì)隨著血液透析時(shí)間的推移而惡化；Lou等[42]以1 566名女性和1 382名男性作為樣本，通過(guò)磁共振成像技術(shù)（MRI）來(lái)對(duì)腰椎間盤退變進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)絕經(jīng)后婦女椎間盤退變趨勢(shì)明顯；Mokhtari等[43]認(rèn)為軟骨發(fā)育不全是基于FGFR3基因突變的罕見(jiàn)遺傳疾病，一項(xiàng)以1 374名患者（48.8%為女性）為原發(fā)性軟骨發(fā)育不全隊(duì)列的回顧性研究發(fā)現(xiàn)，該病除表現(xiàn)為身材矮小骨骼發(fā)育不良外，還可能導(dǎo)致心血管疾病、疼痛、體重過(guò)重和睡眠呼吸暫停等不良健康后果。由此可見(jiàn)，骨科疾病對(duì)人體的危害不僅僅表現(xiàn)在疾病本身，其可能帶來(lái)的潛在威脅患者生活的并發(fā)癥也不容小覷。

骨骼健康取決于骨骼形成和吸收之間的平衡，在這種代謝平衡中破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞起到重要作用[44]，該平衡一經(jīng)打破，各種骨骼疾病極有可能接踵而至[45]。應(yīng)該引起重視的是，大量的臨床和實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)證實(shí)飲食攝入，體育鍛煉，日曬，肥胖和生活方式如酗酒和吸煙等（圖1）都可能對(duì)骨骼產(chǎn)生影響[46-49]，而這些因素往往為人們所忽視，現(xiàn)實(shí)情況是當(dāng)骨缺乏癥狀被診斷出時(shí)，最好的治療機(jī)會(huì)通常已經(jīng)消逝[50]。因此，深入研究骨代謝的機(jī)理并向民眾及時(shí)科普骨骼健康知識(shí)對(duì)于優(yōu)化青少年時(shí)期的骨骼發(fā)育和規(guī)避晚年骨科疾病可能導(dǎo)致的可怕后果至關(guān)重要。

圖1 綜合因素對(duì)骨骼的影響及可能病變Fig.1 Effects of combined factors on bone and possible lesions

2 Sr對(duì)骨代謝的作用機(jī)制

必需營(yíng)養(yǎng)素Ca在骨骼健康方面能夠發(fā)揮重要作用已經(jīng)成為共識(shí)[51]，但和Ca同屬于第ⅡA主族的Sr的機(jī)理研究卻長(zhǎng)期為人們所忽視。直到1870年，Sr首次被觀察到可以自然地融入到喂食小劑量Sr鹽的動(dòng)物的骨骼中[52]，這種特殊的堿土金屬才引起了人們的重視，伴隨研究的深入人們逐漸認(rèn)識(shí)到Sr是一種像Ca這樣的親骨元素，其不僅表現(xiàn)在加入骨骼的速率與Ca非常相似，而且在人體內(nèi)的代謝情況也與Ca極其相似[53]。

Sr與Ca的濃度在影響骨再生方面存在雙重性，種種研究結(jié)果表明Ca/Sr的比率而不是Sr的絕對(duì)水平在促進(jìn)骨形成和抑制骨吸收過(guò)程中起調(diào)節(jié)作用。一項(xiàng)體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在Ca濃度為1.8 mmol/L的情況下，Sr可能通過(guò)降低堿性磷酸酶的活性和抑制骨鈣素的吸收來(lái)抑制成骨細(xì)胞的功能；相反，高Ca濃度（9 mmol/L）會(huì)增強(qiáng)骨再生效果。這一結(jié)果與模擬骨組織中的高鈣濃度微環(huán)境和皮下部分的低鈣濃度的體內(nèi)動(dòng)物模型的結(jié)果也是相吻合的，即Sr在用低劑量Ca處理時(shí)會(huì)抑制骨再生，但高劑量Ca處理時(shí)卻能促進(jìn)骨再生[54]。Morohashi等[55]發(fā)現(xiàn)當(dāng)大鼠接受每天87.5 μmol的Sr時(shí)，骨骼中的Ca含量會(huì)顯著增加，但Sr劑量高達(dá)10倍時(shí)則會(huì)導(dǎo)致骨Ca含量的降低和低鈣血癥，這與另一項(xiàng)靜脈注射高劑量Sr2+的研究結(jié)果也是相一致的[56]，發(fā)生這些情況的原因可能與腸道和腎小管中的Sr與Ca的競(jìng)爭(zhēng)吸收/重吸收所導(dǎo)致的鈣穩(wěn)態(tài)的紊亂有關(guān)[57]。以上的證據(jù)都表明，Sr和Ca于骨骼健康都可以發(fā)揮重要作用，但只有當(dāng)Sr和Ca的比例在生物體內(nèi)處于穩(wěn)態(tài)或在某狹窄范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，才能對(duì)骨骼發(fā)揮有益的生物學(xué)功效。

前期研究已經(jīng)證實(shí)Sr是一種通過(guò)協(xié)調(diào)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞間的平衡以調(diào)節(jié)骨轉(zhuǎn)換、維持骨骼穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵生物活性元素[14,58,59]。綜合前人研究，下面主要針對(duì)Sr對(duì)骨骼的雙重作用機(jī)制（圖2）進(jìn)行討論。

圖2 Sr對(duì)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的分子機(jī)制Fig.2 Molecular mechanism of strontium on osteoblasts and osteoclasts

2.1 鈣感應(yīng)受體

Sr在體外發(fā)揮刺激成骨細(xì)胞功能的同時(shí)也能抑制破骨細(xì)胞功能，研究最多的指導(dǎo)這種反應(yīng)的細(xì)胞機(jī)制涉及G蛋白偶聯(lián)受體鈣敏感受體，又名鈣感應(yīng)受體（Calcium-Sensing Receptor，CaSR）[53]。CaSR屬于G蛋白偶聯(lián)受體家族（GPCR），它的結(jié)構(gòu)包括1個(gè)胞外（n端）結(jié)構(gòu)域（配體結(jié)合位點(diǎn)），7個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域和1個(gè)胞內(nèi)（c端）結(jié)構(gòu)域[60]。CaSR可以維持我們體內(nèi)適當(dāng)?shù)腃a離子穩(wěn)態(tài)，其機(jī)制發(fā)生主要是通過(guò)參與甲狀旁腺控制甲狀旁腺激素的分泌和調(diào)節(jié)腎小管中Ca離子的重吸收[61]。

CaSR已被證明可以控制關(guān)鍵的細(xì)胞功能，以響應(yīng)部分二價(jià)陽(yáng)離子的結(jié)合，如Ca2+、Sr2+等[62]。Borciani等[63,64]基于此做了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)在Sr的刺激下CaSR主要通過(guò)兩種方式刺激骨骼的重塑，其不僅可以直接調(diào)控骨細(xì)胞功能，使其發(fā)生生長(zhǎng)、分化和凋亡等，也可以間接激活CaSR從而啟動(dòng)一系列信號(hào)傳導(dǎo)，導(dǎo)致破骨細(xì)胞凋亡和成骨細(xì)胞分化，從而達(dá)到增強(qiáng)骨組織的目的。Hamdy等[65]在體外實(shí)驗(yàn)中使用不同濃度Sr2+（≤30 mmol/L）處理兔的成熟破骨細(xì)胞，證明Sr2+可以在CaSR的介導(dǎo)下呈劑量依賴性地刺激成熟破骨細(xì)胞的凋亡；Min等[66]采用MC3T3-E1小鼠胚胎成骨細(xì)胞進(jìn)行驗(yàn)證以后就Sr對(duì)骨骼的作用是通過(guò)CaSR介導(dǎo)達(dá)成了共識(shí)。以上種種研究皆可證實(shí)CaSR在Sr參與刺激骨形成與抑制骨吸收耦合的雙重機(jī)制中發(fā)揮了重要的作用。

2.2 干細(xì)胞

間充質(zhì)干細(xì)胞（Mesenchymal Stem Cells，MSCs）是從胚胎（如臍帶）和成熟來(lái)源（如脂肪組織和骨髓）中分離出來(lái)的多能干細(xì)胞[67]，其依賴不同的信號(hào)轉(zhuǎn)錄途徑分化成不同的細(xì)胞，如成骨細(xì)胞，軟骨細(xì)胞，脂肪細(xì)胞甚至成肌細(xì)胞，因此被認(rèn)為是一種多能細(xì)胞[68,69]。

前期研究表明，Sr在干細(xì)胞的成骨分化過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，這一觀點(diǎn)在體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中均得到了證實(shí)[70]。Li等[71]將人的BMSCs暴露于0.1和1.0 mmol/L的雷奈酸鍶（Strontium Ranelate，SrR）條件下，發(fā)現(xiàn)能夠顯著增加成骨基因ALP、骨唾液蛋白（Bonesialoprotein，BSP）和骨鈣素（Osteocalcin，OCN）的mRNA水平；Fan等[72]使用大鼠顱骨缺損模型來(lái)評(píng)估Sr的成骨潛力，其組織學(xué)和計(jì)算機(jī)斷層掃描結(jié)果顯示，大鼠體內(nèi)重塑的骨骼數(shù)量呈現(xiàn)出明顯增加趨勢(shì)，從體內(nèi)實(shí)驗(yàn)角度證實(shí)了Sr可以增強(qiáng)MSCs的成骨分化。

有研究報(bào)道Sr不僅對(duì)BMSCs的成骨分化具有誘導(dǎo)作用，對(duì)其他來(lái)源的干細(xì)胞也能發(fā)生相似的效應(yīng)。Aimaiti等[73]為探究人類脂肪干細(xì)胞（hASCs）中骨誘導(dǎo)效率的劑量反應(yīng)關(guān)系，選擇（25～500 μmol/L）Sr對(duì)其進(jìn)行誘導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞外Ca沉積以及成骨基因RUNX2（Runt-Related Transcription Factor 2），Ⅰ型膠原蛋白（Type Ⅰ Collagen，PⅠNP），ALP的表達(dá)均有所升高，這表明Sr促進(jìn)了hASCs的成骨分化。但需要注意的是，雖然在較低Sr濃度下hASCs的成骨分化被促進(jìn)，但在較高劑量下，Sr可能會(huì)導(dǎo)致hASCs的凋亡，ERK1/2信號(hào)通路被認(rèn)為在此凋亡過(guò)程中起到重要作用。

近來(lái)還有研究表明Sr鹽除了能夠刺激間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化以外，可能對(duì)其他祖細(xì)胞也具有骨生成的誘導(dǎo)能力，這說(shuō)明Sr的功能作用是多元化的[74]。

2.3 成骨細(xì)胞

適當(dāng)?shù)墓侵厮苁怯蓛煞N相反的機(jī)制之間的平衡而維持的：骨形成和骨吸收，其中成骨細(xì)胞主要負(fù)責(zé)骨細(xì)胞間物質(zhì)成分的產(chǎn)生，參與骨形成的過(guò)程。成骨細(xì)胞是來(lái)自多能間充質(zhì)干細(xì)胞的單核特化細(xì)胞[75]，骨骼發(fā)育和出生后的穩(wěn)態(tài)依賴于成骨細(xì)胞的適當(dāng)分化和活性。

轉(zhuǎn)錄因子Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2是Runt家族的一員，在成骨細(xì)胞的整個(gè)分化過(guò)程中均有表達(dá)，而且在誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞中起到主要的調(diào)控作用[76]。Runx2由Runx2基因編碼，該基因也參與誘導(dǎo)骨基質(zhì)蛋白基因的表達(dá)，如骨鈣素、PⅠNP和BSP等[77]。在一項(xiàng)體外實(shí)驗(yàn)中，將U-33前成骨細(xì)胞暴露于SrR中，發(fā)現(xiàn)Runx2的表達(dá)顯著增強(qiáng)[78]，同時(shí)Songlin等[79]用氯化鍶（Strontium Chloride，SrCl2）（0～3 mmol/L）處理小鼠顱頂前骨細(xì)胞MC3T3-E1細(xì)胞，在24 h后收集條件培養(yǎng)基，發(fā)現(xiàn)骨細(xì)胞中骨保護(hù)素（Osteoclastogenesis Inhibitory Factor，OPG）mRNA表達(dá)和蛋白質(zhì)分泌量顯著增加，證明了Sr在成骨細(xì)胞中可以發(fā)揮作用。此外，p38絲裂原活化蛋白激酶（p38 Mitogen-Activate Protein Kinase，p38 MAPK）、c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal Kinase，JNK）、骨形態(tài)發(fā)生蛋白（Bone Morphogenetic Protein，BMP）以及經(jīng)典WNT通路等也可以調(diào)控Runx2的轉(zhuǎn)錄活性[80]。

Sr顯示通過(guò)激活多種信號(hào)通路使關(guān)鍵成骨基因的表達(dá)增加。Wnt信號(hào)通路是調(diào)節(jié)BMSCs成骨分化的主要途徑，SrR誘導(dǎo)了典型和非典型Wnt蛋白的表達(dá)，而使用Wnt抑制劑后，這種作用被消除[81]。同時(shí)有研究表明使用0.25 mmol/L的SrR誘導(dǎo)SD大鼠的BMSCs，結(jié)果顯示出比對(duì)照組更強(qiáng)的軟骨形成能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)論證明通過(guò)抑制Wnt/β-catenin信號(hào)通路并促進(jìn)大鼠股骨缺損的軟骨再生可以促進(jìn)BMSCs的軟骨分化[82]。

先前的研究提出，Sr可能像Ca一樣，增強(qiáng)大鼠肉瘤基因（Rat Sarcoma，RAS）/MAPK信號(hào)通路。Peng等[83]選擇小鼠胚胎來(lái)源的間充質(zhì)干細(xì)胞C3H10T1/2細(xì)胞使其在有SrCl2的培養(yǎng)基中暴露后提取總蛋白，發(fā)現(xiàn)處理后的細(xì)胞中的ERK1/2和p38 MAPK磷酸化水平有所增加。RAS作為ERK1/2和p38的上游調(diào)控因子被Sr激活，進(jìn)而他們使用了siRNA靶向敲除Ras后發(fā)現(xiàn)能夠有效抑制Sr介導(dǎo)的成骨標(biāo)志物如Runx2的表達(dá)，從而證明了這種作用依賴于Ras/MAPK信號(hào)通路，這同樣在人胚胎腎HEK293細(xì)胞中也得到了證明[84]。

Sr還能刺激成骨細(xì)胞中的活化T細(xì)胞核因子c1（Nuclear Factor of Activated T-cells，Cytoplasmic 1，NFATc1）信號(hào)通路[85]，F(xiàn)romigué等[81]使用小鼠MC3T3-E1和原代小鼠成骨細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶（一種具有磷酸酶活性的蛋白質(zhì)）抑制劑能夠減弱成骨細(xì)胞復(fù)制和SrR誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞表型標(biāo)志物Runx2、ALP和PⅠNP的表達(dá)，說(shuō)明SrR能夠增加成骨細(xì)胞中的NFATc1反式激活，證實(shí)了Sr能激活成骨細(xì)胞中的NFATc1信號(hào)傳導(dǎo)，其機(jī)制是Sr激活鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶，它通過(guò)去磷酸化作用于NFATc，在非活性狀態(tài)下，該轉(zhuǎn)錄因子在細(xì)胞質(zhì)中被發(fā)現(xiàn)，但在被鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶激活后，它易位到核[86]，在那里它附著在Runx2和ALP基因上，促進(jìn)成骨生成并增加它們的表達(dá)[85]。

種種研究表明，含有Sr鹽的藥物具有改變骨平衡以實(shí)現(xiàn)骨合成的能力，在Sr的作用下可以觀察到骨骼質(zhì)量增加與骨微結(jié)構(gòu)改善等積極現(xiàn)象，許多常見(jiàn)骨科疾病如骨折、骨質(zhì)疏松等的發(fā)生率都隨Sr的攝入呈現(xiàn)降低趨勢(shì)且呈現(xiàn)劑量依賴性[87]。

2.4 破骨細(xì)胞

破骨細(xì)胞是由多個(gè)抗酒石酸磷酸酶（Tartrate Resistant Acid Phosphatase，TRAP）陽(yáng)性的源自造血干細(xì)胞的循環(huán)單核前體細(xì)胞融合形成的多核巨細(xì)胞[88,89]，它在骨穩(wěn)態(tài)中擔(dān)任骨吸收的功能，溶解骨成分并進(jìn)行吞噬，其具體吞噬過(guò)程主要是通過(guò)含有分泌型溶酶體和肌動(dòng)蛋白環(huán)的褶皺緣進(jìn)行的[90]。

一項(xiàng)使用SrR對(duì)來(lái)自顱骨的原代小鼠成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞進(jìn)行治療的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了骨中的雙重作用模式，Sr治療已被證明可以劑量依賴性地減少破骨細(xì)胞的生成，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明Sr通過(guò)對(duì)成骨細(xì)胞分化和功能的積極作用刺激骨形成，并通過(guò)破壞肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架組織來(lái)降低破骨細(xì)胞分化和功能[91]。

核轉(zhuǎn)錄因子κB受體活化因子（Receptor Activator of NF-κB，RANK）/核轉(zhuǎn)錄因子κB受體活化因子配體（Receptor Activator of NF-κBLigand，RANKL）/OPG通路是調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞成熟以防止骨質(zhì)流失的關(guān)鍵通路[92]，RANKL是一種由成骨細(xì)胞前體細(xì)胞、成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，是RANK受體的配體，該受體存在于破骨細(xì)胞及其前體的表面[93]。OPG和RANK都是腫瘤壞死因子受體超家族（Tumor Necrosis Factor Receptor Superfamily，TNFRSF）的成員，它們通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)RANKL來(lái)調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的形成和功能。RANKL通過(guò)RANK激活促進(jìn)破骨細(xì)胞發(fā)育，而OPG通過(guò)隔離RANKL來(lái)抑制這一過(guò)程[94]。有研究發(fā)現(xiàn)Sr降低了誘導(dǎo)破骨細(xì)胞分化的RANK的水平，表明Sr可能直接抑制破骨細(xì)胞的分化[95]。Zhu等[96]通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)證明了Sr通過(guò)阻斷RANKL誘導(dǎo)的NF-κB通路激活而損害破骨細(xì)胞生成，同時(shí)骨髓源性巨噬細(xì)胞中破骨細(xì)胞形成、破骨細(xì)胞生成相關(guān)基因表達(dá)、破骨細(xì)胞骨吸收均有所下降且呈劑量依賴性。

除此以外，仍有許多研究證明Sr對(duì)破骨細(xì)胞的調(diào)控存在其他機(jī)制。Blair等[97]研究發(fā)現(xiàn)除RANKL以外的腫瘤壞死因子（Tumor Necrosis Factor，TNF）（包括TNF-α和TRAIL）可修飾RANK信號(hào)傳導(dǎo)。Sun等[95]使用Sr對(duì)小鼠顱頂前骨細(xì)胞MC3T3-E1細(xì)胞進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)了低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白6（LRP6）/β-連環(huán)蛋白（β-catenin）/OPG信號(hào)通路，而該信號(hào)傳導(dǎo)途徑可能負(fù)責(zé)調(diào)控破骨細(xì)胞生成，因?yàn)镺PG、RANK存在對(duì)RANKL的競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合作用，從而證明了鍶間接抑制RANKL誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞分化。同時(shí)，RANKL與RANK結(jié)合觸發(fā)信號(hào)級(jí)聯(lián)，也可以激活NF-κB、MAPK和磷脂酰肌醇三激酶（Phosphatidylinositol 3-Kinase，PI3K）/蛋白激酶B（Protein Kinase B，Akt）通路，刺激破骨細(xì)胞生成[98]。

綜上，Sr在維持骨代謝平衡時(shí)可以發(fā)揮雙重作用，即同時(shí)發(fā)揮促進(jìn)成骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨形成和抑制破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收已經(jīng)得到了廣泛的證實(shí)，此外，Sr對(duì)BMSCs增殖和分化、血管形成等均有促進(jìn)作用[5]。Marx等[53]認(rèn)為在這種耦合作用下骨骼可以直觀表現(xiàn)為骨體積、皮質(zhì)骨厚度、骨小梁數(shù)量的增加以及骨小梁分離度的減小，這意味著骨骼微結(jié)構(gòu)的改善、骨礦物質(zhì)密度的增長(zhǎng)、骨生物力學(xué)性能的加強(qiáng)。盡管SrR、SrCl2、檸檬酸鍶（Strontium Citrate，Sr-citrate）、葡萄糖酸鍶（Strontium Gluconate，GluSr）早已在大量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中被使用，但目前在人體中應(yīng)用較多的還是SrR（表1）[99-107]。

表1 Sr對(duì)骨骼健康的影響Table 1 Effects of strontium on bone health

3 食品型鍶制品的現(xiàn)狀及開(kāi)發(fā)

前文中提到的藥物SrR雖已被廣泛應(yīng)用，但因其是一種非天然的人工合成化合物，不能被人體主動(dòng)代謝，只是被動(dòng)地排出體外，因此其效果和安全性不如天然Sr鹽類[112]。骨骼是一種富含人體內(nèi)90%以上Sr元素且在不斷代謝的活體組織，每天都有礦物質(zhì)的流失，所以通過(guò)飲食來(lái)補(bǔ)充Sr是必要的，且最好以天然Sr化合物形式補(bǔ)充[112,113]。因此，人們正在逐步朝通過(guò)生產(chǎn)富集Sr的食物從而使人能夠通過(guò)正常膳食就能補(bǔ)充這種有益元素的方向前進(jìn)。

3.1 開(kāi)發(fā)富鍶食品的必要性

Sr在人體中發(fā)揮著重要的作用，除了本文所述Sr作用于骨骼的機(jī)制以外，Tang等[114]發(fā)現(xiàn)Sr可能在妊娠高血壓的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮潛在的保護(hù)作用，Loren等[115]發(fā)現(xiàn)10 mmol/L的Sr能夠有效刺激小鼠孤雌生殖卵母細(xì)胞活化和囊胚發(fā)育，Ko?odziejska等[116]指出Sr還與精神抑郁、老年癡呆癥、癌癥等疾病發(fā)病相關(guān)。同時(shí)，一項(xiàng)流行病學(xué)調(diào)查顯示飲水中Sr含量水平可能和多種心血管疾病發(fā)病率、心臟病病死率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)[117]。值得一提的是，現(xiàn)有的研究證實(shí)至少有34種疾病與體內(nèi)Sr含量的減少有關(guān)[118]，這提示科學(xué)應(yīng)用Sr的生理調(diào)節(jié)作用對(duì)某些疾病進(jìn)行預(yù)防或治療可能是具有非凡意義的。

然而一項(xiàng)關(guān)于中國(guó)地區(qū)的Sr攝入量研究顯示中國(guó)人從食物中攝取的Sr普遍不足，平均攝入量?jī)H為國(guó)際輻射防護(hù)委員會(huì)（ICRP）參考人推薦值的44%[119]。作為人群主要攝Sr來(lái)源的一項(xiàng)礦泉水調(diào)研顯示我國(guó)不同地區(qū)天然淡水含Sr量跨度較大，最低至13 μg/L，高可達(dá)300 μg/L，雖然平均值為119 μg/L，但較發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)說(shuō)這個(gè)數(shù)值并不樂(lè)觀，在一定程度上反映出我國(guó)個(gè)別省市人民可能存在因地理位置、飲食習(xí)慣等原因?qū)е耂r攝取不足的情況[120]。為了消除缺乏Sr元素給我國(guó)人民帶來(lái)的健康影響，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)Sr資源并對(duì)富鍶食品進(jìn)行研發(fā)是必要的。

3.2 天然食品中的Sr含量

Sr在地殼中的含量極為豐富，是一種僅次于Ca的堿土金屬[18,121]。人體日常攝入Sr的主要途徑是飲用水和食品，有分析研究表明因?yàn)槭澄锓N類的不同，其Sr含量差別巨大，常見(jiàn)魚類和海鮮中的平均Sr含量為9.56 μg/g，各種肉類平均Sr含量為1.20 μg/g，牛奶為0.50 μg/g，谷物和蔬菜中分別為5.04 μg/g和2.12 μg/g[122]。同時(shí)，Varo等[123]為分析芬蘭食品中的Sr含量，根據(jù)國(guó)家食品消費(fèi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)估算了每日平均Sr攝入量為每人1.9 mg/d，其中最重要的來(lái)源是乳制品（35%），蔬菜和水果（32%）。

飲用水作為日常生活中最易得到的Sr來(lái)源引起了各國(guó)研究人員的關(guān)注，一項(xiàng)以日本大阪超市里33個(gè)品牌天然礦泉水為樣本的調(diào)查顯示Sr的平均值為0.90 mg/L[124]，在德國(guó)908個(gè)礦泉水樣本中的Sr平均含量為0.54 mg/L[125]，而我國(guó)國(guó)標(biāo)（GB 8537-2018）中規(guī)定飲用天然礦泉水中Sr的含量為≥0.2 mg/L，由此可見(jiàn)當(dāng)前世界范圍內(nèi)對(duì)Sr的限量標(biāo)準(zhǔn)尚未完全明確，各國(guó)對(duì)于Sr的允許添加量并不統(tǒng)一甚至差異較大。值得注意的是，Melnyk等[126]發(fā)現(xiàn)在食物制備中使用含有溶解Sr的自來(lái)水也會(huì)影響該元素的膳食暴露水平，故在含飲食的評(píng)估中，應(yīng)考慮將用含Sr水制備的食物中的Sr含量也納入食物總Sr含量的一部分。

3.3 富鍶食品的研究現(xiàn)狀

當(dāng)前市場(chǎng)上已獲得上市許可并可流通的含鍶食品還是比較匱乏，截至目前我們所得知明確標(biāo)注含有Sr的產(chǎn)品只有一部分礦泉水，如依云、昆侖山、巴黎水、巴馬泉等品牌，但其也并未將Sr元素作為產(chǎn)品賣點(diǎn)。

除上述礦泉水外，國(guó)內(nèi)在Sr元素的食品研發(fā)方面目前聚焦較多的是各大高?；蚩蒲性核c富鍶地區(qū)當(dāng)?shù)卣?lián)合打造的富鍶農(nóng)產(chǎn)品，如貴州省道真縣的硒鍶茶、山東省沂源縣的富鍶蘋果、甘肅省臨澤縣的富鍶黑小麥、山西省靈丘縣的富鍶水稻等，目前我國(guó)已知已申請(qǐng)專利的富鍶食品有富鍶食鹽、富鍶薯類粉條、富鍶淀粉、高鍶金針菇、富鍶豆芽[112,127-131]等，見(jiàn)表2。

表2 富鍶食品研發(fā)現(xiàn)狀Table 2 Status of research and development of strontium-rich foods

在現(xiàn)代社會(huì)，農(nóng)民和生產(chǎn)者正在摸索更合適的基于農(nóng)藝和加工的策略來(lái)生產(chǎn)高質(zhì)量的富鍶食品，生物強(qiáng)化是生產(chǎn)富鍶產(chǎn)品的有效途徑，但在加工過(guò)程當(dāng)中常規(guī)加工方法如加熱、研磨等是否會(huì)降低Sr含量還不得而知。除此以外，環(huán)境條件、農(nóng)業(yè)實(shí)踐等都可能對(duì)動(dòng)植物產(chǎn)品中的Sr含量產(chǎn)生影響。因此，為了提高Sr的含量和生物可利用性，我們需要利用高新技術(shù)生產(chǎn)富鍶食品，同時(shí)優(yōu)化富鍶食品的深加工，人類在最大限度地從食品中獲得Sr這種微量元素方面仍有很長(zhǎng)的路要走。

4 結(jié)語(yǔ)

Sr在人體生物學(xué)上的功能尤其是在骨骼方面的雙重成骨作用是顯而易見(jiàn)的，在人口老齡化時(shí)代，與老齡相關(guān)的骨科疾病與高發(fā)病率、高死亡率、醫(yī)療保健資源的財(cái)務(wù)成本以及這些損傷對(duì)健康系統(tǒng)造成的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)影響緊密連接，因此這種意義顯得更為重要。

目前Sr全部的生物學(xué)功能、作用機(jī)制和限量標(biāo)準(zhǔn)尚未完全明確，這可能是導(dǎo)致富鍶產(chǎn)品種類單一，質(zhì)量良莠不齊的原因；同時(shí)由于Sr的深入研究和科普宣傳還很匱乏，使得富鍶食品的發(fā)展受到很大程度上的限制。因此Sr在人類健康中的作用以及富鍶食品的開(kāi)發(fā)仍需要進(jìn)一步的探究，為Sr在營(yíng)養(yǎng)學(xué)上的應(yīng)用提供更多重要的理論依據(jù)。