骨钙素在动脉粥样硬化形成中的作用研究进展

李琳琳(综述)，冯淑芝(审校)

(天津医科大学总医院保健医疗部 天津市老年病研究所,天津 300052)



骨钙素在动脉粥样硬化形成中的作用研究进展

李琳琳△(综述)，冯淑芝※(审校)

(天津医科大学总医院保健医疗部 天津市老年病研究所,天津 300052)

摘要：骨钙素是成骨细胞分泌的非胶原蛋白，大部分位于骨基质中，少量分泌入血循环。目前临床测量的血清骨钙素主要用来衡量骨转化和骨形成的速率。研究发现骨钙素对动脉粥样硬化形成的过程中也起着重要的作用，且骨钙素在血管壁和循环中对动脉粥样硬化的作用机制完全相反。该文对骨钙素在骨代谢，能量代谢作用的基础上予以综述，对循环中和钙化斑块处的骨钙素对动脉粥样硬化形成过程中所起的作用予以深入探讨。

关键词：骨钙素；骨祖细胞；内皮祖细胞；羟磷灰石

心脑血管疾病的高发病率、高致残率和高致死率的特点，引起人们广泛的关注。动脉粥样硬化引起的动脉狭窄甚至闭塞是导致心脑血管疾病的主要病因，威胁着人类的健康。过去人们认为引起动脉粥样硬化的高危因素可能有高血压、血脂代谢紊乱、糖尿病、肥胖和吸烟等，近年来研究发现骨钙素对动脉粥样硬化也起重要作用。骨钙素作为动脉粥样硬化的独立因素之一，有助于深入对动脉粥样硬化机制的研究。现对骨钙素在动脉粥样硬化的机制予以综述。

1概述

1.1骨钙素骨钙素占骨总蛋白的1.0%～2.0%，骨钙素由成骨细胞合成，在骨外可探测其信使RNA。骨钙素也存在于齿质、异处钙化及血浆中。其相对分子质量为6000，骨钙素蛋白含3个α-羧谷氨酸残基(Gla残基)，Gla残基是谷氨酸残基，经翻译后修饰，在维生素K酶催化下形成。它与钙结合相对较弱，但对羟磷灰石有高度的亲和性，1 mg骨钙素可以和17 mg 羟磷灰石结合[1]。在骨重建的过程中骨钙素可以调节破骨细胞及其前体细胞的活动，标记破骨与成骨的转折点，增加骨盐含量。

1.2骨钙素与糖脂代谢的关系过去认为，随着年龄的增长，骨质疏松、代谢综合征、动脉粥样硬化分别是互不相干的三种疾病。但越来越多的横向和纵向的研究说明它们之间有着千丝万缕的联系[2-4]。

在2型糖尿病患者中，血浆骨钙素水平较糖耐量正常者明显降低，血浆骨钙素与空腹血糖、糖化血红蛋白、体质指数、体脂含量呈负相关，与胰岛β细胞功能、胰岛素敏感性呈正相关[5-6]。骨钙素基因缺失的小鼠表现为胰岛素抵抗和糖耐量降低。骨钙素通过调控脂肪细胞因子脂联素表达增加来提高胰岛素的敏感性。Idelevich等[7]研究发现，转染高表达的骨钙素基因质粒的小鼠糖酵解酶表达水平升高，糖异生被抑制。反过来缺失胰岛素受体1基因的小鼠有严重的骨质疏松和相对低的骨转换率。Ogata等[8]亦认为胰岛素受体1也在成骨细胞中表达，缺失胰岛素受体1表达的成骨细胞不能诱导细胞蛋白的谷氨酸磷酸化，减少了成骨细胞的分化和增生。此外，血浆骨钙素水平与脂代谢相关，骨钙素水平与脂肪细胞特异性脂肪酸结合蛋白、高密度脂蛋白、胆固醇呈负相关，与脂联素水平呈正相关，所以血清骨钙素与代谢缺陷呈负相关。

1.3动脉粥样硬化形成的经典机制①损伤反应学说：血管内皮细胞为覆盖于血管内膜表面的单层扁平或多角形的细胞。内皮细胞损伤学说认为物理、化学、机械等因素可造成的血管内皮损伤，从而引起血小板聚集、血管收缩和血栓形成。②脂质浸润学说：高脂血症可引起内皮细胞损伤和灶状脱落，导致血管壁通透性升高，血浆脂蛋白得已进入内膜，引起巨噬细胞和血管壁平滑肌细胞增生以清除脂质灶，并形成斑块。③血栓形成血小板聚集学说：内皮一旦损伤，暴露的组织因子与内皮下组织立即启动内源性和外源性凝血途径，血小板聚集和凝血因子黏附形成血栓，血栓团块封堵损伤的内皮创口。④损伤炎症形成学说，Ross[9]提出“动脉粥样硬化是一种炎症性疾病”。他指出动脉粥样硬化的病理表现也具有炎症病理的基本表现形式，在细胞因子、炎性介质的作用下，平滑肌细胞不断增殖、迁移，形成粥样斑块。

2动脉粥样硬化形成机制新的认知

过去认为血管钙化是一个被动的退化的钙磷矿化的沉积。研究表明，血管钙化与骨的形成非常相似，两者都是不同部位对血钙和血磷沉积的一个积极、主动的、可调控的、可逆的调节过程[10]。血管钙化包括内膜钙化、中膜钙化和瓣膜钙化。内膜钙化即动脉内膜粥样硬化斑块内钙化。中膜钙化也称为“Monckebergs”硬化。前两种钙化最为常见，钙化过程均涉及血管内皮细胞、血管平滑肌细胞、内皮祖细胞、泡沫细胞等向成骨细胞转化。Bini等[11]从颈动脉内膜剥脱术获得的标本中发现，颈动脉粥样硬化血管壁钙化区表达成骨样表型，它的基因包括骨保护素、骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)2、骨桥蛋白、骨钙素。其中抑制血管钙化因子是骨钙素、骨桥蛋白和骨保护素，促进钙化因子是BMPs[12-13]，这些成骨蛋白与血管钙化、血栓形成、出血都有密切联系。内皮细胞转化为成骨样细胞的机制如下。

2.1细胞学基础内皮细胞来源于内皮祖细胞，成骨细胞来源于骨祖细胞，过去人们认为是截然不同的祖细胞群。骨祖细胞来源于骨髓间充质干细胞。内皮祖细胞原始的来源比较复杂包括造血干细胞、髓系祖细胞和多潜能成体祖细胞，即都来源于骨髓。1994年Demer等[14]就已经证明参加血管钙化的细胞来源于多向分化潜能的间充质干细胞，一般分化为血管平滑肌细胞、巨噬细胞、肥大细胞、树突样血管细胞、周细胞等。这些细胞在吞噬了氧化性低密度脂蛋白和胆固醇后，细胞的表型能发生成骨样转化，分泌高水平的碱性磷酸盐、Ⅰ型胶原、骨钙素、骨桥蛋白。Gössl等[15]研究发现，当有血管壁受损时，外周循环内皮祖细胞(endothelial progenitor cells，EPC)就会从骨髓中迁移到血管受损处，参加血管的修复。大多数参加血管损伤和修复的EPC表达CD34和激酶插入区受体(kinase insert domain receptor，KDR)，部分表达CD133。随着它的分化成熟，先后失去CD133和CD34的表型，故可将参加血管修复的EPC分为两组，相对低分化的EPC(CD34+/CD133+/KDR+)和相对高分化EPC(CD34+/CD133-/KDR+)。也有研究[16]通过反转录的方法验证，20%外周血的CD34+细胞内含有骨钙素的信使RNA。而且将这些细胞注入免疫缺陷同时伴有股骨骨折小鼠体内，这些细胞能定位在骨折部位并分化成内皮细胞和成骨细胞，促进骨折的愈合。Chen等[17]的实验亦表明，CD34+骨髓细胞能分化为成骨细胞，这些成骨细胞分化为骨细胞，同时生成矿物结晶。

2.2生物分子学基础骨形成的过程分为膜内成骨和软骨内成骨。在膜内成骨的过程中，转录因子核心结合因子α1(core combined factor α1，cbfα1)扮演着重要的角色。cbfα1直接调控骨钙素、骨粘连蛋白和骨桥蛋白的表达[18]。另外，转录因子sox9在软骨内成骨早期起着重要的作用，调控着间充质细胞向多分化成软骨细胞分化,募集有软骨分化潜能的间充质细胞的聚集，并提高下游Ⅱ型胶原的表达水平。在软骨细胞分化的终末期，cbfα1高度表达，使肥大的软骨细胞退化凋亡。增生的血管募集破骨细胞，破骨细胞分泌金属蛋白酶9降解肥大的软骨细胞。在血管局部组织缺氧、应激、氧化性脂质、慢性炎症导致肿瘤坏死因子α增多，加快肥大软骨细胞的降解。血管内皮细胞、循环中的内皮祖细胞、平滑肌细胞表达的BMP增多。BMP2和BMP4与受体形成复合物，磷酸化Smad1/Smad5/Smad8，进一步磷酸化的Smad激活其下游信号转导，上调核转录因子cbfα1/Runx2和sox，使上述细胞发生成骨样表型[19]。

3不同部位骨钙素对于动脉粥样硬化的影响

Gössl等[15]研究发现，这些CD34+EPC超过20%都表达了骨钙素。在动脉粥样硬化早期和晚期CD34+/CD133+/KDR+的EPC中的骨钙素表达的阳性率升高了2倍，CD34+/CD133/KDR+的EPC中的骨钙素表达的阳性率升高了5倍。我国进行的一项对脑卒中患者外周循环EPC上骨钙素的表达的研究显示[20]，脑卒中组外周循环EPC上的骨钙素是正常对照组的3倍以上。但重度狭窄(狭窄率超过70%)EPC的骨钙素的阳性率和非重度狭窄的骨钙素阳性率比较差异无统计学意义。另外，Chen等[17]研究也表明，在动脉粥样硬化的早期即内皮受损期，外周血EPC表达的骨钙素就升高了。动脉粥样硬化导致的血管钙化加剧，斑块增多，说明血管壁局部骨钙素促进血管钙化。与此相反，在临床研究中发现血清骨钙素水平与双侧肱踝脉搏波传导速度、颈动脉内膜中层厚度呈负相关，说明了血清骨钙素对心血管系统的保护作用[21]。另外，学者对具备冠状动脉造影的人群分析后发现，具备冠心病患者的血清骨钙素明显低于非冠心病患者，血清骨钙素水平和动脉狭窄程度呈负相关(β=-0.497，P<0.01)，随着动脉粥样硬化血管数的增加，血清骨钙素水平呈下降趋势[22]。以上结论均提示血清骨钙素作为动脉粥样硬化的负性调节因子具有抑制动脉粥样硬化的作用。由此可见，骨钙素在血管壁局部和循环中的作用截然相反。

明确骨钙素对动脉粥样硬化是保护作用还是推动作用，首先要阐述骨钙素的生理功能。骨钙素在维生素K作用的情况下，促使骨钙素的谷氨酸残基羧化为Gla残基时。羧化后的Gla残基具有吸附Ca2+的能力，骨钙素与羟磷灰石的结合是通过Gla侧链上的丙二酸根与羟磷灰石表面的Ca2+结合。Ca2+作为桥梁作用而不可缺少。当骨钙素分子的Gla残基脱羧后，即不能吸附Ca2+，与羟磷灰石的亲和力明显降低，此时骨钙素对羟磷灰石结晶的抑制作用明显降低，骨中羟磷灰石沉积增强。羟磷灰石又称羟基磷酸钙，可以看成是磷酸钙和氢氧化钙组成的碱式复盐。羟基磷灰石很容易复合成为羟基磷灰石结晶，为六方晶体。在骨矿化的过程中，骨基质中富含纤维状的胶原作为支架，羟磷灰石结晶能沉积在这个支架上。所以，骨钙素是羟磷灰石结晶的强有力的抑制剂，保持骨的正常矿化速度[6]。

其次是区别血清骨钙素和血管壁局部骨钙素。血清骨钙素在临床上广泛用于检测骨形成和骨转化的指标。虽然血清碱性磷酸酶也可以反映骨的形成，但是其受多种因素的影响，其来源除了骨外，还来源于肝脏，故特异性较差。血清骨钙素仅在肾小球滤过率低于20 mL/min时方有改变[23]。测得的血清骨钙素不是骨钙素与羟磷灰石的结合，而是反映了未与羟磷灰石结合的新合成的骨钙素和矿化部位扩散出来的骨钙素碎片。血清骨钙素也包含细胞外骨基质破骨细胞在骨重新吸收时降解的骨钙素成分。相反地，当钙和磷在血管壁局部的浓度超过磷酸盐的溶解度的乘积时，不溶解的碱性磷酸钙在细胞外基质沉积，导致血管钙化。在动脉粥样硬化引起的血管钙化多是磷酸钙和碳酸钙的沉积，X线衍射类型为非晶体化合物。斑块形成初期，沉积的钙盐在电镜下为细小的颗粒。这时的斑块纤维帽或许可能已经形成，但不够牢固，局部表达的骨钙素也许可以通过促进更多的钙盐沉积形成类似石灰样的结构从而使斑块加稳加固。但是这种类石灰样的结构非六方晶体。而且类石灰样的结构也不像骨形成的羟磷灰石结晶那样数量庞大，胶原纤维的支架结构也稀稀疏疏。在电镜下可见随着动脉粥样硬化程度的加重，钙盐的细微颗粒被钙盐的大颗粒和团块所取代。所以，钙化血管壁局部的骨钙素促进动脉粥样硬化的形成。可以推测，血管壁局部骨钙素的表达程度可以预测斑块将来的稳定程度，对心脑血管疾病的预后提供更多的参考。

4是否存在“骨-血管”轴

现在很多研究认为骨也是内分泌系统的一部分，是新型的内分泌器官，具有内分泌功能。血液中非羧基化的骨钙素可作用于β细胞[24]、脂肪细胞及睾丸间充质细胞，促进胰岛素、脂联素和睾酮的分泌，对能量代谢和雄性生殖起调节作用。所以，骨钙素可以作为“骨-胰腺”轴、“骨-脂肪组织”轴，“骨-睾丸”轴的调节激素。

相似的，成骨细胞和骨细胞分泌破骨细胞吸收释放的骨钙素，部分羧基化后，在骨环境中与羟磷灰石结合可抑制骨形成，使血液中的钙盐减少，血管壁的钙磷负荷降低，血管钙化相对减轻。在女性绝经后，雌激素减少，血管动脉粥样硬化的程度加重，骨骼中动脉发生动脉粥样硬化也相应加重，雌激素的减少使破骨细胞的活性增加，破骨细胞吸收骨质释放出更多的骨钙素，羧基化后的骨钙素又反过来抑制动脉粥样硬化的进一步加重[25]。但骨钙素在骨和血管中的具体分子生物学机制有待进一步研究。

5展望

骨代谢与机体的能量代谢密切相关，患有代谢综合征的患者总是伴随着骨量低下，骨代谢异常。同样能量代谢与外周循环也是息息相关的。但是并不确定骨质疏松和外周血管疾病有共同的病理机制，因为骨的转化指标在动脉粥样硬化患者的采集还是相对匮乏的。在今后的基础和临床研究中，可以更深入地研究骨代谢和循环系统的联系，使血管壁局部骨钙素的表达能更完善动脉粥样硬化斑块的形成机制；内皮受损早期血清骨钙素的升高能作为检测动脉粥样硬化程度的新指标；血清骨钙素可能作为动脉粥样硬化的独立保护因素，能为动脉粥样硬化治疗提供新的靶点。

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Progress of Effect of Osteocalcin on Atherosclerotic FormationLILin-lin，FENGShu-zhi.(DepartmentofHealthcare,TianjinMedicalUniversityGeneralHospital,TianjinGeriatricsInstitute,Tianjin300052,China)

Abstract:Osteocalcin is a none collagenous protein synthesized by osteoblasts.Most osteocalcin is deposited on the bone matrix,with a little being secreted in the blood.At present,osteocalcin is a useful marker of bone turnover and bone formation.Recently,studies have shown that osteocalcin plays an important role in process of atherosclerosis.However,osteocalcin on vessel wall and in serum have an opposite effect on atherosclerosis.Here is to make a review of the role of osteocalcin in bone and in energy metabolism,as well the impact on the process of atherosclerosis determined by its location in serum or in calcified plaque.

Key words：Osteocalcin; Osteoprogenitor cell; Endothelia progenitor cell; Hydroxyapatite

收稿日期：2014-07-28修回日期：2014-10-31编辑：楼立理

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.11.009

中图分类号：R543.5

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)11-1942-04