锂盐在骨科领域的应用及作用机制研究进展

2020-03-03黄楷苏为赵金忠

国际骨科学杂志 2020年3期

黄楷苏为赵金忠

锂离子是自然界中锂的普遍存在形式，在人体内也微量存在。近年来，锂盐在医学领域的应用受到越来越多的关注。目前临床上应用的锂盐主要是碳酸锂，可用于治疗双相障碍、阿尔兹海默症及甲状腺癌等疾病[1]。越来越多的证据表明，锂盐在骨科相关领域可能具有更为广泛的潜在应用价值。

1 锂盐在骨科领域的应用

1.1 锂盐与骨质疏松症

骨质疏松症是一种以骨量减少和微结构恶化为特征的骨骼疾病，可表现为骨脆性增加，容易引发骨折。

研究发现，锂盐可增加患者的平均骨密度，有助于治疗骨质疏松或促进骨折愈合。在一项研究对75例因精神问题需长期口服治疗剂量锂盐(0.6～1.2 mmol/L)的患者随访至少1年后发现，锂盐组的血钙量、尿钙量和甲状旁腺素水平基本与对照组无差异，但平均骨密度更高[2]。另一项研究则证实，将锂盐与磷酸钙骨水泥结合后植入骨质疏松大鼠的股骨缺损处，既可促进骨缺损的修复，也可增加局部范围的骨量[3]。也有其他研究发现，将锂盐与电纺膜或生物玻璃水凝胶等生物材料结合使用，可促进成骨细胞分化和体内新骨形成[4-6]。

1.2 锂盐与骨关节炎

骨关节炎是常见的影响关节软骨的退行性疾病，其发生受衰老、肥胖、关节不稳定、过度的慢性机械应力、关节炎症和创伤性关节损伤等多种因素影响，可导致关节软骨发生进行性破坏，出现滑膜炎症、关节周围骨改变并伴有骨赘形成和软骨下骨硬化等改变[7-8]。目前，针对骨关节炎的局部治疗手段主要是消除无菌性炎症和保护关节软骨。

多项研究已证实，锂盐对骨关节炎具有治疗作用。一项研究通过手术建立小鼠骨关节炎模型并连续8周向关节腔注射含氯化锂(LiCl)的磷酸盐缓冲液(10 mmol/L，0.6 μL/周)后发现，与单纯注射磷酸盐缓冲液组相比，含锂盐组关节软骨破坏的进展较慢且程度较轻[9]。另有研究发现，在没有生长因子诱导的情况下，通过溶胶凝胶法制备的缓释型二氧化硅(SiO2)-氧化锂生物玻璃的溶解产物仍可诱导软骨分化和透明软骨基质形成，提示该材料可能诱导软骨再生[10]。用氟化锂与SiO2结合制造的纳米胶囊与透明质酸同时应用于大鼠膝骨关节炎模型，8周时干预组的国际骨关节炎研究学会(OARSI)评分降低71%，且未出现全身毒性反应[11]。将LiCl涂布于3D打印的软骨支架上，也可有效促进兔骨髓间充质干细胞的体外软骨形成[12]。Hui等[13]的研究证实，锂盐可通过抑制p38丝裂原活化蛋白激酶途径减少基质金属蛋白酶(MMP)的产生，从而减轻炎症因子介导的软骨降解。

锂盐可通过保护软骨细胞和抑制微环境炎症发挥治疗骨关节炎的作用。

1.3 锂盐的促进骨血管再生作用

近来有研究发现，锂离子在体外可刺激具有促血管生成活性的生长因子的分泌[14]，参与体内的血管生成[15]并促进脑缺血和心肌缺血后的血管重塑[16-18]。一项研究在建立大鼠激素性股骨头坏死模型并予大鼠200 mg/kg的 LiCl溶液灌胃治疗2周后发现，与生理盐水组相比，锂盐组通过显微CT重建的微血管结构保留更多，提示锂盐可用于预防股骨头坏死过程中的血管丢失[19]。另一项研究发现，通过将锂盐以微弧氧化法涂层于镁合金制备的骨科材料，不仅成骨效果良好，成血管效果也较好[20]。

1.4 锂盐的抗炎作用

锂盐不仅能在骨关节炎模型中减轻炎症、保护软骨，而且可以在脊髓损伤或炎症性骨病等其他炎症微环境中发挥作用。Liu等[21]在建立大鼠脊髓损伤模型并持续10 d向其腹腔注射 LiCl溶液[50 mg/(kg·d)]后发现，锂盐组脊髓损伤Basso-Beattie-Bresnahan评分较生理盐水组明显提高，蛋白印迹实验显示锂盐组脊髓组织自噬相关蛋白-Ⅱ水平上升，p62水平下降，提示锂盐可促进炎症反应中的自噬流。有研究将锂盐与聚己内酯材料打印成支架并观察巨噬细胞在支架上的变化后发现，巨噬细胞的免疫调节基因表达上调，而促炎基因表达减少，提示锂盐对巨噬细胞极化也有影响[22]。

2 锂盐的作用机制

锂离子在体内所结合的生物靶点相对较少，Frausto da Silva等[23]在1976年首先提出，锂离子和镁离子分别与生物分子竞争结合可能是细胞中锂离子作用的主要途径。这里着重介绍与骨科领域相关的糖原合成酶激酶(GSK)-3β和作为主要调控通道的Wnt/β-连环蛋白(β-catenin)信号转导通路。

2.1 锂盐与GSK-3β

GSK-3β在生物体内具有广泛的效应，其底物多达数百种，能够调节大量转录因子和细胞凋亡阈值，是介导线粒体产生应激反应的核心，还有促进免疫反应、调节炎症等多种作用[24-25]。GSK-3β可对多种组织的生理或病理状态产生不同程度的影响，而锂盐对其具有抑制作用，因此也可通过该因子进行干预。

Kanzariya等[26]发现，在体型肥胖的啮齿类动物的骨骼肌和脂肪组织中，GSK-3β活性升高可能与胰岛素敏感性降低有关。用不同剂量的LiCl喂养实验动物对降低高血糖、降低胰岛素水平和调整脂质分布均有作用[27]。对于关节软骨来说，GSK-3β活性是维持软骨细胞增殖潜能和表型所必需的，其失活可导致线粒体活性氧生成增加，细胞增殖减少，S期短暂停滞和细胞衰老。锂盐的作用是激发软骨细胞的氧化应激[28-29]。LiCl能够抑制Runt相关转录因子2基因过表达的骨质疏松雌性小鼠的GSK-3β，并通过增加骨形成和减少骨吸收完全恢复了骨小梁体积[30]。GSK-3β作为成骨过程重要调控通路中的一环，可负向调控β-catenin，锂盐则可通过抑制GSK-3β提升β-catenin水平，从而促进成骨[31-32]。

2.2 锂盐与Wnt/β-catenin信号转导通路

Wnt/β-catenin信号转导通路在骨形成过程中具有重要作用，可调节成骨细胞和破骨细胞活性[33-34]。锂盐可激活Wnt/β-catenin通路，进而促进前体或成熟成骨细胞中骨保护蛋白(OPG)/核因子κB受体活化因子配体(RANKL)信号转导通路保持平衡并向成骨方向转化，同时抑制破骨细胞活性和骨吸收[35]。一项研究在对小鼠进行连续6周的低剂量锂[10 mg/(kg·d)] 口饲后发现，血清锂浓度为0.02 mmol/L时GSK-3β受到显著抑制，骨中的Wnt/β-catenin信号转导通路被激活，同时OPG表达显著增加，而RANKL表达没有改变，最终导致OPG/RANKL比值显著增加[31，36]。

Wnt家族由许多高度保守的基因组成，这些基因可调节其他基因表达、细胞行为、细胞粘附和细胞极性，调节信号通过细胞表面的受体和细胞内的多步骤过程触发下游基因表达。Wnt/β-catenin为Wnt信号转导通路中的经典途径，该途径被证实与骨骼发生时的塑形和终身的骨骼组织更新再塑形，尤与影响成骨细胞的分化密切相关[37]。β-catenin的稳定有利于前体细胞向成骨细胞系分化[38-39]。

Wnt/β-catenin信号转导通路还可负向调控脂肪的早期生成[40]。研究发现，锂盐可通过激活Wnt/β-catenin信号转导通路提升β-catenin活化水平，同时促进成骨和抑制脂肪生成[41-43]。

另外，β-catenin的其他功能也逐渐被揭示，通过锂盐的刺激，还会使滑膜关节中软骨细胞成熟肥大[44]、促进伤口愈合[45]和血管再生[20, 46]等。

目前关于锂盐对软骨细胞的保护作用的相关机制尚存争议。Regard等[44]认为，β-catenin可抑制软骨生成，相关基因敲除的小鼠可出现软骨细胞形成延迟、软骨细胞增殖和存活减少等改变。然而一旦软骨形成，β-catenin则可促进生长板中软骨细胞的成熟肥大。由于锂盐对β-catenin有激活作用，故其在保护软骨细胞方面的作用具有两面性。

实验结果还表明，除通过影响β-catenin通路刺激血管再生[19-20]，锂离子能够刺激骨髓间充质干细胞分泌含miRNA-130a的外泌体，激活血管内皮细胞中的PTEN/AKT信号转导通路，最终促使血管内皮细胞增殖、迁移和管状形成的增加[46]。因此，含锂材料在促进成骨的同时，亦能促进骨血管的再生，是修饰骨修复材料的理想选择。