骨转换生化标志物的研究新进展

周卫东 常九州 程力

1. 长沙市中医医院(长沙市第八医院)内分泌科，长沙 410100 2. 湖南中医药大学，长沙 410100

骨质疏松症(osteoporosis，OP)是一种以骨量低下、骨微结构破坏，导致骨脆性增加，易发生骨折为特征的全身性骨病。目前国际上诊断骨质疏松症的金标准是采用双能量X线吸收法测定骨密度[1]。骨转换生化标志物是反映骨吸收和骨形成状况，并能够在血液和尿液及人体分泌物检测出来的活性物质。通过骨转换生化标志物联合骨密度可以使我们更早的了解骨转换的动态，对骨转换平衡状态的评估、骨代谢疾病的鉴别诊断、抗骨质疏松治疗疗效监测等方面有重要意义。在过去的十年中，传统的骨转换生化标志物已广泛应用于临床骨质疏松的疗效跟踪，及代谢性骨病的鉴别诊断[2]。随着现代生物医药技术的发展，逐步发现更多的骨转换生化标志物，现就对骨转换生化标志物的研究新进展做一个综述。

1 传统的骨转换生化标志物

目前一些骨转换生化标志物已经广泛应用到临床诊疗、研究中，我们可以称它们为传统的骨转换生化标志物。传统的骨转换生化标志物分为骨形成标志物和骨吸收标志物。骨形成标志物包括：骨特异性碱性磷酸酶(BALP)、骨钙素(OC)、护骨素(OPG)、血清Ⅰ型前胶原羧基末端(C端)前肽(PⅠCP)和Ⅰ型前胶原氨基末端(N端)前肽(PⅠNP)；骨吸收标志物包括：抗酒石酸酸性磷酸酶(TRACP-5a、TRACP-5b)、吡啶啉(PYD)、脱氧吡啶啉(DPD)、Ⅰ型胶原N末端肽(NTX)与Ⅰ型胶原C端肽(CTX)。一些研究表明，传统的骨转换生化标志物已经运用在不同的临床疾病，特别是骨质疏松症。张萌萌[3]对1084例女性研究中发现BALP、TRACP、CTX、BGP在骨代谢过程中相互作用影响骨质量，与BMD有重要联系，说明骨转换生化标志物可以为监测骨代谢水平、骨质疏松的诊断、鉴别诊断提供分子生物学依据。另有研究发现，女性OPG和TGF-β(转化生长因子-β)与BALP、BGP、NTX、CTX和uDPD呈显著正相关，证实了OPG和TGF-β是骨转换速率的重要决定因素[4]。邓咏梅等[5]对绝经后1～5年的妇女研究发现，BMD降低者其血清PⅠNP、PⅠCP、OC明显升高，说明骨转换增加，对绝经后妇女早期定时联检OC、PⅠNP和PⅠCP，可早期识别出有骨质疏松发生风险的人群，进而加以指导和预防性治疗，最终达到阻挡或延缓OP进程，降低OP的发生率。一项对骨质疏松症人群10年追踪调查中表明，CTX、NTX与PⅠNP、DPD在女性人群中显著增高，提示CTX、NTX与PⅠNP、DPD是除了骨密度之外，可以预测椎骨骨质疏松的生化标志物[6]。在对糖尿病肾病患者研究发现，其腰椎及股骨颈BMD与年龄、血肌酐(Cr)、尿素氮(BUN)、CTX、PTH成负相关，与血Ca、25-0H-D、BGP、PⅠNP成正相关，提示25-0H-D、BGP、PⅠNP、CTX、PTH可以作为骨代谢变化的早期指标，并为糖尿病肾病患者骨质疏松症的早期诊断提供依据[7]。Moqhaddam[8]研究发现，血清TRACP-5b和CTX的特征性变化能够反映骨折的愈合情况，可以用来监测骨折愈合的疗效。

2 新的骨转换生化标志物

在骨形成和骨吸收代谢过程中产生了一些生物因子。其中，传统骨转换生化标志物就是在临床上对骨形成和骨吸收有明确影响的生物因子。另有一些因子，即新的骨转换生化标志物，也能够反映骨形成和骨吸收过程，但是尚未得到临床上的广泛证实，这些因子就是我们要研究的。下面将对这些新骨转换生化标志物在骨代谢疾病方面的研究及其进展进行讨论。

2.1 骨唾液酸蛋白(Bone sialoprotein BSP)

BSP是一种由成骨细胞、破骨细胞以及与骨骼相关细胞合成的分子量为70～80kD的非胶原蛋白。它约占骨中非胶原蛋白量5%～10%，与骨桥蛋白、牙基质蛋白-1、牙质唾液酸蛋白和细胞外基质磷酸糖蛋白同属于SIBLINGs分泌蛋白家族，对骨的发育、改建、修复等具有重要调节作用[9]。在一些骨代谢性疾病，如多发性骨髓瘤、无症状或良性甲状旁腺机能亢进症、Pagets病以及骨转移瘤病人中，血清BSP水平可明显升高。国内研究发现BSP不仅能够促进成骨细胞的分化和矿化，还能诱导成骨细胞和破骨细胞的黏附，增强骨吸收活性，提示BSP的血清水平可以作为骨代谢疾病的一个潜在的诊断指标[10]。Bouleftour[11]通过BSP基因敲除小鼠与正常小鼠对比发现BSP基因敲除小鼠出现短骨的变长和骨转换的降低，说明BSP在骨重建中起重要作用。BSP不仅在骨代谢疾病方面有重要作用，在癌症并发骨转移时亦有显著意义。邓立春[12]研究表明，血清BSP与NTX水平的升高在前列腺癌发生骨转移时有重要的预测意义。所以有研究者认为BSP是一种可用于评价肿瘤骨转移早期、独立的标志物，并且是最有希望成为监测癌症靶向治疗的骨转移生化标志物[13]。

2.2 骨膜蛋白(Periostin POSTN)

骨膜蛋白又称骨特异性因子2(osteoblast-specific factor，OSF)，是一种新发现的高分子糖蛋白，相对分子量约为9.0×104kD。它是成骨细胞及其前体细胞的黏附分子，在成骨细胞的募集、附着和播散过程中发挥作用。在骨组织中，骨膜蛋白在骨膜强表达，但是在骨重建活跃的成骨细胞并不表达，间接地参与骨形成和骨修复过程；现已证实，骨膜蛋白是前成骨细胞的特异性标志物[14]。目前尚无生化标志物用来评估骨膜代谢，但是相关研究认为，骨膜蛋白有可能成为反映骨膜新陈代谢的生物学标志物[15]。最近的研究发现，高血清骨膜蛋白水平与绝经后妇女骨折风险增加有关，监测血清骨膜蛋白水平有助于评估骨折风险[16，17]。但是Anastasilakis等[18]通过唑来膦酸治疗绝经后妇女发现，血清骨膜蛋白水平在骨量正常组和骨量减少组之间无明显变化，说明骨膜蛋白与骨折风险无关联。因此，骨膜蛋白在监测骨折风险方面仍需要进一步的探索。国内外研究[19，20]发现骨膜蛋白主要表达于富含胶原蛋白的纤维结缔组织中，并不局限于骨，在牙周膜、心脏瓣膜和肌腱中也有表达，所以在冠心病、牙周病、肿瘤方面也有一定的应用。

2.3 骨硬化蛋白(sclerostin SO)

骨硬化蛋白又称硬骨素、骨硬化素，是一种含有胱氨酸结构的分泌型糖蛋白，是致病基因SOST(sclerosteosis,SOST)的表达产物，在调节骨重建过程起着重要作用。研究表明，骨硬化蛋白调节前成骨细胞增殖、分化与凋亡，抑制成骨细胞的分化与矿化，对骨形成呈负调控，是骨矿化过程的一个重要调节因子[21]。Xu[22]对650名绝经后中国妇女研究发现，骨质疏松组血清骨硬化蛋白水平高于骨量正常组，血清骨硬化蛋白水平与腰椎骨密度呈负相关，说明骨硬化蛋白可能参与绝经后骨质疏松症的发病机制，并在骨代谢中发挥重要作用。还有研究发现血清骨硬化蛋白水平与血清雌二醇含量呈负相关，提示绝经后妇女发生骨代谢负平衡，与雌激素水平的骤降引起SOST表达上调，致使骨硬化蛋白分泌增多有关[23]。另外，血清骨硬化蛋白水平与骨大小、密度和强度呈负相关[24]。另有对SOST基因敲除小鼠与正常小鼠对比发现，SOST基因敲除小鼠的骨密度显著增加，骨形成速率和骨骼强度也明显增加，进一步证实骨硬化蛋白抑制骨形成[25]。还有研究认为骨硬化蛋白在2型糖尿病骨质疏松症患者中，可以作为一个骨代谢活动增加的标志物[26]。骨膜蛋白不仅与骨代谢密切相关，与骨折发生的风险也有一定的关系。Ardawi等[27]通过跟踪随访(5.2±1.3年)707例绝经后女性发现，血清骨硬化蛋白浓度较高的患者，发生骨质疏松性骨折风险较高。鉴于此，骨硬化蛋白抗体制剂通过减少对成骨细胞的抑制，使骨形成增加，从而增加骨密度，为骨质疏松症的治疗提供了另一种新思路。Tian等[28]利用骨硬化蛋白抗体治疗后肢制动的小鼠，结果证明可以增加骨量，抑制骨吸收。对猕猴动物模型的观察实验也证实了，骨硬化蛋白单克隆抗体能促进骨形成，增加骨密度[29]。Virk等[30]通过对照实验发现骨硬化蛋白单克隆抗体能够促进骨形成，对骨折有重要的修复作用。

2.4 组织蛋白酶K(Cathepsin K，Cat K)

组织蛋白酶K具有蛋白水解酶的作用，是木瓜蛋白酶家族中的半胱氨酸蛋白酶的一种。Cat K于1994年首次发现，是反映骨吸收方面的生物学标志物[31]。Cat K参与骨吸收并发挥关键作用的酶，它在破骨细胞中高度表达，导致破骨细胞代谢增强、骨吸收加快，最终造成骨质疏松症。与Cat K基因敲除小鼠所致的骨硬化症表现型相同，人类Cat K基因表达的变异也会导致致密性成骨不全症，这是一种常染色体隐性遗传病，最终导致骨质疏松和骨脆性增加[32]。林一峰等[33]研究认为Cat K的过度表达是导致骨密度下降的重要原因，是骨质疏松症发生的潜在危险因子。李明慧等[34]研究发现，甘草附子汤通过下调破骨细胞Cat K的表达，来抑制去卵巢大鼠骨组织中成骨细胞I型胶原蛋白的降解，增加骨小梁的数量，改善骨小梁的结构，减低骨的转换率，从而可能预防绝经后骨质疏松症。另有研究表明，绝经后妇女低骨量患者血清Cat K增加，进一步说明了Cat K能引起骨吸收增加[35]。Jahn[36]通过唑来膦酸治疗后发现，绝经后妇女骨质疏松症患者血清Cat K水平降低，说明Cat K可以监测双膦酸盐类药物的疗效。国外对Cat K基因敲除小鼠研究发现，骨组织活检表现为骨吸收障碍，骨形成保持不变或增加，说明Cat K在骨吸收过程中占有重要地位[37]。鉴于Cat K在骨吸收过程中的促进作用，目前已有组织蛋白酶K抑制剂开发出来，临床试验中有：relacatib(SB-462795)、巴利卡替(Balicatib，AAE-581)、ONO-5334、ODN(MK-0822)等。其中巴利卡替与双膦酸盐类药物相比，其优势在于除了抑制骨吸收同时也刺激骨形成[38]，而且口服剂量可以耐受。Eastell等[39]研究也显示了ONO-5334可减少骨吸收，但对骨形成或者破骨细胞活性没有明显作用。

2.5 破骨细胞抑制性凝集素(Osteoclasst inhibitory lectin, OCIL)

OCIL是由成骨细胞系/基质细胞谱系表达，是一种新近发现的对骨吸收起抑制作用的Ⅱ型跨膜蛋白。Zhou等[40]在小鼠成骨细胞中首次发现OCIL，并且认为OCIL可能是独立于RANKL/OPG系统外，调节破骨细胞发育和骨吸收的又一条作用通路。Yun研究[41]表明OCIL抑制破骨细胞形成，同时还抑制破骨细胞的活动。目前，对OCIL抑制破骨细胞分化的机制了解较少，有研究发现在大鼠UMR106细胞、大鼠头颅骨原代培养的成骨细胞和小鼠MC3T3-E1细胞PTHrp(1-34)可以增加OCIL的表达[42]，而SP1蛋白家族参与了OCIL转录调节[43]。刘瑞等[44]通过基因工程的方法成功获得了OCIL胞外段重组蛋白，为进一步研究OCIL调控破骨细胞骨吸收的分子机制奠定了物质基础。由于临床上对骨质疏松、类风湿性关节炎和肿瘤骨转移等所致的严重骨量丢失仍无较好的治疗方案，OCIL的发现，为骨代谢疾病的治疗提供了一个新的研究方向。

2.6 成纤维细胞生长因子23(FGF-23)

FGF-23是新近发现的主要由成骨细胞分泌的内分泌因子，其作用于肾脏，主要功能是抑制维生素D的合成及肾小管磷酸盐的重吸收。FGF-23水平与慢性肾病、心血管病、骨质疏松症有关。FGF-23水平升高能够降低活性维生素D水平，另一方面，活性维生素D的减少又会导致FGF-23生成增加[45，46]，而过度表达FGF-23的小鼠中皮质骨及骨小梁密度均降低[47]。鉴于FGF-23在调节体内磷酸盐平衡的重要性，它有可能作为骨转换生化指标来评价骨强度和骨折风险。Mirza 等[48]对2868例瑞典老年男性(平均年龄75岁)超过3年研究发现，FGF-23基线水平的增加与骨折风险升高相关，说明FGF-23是一种新型的老年人骨折风险预测指标。另有研究发现，FGF-23与骨折风险在整体人群中无明显的联系，但在肾功能受损人群中，FGF-23的水平升高，则有双重骨折风险[49]。

3 展望

最近发现的骨转换生化标志物中，特别是骨硬化蛋白和组织蛋白酶K，在骨质疏松症和骨代谢疾病方面已经开展了不少的临床研究，并且有一部分抗骨质疏松药物开发出来。但是这些新的骨转换生化标志物较传统的骨转换生化标志物，在反映骨重建灵敏性、特异性、稳定性方面还缺乏强有力的证据，这就需要完善更多的研究试验。总之，在以后的研究中，需要我们不断发现更新的生物学标志物，为骨代谢疾病的诊断、治疗、疗效监测、骨折发生风险等方面提供更好的监测指标。