骨转换的生化指标应用进展

徐献明 综述，邓忠良 审校

（重庆医科大学附属第二医院骨科 404100）

骨质疏松症（osteoporosis，OP）是以骨强度下降、骨折风险性增加为特征的骨骼系统代谢性疾病。其特点是骨矿成分和骨基质等比减少。临床以疼痛、脊柱变形及发生脆性骨折为表现，早期多无明显自觉症状。骨质疏松症已越来越多地被认为是由环境因素调节的一种多基因疾病。传统上，将骨转换生化标志物分为骨吸收和骨形成两类生化标志物，人体血液中含有与骨吸收、骨形成密切相关的重要指标，骨转换速率可以通过测定血清中细胞代谢的特有产物而确定[1]。近年来研究者更多地采用骨标志物比未使用患者治疗的持续性更高[2]，在临床上，一般根据需要测定1～2项骨形成指标和1～2项骨吸收指标。骨代谢生化指标具有及时、灵敏、特异性强等优点，比骨密度更早反映出骨的转换水平，能更好地应用于骨折发生的预测，监测药物治疗效果，联合骨密度的测量，早期发现骨折高危人群。本文从骨吸收指标、骨形成指标及展望3个方面进行综述。

1 骨吸收的血生化指标

1.1 抗酒石酸性磷酸酶（tartrate－resistant acid phosphatase，TRACP） 酸性磷酸酶共有7种同工酶，1970年发现毛细胞里含有一种能对抗酒石酸抑制作用的ACP，经证明为TRACP5，即抗酒石酸酸性磷酸酶，主要由破骨细胞释放，参与骨基质中钙磷矿化底物的降解。最近在对TRACP5b和骨微结构参数研究发现，骨组织损伤（特别是骨小梁）、破坏会导致血清TRACP5b浓度升高，血浆中的TRACP水平可反映破骨细胞活性及骨吸收的状态[3]。TRACP被蛋白酶分解成5a和5b两个亚型，纯化的人破骨细胞TRACP是TRACP5b。血清TRACP5b已大量应用于绝经后妇女抗骨吸收监测及作为乳腺癌患者骨转移的诊断工具[4]。对骨代谢异常的患者监测发现，2年骨密度下降2.5%，相对的皮质区下降5.8%，与TRACP5b水平呈正相关，结果表明，TRACP5b可用于骨代谢异常的早期监测[5]。研究发现，血清TRACP5b在血清中灵敏度较Ⅰ型前胶原氨基末端前肽（procollagen typeⅠamino－terminal propetide，PINP）和骨保护蛋白（osteoprotegerin，OPG）更高，即可作为骨代谢指标的预后和诊断的指标之一[6]。已证实TRACP5b作为骨质疏松患者加重的标志之一，对骨质疏松能早期提示[7]。TRACP5b已经成为第2代骨吸收的生化标志物。早期的硝基酚磷酸盐法已被淘汰。现多采用单克隆抗体双位点免疫法测定。

1.2 吡啶啉和脱氧吡啶啉（pyridinoline，Pyr／PYD，deoxypyridinoline D－Pyr／DPD） 吡啶啉和脱氧吡啶啉是胶原纤维的连接物，PYD主要存在于骨和软骨中，DPD只存在骨组织中，其降解产物释放入血，交联物在血中不被降解，不被肝脏代谢，不受饮食影响。PYD／DPD代谢后大部分随尿液排泄，研究发现其浓度与早期无症状的骨质疏松患者的疼痛有关，尿PYD和DPD的浓度是骨代谢异常早期诊断和判断预后的指标[8]。Ardawi等[9]对765名20～79岁绝经前后妇女进行研究发现，随着年龄的增加，PYD／DPD升幅明显，在绝经后5年，DPD急剧增加，并建议用于指导日常膳食及营养摄入量。Heiss等[10]认为，在骨折愈合过程中，PYD及DPD在各个时期具有显著性差异，并认为其浓度可作为骨质疏松症诊断和骨折愈合过程中的重要参数。Kraenzlin等[11]对319名健康人群及397例骨代谢疾病患者进行研究发现，妇女绝经后非骨质疏松症患者骨组织中PYD（51%）和DPD（58%）水平较高，在骨质疏松症的人群发现了类似的结果，并发现在11～14岁的儿童其浓度低50%～60%。在骨代谢疾病的交叉链接浓度均显著增加，对骨代谢疾病的患者有鉴定价值。最初用离子交换层析技术及高效液相色谱法，现在多采用自动化高效液相色谱法测定PYD和DPD。

1.3 Ⅰ型胶原羧基端肽（carboxy－terminal cross linked telopetide of typeⅠcollagen，ICTP） 骨吸收增加时，释放到血中的骨Ⅰ型胶原降解产物增加。健康人体内血清ICTP含量较恒定，不经任何代谢，主要由肾排泄，因此，ICTP是一种新的生化指标，反映在骨骼系统吸收特性的变化。Kamiya等[12]对骨代谢疾病患者进行研究发现，监测血清ICTP水平比其他指标更可靠，其血液中ICTP水平显著升高，并与疾病的骨显像的程度密切相关。有学者发现可以通过测定孕妇血清中ICTP水平反映胎儿骨骼生长的情况。ICTP是骨吸收的重要参数，最近已被引入到监控肿瘤骨转移[13]。ICTP作为一种新的生化指标，能反映在骨骼系统吸收特性的变化[14]。现在多采用双抗体夹心ABC－ELISA法测定。

1.4 Ⅰ型胶原羧基端肽β特殊序列（β－cross laps，β－CTX） 在骨的有机质中，90%以上为骨Ⅰ型胶原。因各种病理的刺激，破骨细胞活性增强，使Ⅰ型胶原大量降解形成C－末端肽，进一步降解为β－CTX进入血液系统并经肾脏排泄。国外学者发现的终端类型1型胶原蛋白（β－CTX）的变化取决于骨代谢的变化，根据儿童的个体生长曲线用来预防骨质疏松[15]。大型研究表明，β－CTX测定是早期发现骨转移的一个重要指标，有助于早期发现隐匿性骨骼疾病或监察药物治疗的效果[16]。通过研究患有骨质疏松症的71例绝经后妇女，发现β－CTX敏感性、特异性和准确性均较高[17]。国内有人对北京1 724例绝经后妇女进行研究发现，血清β－环磷酰胺和Ⅰ型前胶原氨基末端（N端）前 肽（procollagen typeⅠamino－terminal propeptide，PINP）的水平与骨密度呈负相关。多发性脊柱骨折的绝经后妇女β－CTX呈持续高水平[18]。血清β－CTX测定方法简单、稳定，因不受尿肌酐水平的影响，其结果重现性好。作为重要的骨转移或骨吸收的指标，血清β－CTX在一系列的骨代谢疾病及转移性疾病的诊断和疗效评价中具有很重要的参考意义[19]。现多用双抗体夹心法测定。

2 反映骨形成的血生化指标

2.1 骨特异性碱性磷酸酶（bone alkaline phosphotase B－ALP） 在正常人体代谢中，骨骼是分泌碱性磷酸酶的重要器官，其分泌量约为总碱性磷酸酶的50%。临床上检测的血清碱性磷酸酶是这组同工酶的总活性，特异性及敏感性较差，因此，目前更多的是检测B－ALP。绝经后妇女的B－ALP随年龄增加呈负相关，与骨密度呈正相关，证明与骨代谢相关[20]。B－ALP与性激素之间有相关性，但在绝经后骨质疏松症患者腰椎骨密度与性激素之间无关联[21]。而B－ALP为骨化活动指标，已在骨代谢性疾病中广泛使用[22]。高特异性单克隆抗体免疫分析法具有更高的敏感性和特异性，是目前定量测定B－ALP的最佳方法，被广泛应用于临床。

2.2 Ⅰ型前胶原羧基末端（C端）前肽（procollagen typeⅠcarboxy－terminal propeptide，PICP）和PINP Ⅰ型胶原占骨基质有机成分的90%以上，骨化细胞合成Ⅰ型前胶原，分泌到胞外后在特异性酶作用下，去除两端的多肽，形成Ⅰ型胶原并聚合成为胶原纤维，其中羧基末端肽为PICP，氨基末端肽为PINP。目前，已经证实血清PICP、PINP水平与骨形成呈正相关，能提高骨形成活动，是衡量骨形成活动的发展高灵敏指标之一[23]。在评估骨代谢异常患者各种骨形成和骨吸收标志物水平变化，发现其疼痛评分与PICP／PINP呈正相关，并可以用于疾病预后的预测[24]。Glover等[25]研究发现，PINP是最敏感的指标，可用于监测患者的早期治疗效果和骨质疏松症的新的蛋白同化制剂的研究设计。目前多采用放射免疫法和酶联免疫吸附法测定。

2.3 骨钙素（bone Gla protein，BGP） BGP是依赖维生素K与活性的维生素D参与，才具有生物活性的非胶原蛋白[26]。已发现它为骨组织所专有。BGP主要沉积在骨组织和牙质中，约有20%释放入血，少部分释放入血循环中，血清与骨组织中的BGP呈正相关，主要由骨化细胞合成骨钙素，是结合γ－羧基谷氨酸蛋白家族成员。大型研究显示，80岁老人的骨化细胞与骨钙素呈正相关，60岁老人骨钙含量与骨钙素呈负相关，证明骨钙素可用于老年人骨质疏松早期监测[27]。在骨化细胞机制研究中发现，骨化细胞中的酪氨酸磷酸酶通过调节胰岛素，从而影响骨钙素活性[28]。也有研究发现，骨钙素与胰岛素受共同基因（FoxO1基因）调节，并发现骨钙素和胰岛素在骨形成及血糖稳定状态有协同作用[29]。通过对膳食镁及高磷饮食者测量血清甲状旁腺激素及骨钙素水平发现，两者均高于空白对照组及高磷饮食组，结果表明膳食镁通过抑制甲状旁腺的分泌，从而抑制骨吸收[30]。也有部分学者研究发现，雌激素的调节在骨化细胞的分子表达中发挥重要作用，并与骨钙素水平有关[31]。这些都为骨钙素生理功能和药理作用的进一步研究奠定了基础。目前，对于血清BGP的检测方法常用放射免疫法。也有学者证实使用电化学发光免疫法测定血清骨钙素的N－MID片段，稳定性及灵敏度较好，能更好地反映骨转换的变化。

3 骨代谢指标在临床应用中的展望

健康骨维持着重吸收和骨形成之间的动态平衡，骨骼的生化标记物是一类源于骨基质及骨细胞的代谢指标。虽然早期发现的大多数骨骼的生化标志物有各种各样的变异性，但近年来越来越多的新生化标记物被发现，并以其反应及时、灵敏性高、特异性强等优点，可以较骨密度早期反映出骨的转换水平，尤其在抗骨吸收药物治疗骨质疏松症方面，比骨密度测量更早反映治疗效果，而被广泛运用。但是，目前仍不能作为骨质疏松的诊断标准，因大多数指标与骨代谢异常疾病有关，如PINP可用于前列腺癌骨转移的预测[32]。故临床诊断时必须排除原发疾病。

骨折是骨质疏松症最严重的并发症，绝经后妇女约50%骨密度正常，但因为有高骨转换率，骨折风险较高，故早期检测更有利于发现骨折高危人群[33]。一般根据需要分别测定1～2项骨形成指标及骨吸收指标。目前，中国尚没有各种骨密度指标的参考值，仍需进一步完善，骨代谢生化指标与骨密度测定相结合，更能全面、合理评价骨转换，更有利于原发性骨质疏松症的诊断及治疗。

[1]Delmas PD.Biochemical markers of bone turnover[J].J Bone Miner Res，1993，8（Suppl 2）：S549－555.

[2]Briot K，Trémollières F，Thomas T，et al.How long should patients take medications for postmenopausal osteoporosis[J].Joint Bone Spine，2007，74（1）：24－31.

[3]Chen X，Zhu G，Shao C，et al.Effects of cadmium on bone microstructure and serum tartrate－resistant acid phosphatase 5b in male rats[J].Exp Biol Med（Maywood），2011，236（11）：1298－1305.

[4]Hung MJ，Oremek GM.Value of TRACP 5b as a diagnostic marker for detection of bone metastases in patients with breast cancer[J].Eur J Gynaecol Oncol，2011，32（6）：615－618.

[5]Fujimori A，Okada S，Sakai M，et al.Relationship between biochemical markers and radial cortical bone changes in hemodialysis patients[J].Nephron Clin Pract，2011，118（4）：375－379.

[6]Joerger M，Huober J.Diagnostic and prognostic use of bone turnover markers[J].RecentResultsCancer Res，2012，192：197－223.

[7]Moghaddam A，Müller U，Roth HJ，et al.TRACP 5b and CTX as osteological markers of delayed fracture healing[J].Injury，2011，42（8）：758－764.

[8]Nur E，Mairuhu W，Biemond BJ，et al.Urinary markers of bone resorption，pyridinoline and deoxypyridinoline，are increased in sickle cell patients with further increments during painful crisis[J].Am J Hematol，2010，85（11）：902－904.

[9]Ardawi MS，Maimani AA，Bahksh TA，et al.Reference intervals of biochemical bone turnover markers for Saudi Arabian women：a cross－sectional study[J].Bone，2010，47（4）：804－814.

[10]Heiss C，Hoesel LM，Pausch M，et al.Biochemical bone resorption markers during the healing of osteoporotic fractures[J].Unfallchirurg，2008，111（9）：695－702.

[11]Kraenzlin ME，Kraenzlin CA，Meier C，et al.Automated HPLC assay for urinary collagen cross－links：effect of age，menopause，and metabolic bone diseases[J].Clin Chem，2008，54（9）：1546－1553.

[12]Kamiya N，Suzuki H，Yano M，et al.Implications of serum bone turnover markers in prostate cancer patients with bone metastasis[J].Urology，2010，75（6）：1446－1451.

[13]Kataoka A，Yuasa T，Kageyama S，et al.Diagnosis of bone metastasis in men with prostate cancer by measurement of serum ICTP in combination with alkali phosphatase and prostate－specific antigen[J].Clin Oncol（R Coll Radiol），2006，18（6）：480－488.

[14]Djunic I，Elezovic I，Marinkovic M，et al.Osteolytic lesions marker in multiple myeloma[J].Med Oncol，2011，28（1）：237－240.

[15]Ivashkina TM，Kotova TN，Omarova PS，et al.Age－related changes in the level of serum bone markers in healthychildren.Article in Russian[J].Klin Lab Diagn，2010（11）：7－10.

[16]Mountzios G，Ramfidis V，Terpos E，et al.Prognostic significance of bone markers in patients with lung cancer metastatic to the skeleton：a review of published data[J].Clin Lung Cancer，2011，12（6）：341－349.

[17]Bunyaratavej N，Buranasinsup S.Study of validity of pyridinoline and correlation of pyridinoline and beta crosslap in postmenopausal women[J].J Med Assoc Thai，2011，94（Suppl 5）：S76－78.

[18]Zhao J，Xia W，Nie M，et al.The levels of bone turnover markers in Chinese postmenopausal women：Peking vertebral fracture study[J].Menopause，2011，18（11）：1237－1243.

[19]Herrmann M，Seibel M.The amino and carboxyterminal cross－linked telopetides of collagen typeⅠ，NTX－Ⅰand CTX－Ⅰ：a comparative review[J].Clin Chim Acta，2008，393（2）：57－75.

[20]Gonnelli S，Caffarelli C.The association of body composition and sex hormones with quantitative ultrasound parameters at the calcaneus and phalanxes in elderly women[J].Calcif Tissue Int，2011，89（6）：456－463.

[21]Ahn KH，Lee SH，Park HT，et al.Effect of adiponectin and sex steroid hormones on bone mineral density and bone formation markers in postmenopausal women with subclinical hyperthyroidism[J].J Obstet Gynaecol Res，2010，36（2）：370－376.

[22]Trento LK，Pietropolli A，Ticconi C，et al.Role of typeⅠcollagen C telopeptide，bone－specific alkaline phosphatase and osteocalcin in the assessment of bone status in postmenopausal women[J].J Obstet Gynecol Res，2008，35（1）：152－159.

[23]Han B，Copeland M，Geiser AG，et al.Development of a highly sensitive，high－throughput，mass spectrometrybased assay for rat procollagen typeⅠN－terminal propeptide（PINP）to measure bone formation activity[J].J Proteome Res，2007，6（11）：4218－4229.

[24]Zafeirakis A，Papatheodorou G，Arhontakis A，et al.Redictive implications of bone turnover markers after pallia－tive treatment with（186）Re－HEDP in hormone－refractory prostate cancer patients with painful osseous metastases[J].Eur J Nucl Med Mol Imaging，2010，37（1）：103－113.

[25]Glover SJ，Eastell R，McCloskey EV，et al.Rapid and robust response of biochemical markers of bone formation to teriparatide therapy[J].Bone，2009，45（6）：1053－1058.

[26]Bunyaratavej N，Buranasinsup S，Jangsangthong A.The reality of osteocalcin as a marker of vitamin K2[J].J Med Assoc Thai，2011，94（Suppl 5）：S87－89.

[27]Suriyachand K，Eamwijit T.A study of correlation of osteoblasts from peripheral blood with related bone turnover markers[J].E J Med Assoc Thai，2011，94（Suppl 5）：S71－75.

[28]Zee T，Settembre C，Levine RL，et al.T－cell protein tyrosine phosphatase regulates bone resorption and wholebody insulin sensitivity through its expression in osteoblasts[J].Mol Cell Biol，2012，32（6）：1080－1088.

[29]Kode A，Mosialou I，Silva BC，et al.Fox O1 cooperates with ATF4 in osteoblasts to control glucose homeostasis[J].J Biol Chem，2012 Feb.1.[Epub ahead of print]

[30]Matsuzaki H，Fuchigami M，Miwa M.Dietary magnesium supplementation suppresses bone resorption via inhibition of parathyroid hormone secretion in rats fed a high－phosphorus diet[J].Magnes Res，2010，23（3）：126－130.

[31]Mamalis A，Markopoulou C，Lagou A，et al.Oestrogen regulates proliferation，osteoblastic differentiation，collagen synthesis and periostin gene expression in human periodontal ligament cells through oestrogen receptor beta[J].Arch Oral Biol，2011，56（5）：446－455.

[32]Klepzig M，Jonas D，Oremek GM.Procollagen type 1 amino－terminal propeptide：a marker for bone metastases in prostate carcinoma[J].Anticancer Res，2009，29（2）：671－673.

[33]Sornay RE，Munoz F，Garnero P，et al.Identification of osteopenic women at high risk of fracture[J].J Bone Miner Res，2005，20（10）：1813－1819.