骨質疏松癥的診治及應用間充質干細胞的治療現狀

翁一杰 黎良盛 鐘向新 鄧妃富 王義昌 魏勁松

廣東醫科大學附屬醫院脊柱退變與畸形外科，湛江 524000

骨質疏松癥的特征是骨組織數量和質量的惡化，導致骨折風險增加，其可被分為原發性（病因不明）和繼發性（有明確病因）骨質疏松［1］。原發性骨質疏松癥進一步分為絕經后Ⅰ型（50～70 歲）和年齡相關的Ⅱ型（70 歲以上同時影響骨小梁和皮質骨），而繼發性骨質疏松癥的病因較多，常見的有皮質醇過多、甲狀腺功能亢進、甲狀旁腺機能亢進等［2］。骨質疏松癥及其相關骨折的預防對老年人的健康維護和生活質量保證至關重要。

骨質疏松癥的診斷

根據世界衛生組織的標準，骨質疏松癥的診斷主要依據T評分，而T評分反映的是腰椎和髖部的骨密度。當患者骨密度值比年輕健康女性的平均值低2.5 標準差（T 評分≤-2.5）可被診斷為骨質疏松癥，而平均T 評分介于-1.0 SD和-2.5 SD 之間的患者被歸類為骨質減少癥［3］，大多數骨質疏松性骨折發生在骨密度水平在骨質疏松范圍內（-2.5＜T評分＜-1）或甚至骨密度水平正常的人身上［4］。測量骨密度可以預測骨折風險，是評估骨折風險的最佳工具，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險［5］。除了骨密度的應用外，人們還開發了骨折風險評估（FRAX）工具，是目前可用的最全面風險評估工具，它綜合患者的骨密度和臨床風險因素，如年齡、性別、骨折史、父母髖部骨折史、吸煙飲酒史、糖皮質激素使用史及其他繼發性骨質疏松癥原因，估計40～90 歲之間的個體在10 年內椎骨、髖部、前臂和肱骨近端發生嚴重骨質疏松癥甚至骨折的概率，并為治療決策提供臨床指導［6］。

間充質干細胞（mesenchymal stem cells，MSCs）

骨骼是一種動態器官，在一生中以協調良好的方式持續進行骨重塑，以支持身體所需的機械特性并維持鈣穩態，其持續的重塑過程主要依靠骨吸收與骨形成，需要多種細胞的精細協調［7-8］。19世紀末，人們發現骨髓基質擁有造血干細胞和MSCs兩種不同的干細胞群體，前者是破骨細胞的來源，后者能自我更新和分化為中胚層細胞，具有多向分化潛能的能力［9-10］。將骨髓培養在培養皿中，去除非貼壁細胞后留下具有成纖維細胞樣形態的貼壁細胞，能夠形成對細胞密度不敏感的生長特性的克隆細胞群，且保持向不同細胞系分化的能力，如成骨細胞、脂肪細胞和軟骨細胞，它們廣泛存在于骨髓和松質骨中，在骨代謝中發揮重要作用［11-12］。進一步的研究表明，骨髓間充質干細胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMMSCs）在特定的環境下甚至可以分化為其他譜系，如神經元、骨骼肌和心?。?3-14］。

骨質疏松癥的發病機制復雜，但成骨細胞的減少是其中最重要的機制，因為成骨細胞分泌類骨是產生骨組織的必要過程，成骨細胞增殖、成熟并分泌細胞外基質蛋白，誘導骨基質礦化，保持骨頭正常骨強度及骨密度［15］。越來越多的證據表明，BMMSCs 在骨骼維持和重建中起著重要作用［16］。在正常的生理條件下，由于BMMSCs 向成骨細胞和脂肪細胞分化的平衡，骨組織的動態平衡得以維持［17］。在絕經、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，成骨細胞分化水平降低和脂肪細胞分化水平增高，導致大量骨髓脂肪細胞積聚，骨形成和骨吸收之間的失衡，最終導致骨量丟失和骨質疏松癥［18］。

骨質疏松癥的藥物治療

目前骨質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 攝入不足以及絕經后骨質疏松風險較高的患者，可以通過攝入鈣和維生素D 對癥處理［19-20］。藥物治療分為抑制骨吸收或刺激骨生成兩種方式，適用于已發生骨質疏松性骨折、有骨質疏松性骨折或再骨折高風險的已被診斷為骨質疏松癥患者［21］。

1、PTH1類似物

迄今為止，唯一被批準用于治療骨質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），它被公認為治療嚴重骨質疏松癥最有效的藥物［22］。甲狀旁腺素（PTH）是體內最重要的鈣調節激素，由甲狀旁腺分泌，通過刺激骨吸收從骨骼中釋放鈣來增加血清鈣濃度。與PTH 作用類似，特利帕肽與成骨細胞和成骨細胞前體［23］中表達的PTHR1 結合，不僅促進成骨細胞分化和增殖，還表現為RANKL 的表達增加，進而激活破骨細胞。當原發性甲狀旁腺機能亢進癥患者受持續甲狀旁腺激素過度分泌影響時，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，與成骨細胞介導的骨形成過程相比，破骨細胞介導的骨吸收作用更強［24］，導致骨質丟失甚至骨質疏松癥。與促進骨吸收的持續刺激相反，PTH 與其受體PTHR1 的間歇性結合能夠增加骨合成代謝，成骨細胞對PTH 刺激的反應表現為骨形成大于骨吸收［25］。根據FDA 規定，特立帕肽的療程不允許超過2 年［26］，且終止治療后會迅速導致骨密度下降，須繼續使用抗骨吸收藥物［27］。

2、雙膦酸鹽

雙膦酸鹽是一種合成化合物，為治療骨質疏松最常用的一線藥物。有幾種雙膦酸鹽已被批準作為治療骨質疏松癥的藥物，包括阿侖膦酸、班卓膦酸、利塞膦酸和唑來膦酸。其化學結構類似于無機焦磷酸鹽，通過焦磷酸鹽分子中的一個碳原子取代一個氧原子而得到。雙膦酸鹽廣泛應用于臨床實踐中以骨重塑增加為特征的疾病，如骨質疏松癥、Paget 病、骨溶解性骨轉移瘤和炎癥相關骨丟失［28-29］。因為它們的主要生物學作用是破壞破骨細胞的功能和影響其生存的亞細胞定位和某些信號蛋白的正常功能，從而抑制骨吸收［30］。值得注意的是，雙膦酸鹽耐受性良好，能減少骨質疏松性骨折的風險，但長期使用雙磷酸鹽治療的患者可能會有嚴重的不良反應，如腸胃不適、腎并發癥、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節劑（SERMs）

SERMs 是一類能結合雌激素受體作為激動劑的藥物，常用于治療骨質疏松癥。絕經后女性的雌激素水平降低，骨質疏松癥的發生率顯著增加。有研究證實，雌激素受體有在成骨細胞中表達，因此雌激素在調節成骨細胞分化方面具有重要作用［33-34］。有研究發現，一定濃度的雌二醇除了可促進體外培養的BMMSCs 增殖、成骨分化、軟骨分化外［35］，還能促進成骨細胞增殖、成熟及BMP2 的表達和分泌［36］。此外，雌激素也被證明可以抑制BMMSC向脂肪細胞的分化［37］。然而，長期使用SERMs（如雷洛昔芬）也有其嚴重的不良反應，特別是乳腺癌、心血管事件和血栓栓塞的風險，限制了雌激素和SERMs 作為骨質疏松癥的長期治療［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元素，因此其化學性質也與鈣相似。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，被認為對骨代謝有雙重作用，既能增加成骨細胞以促進骨形成，又能減少破骨細胞從而抑制骨吸收，是治療絕經后骨質疏松癥的潛在藥物，可降低脊柱和髖部骨折的風險和增加骨密度［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［41］。

5、地諾單抗

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

MSCs的治療現狀

目前，骨質疏松癥的治療方案是基于一系列抑制骨吸收或誘導骨形成的合成代謝藥物［44］。研究表明，抗吸收藥物不能逆轉現有的骨質流失，只能抑制其進一步骨吸收，且長期服用都有一定的不良反應。因此迫切需要找到治療骨質疏松癥的替代方法。MSCs 是一種具有自我增殖和多向分化能力的未分化細胞，可以修復再生受損的組織，其在骨骼的維持和重建中起著重要作用，因此被認為是骨質疏松癥替代治療的發展方向。實驗動物模型在開發新藥和治療方法時起到關鍵作用，盡管實驗動物的發病機理和免疫應答與人類疾病之間有差異，它們仍然為我們提供了療效和安全性評估的重要信息［45］。現階段中常用的骨質疏松模型主要是接受了卵巢切除術［46］或服用糖皮質激素［47］后的小鼠或大鼠，而主要的給藥方式是骨髓內注射和經尾靜脈注射。

MSCs 可從大量的組織中分離出來，并進行選擇性培養，最常見的是BMMSCs，它已被廣泛應用于去卵巢骨質疏松模型和年齡相關性骨質疏松模型中，也被證實具有促進成骨分化的作用。脂肪間充質干細胞（ASCs）是通過微創方法從白色脂肪組織中分離出來，相對于BMMSCs 而言，更容易分離，細胞數量更豐富，產量更高。在骨質疏松癥動物模型體內移植ASCs 后可以增強骨形成能力，骨密度顯著增加［46］，且自體ASCs在機體骨質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?。?8］。牙髓間充質干細胞（DP-SCs）是從牙髓組織中分離出，后來也陸續從乳牙、牙周韌帶、牙槽骨等地方分離得到其他的牙齒間充質干細胞［49］，這些口腔組織的MSCs具有自我更新、多分化潛能、免疫調節功能以及組織再生的能力，且成骨能力強于BMMSCs，成脂能力弱于BMMSCs。羊水源性間充質干細胞（AF-MSCs）在研究中被證實90%以上表達一些胚胎干細胞標志物，如八聚體結合轉錄因子4（Oct-4），因此被認為是胚胎干細胞和成體干細胞中間的一個階段，其在促成骨的同時，也表現出抑成脂的特性。胎盤組織源性間充質干細胞（PD-MSCs）的成骨能力同樣得到了研究，根據來源部位不同，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 較其他來源的MSCs具有更高的成骨潛能［39］。由于其來源的特殊性，使用胎盤組織源性MSCs時，總引起關于在政治、倫理、道德和情感方面的爭論。同樣值得爭議的還有人類囊胚的多能胚胎干細胞（hESCs），由于hESC的分離需要破壞人類胚胎，這也形成了一個難以回避的倫理問題［49］。

MSCs 移植可以改善骨質疏松動物模型的癥狀，實際治療效果卻有限，因為它容易受到各種因素的干擾。因此，為了提高MSCs的增殖及成骨能力，人們寄希望于基因工程來提高治療效果［50］。通過基因修飾改變干細胞的表型可以改變細胞分化方向，促進成骨分化以治療骨質疏松癥［51］。目前的研究中，一般使用5 種基因修飾的方案：（1）過表達成骨相關基因，包括BMP-2、BMP-6、RUNX2 和OSX 等的表達基因［52-54］。（2）修飾抑制破骨細胞活化的相關基因，如RANK-Fc 的表達基因，RANK-Fc 可與RANKL 結合，阻止RANK 發揮激活破骨細胞的作用［55］。（3）過表達促血管生成的基因，如編碼血小板衍生生長因子B（PDGFB）的基因，為新生骨及MSCs繁殖提供血供［56］。（4）修飾歸巢相關基因，如激 活CXCR4，以 促 進MSCs 的 歸 巢 和 遷 移［57］。（5）延 緩BMMSCs的衰老，如激活端粒酶逆轉錄酶（TERT），以延長或穩定端粒［58］。

問題與展望

骨質疏松癥是一種全身性骨骼疾病，其病因是由于破骨細胞和成骨細胞活動失衡而導致骨密度降低?，F有的預防骨質流失進一步進展的藥物雖然對治療骨質疏松癥有效，但長期治療會引起嚴重不良反應，這導致了對骨質疏松癥新治療方法的迫切需求。干細胞療法有望為骨質疏松癥的治療提供新的策略和方法，同時，這也應引起我們對使用干細胞療法安全問題的思考，具有自我更新能力的干細胞某種意義上與腫瘤細胞無異，且經傳代后的MSCs經常不可避免地經歷表型、功能及更重要的遺傳變化，與原代細胞相比會導致不可預測的安全問題，存在潛在的參與腫瘤形成和進展的風險，這些都有待進一步的研究來解決，相信在不久的將來，MSCs將在骨質疏松癥的治療中發揮重要作用。