选择性环氧化酶-2抑制剂对骨折愈合过程的影响

刘恒,曹永平,杨昕

(北京大学第一医院骨科,北京 100034)

选择性环氧化酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2)抑制剂自20世纪 90年代发明以来,因其良好的抗炎、解热、镇痛作用和极少的胃肠道反应而被广泛应用于骨科临床,尤其是应用于骨折、骨关节病、类风湿性关节炎以及软组织损伤的患者。但自 20世纪 80年代以来,许多关于非甾体类抗炎药(nonsteroid anti-inflammatory drugs,NSAIDs)及 COX-2抑 制剂对骨折愈合和骨重建作用的研究表明,此类药物的应用延迟了骨折愈合并且降低了骨折愈合后的骨强度[1～3]。普通的NSAIDs已在全髋置换术后或创伤后被临床用于抑制异位骨化,但它同样会抑制骨折的愈合以及增加人工关节置换术后假体松动的概率[4]。2004年 10月 M ERCK公司宣布全球范围内撤回万洛 (罗非昔布),2005年 4月 FDA对西乐葆等NSAIDs类药物发出安全警示,人们逐渐认识到此类药物并不像以前认为的那么安全。这也更加引起了人们对选择性COX-2抑制剂这类非甾体类抗炎药在骨折愈合过程及骨整合过程中所起作用的特别关注。

1 环氧化酶(cyclooxygenase,COX)

环氧化酶是一个位于细胞膜上的分子量为 71KD的糖蛋白,是催化花生四烯酸转化为前列腺素 H2(prostaglandin H2,PGH2)的关键酶和限速酶。PGH2可再进一步转化成多种前列腺素(prostaglandins,PGs),PGs与特定的 G-蛋白偶联受体结合,该受体被激活后,能增加细胞间第二信使(环磷酸腺苷和钙)的浓度,进而激发 PGs的临床效应。

1991年 Nishikawa等[5]发现 COX有两种同工酶:COX-1(结构性酶),COX-2(诱导酶)。可被细胞因子或内毒素刺激呈数十倍增长,由其产生的 PGs参与炎症反应和疼痛致敏作用。

炎症时组织释放缓激肽、PGs和 5-羟色胺等炎性介质。而 COX-2抑制剂主要是通过选择性抑制 COX-2,阻断前列腺素 E2(急性炎症时主要产生的前列腺素)的生成来发挥镇痛作用的,从而避免了传统 N SAIDs由于抑制了 COX-1而产生的胃肠道、肾脏和血小板相关的不良反应。

2 COX-2抑制剂对骨折愈合和骨整合的影响

2.1 COX-2抑制剂对骨折愈合的影响 随着对 COX-2抑制剂安全性研究的深入,学者发现不仅 NSAIDs对骨折愈合有负面效应,许多选择性环氧化酶-2抑制剂对骨折愈合也有影 响。Simon等[6]用吲哚美辛 (1mg/kg◦ d)、塞来昔 布(4mg/kg◦ d)和罗非昔布(3mg/kg◦ d)对大鼠骨折模型进行试验。8周后,塞来昔布组和罗非昔布组仍能发现骨折线存在。其中 ,罗非昔布组尤为明显,在 X线下没有一份样本出现正常骨痂的桥接。说明选择性 COX-2抑制剂延迟了大鼠骨折的愈合。Xie等[7]也认为选择性 COX-2抑制剂严重影响了骨折局部骨膜前体细胞的活化、增殖、分化,从而影响到骨折愈合早期的骨纤维愈合,虽然提示选择性 COX-2抑制剂的作用可能是剂量依赖性的,是可逆的,但其应用确实影响了骨折愈合。而且 COX-2基因变异小鼠的骨折愈合也是延迟的。Rundle等[8]研究表明,用 COX-2进行基因治疗促进了大鼠骨痂组织的形成,促进了骨折愈合的过程。大量证据表明,COX-2对骨折愈合起着不可或缺的作用。

2.2 COX-2抑制剂对骨折愈合影响的可能机制 骨折愈合是一个包括生长因子、细胞因子及前列腺素等物质的释放、间充质干细胞的募集与增生和其向成骨细胞和软骨细胞的分化,最终形成膜内化骨或软骨内化骨的复杂过程。在软骨内化骨的过程中,间充质干细胞首先分化为软骨细胞,并进一步凋亡,导致骨基质的钙化。钙化的基质即可以作为骨形成的模板,成骨细胞在此模板上沉积,完成软骨内化骨。而在膜内化骨的过程中,间充质干细胞直接分化成为成骨细胞。

由此可见,间充质干细胞的分化在骨折的愈合过程中起着枢纽作用。尽管我们对间充质干细胞的募集和分化机制并不十分了解,但前列腺素作为一个重要的炎性介质,对骨折后的骨形成和再吸收无疑起着不可取代的作用。

前列腺素 E2在成骨细胞增殖分化成为骨细胞系和骨细胞的进一步增殖成熟过程中起着重要作用,其机制为促进细胞内环磷酸腺苷的大量表达,环磷酸腺苷作为信号分子促使间充质干细胞募集、增殖及分化,并进一步促进骨折部位的软骨内化骨和膜内化骨。亦有体外实验证实,前列腺素 E2可通过刺激 E-Prostanoid 2和 E-Prostanoid 4受体促进M C3T3-E1等成骨细胞系的增殖成熟。细胞内环磷酸腺苷显著增多,碱性磷酸酶活性和Ⅰ型胶原的合成上升[9]。

早在30年前便有研究显示,在兔的胫骨骨折后的3～14 d,组织中的前列腺素(E、F)水平和 COX-2信使核糖核酸(messenger ribonucleic acid,mRN A)均增高。 COX-2 mRN A的水平在骨折愈合的第 14天达到峰值,在第 21天的时候恢复到基线水平[10]。多数动物试验都提示多种选择性 COX-2抑制剂均有可能阻碍骨折的愈合,但其根本原因都是因为抑制了 COX-2的生成进而影响了前列腺素 E2的产生。有研究报道,在动物模型上使用前列腺素 E2确实增加了骨折愈合的概率。系统性或局部注射前列腺素 E2也刺激了骨生成。而且,通过抑制 COX而阻断前列腺素的合成,进而减少骨形成已在活体内得到证明[11]。

Zhang等[1,12]2001～2002年报道在 COX-2基因敲除的小鼠中,观察到间充质细胞的持续不分化和成骨细胞的低生成,并最终导致较高概率的骨折不愈合。相比之下对照组COX-1基因敲除的小鼠并没有出现这一情况。随后他们分别对 COX-2基因敲除和野生型小鼠的骨髓基质细胞进行培养并观察成骨细胞的生成,结果 COX-2缺失的小鼠骨结节生成较对照组减少了 50%,而加入外源性前列腺素 E2后,骨结节生成减少得到了恢复。进一步研究表明,由于 COX-2的缺失,阻碍了间充质干细胞的募集和分化成为成骨细胞,进而阻碍了膜内化骨和软骨内化骨。 Kellinsalmi[2]研究发现,选择性 COX-2抑制剂确实抑制干细胞向成骨细胞及破骨细胞的分化,但同时也发现 COX-2抑制剂刺激了人骨髓间充质干细胞向脂肪细胞的分化,但对这一现象并没有作出合理的解释。

2.3 COX-2抑制剂影响骨折愈合存在的争议 有研究显示:在动物骨折模型中使用选择性 COX-2抑制剂并不影响骨折愈合的时间或效果。Brown等[13]用小鼠的股骨骨折模型研究非选择性 COX抑制剂和选择性 COX-2抑制剂对骨折愈合的影响。研究结果显示:在骨折后第 4周和第 8周,测量骨折纤维愈合、软骨内成骨和不成熟的骨形成的指标,在吲哚美辛组和塞来昔布组较空白对照组均有下降,且有统计学意义。但在任何一个时间点上,塞来昔布组与空白对照组在机械强度或是影像形态学上均没有显示出差异。在 12周时,三组小鼠骨折模型在放射学、生物力学、组织学上都没有显著差异。Mullis[14]对骨折的生物机械学与生物化学指标进行检测得出结论,传统 N SAIDs和选择性 COX-2抑制剂的应用对骨折愈合均没有影响。Gerstenfeld等[10]报道,使用选择性的 COX-2抑制剂塞来昔布并不导致骨折愈合在影像学或生物力学上的差异,即使证实给予的塞来昔布剂量已达到足以完全抑制前列腺素生成的程度。

Long等[15]从脊柱融合的角度研究了选择性环氧化酶-2抑制剂对骨愈合的影响。动物实验结果显示,8周后吲哚美辛组兔脊柱融合率为 18%,塞来昔布组为 45%,对照组为64%。提示非选择性的 COX抑制剂对脊柱融合有影响,而塞来昔布组对脊柱融合的影响不具有统计学意义。

2.4 COX-2抑制剂对骨整合的影响 骨整合是指活骨与荷载种植体表面直接有序的结构和功能连接。随着人工关节假体置换手术的普及及手术后假体松动研究的开展,人们对人工关节置换后骨整合的过程越来越重视。作为关节置换手术后及术后功能康复训练时疼痛处方的 COX-2抑制剂是否对骨整合有影响,很早就引起了学者的重视。

Goodman等[3]分别用水、萘普生 (110mg/kg◦ d)、罗非昔布(12.5 mg/d)的新西兰白兔做单侧胫骨植入物的骨整合试验。6周后发现与对照组相比,萘普生组和罗非昔布组均明显抑制了骨整合过程(P值分别为 0.031和 0.035),且萘普生组和罗非昔布组均减少了 CD51(+)破骨样细胞。罗非昔布组减少了区域内成骨细胞的数量,而萘普生组对成骨细胞数量减少的作用并没有统计学意义。随后,他又用同样的方法检测短时间使用 COX-2抑制剂对骨整合的影响[16]。三组新西兰白兔分别在 6周中的前两周和后两周及全程 6周给予罗非昔布(12.5 mg/d)。6周后结果显示,全程 6周给药的兔子骨整合的过程受抑制明显强于 6周中前两周或后两周的兔子,提示 COX-2抑制剂对骨整合的抑制作用与用药时间有关。

Fernanda[17]用美洛昔康研究植入钛钉的小鼠骨整合过程是否受到影响。通过骨与植入物的接触面、骨面的皮质骨、松质骨以及骨密度判断骨整合进程。结果显示,持续使用美洛昔康显著减弱了钛钉植入物与周围骨质的整合过程。

3 目前存在争议可能的原因

目前,选择性 COX-2抑制剂对骨折愈合影响的动物试验结果不一致。 Dimmen等[18]和 Akritopoulos等[19]甚至曾于 2008年先后于同一本杂志上发表了关于塞来昔布对骨折愈合影响的两篇文章,结果却截然相反。当时评论是迷惑仍然存在。

Einhorn[20]认为不同试验的不同结果多是由于不同的实验动物种类和不同的实验方法造成的。骨折动物模型的建立方法较多,大多采用较为方便的闭合骨折方法,术后不固定或外固定。然而闭合骨折的骨折类型难以统一,分析比较的可比性较差。而脊柱融合的实验从理论上来说并不能完全代表骨折愈合的过程,因为它对破骨细胞活性的依赖性更小。并且许多动物实验在药物剂量、给药时间和骨折评估的时间点上存在许多问题,因为虽然骨折愈合的过程可能需要数月,然而止痛药的使用却只需要几天或几周[21]。

综上所述,选择性 COX-2抑制剂到底是否会影响骨折愈合,目前尚无一个一致的结论。从理论上和现存的研究资料似乎让人更倾向于认为选择性 COX-2抑制剂对骨折愈合是有影响的,但这种影响是否只停留在理论水平,对实际作为疼痛处方应用并不构成有力的反面证据,我们仍不得而知。因为实际上目前缺乏长期、大规模的、系统的随机临床试验。在这些前瞻性临床试验得出结论之前,动物实验研究还并不能解决这一方面的盲点。目前,更多的学者倾向于认为COX-2抑制剂会抑制骨折愈合过程和 /或骨整合过程。

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