组织蛋白酶K抑制剂Odanacatib研究进展

晁爱军

组织蛋白酶K抑制剂Odanacatib研究进展

晁爱军

骨质疏松症患病率近年来明显增加。破骨细胞功能活化是骨质疏松发生的重要原因。组织蛋白酶是破骨细胞表达的一类酶，参与有机质的降解，与骨质疏松的发生密切相关。其中组织蛋白酶K是最重要的一种酶，组织蛋白酶K抑制剂Odanacatib（ODN）可以通过抑制其对有机质的降解治疗骨质疏松。在目前进行的一些研究中发现，应用ODN可以增加皮质厚度和小梁骨的骨矿含量，进而增加骨密度和骨的负荷强度。本文就ODN的药理特性、动物实验及临床研究的进展进行综述。

组织蛋白酶类；酶抑制剂；骨质疏松；综述；组织蛋白酶K；odanacatib

骨质疏松是骨吸收与骨形成失衡的结果，抑制破骨细胞的功能是抗骨质疏松的重要作用机制之一。双膦酸盐、雌激素及雌激素受体调节剂都属于抑制破骨细胞骨吸收功能的抗骨质疏松药。近年来，组织蛋白酶K成为新的治疗靶点，动物及临床研究中取得了一定疗效，有望成为一类有特色的骨质疏松治疗药物。本文就此综述如下。

1 组织蛋白酶

1.1 组织蛋白酶概述 组织蛋白酶是一类参与组织蛋白降解的酶类。目前发现的有15种，其中胱氨酸半胱氨酸11种、丝氨酸2种和天门冬氨酸2种，在骨质疏松、动脉硬化和炎症过程中发挥着重要作用[1]。半胱氨酸家族组织蛋白酶分为B、C、F、H、K、L、O、S、V、X和W等11种类型，其中K、L、S、V是比较重要的几种酶，它们在结构上有60％同源性，而这些不同的组织蛋白酶又参与了不同的组织病理生理变化过程，如组织蛋白酶S参与了神经损伤[2]。

1.2 组织蛋白酶K 组织蛋白酶K属于溶酶体蛋白酶，由329个氨基酸残基组成[3]。Fuller等[4]采用共聚焦显微镜在再吸收的破骨细胞与巨噬细胞上发现了组织蛋白酶K的表达。它主要存在于破骨细胞的刷状缘中，参与破骨细胞对有机质的降解，造成骨吸收。并且参与了牙龈纤维化[5]以及皮肤黑色素细胞损伤[6]过程。敲除组织蛋白酶K基因的小鼠，骨髓中破骨细胞的前体——生血干细胞数量明显减少[7]。雌激素可以下调其表达[8]，而核因子（NF）-κB受体活化因子配体（Ligand of receptor activator of NF-κB，RANKL）、肿瘤坏死因子（TNF）-α等可以上调其表达[9]。

1.3 组织蛋白酶K抑制剂（ODN） ODN是一种非溶酶体、特异性组织蛋白酶K抑制剂。由于组织蛋白酶在肺、皮肤等全身多种组织均有表达，非特异性ODN可能对骨以外的组织产生作用。组织蛋白酶抑制剂除了ODN，还包括Balicatib、Relacatib、ONO-5334等种类。相对于Relacatib，ODN在0.2 nmol/L即对组织蛋白酶K有抑制作用，而对其他组织蛋白酶B、L、S则没有明显的抑制。特异性较差的Balicatib和Relacatib因为在提供骨保护的同时导致皮肤硬化而停止了临床研究。ONO-5334尚在进行临床研究中，其在健康绝经后妇女口服后的半衰期为9.1～22 h，口服600 mg对1型胶原交联N端肽（NTx）的最大抑制出现在12～48 h，服用300 mg时则出现在12～24 h[10]。切除卵巢的食蟹猴应用ONO-5334后皮质及松质骨密度较对照组增加，骨吸收标志物得到抑制[11]。在绝经后妇女进行的临床研究也得到相似的结果[12]。以上研究显示出ONO-5334具有一定的抗骨质疏松作用。另一种组织蛋白酶K抑制剂VEL-0230也在进行动物实验，结果显示出对骨吸收具有良好的抑制作用[13]。

2 ODN药代动力学

2.1 组织分布 单剂口服5 mg/kg14C标记的ODN 2 h后药物广泛分布于身体组织，最大血浆浓度出现在2 h后。在服用后168 h下降，组织/血浆浓度比在许多组织中均大于1。放射活性在中枢神经系统中较低，约是血浆的3％，骨组织/血浆浓度比在第2、6和24 h分别约为0.09、0.11和0.16，在168 h后几乎完全清除，只在肝脏、非色素皮肤、小肠和大肠4种组织中可以测到残余，在第672 h，所有组织完全清除[14]。

2.2 生物利用度及代谢 口服ODN后生物利用度在鼠和猴分别为43％和18％。采用14C标记的ODN研究表明，静脉注射后的最终半衰期鼠为64 h、猴为18 h。在健康绝经后妇女中的半衰期则为66～93 h[15]。单次口服ODN后，其血浆浓度呈单向的下降，最大曲线下面积出现在24 h，如果与高脂饮食同进食，则ODN 0～24 h曲线下面积增加100％，而低脂饮食时，其面积增加30％[16]。口服ODN后原形74.5％从粪便中排出，16.9％从尿中排出。剩余的以代谢产物形式从尿中排出[17]。

2.3 作用机制 Leung等[18]研究表明，ODN不影响骨髓前体细胞向破骨细胞的分化过程，也不影响破骨细胞的寿命。通过测定1型胶原交联C端肽（CTx）和测量破骨细胞的吸收区域表明ODN能够影响破骨细胞的吸收活性，未经ODN作用的破骨细胞可以产生一个尾状的吸收区域，而经ODN处理过的细胞则仅产生一个比较小的吸收陷窝。破骨细胞经ODN作用后，针对组织蛋白酶K和抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）染色的细胞内的密度明显增加。一般来说，组织蛋白酶K的囊泡定位于破骨细胞极性基侧和功能分泌区膜上，而TRAP则分布于胞浆内，提示ODN干扰了多种组织蛋白酶K原前体或成熟组织蛋白酶K的转运通路。

3 动物实验

3.1 对骨密度的影响

3.1.1 与安慰剂对照 Cusick等[19]给予卵巢切除恒河猴6 mg/kg和30 mg/kg的ODN，发现与对照组相比，股骨颈骨密度分别增加了11％和15％，最大负荷强度增加了25％和30％，而且强度的增加与骨密度、骨矿含量和皮质厚度相关。股骨颈和远端股骨的组织形态学检查显示ODN减少了小梁的骨形成率，但不影响皮质内骨形成率。ODN可以增加皮质厚度，在股骨颈为21％，远端股骨为19％。采用定量反向散射电子图像研究，发现在远端股骨和干骺端小梁骨，ODN可以呈剂量依赖地增加基质矿化，然而对骨皮质无影响[20]。这些研究表明，ODN与传统的抗吸收药物不同，其对骨小梁和骨皮质有部位作用特异性。

3.1.2 与双膦酸盐对照 Pennypacker等[21]对比了阿仑膦酸钠和ODN对卵巢切除兔骨密度的影响，给予4 μmol（/L·d）或9 μmol/（L·d）的ODN共27周，结果显示2种剂量均可以抑制卵巢切除后的骨丢失，其抑制水平与阿仑膦酸钠相当，ODN也呈剂量依赖地增加近端股骨、股骨颈以及大转子的骨密度，并且不影响任何一研究部位的骨形成，提示ODN可保持骨正常的生物机械特性。在阻止骨丢失方面，ODN与阿仑膦酸钠相似，但ODN不影响骨的形成，表明ODN的作用与骨吸收/形成偶联无关。Pennypacker等[22]比较了ODN与阿仑膦酸钠对快速生长的兔模型骨的影响，这种模型兔骨与骨质疏松骨具有相似的生物学特性，结果发现ODN能够减少兔骨胶原的降解，与阿仑膦酸钠相比，骨密度明显增加。Jensen等[23]采用组织生化的方法研究表明，相对于阿仑膦酸钠，ODN在兔骨转换阶段能够快速启动骨吸收部位类骨质的沉积，从而促进骨的形成，而阿仑膦酸钠则没有这方面的作用。

3.2 对骨生化标志物的影响 Masarachia等[24]给予切除卵巢的恒河猴6 mg/kg或30 mg/kg ODN，结果显示ODN可持续抑制骨吸收标志物尿NTx75％～90％、CTx 40％～50％；该研究也表明ODN的药理作用是抑制骨吸收，而不是减少破骨细胞的数量。该研究中2个剂量组对于腰椎骨密度均有保护作用，其中6 mg/kg较对照组增加7％，而30 mg/kg组则增加了15％。

3.3 对骨组织形态学及生物力学的影响 采用四环素双标记的研究表明，6 mg/kg及30 mg/kgODN均能增加膜内及皮质的骨形成，增加矿化面积，减少重建的骨单位而不影响皮质厚度[25]。采用高分辨CT对卵巢切除猴的骨生物力学研究表明，ODN在体积骨密度、皮质厚度、全骨密度分数等参数上均优于阿仑膦酸钠[26]。用高分辨定量CT（pQCT）评估ODN对卵巢切除恒河猴的作用表明，与对照组相比，ODN组不论是体积骨密度还是皮质厚度均增加，前者为（477±27）vs （364±22）mg/cm3，后者为（0.90±0.07）vs（0.64±0.04）mm[27]。ODN治疗还能增加骨强度，骨最大负荷的增加与骨矿含量的增加密切相关，ODN可减少小梁骨的骨转换参数。

4 临床研究

4.1 与安慰剂对照

4.1.1 不同剂量研究 在一项Ⅱ期临床药物研究中[28]，腰或髋骨密度T值-2.0～-3.5的绝经后妇女在口服维生素D和钙的基础上，随机接受3、10、25、50 mg ODN或安慰剂，第3年后所有患者剂量改为50 mg或安慰剂，结果显示在服药的5年期间，骨密度持续增加，50 mg持续5年的患者平均腰椎骨密度增加11.9％，而从50 mg转换为安慰剂组的则下降了0.4％；在ODN10～50 mg组，5年平均骨吸收标志物下降55％，但骨源性碱性磷酸酶和1型前胶原N端肽（P1NP）与基线比无明显变化；而对于那些从ODN10～50 mg转换为安慰剂的患者，骨转换标志物无明显变化。

4.1.2 ODN50 mg剂量研究 （1）ODN对骨密度及生化标志物的影响健康妇女口服50 mg ODN后24 h与安慰剂比较，CTx下降66％，NTx下降51％[16]。在一项针对低骨量的妇女进行的1年正式研究和1年扩展研究中，受试者在口服维生素D和钙剂同时，随机接受50 mg/周的ODN或安慰剂24个月后，腰椎和全髋骨密度分别增加了5.5％和3.2％，骨代谢生化标志物显示出剂量相关的改变，ODN的安全性和耐受性与安慰剂相似[29]。在另一项类似的研究中，伴有低骨量的绝经后妇女先接受了2年的ODN治疗，随后又进行了1年的延伸研究，结果表明持续治疗腰椎骨密度第1年从基线增加了7.9％，第2年开始增加了2.3％，全髋则为5.8％和2.4％，尿NTx在3年中保持抑制，减少了50.5％，骨特异性碱性磷酸酶与基线比较无明显变化，终止治疗则出现所有部位的骨密度下降，但仍然高于基线值或与基线值相当，2组不良反应相似[30]。（2）ODN对骨形态学的影响。在一项针对214名低骨量的绝经后妇女进行的2年的随机双盲安慰剂对照研究，每周口服50 mg ODN组腰椎骨密度较对照组提高了3.5％，6个月时采用pQCT进行评价，ODN治疗组小梁体积骨密度明显增加，股骨颈皮质厚度、骨矿含量、体积和交联区域与基线比，ODN组均明显增加，不良反应在治疗组和对照组间相似[31]。另一项针对绝经后妇女进行的研究中，研究者采用高分辨CT检查发现，无论是小梁骨体积、骨密度还是皮质体积骨密度、皮质骨厚度、小梁骨的数量，在远端桡骨，口服50 mg ODN组均优于安慰剂组[32]。

4.2 其他相关研究 对于曾经接受过3年阿仑膦酸钠治疗的绝经后妇女，相对于安慰剂，ODN仍然能够促使骨密度增加，在24个月时，股骨颈、大转子、全髋和腰椎骨密度分别增加1.7％、1.8％、0.8％和2.3％，ODN不良反应与安慰剂相似[33]。肿瘤细胞也会产生组织蛋白酶K，介导肿瘤骨转移的发生。Jensen等[34]将43例伴有乳腺癌和转移性骨病的妇女按2∶1的比例分配到口服5 mg/dODN组及静脉注射4 mg/d唑来膦酸组，4周后测量NTx，结果显示ODN组NTx下降了77％，唑来膦酸组下降了73％，该研究中常见的不良反应包括恶心、呕吐、头痛和骨痛，作者认为这些并不全归因于研究药物。以上研究表明对于乳腺癌伴有骨转移性疾病的妇女，ODN的有效性与唑来膦酸相同，同时也显示ODN安全性良好。

作为一种骨吸收抑制剂，ODN能有效地减少骨流失，增加腰椎和髋部的骨密度，相对于传统的骨吸收抑制剂呈部位特异性，ODN只影响破骨细胞的吸收活性，而不减少破骨细胞的数量。这些新特性，为目前抗骨质疏松治疗带来了新的希望。

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（2014-04-23收稿 2014-06-28修回）

（本文编辑 李鹏）

Progress in Cathepsin K Inhibitor Odanacatib

CHAO Aijun
Tianjin Hospital,Tianjin 300211,China

The prevalence of osteoporosis has increased during recent years.The activation in the function of osteoclast is the main reason of osteoporosis.Cathepsin is expressed by osteoclast and involved in the degradation of collagen of bone，and causes osteoporosis.Cathepsin K is a kind of most important enzyme in the family of cathepsin.Odanacatib（ODN）is the inhibitor of cathepsin K,and it may be used to anti-osteoporosis thought inhibiting the degradation of bone collagen.It was found that the cortical thickness and bone minerals of cancellous increased after taking ODN in the studies,and then the density and the strength of bone increased.This study reviewed the pharmacological profile of ODN and the progresses of animal study and clinical trials about ODN.

cathepsins；enzyme inhibitors；osteoporosis；review；cathepsin K；odanacatib

R592

A

10.3969/j.issn.0253-9896.2014.11.029

天津市天津医院（邮编300211）