骨質疏松癥與血管鈣化的相關性研究進展

朱忠祥，許煒，蔣宗焰，張清，李巖

骨質疏松癥（osteoporosis，OP）是成骨減少、破骨增加，骨微結構變化及骨量下降，導致骨脆性和骨折易感性增加的一種疾病。目前中國有9 000萬OP病人。OP病人的數量超過了心肌梗死、中風和癌癥病人的數量［1］。動脈粥樣硬化是心血管疾病的主要病理基礎，血管鈣化（vascular calcification，VC）是其主要表現之一。VC是血管中礦物質的病理沉積，可以使血管僵硬，血管順應性降低。VC是心血管疾病病人死亡率的危險因素［2］。

許多臨床研究證實了VC與骨質疏松性骨折風險之間的關系，以及OP與心血管事件之間的關系。Zhang［3］發現，女性VC與骨密度和骨質疏松有關，VC組脊柱骨密度和髖部骨密度均顯著低于對照組，VC病人的腰椎和髖部骨密度水平較低，OP的風險及骨折易感性增加。一項基于16 294名病人的人群隊列研究表明，心力衰竭與導致骨丟失加速和骨折風險增加的因素有關，而髖部骨折增加了四倍［4］。Anderson等［5］在長達10年的病例隨訪中，發現OP病人鈣補充劑的使用與冠狀動脈鈣化（CAC）之間存在顯著相關性，補充鈣劑可能是CAC的獨立影響因素。但是一項2016年的薈萃分析又發現，在健康成人中，每日補鈣與心血管事件或死亡率增加之間沒有關聯［6］，OP病人鈣劑補充對VC的影響仍然存在爭議。以上說明，研究老年性OP和VC二者之間的相關性機制，對于解決一些臨床用藥安全及公共健康問題至關重要。這篇綜述中，我們將從臨床致病機制、共同分子作用機制方面討論OP與VC的相關性。

1 OP與VC常見的臨床致病機制

1.1 老齡化流行病學研究表明，老年人心血管疾病和OP并存［7］。老齡化是這兩種情況的高風險因素［8］。進行性骨丟失是衰老過程中發生的一種生理事件。而且，動脈粥樣硬化被認為是衰老過程的標志。它的患病率和發病率在老年人中增加，導致大多數心臟病發作和中風，顯著提高發病率和死亡率［9］。

衰老導致線粒體功能障礙和活性氧生成增加［10］，反過來，不同來源的活性氧可能有助于血管老化，如NADPH氧化酶、黃嘌呤氧化酶、非偶聯內皮型一氧化氮合酶，以及線粒體DNA突變增加［11］。有實驗表明，在細胞衰老相關疾病的動物模型中，動脈粥樣硬化晚期一氧化氮表達增加［12］。紅細胞產生和釋放的一氧化氮可能調節平滑肌細胞的成骨分化和VC［13］。衰老是OP與VC共同影響因素。

1.2 雌激素水平在另一項針對45名絕經后婦女的研究中，骨密度正常的婦女的冠狀動脈鈣評分為42分，OP的婦女為222分，表明冠狀動脈粥樣硬化風險較高的婦女的骨密度較低［14］。

絕經前婦女VC疾病的發病率較低，但絕經后婦女VC疾病的發病率穩步上升。絕經后卵巢濾泡活動的停止引起的雌激素缺乏是婦女逐漸骨質流失的主要原因［15］。雌激素的減少在更年期會引起促氧化狀態，導致活性氧不能及時清除，誘導了氧化應激反應的發生，導致骨吸收增加，也是動脈硬化和心血管事件的重要危險因素［16］。

由于動脈粥樣硬化導致的血流量減少可能損害骨內血液循環，導致骨密度損失［17］。以上表明，雌激素缺乏，都可能在OP和VC的發病機制中發揮關鍵作用。

1.3 吸煙吸煙會增加VC及OP的風險。在暴露于雪茄煙提取物后，骨祖細胞和成骨樣細胞對血小板衍生生長因子BB（PDGF-BB）和纖維粘連蛋白的趨化反應受到抑制［18］。Tamaki等［19］認為吸煙會增加人群患OP，并認為吸煙對骨密度的影響與一個人吸煙的時間長短和每天吸煙的數量有關。

有研究發現，未吸煙病人骨髓間充質干細胞體外擴增所達到的細胞數量多于吸煙病人，說明吸煙可能影響成骨的分化過程［20］。

1.4 高血糖2型糖尿病病人血清TSH、FT3水平與冠心病發病風險之間存在關聯，而低密度脂蛋白膽固醇水平為冠心病病人冠脈硬化狹窄程度的獨立影響因素［21］。

Bandeira等［22］發現糖尿管病人患OP概率明顯增加，OP與髂動脈鈣化的顯著相關性，尤其是65歲以上老年人。高血糖激活C反應蛋白和血管平滑肌細胞核因子kb，高水平的高敏C反應蛋白可能反映了高水平的促炎細胞因子（IL-1、IL-6和TNF）［23］，這些因素可能導致糖尿病外周動脈疾病。

1.5 血脂異常動脈粥樣硬化性疾病是脂質在動脈管壁沉積的炎癥和自身免疫反應［24］。實驗證明低密度脂蛋白膽固醇會促進成骨細胞的凋亡、增強破骨細胞增生，進而血脂水平的上升增加了骨吸收，引起骨丟失［25］。高脂血癥能上調多種炎性因子的表達，抑制了成骨細胞活性，并促進成骨細胞向脂肪細胞分化，增強破骨細胞生成及骨吸收增加，就導致了OP［26］。

1.6 甲狀旁腺激素（PTH）PTH對骨轉換有矛盾的影響：PTH分泌的長期升高可以抑制成骨細胞活性并增加骨吸收，而間歇性PTH給藥增加骨形成。

在血管系統中，甲狀旁腺素激活PKA，誘導VC。腫瘤壞死因子或腺苷酸環化酶激活物（forskolin）可以誘導成骨細胞分化和血管細胞礦化［27］。PTH通過與PTH1受體結合并涉及細胞內信號通路，如蛋白激酶A和絲裂原活化蛋白激酶通路，對成骨細胞起作用。在動物實驗中，Forskolin誘導成骨細胞分化標志物（OPN、OPG、ALP、BSPII和骨鈣素）和轉錄因子runx2的表達［28］。

1.7 維生素D3（vitamin D3，VD3）Barbu等［29］發現，72名OP的婦女25-羥維生素D3［25（OH）VD3］水平非常低，中值小于30 μg/L，表明大多數受試者血清25（OH）VD3水平不足，25（OH）VD3可被一些專業部門視為OP鑒別診斷的常規檢查。

25（OH）VD3作為VD3的活性形式，直接作用于骨組織和腎臟，促進骨鈣動員和加強腸道鈣吸收，可以促進成骨過程。有研究表明25（OH）VD3與VC的病理發生有關。在對大鼠的動物研究中，高劑量的25（OH）VD3導致VC［30］。

顯而易見，避免臨床相關的危險因素，戒煙、控制好血糖、血脂等因素，對OP及VC能起到一定的防治作用。

2 OP與VC的分子作用機制

2.1 RANKL-RANK-OPG通路越來越多的證據表明RANK/RANKL/OPG在骨代謝、VC和心血管疾病之間起重要作用。在心力衰竭的實驗模型中，與未發生心力衰竭的受試者相比，缺血和非缺血心肌中骨保護素（OPG）的mRNA表達均顯著增加，提示OPG在心肌對心力衰竭的代謝適應中可能起著重要作用。在梗死后心力衰竭大鼠模型中，心肌內的OPG/RANK/RANKL軸似乎被激活，這意味著RANKL/RANK相互作用在該心臟病的發病機制中可能發揮作用［31］。

OPG釋放增加與心血管風險增加有關，提示血管損傷引起的OPG水平升高與心力衰竭保護機制有關。循環OPG水平可作為急性或慢性心臟代謝性疾病病人心血管疾病的獨立生物標志物，從而改善預后［32］。

OPG與RANKL結合，阻止其與RANK的相互作用，抑制破骨細胞分化［33］，減少骨量丟失，使骨量增加，而且具有抗腫瘤作用［34］，RANKL和RANK在免疫系統的細胞上表達，特別是B細胞和活化的T淋巴細胞，參與了類風濕關節炎等自身免疫性疾病及某些腫瘤的發病機制。一種Jak1/2的抑制劑baricitinib通過抑制成骨細胞RANKL的表達來抑制破骨細胞的生成［35］，從而增加骨量。

2.2 Wnt信號通路Wnt信號傳導對成骨細胞分化和骨形成至關重要，尤其是Wnt-β-catenin通路對骨代謝的作用［36］。β-catenin基因敲除引起的wnt信號通路的抑制將影響骨形成［37］，導致骨量降低。dickkopf相關蛋白1（dkk-1）是Wnt信號傳導的一種抑制劑，在66例OP病人中發現dkk-1表達增加，用唑來膦酸治療后dkk-1降低到健康人的水平［38］。

在小鼠的體外研究中，msx2上調Wnt3a和Wnt7a，阻斷dkk-1對Wnt信號傳導的抑制作用，導致成骨增加及VC增加。dkk-1治療后msx2的成骨和動脈粥樣硬化作用會發生逆轉［39］。Wnt信號通路表達上調可以增加骨量，但是可能加重VC。

2.3 骨形態發生蛋白（BMP）BMP是tgfβ超家族的成員，它誘導間充質細胞向成骨細胞系分化，是促進成骨細胞分化的重要生長因子。BMP在全身動脈中發揮促炎癥和氧化作用。研究證實在動脈粥樣硬化病變中BMP顯著上調。其中BMP-2和MSX2的上調與VC增加有關，高脂飲食可上調血管外膜細胞中MSX1和MSX2的表達［40］。BMP-4的上調與動脈粥樣硬化和高血壓有關，而BMP-4信號的中斷與肺動脈高壓有關。BMP拮抗劑（包括follistatin、noggin和mgp）在血管內皮細胞中表達，調節血管壁BMPs活性。在患有CKD的小鼠中，BMP-7治療可顯著減少主動脈鈣化和糾正高磷血癥［41］。2.4 基質gla蛋白（MGP）MGP是一種維生素K依賴性小蛋白，在骨骼、心臟和血管內等多種組織中均有表達。它由軟骨細胞、血管平滑肌細胞、內皮細胞和成纖維細胞合成［42］。MGP以羧基化形式與骨形態發生蛋白（BMP-2）結合，從而阻斷BMP-2的成骨特性，是人體VC的抑制劑。要使MGP具有生物活性，必須經歷維生素K的羧化和磷酸化。維生素K2通過促進成骨細胞分化、上調成骨細胞中特定基因的轉錄等不同途徑發揮其對骨轉換的合成代謝作用［43］。OP和VC與維生素K2缺乏密切相關。在補充維生素K拮抗劑或維生素K缺乏的心血管系統中，血管平滑肌細胞轉化為成骨樣細胞［44］，血管發生鈣化。

2.5 Klotho因子Klotho因子是一種循環肽激素，Klotho缺陷小鼠顯示破骨細胞生成減少，破骨細胞生成抑制劑骨保護素（OPG）表達上調［45］。靶向缺失klotho的小鼠壽命短，表現出許多早衰特征，他們還表現出嚴重的OP和進行性動脈粥樣硬化并伴有內側鈣化［46］。

盡管使用不同的細胞、物種或方法對Klotho水平的發現存在差異［47］，Klotho的生物學效應抑制衰老，但是Klotho隨著年齡的衰老而減少［48］，Klotho對VC的保護作用可能是通過影響氧化應激信號來實現的。許多研究表明，Klotho調節線粒體功能，增加抗氧化生成，NADPH氧化酶活性和內皮一氧化氮合酶活性。

2.6 骨橋蛋白（OPN）骨橋蛋白是一種豐富的酸性非膠原性骨基質糖蛋白，OPN與基質結合可增強破骨細胞的附著［49］。敲除小鼠的OPN的靶向性缺失表明，OPN的缺失導致破骨細胞功能受損，從而減少了骨丟失。

OPN是VC的抑制劑，基因編碼OPN的基因缺陷小鼠比單獨缺乏MGP的小鼠表現出更廣泛的VC［50］。雖然骨橋蛋白缺乏對骨丟失有保護作用，但它加重了MGP缺乏小鼠的動脈鈣化。血清OPN和OPG水平在頸動脈狹窄和冠心病病人中升高，并隨著疾病活動度的增加而升高［51］，OPN直接抑制體外培養牛主動脈平滑肌和主動脈瓣鈣化［52］。OPN可以減少骨丟失但加重動脈鈣化，OPN對OP和VC不具有協同作用。

2.7 胎球蛋白-A（FITUIN-A）FITUIN-A主要在肝臟產生。當FITUIN-A暴露在高鈣和磷酸鹽濃度下時，可以抑制血液中磷酸鈣晶體的生長，從而防止其組織沉積。其他可能發生動脈鈣化的鈣化抑制劑包括骨橋蛋白和Klotho等蛋白質［53-54］。

此外，胎球蛋白-A并作為調理素促進內吞作用，從而有利于清除不溶性鈣殘留［55］。FITUIN-A缺乏的dba/2小鼠的廣泛異位鈣化導致動脈高壓、腎功能衰竭、嚴重蛋白尿、繼發性甲狀旁腺功能亢進和繼發性骨骼改變。這些小鼠的骨骼是骨質減少，破骨細胞數量增加［56］。低胎血素A病人血清中游離磷酸含量高，這可能影響骨代謝和VC［57］。

基礎研究和實驗動物表明，動脈組織的鈣化在一個有組織的、受調控的過程，其機制類似于骨礦化。動脈壁中的礦物沉積，羥基磷灰石，與骨中發現的礦物相同，結構上排列有小梁，鈣化沉積中可見腔隙［58］。在維生素D誘導的VC模型中，其他骨吸收抑制劑（雙磷酸鹽、選擇性破骨細胞抑制劑V-H+ATPase）也有類似的作用，這進一步證實了骨吸收增強與VC之間的聯系［59］。最后，老齡化可能對骨代謝和血管完整性產生不利影響，Klotho、激素或抗氧化劑可能抑制增齡對骨骼和血管系統的影響。對Klotho作用機制的進一步研究可能會明確臨床相關的途徑，并與胰島素信號和磷酸鹽處理進行交互作用。

3 OP與動脈VC的相關疾病的治療

OP與VC的影響因素眾多且復雜，我們發現在臨床上，老齡化、雌激素水平降低、血脂異常、高血糖、甲狀旁腺激素上升、維生素D3下降可導致OP同時也可促進VC；OPG、BMP、MPG、Klotho、FITUIN-A表達抑制可導致OP同時也可促進VC，而Wnt表達增加、OPN表達下降可以改善骨質疏松但是會導致VC。所以，針對OP的治療是否有利于動脈鈣化或反之亦然的問題還需要進一步研究。Bolland等［60］發現，補充鈣劑治療OP時卻增加了心血管事件（包括心肌梗死和中風）發生的風險。

而年齡較大的女性鈣補充劑使用者在5年內主動脈鈣化的進展明顯較高，但骨密度沒有顯著地增加［61］，補鈣很可能沒有增加骨量卻造成了VC。他汀類藥物，長期以來被認為能有效降低膽固醇水平和降低心血管風險，在動物實驗中被證明能觸發骨形成［62］，能增加骨密度和降低骨折風險。抗糖尿病藥物胰島素、二甲雙胍等藥物有抗炎作用，導致C反應蛋白水平下降［63］，可延緩血管硬化及改善骨質疏松。高攝入量的維生素k（從綠色、葉狀蔬菜、植物油、肉類、奶酪和雞蛋中）或維生素k的補充被證明可以減少VC的進展，保護冠心病和改善動脈彈性［64］。抗凝劑華法林干擾了生物活性維生素k的有效性，進而干擾了MGP的功能；它抑制了MGP中gla殘基的形成，并能引起動脈介質彈性層的快速鈣化。與這些機制一致，華法林與心臟瓣膜和冠狀動脈鈣化增加有關［65］。雌激素替代療法通過增加MGPmRNA表達阻斷BMP成骨途徑，絕經后婦女激素替代治療改善了肱動脈內皮功能，增加了骨密度［66］。在一項前瞻性臨床研究中，雙磷酸鹽抑制OP婦女斑塊和腹主動脈鈣化評分的進展，而未接受治療的健康婦女VC的進展，表明雙磷酸鹽對動脈粥樣硬化有保護作用［67］。此外，最新的數據發現，腺苷能抑制OPG的分泌，核酸類物質可能是前體細胞分化的一個重要調節因子，是調節骨形成/吸收和VC的一個局部因素。細胞外核苷酸通過嘌呤類受體傳遞信號，在骨骼和血管系統中具有重要的調節作用。使用嘌呤類藥物治療OP的研究正在進行中［68］。最近的研究也探討了細胞外核苷酸對動脈內鈣化的影響，并證明了其與骨礦化過程的相似性［69］。CD73的上調與腺苷的過度分泌有關。CD73是多種疾病的重要藥物靶點。CD73抑制劑，如腺苷5′-α、β-亞甲基二磷酸，作為一種治療靶點具有潛在的疾病治療潛力［70］。綜上所述，研究OP與VC的相關性，對于我們提高藥物治療的安全性及有效性，改善人們生活質量，促進人類健康會有很大幫助。