镓及其抗骨质疏松作用机制研究进展

镓及其抗骨质疏松作用机制研究进展

李梁涛禹铭杨张德宝谷贵山

(吉林大学白求恩第一医院骨关节外科，吉林长春130021)

关键词〔〕镓；抗骨质疏松

中图分类号〔〕R58〔文献标识码〕A〔

通讯作者：谷贵山(1965-)，男，教授，博士生导师，主要从事老年骨质疏松和人工关节置换的研究。

第一作者：李梁涛(1987-)，男，在读博士，主要从事骨关节疾病研究。

镓具有抗肿瘤、抗感染、免疫抑制等作用。研究〔1〕观察到镓能有效控制各种恶性肿瘤骨转移引起的高钙血症，镓能降低骨转化率和减少各种恶性肿瘤骨转移灶的骨溶解。本文简要介绍镓在医疗领域内的应用及其抗骨质疏松作用机制。

1镓在医疗领域内的应用

1.1显像镓的放射性元素很早应用于恶性肿瘤的放射性显影。虽然近些年正电子发射断层显像/X线计算机体层成像(PET-CT)的出现，镓显像应用减少，但由于PET-CT的局限性，镓显像在某些肿瘤显像中仍具有优势〔2〕，如神经内分泌瘤，脑膜瘤和前列腺癌。

1.2抗肿瘤多个实验研究证明镓具有显著抗肿瘤作用，尤其是对淋巴瘤等作用明显〔3〕。

1.3抑制免疫系统多个体内外试验均表明镓具有抑制免疫系统和炎症细胞的作用〔4〕，虽然镓尚未应用于自身免疫或炎症性疾病，但在镓相关试验中应考虑到镓对免疫系统的影响。

1.4抗菌铁对于细菌的生长很重要，而且也使它们具备了形成生物膜的能力。而镓干扰铁代谢的事实促使研究人员观察镓对病原微生物的影响，结果显示包括多耐药性铁生长依赖性肺结核杆菌和假单胞菌属受抑制〔5〕。

1.5降低血钙水平镓抗肿瘤研究中发现大量患者血钙水平降低，进而发现镓能治疗恶性肿瘤引起的高钙血症〔6〕。当然镓可以应用于骨丢失类疾病如骨质疏松，恶性肿瘤，多发性骨髓瘤，畸形性骨炎等。

2镓抗骨质疏松的作用机制

2.1镓对骨骼细胞的生物学效应

2.1.1破骨吸收活动在镓负载的骨吸收动物试验〔7，8〕中，显示含有镓的骨碎屑骨吸收减少，并检测骨碎屑的矿物成分、抗酒石酸酸性磷酸酶等指标，表明镓能抑制骨吸收。Hall等〔7〕说明了镓以剂量依赖型方式抑制骨的重吸收。Blair等〔8〕保证除去镓以外所有因素一致的前提下发现超过48 h的镓处理，骨组织镓浓度变为10 pmol/μg时，近一半骨重吸收活动减少，而浓度达到50 pmol/μg时，骨重吸收完全抑制。

Verron等〔9〕在以上研究基础上，在分子水平阐述镓影响破骨细胞的信号传导通路。证实镓抑制作用与活化T细胞核因子(NFAT)c1的下调有关。NFATc1是NF-κB受体激活子(RANK)诱导下破骨细胞分化的一种主要调节因子〔8〕。进一步研究各个信号传导通路发现镓作用位点众多，例如核因子(NF)κB，肿瘤坏死因子受体相关因子(TRAF)6，p62，肿瘤抑制基因(CYLD)，即早表达基因(cFos)及钙诱导环磷酸腺苷应答元件结合蛋白(CREB)磷酸化。其中钙诱导CREB磷酸化涉及另一个重要的信号传导通路，即钙离子传导通路。作为对破骨细胞分化因子(RANKL)的适当反应，细胞外钙离子内流对破骨细胞极其重要。这其中一种特异性钙离子通道(TRPV5，瞬时感受器电位蛋白家族中的一种)参与其中。当应用TRPV5的特异激动剂钆时，发现镓可以完全阻断钆的激动作用。可以肯定地说，镓可以起TRPV5阻断剂的作用〔10〕。

2.1.2成骨细胞活动镓作用于成骨细胞的效应研究比较少，其中有两种相反的试验结果。一种一定浓度镓处理成骨细胞后，细胞活力，细胞增殖，碱性磷酸酶活性并没有改变，成骨细胞的标记基因(包括骨钙素)表达也无明显改变〔9〕。而在另一项试验中，以上述一半浓度镓处理后发现Ⅰ型胶原基因表达增倍，骨钙素基因表达下降〔11〕。最近有一项镓预防笼养蛋鸡骨质疏松的研究〔12〕。骨质疏松对笼养母鸡，对于骨骼及蛋壳形成有极大影响。试验中给予含镓饲料，发现这些母鸡的骨骼在组织形态上是正常的。而且，钙和血清磷酸酶水平增高，这些血清学改变被认为很可能对骨骼的生物力学有积极作用。最终结果表明补充镓后，这些母鸡死亡率降低，产蛋量增加。这项实验证实镓具有促进成骨的作用。最后，Ma等〔13〕观察镓对卵巢切除引起的骨质疏松雌鼠的作用，发现镓治疗雌鼠骨皮质厚度、骨小梁数量及厚度均有增加，股骨颈的骨质强度也明显增强。

2.2镓摄取及作用机制一种主流观点认为，镓的治疗作用源于三价镓与三价铁的理化性质的极端相似性〔14〕。这一假说解释了三价镓能在某些蛋白质及螯合物中取代三价铁。生理条件下，三价镓不能还原成二价镓，而三价镓不能与二价铁竞争，这恰好限制镓的血液毒性。

转铁蛋白是一种主要的铁转运蛋白。当其结合了一个或两个铁离子后，与细胞膜上转铁蛋白受体结合，通过细胞胞吞作用，铁离子被转移到细胞内。转铁蛋白受体分为两类：转铁蛋白受体1主要表达于增殖较快的细胞，特别是肿瘤细胞；转铁蛋白受体2表达于一般有核细胞，如肝细胞等。转铁蛋白复合物对转铁蛋白受体1的亲和力更大。值得注意的是破骨细胞也表达转铁蛋白受体1，这很可能是由于其富含线粒体，耗能较大的缘故。Katsumata等〔15〕评估了缺铁实验鼠的骨更新及组织形态学变化，发现骨组织体积明显减少，并得出结论重度铁缺乏降低了骨生成和骨重吸收，且骨生成影响更大，总的结果是骨组织是减少的。

基于镓的作用机制，镓离子与铁离子竞争转铁蛋白上结合位点，并被摄入到细胞内。一旦到达细胞内，镓可以阻滞由铁离子参与的各种细胞活动。转铁蛋白竞争抑制试验和转铁蛋白受体抗体阻滞试验证明了细胞摄取镓是通过转铁蛋白完成的。Rasey等〔16，17〕观察到高表达转铁蛋白受体的肿瘤细胞都有显著的镓聚集。然而，Abe等〔18〕报道肝细胞可以通过钙离子通道摄取镓。Verron等〔9〕描述了镓通过破骨细胞膜表面的一种特异性钙离子通道TRPV-5A进入细胞内，证明在骨组织中存在不依赖转铁蛋白镓摄取途径。总之，镓进入细胞可以通过转铁蛋白受体，也可以与其他转运受体结合而进入细胞。

3常用的镓合物

硝酸镓最早应用于临床，属于第一代镓化合物。正在进行临床试验的镓化合物包括麦芽酚镓，G4544，KP46。其中G4544主要观察其对骨转移癌和骨质疏松的治疗作用。新出现的镓化合物在作用通道方面表现出不完全等同于硝酸镓，属于第二代的镓化合物。还有一些处于临床前期值得期待的有机镓化合物〔19〕属于第三代镓化合物。

4常用镓化合物毒副作用

硝酸镓在静脉注射时，一小部分患者可出现剂量限制肾毒性〔20〕；周期性静脉注射硝酸镓可出现剂量限制毒性腹泻。部分小细胞性贫血患者应用硝酸镓病情可能加重，而血小板和白细胞计数没有受抑制。极少部分患者可出现视力或听力损害。易可能诱发低钙血症，但可通过口服钙盐纠正。

综上，镓抗骨质疏松作用肯定，但具体作用机制仍在研究之中。法国学者〔9，10〕发现镓可以抑制特异钙离子通道TRPV5，为镓作用机制研究指出了一个新方向。在镓临床应用前需要进一步明确药代动力学，并解决镓生物利用度低等问题。

5参考文献

1Warrell RP Jr,Bockman RS,Coonley CJ,etal.Gallium nitrate inhibits calcium resorption from bone and is effective treatment for cancer related hypercalceimia〔J〕. J Clin Invest,1984;73:1487-90.

2Khan MU，Khan S，El-Refaie S，etal.Clinical indications for gallium-68 positron emission tomography imaging〔J〕.Eur J Surg Oncol,2009；35：561-7.

3Chitambar CR，Purpi DP.A novel gallium compound synergistically enhances bortezomib-induced apoptosis in mantle cell lymphoma cells〔J〕.Leuk Res,2010；34：950-3.

4Betoulle S，Etienne JC，Vernet G.Acute immunotoxicity of gallium to carp(Cyprinus carpio L.)〔J〕.Bull Environ Contam Toxicol,2002；68：817-23.

5Chitambar CR.Medical applications and toxicities of gallium compounds〔J〕.Int J Environ Res Public Health,2010;7(5):2337-61.

6Warrell RP ,Bockman R.Gallium in the treatment of hypercalcemia and bone metastasis〔J〕.Important Adv Oncol,1989;4：205-20.

7Hall TJ,Chambers TJ.Gallium inhibits bone resorption by a direct effect on osteoclasts〔J〕.Bone Miner,1990；8：211-6.

8Blair HC,Teitelbaum SL,Tan HL,etal.Reversible inhibition of osteoclastic activity by bone-bound gallium(Ⅲ)〔J〕.J Cell Biochem,1992；48：401-10.

9Verron E,Bouler JM,Scimeca JC,etal.Gallium modulates osteoclastic bone resorption in vitro without affecting osteoblasts〔J〕.Br J Pharmacol,2010；159：1681-92.

10Verron E,Loubat A,Carle GF,etal.Molecular effects of gallium on osteoclastic differentiation of mouse and human monocytes〔J〕.Biochem Pharmacol,2011；83：671-9.

11Jenis LG，Waud CE，Stein GS，etal.Effect of gallium nitrate in vitro and in normal rats〔J〕.J Cell Biochem,1993；52：330-6.

12Li C,Jiang Z,Liu X,etal.Biochemical mechanism of gallium on prevention of fatal cage-layer osteoporosis〔J〕.Biol Trace Elem Res,2010；134：195-202

13Ma Z，Qin Fu.Comparison of the therapeutic effects of yeast-incorporated gallium with those of inorganic gallium on ovariectomized osteopenic rats〔J〕.Biol Trace Elem Res,2009；134(3)：280-7.

14Chitambar CR.Medical applications and toxicities of gallium compounds〔J〕.Int J Environ Res Public Health,2010；7：2337-61.

15Katsumata S，Katsumata-Tsuboi R，Uehara M，etal.Severe iron deficiency decreases both bone formation and bone resorption in rats〔J〕.J Nutr,2009；139：238-43.

16Rasey JS，Nelson NJ，Larson SM.Tumor cell toxicity of stable gallium nitrate：enhancement by transferrin and protection by iron〔J〕.Eur J Cancer Clin Oncol,1982；18：661-8.

17Luttropp CA，Jackson JA，Jones BJ，etal.Uptake of gallium-67 in transfected cells and tumors absent or enriched in the transferrin receptor〔J〕.J Nucl Med,1998；39：1405-11.

18Abe S,Suyama S,Chiba S,etal.The uptake mechanism of gallium-67 into hepatocytes treated with carbon tetrachloride〔J〕.Biol Pharm Bull,2007；30：224-9.

19Kaluderovic MR，Gomez-Ruiz S，Gallego B，etal.Anticancer activity of dinuclear gallium(Ⅲ) carboxylate complexes〔J〕. Eur J Med Chem,2010；45：519-25.

20Warrell RP，Coonley CJ，Straus DJ，etal.Treatment of patients with advanced malignant lymphoma using gallium nitrate administered as a seven-day continuous infusion〔J〕.Cancer,1983；51：1982-7.

〔2014-04-17修回〕

(编辑安冉冉/杜娟)