骨质疏松症的药物防治：难点与展望

崔 燎 （广东医科大学药学院；广东天然药物研究与开发重点实验室；广东医科大学海洋医药研究院，广东湛江 524023）

骨质疏松症(osteoporosis，OP)是多发于老年人群的一种系统性、代谢性骨组织退行性疾病，其引起的脆性骨折导致病残率、病死率增高，造成社会负担和医疗费用增加。近年来因药物使用以及慢性非传染性疾病导致的继发性OP越来越受到重视，疾病相关OP如果不进行干预，不仅导致脆性骨折风险增加，而且影响原发病的预后与转归。OP的病因和发病机制有多种相连的、或独立的因素参与，给经典的抗OP药物的治疗带来新的挑战。本文主要针对OP的流行病学认识、分子发病机制及药物治疗问题的热点、难点与展望作一述评。

1 OP的流行病学与危害

1.1 OP的发病率与危害

从医学病理学定义上，OP是一种系统性骨骼疾病，其特征是全身不同程度的骨密度降低、骨组织微结构改变和骨质量下降，从而导致骨强度下降和非重力创伤下引起骨折(Fracture)风险增加。在临床上，世界卫生组织(WHO)提出，可通过使用双能X线骨密度仪(DEXA)测量的髋部骨密度(BMD)T值来确定OP，即T值<－2.5标准差(SD)或更多，可诊断为OP。－2.5

OP及其脆性骨折是非传染性流行性疾病之一，全球患病率非常高。中国国家卫健委2018年发布的中国OP流行病学调查结果显示，OP已经成为我国50岁以上人群的重要健康问题，中老年女性骨质疏松问题尤为严重。我国男性OP患病率与各国差异不大，女性患病率则显著高于欧美国家，与日韩等亚洲国家相近。目前我国总人口约14亿，60岁以上人口占15%(第6次人口普查)将超过2亿，按2018年OP患病率粗算，我国有超过1亿的中老年人口患有OP和骨量减少。

从流行病学上看，不能忽略骨量减少这部分人群。骨量减少是OP的前体，特别是男性人群，与女性相比，老年男性的OP患病率随着年龄增长增加更快[2]。从骨量减少发展到OP通常需要好几年时间，但对于严重骨质流失的个别人群有时仅需要1年，并且很可能导致脆性骨折，从而造成卧床、骨不愈合、病死率增高及增加住院治疗负担等一系列不良影响。因此，发现和预测骨质减少的风险是必要且重要的，因为大多数骨折实际上发生在骨质减少的患者中[3]。

OP的危害首当其中是脆性骨折，或叫低能量骨折。脆性骨折被认为是由低能量创伤引起的，即相当于从站立高度或站立以下高度跌落所致，这种跌落正常人通常不会导致骨折。脆性骨折是由于骨密度下降、骨胶原蛋白和矿物质成分材料改变，以及骨骼几何结构微损伤所引起的。每年全球发生骨质疏松脆性骨折约890万例，相当于每小时大约1 000例发生[1]。在中国，女性发生骨质疏松性骨折的风险(40%)高于乳腺癌、子宫内膜癌和卵巢癌的总和，而男性(13%)则高于患前列腺癌的风险。骨质疏松性骨折导致死亡率增加，其中髋部骨折不良后果严重，易造成老年人行动不便、致残、自理能力下降和长期卧床，增加医疗和社会负担，是老年人口高病死率的原因之一。据统计，髋部骨折后第一年的残疾率高达50%，病死率高达15%～33%；骨折后第二年病死率女性为28.0%，男性为37.5%[4]。因此，对骨质疏松性骨折的预防与治疗是重点和难点。

2 药物导致和疾病相关OP

OP通常分为原发性OP和继发性OP。原发性OP是指妇女绝经期后OP和老年OP(包括男性OP)，由于衰老导致女性雌激素减少、骨重建(Remodeling)导致年龄相关骨丢失以及男性性激素代谢紊乱，是OP的主要类型。继发性骨质疏松指由于药物或疾病导致的OP。近年来，越来越多因药物(糖皮质激素、抗凝剂、免疫抑制剂、雄激素和芳香化酶抑制剂等)和疾病(慢性代谢性疾病如糖尿病、甲状旁腺功能亢进症、心脑血管疾病、自身免疫性疾病如风湿性关节炎和系统性红斑狼疮、炎症性肠病、慢性肝肾疾病、慢性阻塞性肺疾病COPD等)导致的OP发生率明显增加，由此引起的低能量创伤性骨折的风险和发病率也增加，同时也给原发疾病的预后带来威胁[5]。

继发性OP的发病机制与雌激素缺乏无关。大约67%的男性，50%以上的绝经前女性，还有20%的绝经后女性患有继发性OP[5]。糖皮质激素(GC)骨质疏松(GIOP)是由于疾病本身加上GC的使用造成的。在慢性糖皮质激素治疗的前5年内，有30%～50%的患者发生脆性骨折[6]。在类风湿性关节炎和炎症性肠病等全身性炎症性疾病中，因GC和抗炎疗法的应用，严重抑制了成骨细胞的功能并降低了骨保护素(OPG)的表达，从而增加了其对骨骼健康的有害影响[7]。慢性阻塞性肺疾病(COPD)的特征是促炎性细胞因子(尤其是TNF-α)水平增高，不仅加重原发病情，同时激活骨吸收，导致骨量减少。在这种情况下接受的GC治疗，其椎体骨折发生率明显增加[8]。正在进行血液透析的患有慢性肾脏病(CKD)的患者，其髋部骨折的发生率是普通人群的3倍。研究发现，接受定期血液透析的受试者中有50%发生椎体骨折[5]。越来越多的证据表明，两种类型(1型和2型)糖尿病患者，因多种因素影响，导致以骨形成减少、骨转换率降低为特征的糖尿病性骨脆性发病增加[9-10]。在最近一项涉及10 300名患者的25项荟萃分析显示，低骨量和骨质疏松患者中血管异常风险增加[11]。事实上早有研究发现，冠状动脉钙化程度越高，患者的骨密度越低[12]；心血管疾病和骨质疏松有着共同的发病机制，心血管疾病患者患骨质疏松和脆性骨折的风险较高[13]。

药物、慢性代谢性疾病、炎症性疾病相关OP越来越受到临床的关注。继发性OP如果不干预治疗，不仅导致骨折的发生率增加，更会影响原发疾病的发生、发展和预后。继发性OP由于有原发疾病的因素，其机制与原发性OP也不完全相同，不能完全按经典的抗骨质疏松疗法进行治疗，因此继发性骨质疏松的药物治疗研究成了热点和难点。为了深入研究继发性骨质疏松的发病机制和寻找相应治疗的药物，作者所在课题组进行了多年的动物实验模型的探讨，阐述了GIOP、类风湿性关节炎OP、甲亢OP、2型糖尿病OP、动脉粥样硬化OP和酒精性OP的发病机制，筛选和评价了多种候选治疗药物，并对治疗继发性OP的可能机制进行了深入研究[14-19]。

3 OP的药物治疗问题

OP的药物治疗是基于骨组织代谢的细胞生物学机制。药物治疗的难点就是如何通过调节骨细胞的功能而达到抗骨质疏松的作用。

3.1 OP的细胞生物学机制

骨建造和骨重建的过程调节着骨量的平衡。骨建造主要是生长期的骨量正平衡，骨骼在成年以后则主要是骨重建的过程。随着骨重建周期增加，如年龄的增长，骨重建的结果是年龄相关骨量丢失。骨重建过程是破骨细胞激活(activation)，随之出现骨吸收(resorption)，然后藕联成骨细胞骨形成(formation)的循环往复、动态平衡的过程(也叫ARF循环过程)。这一过程由基本多细胞单位(basic multicellular units，BMU)来完成。BMU包括破骨细胞(osteoclast，Oc)、 成 骨 细 胞(osteoblast，Ob)、 骨细胞(osteocyte)、骨祖细胞(osteoprogenitor cell，Opc)和骨衬细胞(lining cell)。该动态过程导致骨的新旧交替，称为骨转换(bone turnover)。打破骨量平衡大致有3种情况，一是上述年龄相关骨丢失，这是衰老导致骨重建的负平衡，如老年性OP；二是任何原因由破骨细胞激活骨吸收活动增强，骨转换率增高，导致骨量的丢失增加，骨重建负平衡增加如雌激素减少引起绝经期后OP，或其他原因激活破骨细胞的疾病导致的骨质疏松；三是成骨细胞功能受到抑制，骨形成活动降低，骨量形成不足导致骨量负平衡引起骨质疏松。大多数药物和疾病相关的OP与成骨细胞抑制和凋亡密切相关[20]，如GIOP，炎症抑制剂、糖尿病性骨质疏松，心血管疾病相关骨丢失等。但3种情况可能夹着破骨细胞与成骨细胞功能异常，OP的发生总以某种主要机制为主。

成骨细胞和破骨细胞的分化调控决定骨代谢平衡的功能。成熟成骨细胞由Opc激活而来，甲状旁腺激素(PTH)、VitD〔1 ,25 OH D 〕和雌激素同时调节成骨细胞的分化、成熟。这些激素通过调节转化生长因子-β(TGF-β)、胰岛素样生长因子-1(IGF-1)、胰岛素样生长因子结合蛋白-5(IGFBP-5)等，刺激成骨细胞的增殖分化，增加Ⅰ型胶原合成，碱性磷酸酶的活性以及骨钙素(osteocalcin，OC)的产生，抑制胶原降解，从而促进骨基质和骨矿化的形成。Opc来源于骨髓间充质干细胞(Mesenchymal stem cells，MSCs)，MSCs可以向成骨分化，也可以向脂肪细胞分化。已经发现一系列转录因子在MSCs的成骨分化中起主要调节作用，除Runx2和Osterix是两个重要的转录因子外，包括β-catenin、核心结合因子α1(CBF-1α)、 叉 头 盒C2(FOXC2)、 肿 瘤 坏 死 因 子-α(TNF-α) 和骨形态发生因子9(BMP9)被证明是BMSCs分化为成骨细胞的重要调控因子[21]。调控MSCs向脂肪细胞分化的重要转录因子是过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)。如GC明显增加PPARγ表达从而诱导MSCs向脂肪细胞分化，是GIOP和骨坏死的重要原因[19]。糖尿病许多因素如胰岛素减少症、高血糖症、晚期糖基化终末产物(AGEs)的发展、慢性炎症和微血管疾病，同时对骨骼的结构和生物力学特性产生负面影响，Runx2、IGF-1、Wnt/β-catnin和DKK-1参与调控1型和2型糖尿病的成骨分化和MSCs的分化方向[22]。

破骨细胞是多核巨细胞，与成骨细胞来源于MSCs完全不同，它来自造血干细胞的单核细胞前体。活化破骨细胞刺激骨吸收的细胞因子有：巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)、核因子kappa-β配体(RANKL)、 TRAF6、 c-Fos、 Nf-kB、 NFATc1和FcRy/DAP12等[2]。此外，炎症因子白细胞介素(IL)-1β、IL-6、IL-23和肿瘤坏死因子(TNF)α等是刺激破骨细胞骨吸收的重要因子，它们也是某些疾病如甲亢、自身免疫性疾病等相关OP的促进因子[23]。

3.2 基于OP生物学机制的药物治疗

OP及其骨折的防治，除了WHO和各专业协会给出的共识与指南，各国根据自己的流行病学情况也制定出详细的诊疗指南。除了一般对症、营养、生活方式调整，以及必要的手术治疗外，诊断为OP、严重OP和骨质疏松骨折的患者，药物治疗是唯一的选择。根据骨质疏松的细胞生物学发生机制，目前药物治疗限于抗骨吸收疗法(二膦酸盐类、选择性雌激素受体调节剂SERM和降钙素)和促骨形成疗法(重组人甲状旁腺激素相似物hPTH1-34、特立帕肽)。抗骨质吸收药物主要作用是抑制破骨细胞的激活与功能，对抗骨吸收作用，减少骨质的流失，从而增加骨密度，有效减少骨折发生率。抗骨质吸收的治疗药物通常有不良反应，特别是在治疗骨肿瘤导致的骨吸收增加，或在治疗合并糖尿病、免疫抑制、类固醇、吸烟和酒精吸入的骨质疏松患者，抗骨吸收疗法可导致颌骨坏死和非典型性骨折的严重不良反应[24]。公认有效的促骨形成药物特立帕肽可通过激活成骨细胞，增加成骨细胞的数目，并促进其分化，增加骨量的形成；同时特立帕肽也能增加破骨细胞活动，但总的骨量是正平衡，能增加严重低骨量患者的骨量。特立帕肽常用于具有高骨折风险的妇女绝经后OP，以使用糖皮质激素导致的OP女性患者的治疗[1]。然而特立帕肽的应用须限于24个月，其虽可以减少椎骨和非椎骨骨折的发生率，但并没有减少髋部骨折的发生[25]。特立帕肽可导致高钙血症、甲状旁腺功能亢进和严重肾功能不全等不良反应，且昂贵，需要进行注射用药，这些都是此类促骨形成药物的缺点。

随着对OP发病机制的深入研究，不断发现新的理论、药物作用靶点和治疗方法，包括基于细胞分子信号通路的治疗药物，以及细胞治疗、基因治疗、多靶点疗法、中医药治疗等。这些新的治疗方法将克服经典药物的不足，扩大适应症的应用范围，特别是针对严重OP、疾病相关性OP、骨质疏松性骨折等治疗难题，为其提供了从实验室过渡到临床应用的依据，同时对精准治疗OP，降低发病率和骨折做了更科学、全面的措施。

4 OP药物治疗的难点与展望

4.1 作用于分子信号通路的单克隆抗体药物

上述经典的抗OP药物的靶标主要在终端细胞——破骨细胞或是成骨细胞。这两种细胞的分化、成熟及功能受到多种因子和信号通路途径的调控。因此，研究前破骨细胞和成骨细胞的分化、成熟调控机制，寻找新的靶点和补充疗法，对阻断破骨细胞的分化、成熟，以及促进成骨细胞的支持和补充具有重要意义。

阻止破骨细胞分化的RANK/RANKL/OPG信号通路是有效的抗骨吸收疗法。成骨细胞和骨细胞分泌的RANKL是骨吸收过程中的重要因子，能与破骨细胞前体细胞上的RANK结合，促进破骨细胞活化并抑制其凋亡。成骨细胞系中的细胞能够产生骨保护素(Osteoprotegerin，OPG)，它是RANKL的可溶性诱饵受体，可防止RANKL与RANK结合[23]。地诺单抗(Denosumab)是与RANKL结合的完全人单克隆抗体，作用相当于OPG，可抑制破骨细胞介导的骨吸收，临床上每半年皮下注射60 mg，用于治疗绝经后妇女的OP[26]。地诺单抗可明显增加腰椎、全髋和骨颈的骨密度，减低椎骨、非椎骨和髋部骨折的风险。但对长期治疗的患者观察发现，地诺单抗还是能引起个别严重不良反应，包括低钙血症、颚骨坏死和非典型股骨骨折[27]，而且停药后可导致药效逆转[28]。由于地诺单抗是人源性单克隆抗体，长期使用可能会产生免疫原性。因此，是否可以通过激活内源性OPG表达的方式来达到治疗效果仍值得探讨。

参与成骨分化的一个比较重要的途径是Wnt/βcatenin信号通路。Wnt通过与成骨细胞膜上的低密度LRP-5/6受体结合，抑制转录因子β-catenin的降解从而促进其进入细胞核调节Runx2的转录，对成骨细胞分化起关键作用。Wnt通路的“对立面”是天然的拮抗因子硬化蛋白Sclerostin(SOST)和Dickkopf-1(DKK-1)。研究发现缺乏SOST会引发硬骨症(Sclerosteosis)，因此Wnt信号通路抑制剂，如硬化蛋白抑制剂可通过促进成骨通路而达到治疗骨质疏松的目的。目前已有几个抗硬化蛋白抗体被开发用于人类OP的治疗。Romosozumab(AMG785：人源化单克隆抗硬化蛋白抗体)已通过临床评估，最近被美国FDA批准用于OP的临床治疗[29]，其对增加骨密度、降低骨折风险的效果比阿伦膦酸钠和特立派肽更加明显。虽然Romosozumab组与阿仑膦酸盐组相比颌骨坏死和非典型股骨骨折的发生率没有显着增加，但心脏缺血事件发生率高于阿仑膦酸盐组，造成这种差异的原因和心脏缺血事件的潜在机制仍不清楚[30-31]。抗硬化蛋白用于骨质疏松的治疗需要更多的临床试验，以确定其长远安全性。

4.2 细胞疗法

老年性OP、严重OP及其脆性骨折、骨不愈合、某些疾病相关骨质疏松等都有个共同的问题，就是成骨细胞的衰老和成骨不足。现有的抗骨质疏松药物不利于骨的再生。已知源自骨髓和脂肪组织的间充质干细胞(MSC)具有治疗多种骨疾病的价值，优点是补充成骨细胞系的来源，保持骨的再生功能，维持骨的健康，避免药物不良反应。目前基于MSC和ASC(自脂肪组织的间充质干细胞)的细胞疗法，从基础到临床都进行了较多的研究[20]。自体或同种异体的MSCs疗法的基本做法是抽取骨髓MSCs和ASCs，一部分在体外扩增，另一部分以未分化未培养的干细胞注射至治疗部位。扩增的MSCs可通过现代组织工程合成支架，增加骨组织的整合性，使其有更好的治疗效果。此外，添加特定的生长因子如骨形成蛋白(BMP)、胰岛素生长因子-1等可以提高治愈率和治疗效果[20]；采取中央血管化组织工程骨移植(CV-TEBG)纳米技术，利用骨骼和血管祖细胞在支架部位可促进成骨和血管形成[32]。这种基于MSC的细胞疗法主要是通过MSC的诱导分化补充组织工程构建体(TEC)来进行骨形成的诱导[33]。通过促进MSC成骨分化和抑制脂肪分化治疗OP、骨坏死和骨关节炎等骨量负平衡的疾病，在临床前研究和临床治疗中具有较好的应用前景[34-36]。然而，所有使用MSC和ASC进行骨再生的临床研究，其成功主要取决于细胞生存力、归巢能力和植入受损组织的程度。因此，对于细胞治疗，除了在细胞工程构建体加入细胞因子外，通过纳米递药系统的研究，加入促进或调控细胞生存力和降低免疫原性的药物或天然药物是未来研究发展的方向。目前主要研究的是通过药物递送将生长因子靶向正确位点的机制，以及评估适当的给药剂量[37]。已有研究证明，作为一种更便宜、更直接的选择药物仿生肽可以代替生长因子[38]。研究发现，通过在构建体内加入天然药物淫羊藿苷能提高骨坏死区骨组织的再生功能[39]。作者课题组开展了含有天然药物丹参酚酸类物质的3D生物复合材料在实验性关节炎、骨缺损和骨折不愈合中的作用效果研究，结果显示其具有较好的临床前景[40-41]。

4.3 基因治疗

遗传因素在峰值骨量、BMD、骨骼几何形状、新陈代谢以及易患OP和脆性骨折的个体中具有重要意义。单基因骨疾病多见于少年OP，如1型胶原蛋白(COL1A1)、雌激素受体α(ERα)、芳香化酶(CYP19)和低密度脂蛋白受体相关蛋白5(LRP5)基因的失活突变。近年来也发现了一些调控性基因与OP 的发生有关，如NOTCH2基因突变可导致进行性骨量丢失[42]；ATP6V1H基因可通过TGF-β1通路促进骨的形成[43]。然而，原发性OP是一种多基因疾病。研究表明多个已知与骨骼和矿物质代谢调节有关的基因中，有100多种不同的相关常见多态变异体[44]。基因表达受到可逆的、高度动态的、年龄、细胞和组织表观遗传特点的影响，非骨骼系统如肌肉强度、视力因素引起跌倒的影响，还有环境、饮食和生活习惯的影响。

由于OP的遗传因素有非常确定的证据，因此基因治疗必定是未来发展的方向，但是非调控性的基因治疗具有一定的风险。因此，如何对目的基因的表达进行分子水平的调控，以及如何提高治疗的靶向性，使效果仅作用于骨组织而不引发非骨组织或器官的毒副作用成为了目前基因治疗研究的难点。

4.4 中药和天然药物的多靶点治疗

来源于中药和天然的药用植物活性成分对实验性OP显示有很好的药效作用，几项临床研究也证实了中药复方和中成药对临床骨量减少和OP患者具有一定的疗效，能够改善症状，且副作用较少[45]。基础研究表明中药及其药效分子对骨吸收和骨形成具有双向调节作用，即抑制破骨细胞的同时促进了成骨细胞骨形成[46]，这有别于抗骨吸收剂(只抑制骨吸收，有些还抑制了骨形成)和骨合成剂(分别激活成骨细胞和破骨细胞)。这种双向作用在抑制骨的流失的同时能够补充新的骨量。这些中药和天然药物的有效成分大部分都包括了淫羊霍(herba epimedii)及其黄酮类物质(淫羊霍总黄酮、淫羊霍苷)，大豆(Glycine)及其黄酮类物质(染料木素)，补骨脂(Psoralea)及其黄酮类物质(补骨脂素、补骨脂酚、香豆素衍生物)，葛根(pueraria)及其高含量异黄酮如大豆苷元和染料木黄酮，丹参(Salvia miltiorrhiza Bunge)及其成分丹参酮和丹酚酸类，亚麻籽(Linum usitatissimum)含木脂素，骨碎补(Drynaria fortunei)含柚皮苷，以及黑升麻(Cimicifuga racemosa)、巴戟天(Morinda officinalis)含蒽醌和茜草素等。中药的作用效果大部分得益于所含有类雌激素样作用和细胞抗氧化应激作用[45,47]。其作用机制包括调控成骨系的BMPs、Runx2、Wnt/Foxo3、RANK/RANKL/OPG等细胞信号通路[48]。此外，对骨髓MSCs分化方向调控、骨髓微血管生成都有很好的作用，有利提供骨生成良好的微环境[15,49]。作者课题组对丹参水溶性成分丹参素和丹参酚酸B进行研究，发现它们对抗糖皮质激素诱导的成骨细胞抑制、骨髓脂肪分化增强和骨髓微血管减少的作用优于活性维生素D和二膦酸盐类，提出了中药及其有效成分的多靶点、多环节的作用是防治OP，特别是继发性OP的有效方法[15,19]。

综上所述，对OP范畴的认识，不仅限于绝经期后妇女和老年人群，药物使用、慢性非传染性疾病、代谢性疾病相关的继发性骨质疏松患者已经成为OP发病率和死亡率增加的重要人群。OP的发生机制也从性激素减少的认识扩展到对骨细胞生物学调控、分子信号通路多种综合因素和遗传因素影响的认识。因此，OP的治疗也从经典的抗OP药物发展到新靶点药物疗法、细胞疗法、靶向基因疗法和多靶点疗法等，这将成为骨和骨关节退行性疾病药物治疗的未来方向，也是研究需要重点攻破的难点。