雙膦酸鹽治療骨關節炎的作用機制及應用前景

邵威捷,吳聰,何幫劍,童培建,肖魯偉

(1.浙江中醫藥大學第一臨床醫學院,浙江 杭州 310053;2.浙江省中醫院,浙江 杭州 310006)

骨關節炎(osteoarthritis,OA)是以關節軟骨破壞、軟骨下骨硬化或囊性變、骨質或滑膜增生為主要病理特點的骨科常見病。近年來,我國OA的患病率呈逐漸上升趨勢,且患病群體呈逐漸年輕化趨勢[1]。目前治療OA的常用藥物包括非甾體類抗炎藥、氨基葡萄糖、玻璃酸鈉等,然而這些藥物對于伴有軟骨下骨損傷的OA患者治療效果并不理想。部分OA患者,尤其是膝骨關節炎(knee osteoarthritis,KOA)患者,常伴有軟骨下骨骨髓水腫,膝部疼痛癥狀較為明顯,但是目前并無針對此類患者的特效藥物[2]。此外,對于合并骨質疏松癥(osteoporosis,OP)的OA患者,也面臨無特效藥的困境。因此在OA的個體化治療方面,應用更具針對性的藥物顯得尤為重要。雙膦酸鹽(bisphosphonates,BPs)是治療OP的常用藥物,近年來諸多學者認為該藥在OA的個體化治療方面有良好的應用前景。本文對 BPs治療OA的作用機制及應用前景綜述如下。

1 BPs對OA相關細胞的作用

BPs是治療各種骨代謝性疾病尤其是OP和轉移性骨病的常用藥物。目前BPs共有3代,第1代BPs呈P-C-P結構,代表性藥物是依替膦酸二鈉和氯膦酸二鈉;第2代BPs的結構特點是側鏈含有氨基,代表性藥物是帕米膦酸二鈉和阿侖膦酸鈉;第3代BPs是具有雜環結構的含氮BPs,代表性藥物是利塞膦酸鈉和唑來膦酸鈉。目前OA的具體發生機制尚未完全明確,可能與轉化生長因子-β通路、Wnt/β-catenin通路、雷帕霉素靶蛋白信號通路等有關[3]。與OA有關的細胞主要包括成骨細胞、破骨細胞、軟骨細胞及骨髓間質干細胞等,而BPs可在一定條件下抑制破骨細胞活性,促進成骨細胞增殖,保護軟骨細胞,并促進骨髓間質干細胞向成骨細胞分化。由于BPs的主要靶向細胞為破骨細胞[4],BPs對破骨細胞的作用也被認為是其治療OA的主要依據。由此推斷,BPs可能通過調控與OA有關的細胞而發揮治療作用。

1.1 BPs對破骨細胞的作用BPs具有與骨骼中羥基磷灰石骨礦物高親和力的特點,因此在體內選擇性地靶向骨骼而非軟組織[5]。BPs與骨礦物質結合后,破骨細胞可在微環境中通過骨吸收過程釋放并內化大量BPs。雖然成骨細胞、樹突狀細胞和內皮細胞也會受BPs的影響,但這些細胞無法通過酸化骨表面以釋放BPs,且內化BPs的能力低于破骨細胞,因此破骨細胞是受BPs影響最大的骨細胞。不同類型BPs對破骨細胞的作用機制也不同。按照BPs的側鏈結構可將其大致分為2種類型:①側鏈不含氮的BPs。主要為第1代BPs,具有細胞毒性。該類BPs被破骨細胞吸收后,其P-C-P基團會在氨酰tRNA合成酶的催化下取代三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)的β和γ-磷酸基團,由此產生不可水解的ATP類似物,而具有潛在細胞毒性的ATP類似物會在細胞質中逐漸累積,從而通過抑制ATP依賴性細胞酶(如線粒體腺嘌呤核苷酸轉位酶)的活性調控破骨細胞的凋亡[6]。②側鏈含氮的BPs。主要為第2代和第3代BPs。該類BPs主要通過抑制蛋白質的異戊二烯化過程引起破骨細胞凋亡。該類BPs的空間位阻較大,無法進入細胞質內,需要以甲羥戊酸途徑中的法尼基焦磷酸合酶為靶點發揮作用[6-7]。小鳥苷三磷酸(guanosine triphosphate,GTP)酶是破骨細胞內的重要信號蛋白,可調節骨吸收所必需的多種細胞過程[8],而且小GTP酶翻譯后修飾可干擾破骨細胞的細胞骨架[9]。此外,該類BPs也可通過抑制ATP依賴性細胞內酶的活性而調控破骨細胞的凋亡[7,10]。

1.2 BPs對成骨細胞的作用BPs對成骨細胞的作用主要體現在其低濃度下促進成骨細胞的增殖,而這與鈣通道的開放和細胞外信號調節激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)的激活有關[11]。BPs通過打開連接蛋白43半通道激活ERK,ERK被激活后可作用于p90核糖體S6激酶,最終造成促凋亡蛋白Bad被磷酸化而失活[7]。Baba等[12]研究發現,唑來膦酸鈉可抑制成骨細胞的分化和活力,而依替膦酸鈉的作用與之相反。Plotkin等[13]研究發現,高濃度的BPs具有降低成骨細胞功能和存活率的作用。Lotz等[14]研究發現,阿侖膦酸鈉在最高濃度時對成骨細胞的抑制作用最強,在最低濃度時可通過增加骨鈣素和前列腺素E2誘發促成骨作用。目前多數觀點認為BPs對成骨細胞有抑制作用,這可能是因為大部分高濃度的BPs可減緩骨整合速度。雖然不同濃度、不同類型的BPs對成骨細胞的作用不同,但骨吸收和骨形成的耦合才是決定BPs療效的主要因素[15]。

1.3 BPs對軟骨細胞的作用BPs具有保護軟骨細胞的作用,但并非所有類型的BPs均被證實具有上述作用,目前已有明確證據表明具有保護軟骨細胞作用的BPs為阿侖膦酸鈉和氯膦酸二鈉。Wang等[16]研究發現,阿侖膦酸鈉可通過增加細胞外基質(extracellular matrix,ECM)的調節因子Sox-9的表達提高ECM相關基因的表達水平。由于ECM是軟骨細胞發揮生理功能的部位,也是軟骨細胞吸收營養和傳遞信號的載體,文獻[16]的研究結果可間接證明阿侖膦酸鈉具有保護軟骨細胞的作用。韓蕓等[17]研究發現,阿侖膦酸鈉可抑制軟骨細胞凋亡,同時調節軟骨組織中基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)-1的表達。Rosa等[18]研究發現,氯膦酸二鈉可通過嘌呤能受體誘導ECM合成增加,從而起到保護軟骨細胞的作用。

1.4 BPs對骨髓間質干細胞的作用BPs對骨髓間質干細胞的作用主要體現在BPs可促進骨髓間質干細胞向軟骨細胞分化。骨髓間質干細胞具有自我更新及多向分化的功能,促使骨髓間質干細胞向軟骨細胞分化是治療OA的潛在途徑[19-20]。Valenti等[21]研究發現,氯膦酸二鈉可上調Sox-9和COL2A1基因的表達。由于Sox-9是誘導骨髓間質干細胞向軟骨細胞分化的重要轉錄基因[22-23],文獻[21]的研究結果可證明氯膦酸二鈉能促進骨髓間質干細胞向軟骨細胞分化。

2 BPs治療OA的抗炎作用機制

2.1 抑制促炎細胞因子釋放炎癥在OA進程中起著重要作用[24-25]。在OA患者的滑膜、滑液及外周血中存在許多與炎癥嚴重程度相關的細胞因子,如白細胞介素(interleukin,IL)-1β、IL-6和腫瘤壞死因子-α等,BPs可以通過抑制這些細胞因子的活性發揮抗炎作用[26-27]。王哲彥等[28]研究發現,阿侖膦酸鈉可降低IL-1β體外誘導的大鼠膝關節軟骨細胞內MMP-13水平。Peris等[29]研究發現,BPs可以抑制單核細胞的遷移、增殖與分化,還可抑制促炎性細胞因子(如IL-1β和腫瘤壞死因子-α)的分泌。Baroja-Mazo等[30]研究發現,BPs可通過拮抗P2X7受體發揮抗炎作用,從而緩解炎癥。

2.2 介導滑膜巨噬細胞凋亡BPs可通過介導滑膜巨噬細胞的凋亡延緩OA進程。滑膜巨噬細胞屬于免疫細胞,可被多種因素激活,對OA的癥狀和病情進展有重要影響[31]。被激活的滑膜巨噬細胞受mTOR等信號通路調控,在OA患者的滑膜組織和外周血中分化為M1或M2亞型。M1亞型主要參與炎癥的啟動,而M2亞型則主要參與炎癥的消除[32]。滑膜巨噬細胞和軟骨細胞之間除了自分泌相互作用外,還可通過旁分泌相互作用分泌炎癥細胞因子、生長因子和MMPs,從而影響OA的病情。而BPs可誘導滑膜巨噬細胞凋亡。Patntirapong等[33-34]研究發現,BPs可影響滑膜巨噬細胞前體的增殖,使滑膜巨噬細胞遷移并誘導其功能改變和/或凋亡。Makkonen等[35]研究發現,BPs可抑制滑膜巨噬細胞中不同促炎介質的產生和黏附分子的表達。

3 BPs治療OA的鎮痛作用機制

目前雖然有研究證明BPs具有鎮痛作用,但其具體的鎮痛作用機制尚不明確[36-37]。Frediani等[38]研究發現,氯膦酸二鈉對以手部疼痛為主要表現的OA有良好的療效。Frediani等[39]的另一項研究發現,肌肉注射氯膦酸二鈉可以減輕KOA患者的膝部疼痛程度,并且與較短的療程相比,延長療程可提高氯膦酸二鈉的長期療效。由于不同類型BPs的作用機制不同,且BPs的鎮痛作用機制尚未完全明確,目前BPs并非OA的首選鎮痛藥物。臨床可將BPs作為OA的輔助用藥,通過制定合理的給藥方案發揮BPs的鎮痛作用。BPs治療OA的鎮痛作用機制,大致分為主要鎮痛機制和其他鎮痛機制。

3.1 主要鎮痛機制目前多數學者推測BPs的主要鎮痛機制為,BPs可通過降低破骨細胞活性使酸誘導的初級傳入痛覺感受器的激活減少而緩解疼痛。Tzschentke等[40]研究發現,破骨細胞可分泌質子降解和吸收骨礦物質,使細胞微環境呈酸性,這將導致酸敏感受體被激活,從而產生痛覺刺激。BPs對破骨細胞活性的抑制會降低細胞外酸化程度,從而減少酸敏感受體介導的位于骨中的痛覺初級傳入神經的激活,最終使疼痛得到緩解。

3.2 其他鎮痛機制Tzschentke等[40]對BPs的鎮痛機制進行了推測,在OA的病理進程中軟骨神經、血管侵犯會不斷增加,其中感覺神經侵犯會使疼痛加劇,而BPs可通過抗血管生成減少軟骨神經、血管侵犯,進而緩解疼痛。Hayami 等[41]研究發現,阿侖膦酸鈉可能通過抑制鈣化軟骨的血管侵襲和骨贅形成達到減輕疼痛的目的。Strassle等[42]研究發現,在納摩爾濃度范圍內的唑來膦酸鈉可以激活成骨細胞的瞬時受體電位香草素受體(transient receptor potential vanilloid,TRPV)-1通道,由此推斷低濃度的唑來膦酸鈉可以激活神經元上的TRPV-1,造成TRPV-1快速和持續地脫敏,從而抑制TRPV-1介導的傷害感受器的激活,進而緩解疼痛。

4 BPs在OA治療中的應用前景

BPs在OA的治療領域有廣泛的應用前景。對于合并OP的OA患者,BPs不僅可以緩解OP癥狀,還可緩解OA癥狀。陳建超[43]研究發現,阿侖膦酸鈉治療絕經后OP合并KOA的效果良好。BPs可在一定程度上延緩OA進程,降低關節置換的手術率。Neogi等[44]研究發現,接受BPs治療的老年女性KOA患者的膝關節置換率低于未接受BPs治療者,而且BPs不會對骨骼的力學性能造成負面影響。

BPs還可減少因OA行關節置換的并發癥,降低術后假體翻修率。Vertesich等[45]研究發現,短期應用阿侖膦酸鈉可增加脛骨近端植入鈦植入物小鼠的脛骨遠端的骨體積分數、骨小梁數量、骨小梁厚度,并減小植入物周圍的骨小梁間距。Wang等[46]對植入鈦棒假體的家兔進行了相關研究,發現注射唑來膦酸鈉后,家兔的骨保護素蛋白含量增高、核因子κB受體活化因子配體蛋白含量降低,而且假體周圍的骨吸收受到抑制。Ro等[47]研究發現,在膝關節置換術后使用BPs可減少關節的機械松動和無菌性松動,有助于降低假體翻修率。Prieto-Alhambra等[48]研究發現,在關節置換術后使用BPs可延長假體的使用壽命,降低假體翻修手術的風險。Namba等[49]研究發現,對于合并或不合并OP的膝關節置換患者,BPs均可降低其關節翻修風險。Shi等[50]研究發現,BPs有助于維持膝關節置換患者的假體周圍骨密度,而且第2代和第3代BPs對假體周圍骨密度的影響大于第1代BPs;該研究還發現,BPs對假體近端骨密度的影響大于假體遠端。

對于存在軟骨下骨損傷的OA患者,BPs也有良好的治療效果[51]。Yuan等[52]研究發現,阿侖膦酸鈉治療伴軟骨下骨損傷的OA,可能是通過下調MMPs、IL-1β、血管內皮生長因子等的表達而發揮治療作用。Laslett等[53]研究發現,KOA患者單次靜脈輸注唑來膦酸鈉后,膝部疼痛視覺模擬量表評分較治療前下降,并且軟骨下骨髓病變面積較治療前減少。Agarwala等[54]采用唑來膦酸鈉聯合阿侖膦酸鈉治療伴骨髓水腫的KOA,結果發現治療后軟骨下骨髓水腫程度降低;該研究還發現,與單純注射唑來磷酸鈉或伊班膦酸鈉相比,注射唑來膦酸鈉聯合口服阿侖膦酸鈉在改善KOA的臨床癥狀和影像學表現方面更具優勢。

BPs治療OA的時機很重要。OA早期軟骨下骨多表現為骨吸收增強、骨重塑速度加快,此時即是采用BPs治療OA的良好時機。Hayes等[55]研究發現,BPs對早期KOA患者的治療效果良好,可以延緩病情進展;但BPs對于病情嚴重或晚期KOA患者的治療效果并不理想,這可能與KOA晚期軟骨下骨硬化和骨重塑速度減慢等有關。

5 小 結

目前,BPs并不是治療OA的首選藥物,但根據其作用機制可將其作為OA的個體化治療藥物。BPs對破骨細胞的作用是其治療OA的主要依據。BPs治療OA的抗炎作用機制相對明確,但鎮痛作用機制有待進一步研究證實。BPs在OA的治療領域有良好的應用前景,不僅可用于治療合并軟骨下骨損傷的OA患者,還可用于治療已接受關節置換手術的OA患者。然而,使用何種類型的BPs治療OA,以及BPs的最佳劑量和給藥方式目前尚無統一標準,并且關于BPs治療OA的長期療效和安全性尚缺乏相關研究。因此,未來需通過高質量的研究來逐一解決上述問題。