骨转换生物标志物在慢性肾脏病-矿物质和骨代谢紊乱中的研究进展

朱冬燕，陈 向，曹亚南综述 呼建民审校

慢性肾脏病-矿物质和骨异常(chronic kidney disease-mineral and bone disorder, CKD-MBD)是由于慢性肾脏病(chronic kidney disease, CKD)导致的矿物质和骨代谢异常综合征，可发生在CKD早期，贯穿于肾功能进行性恶化的整个过程。CKD患者的骨折发生率随着肾脏疾病的进展而增高，且与患者的发病率、死亡率和生活质量密切相关。在慢性肾脏病进展中出现的骨疾病，被称为肾性骨营养不良(renal osteodystrophy, ROD)[1]。肾性骨营养不良包括广泛的骨组织学异常，近期把它分为骨转换、矿化及骨容量(bone turnover, mineralization, and volume, TMV)三类[2]。骨转换被认为是一个动态的生物学过程，它体现骨细胞的活性。因此动态过程很难在单一时间点上被评估。由于骨生物学这一特点，可以通过经四环素双标记的骨组织形态计量学来监测既定时间内的骨量形成[3，4]。目前，用来治疗ROD的药物，如钙敏感受体激动药(calcimimetics)、二磷酸盐(bisphosphonates)、狄诺塞麦(denosumab)、特立帕肽(teriparatide)，都是以骨转换为靶点，通过干预骨细胞和破骨细胞活性来影响骨容量和强度。临床上个别患者在连续行活组织检查时也会出现抵触行为。

由于以上原因，在血液成分中能够被检测到的循环标志物，有可能替代骨形态组织计量学的一些方面功能，尤其是在评估骨转换方面。目前，反映肾性骨营养不良的一些生物标志物已经应用于临床及研究。生物标志物在临床上不仅可以替代反映骨疾病的类型和量化其严重程度，还可以评估心血管风险[5]。像肝脏疾病中的总碱性磷酸酶(alkaline phosphate，AP)和原发性甲状旁腺功能亢进中的甲状旁腺激素(parathyroid hormone，PTH)，在非原发性骨病的一些病理状态下，也可以作为标志物[6]。

1 骨转换标志物的相互作用

骨转换标志物由于来源不同，本质上差别很大。像TMV和硬化蛋白可以直接调节骨生成，而且PTH还是由骨外组织产生。像骨特异性碱性磷酸酶(BSAP)和抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP-5b)是由骨细胞产生的蛋白。1型前胶原氨基末端肽(P1NP)和1型胶原羧基末端交联肽(CTX)，是通过生产或裂解骨胶原产生，可以作为局部作用因子，进入全身循环系统。人们猜测，尽管标志物都反映了相同的骨生物学过程，但由于来源不同，它们之间可能没有明显的关联性。PTH被认为是骨转换的驱动者，这一过程与BSAP相关，BSAP可以反映成骨细胞的活跃性，当纵向评估透析患者时是有价值的[7]，可以部分地解释CKD相关的PTH抵抗，包括PTH翻译后修饰分解生物活性，或者器官终末期抵抗作用[8]。一般来说，通过检测骨形成或骨吸收指标的标志物就可以来评估骨转换。或者，两个单独的骨形成指标的动力学差异，也可以部分解释为什么指示骨生物学相同特征的骨标志物可能分离。当评估骨转换时，通常通过指示骨骼形成或再吸收的生物标志物来完成。在大多数情况下，成骨细胞和成骨细胞活性是平衡的[9]。在这种情况下，通过检测骨形成来判断骨再吸收率是可靠的。然而，在某些病理状态下，如绝经后妇女[10]或使用糖皮质激素[11]，这种测量就不同了。在这方面，与CKD非常相关的是治疗的和未治疗的继发性甲状旁腺功能亢进，骨形成率可能脱离骨吸收[12]。在严重甲状旁腺功能亢进，尽管高浓度激素促进成骨细胞活性，但是骨平衡常是负的。在纠正明显的甲状旁腺功能亢进后，骨质混乱也会增加[13]。在CKD中，由于这些原因，必需认识到通过测量循环标志物来评估骨转换充满了陷阱。因为骨转换的评估并不能反映骨平衡的变化，骨折风险也依赖于无法通过生物标志物评估的骨骼特征，像骨骼结构和强度也不能依赖骨组织形态计量学评估。

2 临床应用的骨转换生物标志物

2.1 PTH 毫无意外，甲状旁腺激素(parathyroid hormone，PTH)是经常被用来评估骨转换的生物标志物。大型和新近的研究分析都证实，PTH目前是CKD骨转换中最有用的生物标记物[14]。

PTH作为生物标志物的临床应用是有价值的，它获取方便、经常使用、更为重要的是结构易修改。由于PTH的易修改性，使得维生素D、磷酸盐稳态或拟钙剂，都具有了能够调节骨转换本身的前景[15]。与其他大多数标志物不同的是，PTH不是由骨组织产生，它的分泌也不是由骨细胞的机械力所感知的，而是由骨组织局部需求决定的，这与其他的一些骨转换指标的情况相同[16]。2009年KDIGO指南提出控制iPTH在正常上限2～9倍的目标范围[17]。然而，这个目标范围的定义，主要基于PTH与死亡率之间的关联性研究，而不是仅对骨转换或骨折风险的研究，最近的观察研究也强调了这一点[18]。KDIGO指南提出的CKD5期PTH控制范围，在临床上不能用来判断高转运型还是低转运型骨病[19]。来评价PTH作为骨转换标志物的有效性的黄金标准应该是骨组织形态计量学理想的未来骨折风险。的确，以前的几项研究已经讨论过这个问题。一般来说，在检测低或高转运型骨病时，阳性预测值和敏感性之间存在折衷。Torres等[19]观察了119例晚期CKD患者经骨组织形态计量学评估骨转换。这项研究的重要之处在于，通过未经指示选择患者进行骨活组织检查。当PTH高于450 pmol/L时，诊断高转运型骨病的阳性预测率是100%，敏感性是43%，说明针对这个PTH数值，超过半数的高转运骨病漏诊了。或者，使用PTH的较低阈值，高转运骨病的错误分类增加了，但是漏诊的减少了[20]。基于PTH数值定义低转运型骨病存在同样的折衷[17]。Bonets[12]的新近研究，通过PTH、BSAP和降钙素浓度(分别是300 pg/dl，20.9 ng/dl和8.4 mg/dl)选择患者行骨活检评估，在用拟钙剂开始治疗后随访这些受试者。在135个可评估的活检样本中，生物标记物基线阳性预测值为110个确诊病例，阳性预测率是81%，在设计上敏感性不能确定。评估透析患者PTH诊断准确性的大型研究，是对四个国家数据的最新汇总分析[18]。这项研究通过使用第二代和第三代并行测定方法，由储存的血清样本进行中央评估PTH以及其他生物标志物。区分是否低转运型骨病的全段PTH(iPTH) 最佳水平是104 pg/mg，区分是否高转运型骨病的最佳水平是323 pg/mg，应用罗氏测定法的正常上限是65 pg/ml。尽管，受试者iPTH操作曲线下面积仅有0.701和0.724，说明在临床应用方面，包括PTH第三代检测法在内，与其他标志物比较没有更多优势。

2.2 骨特异性碱性磷酸酶(BSAP) 循环中碱性磷酸酶有略少于50%是骨源性的，其余的主要来源于肝脏细胞[21]。在没有肝细胞胆汁淤积的情况下，任意定义γGT的正常浓度，总碱性磷酸酶(total AP)超过正常范围的价值在于被认为可以反映骨特异性碱性磷酸酶(bone-specific alkaline phosphatase, BSAP)[17]。在骨形成过程中，成骨细胞产生BSAP，作为矿化抑制剂[22]，起到抑制磷酸作用。近期小型研究发现了BSAP同位素的潜在作用。例如，B1x亚型与低转运型骨病正相关，因此提高了诊断的准确性[23]。BSAP被认为可以反映骨转换，尤其是骨形成率。BSAP和总碱性磷酸酶，与透析患者全因死亡率和心血管死亡率相关[24]，还与骨折风险相关。然而，在非CKD人群，没有发现BSAP与骨折风险的相关性[25]。在一项关于42名透析患者研究中，结果发现与总碱性磷酸酶相比，BSAP与经骨组织形态学确定的骨转换有更好的相关性，在检测高骨转换方面也优于iPTH[26]。然而，前面提到的Sprague等[14]结合来自四个国家的数据，研究发现在诊断低转运型骨病方面，BSAP仅稍优于iPTH。在诊断高转运型骨病方面，BSAP不优于iPTH。重要的是，后一项研究并不支持BSAP和iPTH联合使用。然而，在临床上，BSAP数据还是十分有用的。例如，低转运型骨病的阳性预测值可以通过对BSAP应用低的临界值来提高。

2.3 1型前胶原氨基末端肽(P1NP) 90%以上的骨基质由Ⅰ型胶原组成。纤维母细胞和成骨细胞先合成Ⅰ型胶原前肽，后者继续形成Ⅰ型胶原。1型胶原前肽氨基末端延长肽链即为P1NP(N-terminal propeptide of procollagen-1)[27]。该肽链在前胶原转化为胶原的过程中，氨基端和羧基端会被蛋白酶特异性切割，当成熟的胶原形成后会沉积于骨基质中[28]。在循环中检测到P1NP和1型前胶原羧基末端肽(P1CP)，可以反映骨胶原的形成速度[27]。在肾脏疾病中，P1NP以单体形式聚集[29]。在使用P1NP时，我们应知道它的具体测定特征，因为完整的P1NP检测是CKD中唯一可靠的检测方法。尤其是由于P1CP半衰期短，在一般人群中，P1NP被认为是反映骨形成的标志物[27]。P1NP也在Sprague等[14]的研究中被评估，这项研究中，生物标志物基于经骨组织形态计量学确定进行验证。研究发现，不管是在诊断低转运或非低转运型骨病方面，P1NP的表现都差于iPTH或者BSAP。在诊断高转运型骨病方面，P1NP也没有过多的优势。

2.4 Ⅰ型胶原羧基末端交联肽(CTX) Ⅰ型胶原是骨组织细胞外基质的主要组成成分，其羧基端降解产物β-CTX(C-terminal crosslaps of collagen 1)为8个氨基酸的小分子多肽。由Ⅰ型胶原蛋白形成的成熟三重螺旋结构也是由成骨细胞形成的非交联蛋白(吡啶啉和脱氧吡啶啉)交联形成的，从而建立一个稳定的纵向蛋白质网络。在骨退化期间，来自破骨细胞的溶酶体酶，包括抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatases, TRAP)和组织蛋白酶K(cathepsin K)负责特定部位的骨胶原基质的分解，产生含有原始胶原蛋白1的羧基端和氨基端部分，还有交联蛋白[28]。 用于CTX的测定法确定胶原蛋白1的端肽的特定氨基酸序列，这个端肽被称为交叉层，在天冬氨酸β异构化的情况下，即β胶原交联。重要的是，作为骨骼年龄，α天冬氨酸转换β天冬氨酸，因此βCTX的检测能反映成熟骨的再吸收[30]。有研究分析了370名绝经后骨质疏松女性的血生物化学标志物与骨组织形态计量学骨代谢参数之间的相关性，结果发现Ⅰ型胶原交联羧基末端肽(sCTX)与所有骨吸收参数相关[31]。不幸的是，CTX的动力学特性明显限制了它在CKD中的临床应用。首先，它存在相关的昼夜节律。更为重要是的，CTX从循环中清除高度依赖于肾脏功能[27]。由于这个原因，CTX不建议推荐在CKD患者中的应用。

2.5 抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP-5b) 抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphate 5b, TRAP-5b) 主要是破骨细胞来源的酶[32]。正如名称中显示的，这种蛋白能够从蛋白质中切割磷酸盐，从而影响它们的功能。由于它的活性在相对低的PH值下是最佳的，所以在如骨吸收陷窝这样的酸性部位有活性。骨桥蛋白和骨唾液蛋白都是该酶的靶点[32]，还有Ⅰ型胶原蛋白本身[30]。通过暴露于核因子κB受体活化因子配体(RANKL) 的破骨细胞样细胞在体外分化的细胞系产生TRAP-5b，其数量与破骨细胞的数量和大小明显相关[33]。有意思的是，TRAP-5b不受CKD影响[34]，也不受血液透析和腹膜透析的影响[35]。基于这些特点，TRAP-5b是反映CKD患者骨吸收最有吸引力的候选生物标志物。该化合物可以通过免疫测定法在血清中测量[33]。然而，目前还缺乏表明与骨组织形态计量学有相关性的数据。

3 展 望

反映骨转换的生物标志物有望成为诊断与治疗肾脏病的辅助工具。全面了解它们所指示的内容、测定特征和由于低估肾小球滤过率而产生影响，在解释结果时很重要。一般来说，生物标志物缺乏足够的特异性，因而不能对它们产生深远的治疗决策。然而，作为后续参数，它们可能非常有用。大多数生物标志物主要提供骨形成的指示，如PTH、BSAP和P1NP是可以使用的。唯一能够反映CKD患者骨重吸收的生物标志物是TRAP-5b，但是酶的浓度尚未通过骨组织形态计量学这一金标准进行验证。虽然目前骨转换标志物对于肾性骨营养不良骨转换类型判断依据仍然不充分，但综合PTH、钙磷代谢及骨转换标志物的变化趋势，有助于判断骨转换类型，而且作为非创伤性检查，操作方便，相对低廉，动态观察可以监测病情的进展和疗效的判断。临床上，我们还需要更多关于骨转换生物标志物的研究，明确其在CKD-MBD诊治中的价值。