微循環與骨質疏松的關系

陳瓊 王亮

1.山西醫科大學，山西 太原 030001 2.解放軍第309 醫院綜合骨科骨內科, 北京 100091

骨質疏松癥是以骨量減少，骨質量受損及骨強度降低，導致骨脆性增加、易發生骨折為特征的全身性骨病[1],其發生主要與絕經、老齡有關。骨骼由支配它的血管來完成營養的輸送及廢物的代謝，如果支配它的微循環出現障礙，是否會影響骨代謝從而導致骨質疏松？我國部分中醫認為骨的微損傷導致骨內壓升高、骨內血液動力學和血液流變學發生異常、骨組織缺血缺氧加重、引起微循環障礙、導致骨重建障礙，形成惡性循環[2]。國內學者韓英、眭承志、王紹萍等對骨質疏松患者的甲襞微循環觀察研究發現其微循環較正常對照組有顯著改變[3-5]。但是國內關于微循環與骨密度具體關系及作用機制研究報道較少。

國外研究報道認為，血管生成在骨骼的生理生長和重塑過程中起著重要作用，血管化對于骨小梁骨內膜表面的骨重建或皮質骨內的哈佛氏管以及對軟骨下骨界面的平衡都很重要，血管同時還可以調節循環細胞的運輸及提供所謂內分泌信號調節控制體內器官組織的生長和平衡。在哺乳動物的骨骼系統，血管網的生長由軟骨細胞和骨細胞產生的信號因子調控。而同時，血管也具有影響新骨的成骨作用。最近的研究發現小鼠骨骼系統一些特定位置的毛細血管，調節骨骼血管的生長，直接影響骨的新陳代謝和微環境，營養血管周的骨祖細胞及耦合骨的血管生成和骨的生長。研究報道，血管生成可能比成骨先發生。并且，減少或血流量不足與受損的骨折愈合障礙和骨質疏松癥相關[6,7]。

1 分子生物學研究

1.1 血管與骨的形成

血管與骨骼聯系緊密，血管為骨骼提供氧、營養、激素、細胞因子，以及破骨細胞前體細胞和成骨細胞，而骨骼中的破骨細胞，成骨細胞和骨細胞又反過來調節骨重塑中微血管的生成及維持。既往研究表明骨細胞能夠產生血管生成因子，而血管內皮可以產生成骨因子，這也說明骨細胞和內皮細胞之間存在密切的信息傳遞[8]。微血管周細胞也被證明具有向軟骨細胞、成骨細胞、脂肪細胞、成纖維細胞分化的潛能[9]。調節局部血管內皮細胞和血管周細胞的骨血管生成因子，由來自骨重塑(BRC)中的基礎多細胞單位(BMU)細胞產生，這些血管生成因子包括VEGF(血管內皮生長因子)，bFGF(堿性成纖維細胞生長因子)，BMP7(骨形成蛋白7)，NF-κB(核轉錄因子kappa B)配體RANKL(核因子κ B受體活化因子配體)的受體激活劑和EGF(表皮生長因子)樣家族成員[8]。其中，PDGF B/ PDGFRB(血小板源性生長因子B/血小板源性生長因子受體B)信號通路在微血管周細胞的增殖和粘附中起著至關重要的作用[10]。EGF樣的家庭成員，HB-EGF(肝素結合性表皮生長因子)也具有調節血管周細胞的增殖和募集的作用[11]。而且，骨局部環境中已發現由破骨細胞及成骨細胞表達的表皮生長因子EGFL 2，EGFL 3，EGFL 5，EGFL6，EGFL7，EGFL8和EGFL9[12]，其可能在血管生成中也起著重要作用[13]。

1.2 骨與血管的耦合

既往就有研究表明，骨血管的生長及骨的生長是耦合在一起的，但相對很少有人知道潛在的細胞和分子機制。Kusumbe 等[14]對小鼠的股骨及脛骨分子顯微結構研究發現大量的分支動脈分布于干骺端，一些遠端小動脈的末端為骨內膜的毛細血管。在干骺端和骨內膜，內皮細胞呈管柱狀和拱形排列，CD31及Emcn抗體呈強陽性，稱為H型內皮，在CD31標記陽性的干骺端和骨內膜血管，I a型膠原蛋白成骨細胞、 Runx2早期骨祖細胞均較豐富，表達PDGFRβ(血小板源性生長因子受體)的間充質細胞也與干骺端和骨內膜具有H型內皮的血管有很好的關聯性。且H型內皮細胞分泌Pdgfa(血小板源性生長因子a)，Pdgfb(血小板源性生長因子b)，Tgfb1 (β轉化生長因子1)，Tgfb3(β轉化生長因子3)和Fgf1(成纖維細胞生長因子1)，促進骨祖細胞的存活和增殖。而衰老過程中H型內皮細胞也會隨之丟失。H型血管內皮下降和骨祖細胞的減少可能為老齡化過程中骨量丟失的重要原因，這也可能使老年人成骨治療有新的改進[18]。Xie等[15]也指出骨形成和重建過程中的成骨過程與血管生成相耦合。內皮細胞抗體CD31和endomucin強陽性(簡稱CD31(hi)Emcn(hi))的特殊類型的血管，與血管生成和成骨相偶聯。骨形成和重建過程中，破骨細胞前體細胞分泌的PDGF-BB(血小板源性生長因子二聚體)促進CD31(hi)Emcn(hi)血管形成，從而增加骨小梁數量及皮質骨骨量。通過促進破骨細胞前體細胞分泌PDGF-BB，從而促進血管生成和骨形成是治療骨質疏松癥的治療新靶點。Kusumbe及 Ramasamy等[14,16]指出，用來定義骨骼系統的局部微環境的血管，在骨形成過程中起著至關重要的作用，為造血干細胞提供微環境。內皮細胞中的Notch信號導致骨中造血骨干細胞微環境的擴增，包括CD31抗體陽性毛細血管和PDGFRβ(血小板源性生長因子受體)陽性的血管周細胞的增加，以及小動脈形成和細胞干細胞因子水平升高。

Ramasamy等[17]指出小鼠中Notch信號誘導的特異性血管內皮細胞和基因的破壞，不僅損害骨血管的形態和生長，也導致成骨減少，長骨縮短，軟骨細胞缺乏，骨小梁減少以及骨量減少。在一系列的遺傳實驗的基礎上，得出結論，突變體的骨缺損導致有缺陷的angiocrine(內分泌血管)上的內皮細胞上釋放Noggin蛋白(頭蛋白)，這些都由Notch信號來調控。重組Noggin蛋白，一種內分泌拮抗骨形態發生的蛋白，能修復骨骼的生長和礦化，軟骨細胞的成熟，骨小梁的構架及內皮細胞特異性的Notch信號通路突變體中的骨祖細胞的數量。這些發現建立了一個耦合血管生成、angiocrine信號和成骨的分子框架，這可能為未來治療應用的發展帶來重大意義。

另外，研究發現，使用血管緊張素轉換酶 (ACE) 抑制劑通過對 RAS 的阻斷能減輕骨質疏松，能降低骨折發生率，Shimizu等[18]的動物實驗也證實了這一點：卵巢去勢引起骨密度下降的大鼠使用ACE 抑制劑治療后，抗酒石酸酸性磷酸酶 (TRAP) 活性及尿脫氧吡啶啉水平均有降低。這也說明擴血管、改善骨骼局部血液循環能使破骨細胞活性降低。

2 動物實驗

Liu等[19]對骨質疏松的動物模型進行了微循環的研究，結果發現術后第12個月時，兩組卵巢切除手術組出現了明顯的骨質疏松，且去卵巢-飲食干預組比去卵巢-類固醇組骨質疏松更為嚴重。與健康對照比較(假手術組)、骨質疏松的小鼠在術后第12個月出現了：血管通透性降低，血管成熟度增加，血管數量減少，血管腔縮窄，而血管直徑無明顯變化、血管外空間不變，擴散度不變。Ding 等[20]對60只小鼠進行了實驗，結果發現：在卵巢切除小鼠的脛骨干骺端，骨密度、骨生物力學參數，微血管數量和VEGF較正常對照組明顯減少，其骨微結構也被打亂了。因此得出脛骨干骺端局部血液供應減少可能與絕經后骨質疏松癥相關的結論。Faǐtel’son等[21]發現在白色Wistar 雌性大鼠去卵巢后，骨性組織微循環血管內皮功能障礙發育，導致骨質疏松的發生。Wang等[22]曾報道說，在去勢雄性大鼠造模的骨質疏松動物模型上，其椎體灌注有降低。

Rajkumar等[23]對222只白色 Wistar 雌性大鼠 進行了實驗，結果發現在大鼠去卵巢后，骨組織微循環血管的內皮功能障礙，導致骨質疏松癥的發生以及實驗性骨折愈合延遲。使用依那普利和氯沙坦改善骨的微循環障礙后，能減緩骨小梁變薄和防止裂縫的發生，提高了骨折的愈合質量。Szabó 等[24]對卵巢切除后大鼠補充雌激素治療實驗，發現慢性雌激素補充，通過減少腫瘤壞死因子-α 的釋放和骨膜中中性粒細胞的數目，顯著改善短暫性缺血對微循環的影響，從而逆轉骨質疏松癥。

Dominguez等[25]將344只雄性Fischer大鼠分為兩組，其中一組進行耐力運動訓練，結果發現實驗組股骨遠端的骨小梁體積較久坐不動組增加，同時骨和骨髓血流量增加及NOS(一氧化氮合酶)信號通路的上調與股骨骨小梁體積分數(BV/TV)增加相關。實驗組恢復了因年齡下降導致的血管床血管舒張功能的減弱，從而改善骨特性。并因此得出結論：與年齡相關的骨質疏松癥是與骨血流減少及一氧化氮(NO)介導骨血管舒張的能力下降有關。

3 臨床實驗

既往研究表明，脊椎骨骨髓微循環灌注的下降與BMD流失高度相關[26,27]。Ouyang等[28]對186名普通人群進行分層隨機抽樣及按年齡分組研究。對受試者的第三和第四腰椎椎體進行CTP和BMD檢查，采用CT動態增強掃描灌注成像了解腰椎微循環的血流動力學狀態。研究結果表明，脊椎骨髓微循環改變在很大程度上與年齡有關；當年齡超過35歲時，其灌注壓降低，BF(血流量)速度減慢， BV(血容量)下降，以及組織的血液擴散能力降低。其研究表明，椎體骨髓的微循環系統到25歲才發展成熟，并從26至35歲保持一個穩定的階段，卻在 35歲以后隨著年齡的增長而減少。骨密度與微循環灌注有著類似的成熟過程，在25歲時達到平臺期，從26至45歲維持在一穩定水平，然后隨著年齡而下降。該研究揭示了與年齡相關的腰椎骨髓的微循環功能和骨密度、IDD(椎間盤退變)、和時空分布格局的變化規律，以及微循環功能下降先于骨密度的減少和椎間盤退變的增加。并推論微循環灌注障礙是骨密度流失和加速度IDD(椎間盤退變)的潛在原因。Ma等[29]發現在骨質疏松患者灌注參數額外減少，振幅 A 也有減少，滲透性常數 (A*k(ep)) 和清除率 (k(el))也有減少。同時發現骨質疏松骨骨髓脂肪含量增加。

Reeve等[30]對20例未經治療的特發性或絕經后骨質疏松癥患者，在6周內進行骨骼血流(使用18F)和骨轉換(使用85Sr)的動力學研究與經髂骨活檢的動態計量研究結合相結合。發現18F測得的骨骼肌血流量與吸收到骨交換池中85Sr的指數相關。此外，骨骼的血流量與骨的每一多細胞單位的成骨細胞的工作率指數獨立相關。

Stewart等[31]對18名 46～63 歲的婦女進行足底刺激與直立傾斜試驗，以增強受試者下半身的血液循環，采用應變容積描記法測量小腿血流量、靜脈容量，和微過濾的關系，以及阻抗容積描記法檢測在保持35度直立傾斜仰臥姿勢時腿、內臟及胸部血流的變化。結果表明，足底振動可以顯著提高外周血和全身血液循環，外周淋巴管循環，和靜脈回流，從而影響骨量。因此足底的振動可能對預防和治療骨質疏松癥是一種有效的方法。

4 小結

骨的微循環及骨的生長是耦合在一起的，為造血干細胞提供微環境，分子生物實驗研究表明：H型內皮細胞與成骨相關聯，破骨細胞前體細胞分泌PDGF-BB，從而促進血管生成和骨形成。而Notch信號誘導的angiocrine(內分泌血管)釋放Noggin蛋白，導致骨小梁減少以及骨量減少；動物實驗研究表明：骨質疏松的小鼠較對照組血管通透性降低、血管成熟度增加、血管數量減少、血管腔縮窄、長骨干骺端及椎體的血供減少，而血管直徑無明顯變化、血管外空間不變，擴散度不變；臨床實驗研究則表明：脊椎骨骨髓微循環灌注的下降與BMD流失高度相關，改善骨的微循環能促進骨折愈合及改善骨質量。因此，防止H型內皮細胞的丟失、以及生產一種內分泌拮抗骨形態發生的重組Noggin蛋白、改善骨微循環，將成為骨質疏松的預防和治療的新方向。