H亚型血管与骨质疏松症

韩钧 孙伟* 高福强 李子荣

1. 北京大学中日友好临床医学院，北京 100029 2. 中日友好医院骨关节外科，北京 100029

骨质疏松症是以骨量丢失和骨微结构退变为特点的骨骼疾病，可导致骨骼脆性增加，发生骨折的风险也随之变高[1-3]。值得注意的是，这种全身性的疾病在临床上往往得不到及时和应有的治疗，最终出现因骨折而引发的一系列严重并发症。所以，骨质疏松性骨折的临床干预及围手术期管理对降低骨质疏松性骨折的发生率具有积极作用[4]。骨质疏松性骨折的发生主要取决于两个关键因素：骨骼的机械强度和作用于骨骼的应力。骨骼机械强度降低是发生骨折的必要条件，而凡是影响骨量的因素均可引起骨骼机械强度的改变[5-6]。

目前，普遍接受的两种骨质疏松的危险因素是雌激素水平降低和高龄，前者见于绝经后的女性人群，后者主要见于老年男性人群[7-10]。雌激素水平降低和高龄的致病机制均是基于影响破骨细胞的增殖，骨吸收作用大于骨形成作用，最终导致骨量的损失[11-12]。所以，骨质疏松症的治疗通常集中于调节骨代谢等方面。近年来，血管形成与骨形成之间的偶联关系成为骨质疏松治疗的新突破点。正常骨形成的维持需要间质干细胞不断向骨祖细胞分化，继而形成成骨细胞，参与骨形成，维持骨的稳态[13-14]，这对保证新骨形成、骨折愈合的再生修复必不可少，而整个过程需要血管参与[15-16]。动物实验表明应用他昔莫芬处理小鼠制作骨质疏松模型，发现骨量与骨内血流灌注量几乎同步下降，而特定药物干预治疗后可逆转骨量下降并恢复骨内血管的形成[17-18]；体外细胞实验也证实血管内皮细胞分泌的一种生长因子可抑制破骨细胞的分化[19]。Kusumbe等[20]和 Ramasamy等[21]的研究显示，骨骼内血管根据内皮细胞位置和功能的区别，可分为H亚型血管和L亚型血管，而H亚型血管可促进其周围骨祖细胞的分化与增殖。本文将围绕H亚型血管与骨形成的关系进行综述如下。

1 H亚型血管的组织和功能特点

Kusumbe等[20]在实验小鼠中发现，干骺端、骨内膜及骨髓腔区域的毛细血管分布着两类亚型内皮细胞。根据内皮细胞表面抗体的表达差异，可分为H亚型血管和L亚型血管。H亚型血管主要分布于干骺端和骨膜下，表现为两种内皮细胞标记抗体(CD31和EMCN)强阳性；而L亚型血管表现为两种内皮细胞抗体(CD31或EMCN)弱阳性，分布于骨干区。王亮等[22]取股骨近端转子间骨折行近端髓内钉固定患者的骨标本进行实验，证明人的骨组织也存在H亚型血管和L亚型血管。

虽然H亚型内皮细胞在数量上仅占所有骨内皮细胞的1.77%和整个骨髓内皮细胞的0.015%，但H亚型血管周围聚集着大量的Osterix+骨祖细胞[(70.0±1.9)%]、胶原类1α+成骨细胞[(74.0±3.3)%]和Runx2+的早期骨祖细胞[(82.6±1.8)%][16]，而L亚型血管周围却几乎没有骨祖细胞分布。大量骨祖细胞聚集在H亚型血管周围，提示两种细胞间存在某种功能上的联系。因此，Kusumbe等[20]从新鲜长骨中分离纯化出两种亚型内皮细胞，并且分别检测两种亚型内皮细胞中分泌型生长因子(促进骨祖细胞存活和增殖)的mRNAs 表达量。结果显示，基因Pdgfa、Pdgfb、Tgbf1、Tgfb3 和Fgf1 的转录产物在H 亚型内皮细胞中的水平明显高于L亚型内皮细胞。此外，根据之前报道的机体老化过程中成骨细胞的数量会下降的结论[23]，Kusumbe等[20]还发现随着小鼠老龄化，H亚型内皮细胞在整体骨血管内皮细胞含量不变的前提下也随之降低，并且与小鼠机体的成骨细胞含量呈偶联关系。

Kusumbe等[20]还发现H亚型内皮细胞可调节骨内新生血管的形成，是L亚型内皮细胞的上游层次细胞。综上所述，H亚型血管在骨形成和血管形成方面扮演着不可或缺的角色，可调节骨祖细胞的增殖与分化。

2 H亚型血管与骨形成的偶联机制

Kusumbe等[20]和Xie等[24]研究发现，H亚型血管减少后可影响骨代谢的平衡，导致骨量下降。所以，H亚型血管与骨代谢存在“偶联关系”，且这种偶联关系可被破骨前体细胞分泌的血小板源性生长因子(platelet-derived growth factor-BB，PDGF-BB)进行正强化。这个观点被认为是对以往“骨量变化与成骨细胞—破骨细胞平衡、钙丢失、维生素D减少相关”的重大补充[25-27]。

关于H亚型血管与骨形成的偶联关系的机制探讨，Pugh等[28]首先根据H和L亚型内皮细胞两者间缺氧诱导型转录因子1α(Hif-1α)的表达水平不同的结论，观察了Hif-1α功能缺失小鼠(Hif1αiΔEC)的骨形成和血管形成的情况，Hif-1α是一种转录因子，在调节细胞代谢和新血管形成方面具有重要的作用。结果显示，与对照组小鼠相比较，Hif1αiΔEC小鼠骨骼的H 亚型内皮细胞和骨祖细胞的数量极大地减少，但L亚型内皮细胞的数量则没有影响。相反，Hif-1α水平的提高会增加H 亚型内皮细胞的数量，特别是在长骨的干骺端区域，而且这种现象会伴随骨祖细胞数量和骨形成作用呈显著性增加[20]。所以，H亚型内皮细胞增殖和骨祖细胞形成与内皮细胞性Hif-1α水平呈正相关，Hif-1α则可以诱导动物体血管生成和骨形成。

Ramasamy等[21]进一步通过内皮细胞性Dll4-Notch 信号传导途径来研究内皮细胞和成骨作用之间的分子串扰，Dll4-Notch 信号传导途径已经在许多器官中被定义为血管生成作用的负性调节剂。令人惊讶的是，研究人员发现在小鼠出生后的长骨中Dll4-Notch 信号途径对血管生成具有正向调节作用，这一现象强调了骨血管内皮细胞的特殊性质。在Dll4-Notch 信号传导遗传破坏的小鼠中发现，骨的血管形态和增殖均受到破坏，而且出现了成骨作用减弱、长骨变短、软骨细胞缺失、小梁结构及骨质量减少流失等现象。相反，如果激活这些信号则会使成骨作用增强，骨量也随之增加。同时，H亚型内皮细胞在内皮性Dll4-Notch 信号传导激活作用下会增殖，而这正与H 亚型内皮细胞在骨血管生长和骨形成过程中充当重要角色的现象相一致。

研究人员接着对小鼠中内皮细胞分泌的因子进行了分析，所采用的小鼠经遗传工程改造后具有激活Dll4-Notch信号传导作用的特点，他们发现Noggin呈现强上调现象，Noggin是一种分泌性骨形态形成蛋白的拮抗剂。对内皮细胞特异性Dll4-Notch信号途径突变小鼠施以重组的Noggin进行处理后，小鼠骨的生长和矿化作用、软骨细胞的成熟、小梁结构的形成以及骨祖细胞的数量均恢复到正常状态。而这种挽救作用背后的分子机制被追溯到Noggin对Sox9 蛋白局部表达以及血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)水平的恢复作用。蛋白Sox9既与启动软骨与骨之间转变相关，又能调节VEGF的释放，因此Dll4-Notch传导途径和Noggin的释放将H 型内皮细胞的促血管形成作用与成骨作用联系在一起。

Xie等[24]发现破骨前体细胞分泌PDGF-BB可以促进骨形成和H型血管的形成。因为PDGF-BB可以诱导间质干细胞和内皮母细胞的迁移[29-30]，间质干细胞可分化为成骨细胞，而内皮母细胞可进分化为H亚型内皮细胞。另外，间质干细胞还可以分泌促进血管形成的VEGF，从而诱导H亚型内皮细胞的形成[31]。

3 H亚型血管与骨质疏松症

目前，关于骨质疏松症的治疗仍然集中于调节骨吸收与骨形成方面，而H亚型血管与骨形成之间的偶联关系为骨质疏松症的治疗提供找到了新的突破口[32]。Kusumbe等[20]已经发现，随着实验小鼠的老龄化，H亚型内皮细胞与成骨细胞的数量均随之下降，这提示老年性骨质疏松症可能与H亚型内皮细胞的减少有关。

关于H亚型血管与骨质疏松症的关系，王亮等[22]进行了相关实验研究。他们对20例行股骨近端髓内钉固定手术的患者进行取材，然后分为骨质疏松组和非骨质疏松组，每组各10人。患者均为绝经后女性，年龄在60～70岁。实验发现，人类骨骼中也存在H亚型和L亚型血管。H亚型血管主要表现为两种内皮细胞标记抗体(CD31和EMCN)强阳性，存在于干骺端与骨膜下；而L亚型血管仅表现一种特异抗体阳性，存在于骨干区。将骨质疏松组与非骨质疏松组对比后发现，两组骨标本免疫荧光染色均发现了H亚型血管的存在，但两组骨标本中H亚型血管的形态、走行及数量均存在明显差异。非骨质疏松组患者H亚型血管较多、分布完整，呈柱状、弓状，表现为CD31和EMCN强烈双阳性染色；骨质疏松组患者H型血管稀疏、分布凌乱，呈点状、窦状，表现为CD31和EMCN极弱的阳性染色。应用专用软件对血管的面积进行测量，发现骨质疏松组患者骨切片中特殊亚型血管的面积占总血管面积的比例较非骨质疏松性骨折组明显减少，差异有统计学意义(t=26.66，P<0.0001)，说明H亚型血管的面积可能与骨密度存在相关性，此表现间接提示在骨质疏松性骨折患者中进一步研究H亚型血管有很好的临床价值。

4 展望

H亚型血管与骨形成存在密切偶联关系，这一结论在骨质疏松症防治领域具有一定的前瞻性意义。根据H亚型血管与骨形成的偶联机制，可以从多条思路来研究骨质疏松症的治疗新方法。例如甲磺酸去铁胺(deferoxaminemesylate，DFM)是一种抑制脯氨酰-4-羟化酶对Hif-1α进行降解的化合物，目前用于治疗多铁症患者，一般与透析组合使用，因此该药对骨质疏松症的临床价值具有可预见性。DFM也许还可以考虑和二膦酸盐药物进行组合疗法，后者通常用于治疗慢性骨流失[33]。因此，H亚型血管在骨质疏松症防治方面具有广阔前景，需要更多的基础研究来做进一步探索。