二甲双胍在骨缺损修复中的研究进展和临床应用

宋李治 陈慧坤 张奕纯 黄子聪 张智勇

1广州医科大学附属第三医院（广州 510150）；2广州医科大学第三临床学院（广州 510182）

骨缺损修复一直是临床研究的重点，骨的再生与许多骨科疾病的病理过程、治疗均密切相关，如骨折、骨不连、感染、关节炎、骨质疏松症、骨坏死、代谢性骨病、骨肿瘤和假体周围骨溶解等［1］。自体骨移植一直被认为是骨缺损治疗的“金标准”，但是其面临着供应有限且容易引发供区并发症的问题，因此迫切需要开发新的骨缺损治疗方法。在骨缺损的治疗之中，炎症的过程起着不可或缺的作用，炎症失调将导致骨吸收增加且骨的形成受到抑制。骨形成和骨吸收在骨代谢中维持着动态平衡，这种平衡对于维持骨量和矿物质稳态至关重要。此外，成骨细胞与骨形成和重建功能密切相关，而破骨细胞是行使骨吸收的功能细胞，过度骨吸收将严重阻碍骨缺损修复［2］。因此，如何精准调节骨缺损修复过程中的炎症进程，促进成骨细胞的增殖、分化，同时抑制破骨细胞的增殖分化日益受到研究人员的重视。

大量的成骨细胞分化与M2型巨噬细胞极化可以显著促进骨缺损修复［3］。因此炎性细胞因子抑制剂常被用来缓解局部炎症反应［4］。二甲双胍近年来已被发现可以通过有效介导巨噬细胞极化精准调控炎症进程［5］。亦有研究发现其可以显著影响成骨细胞及破骨细胞的增殖与分化［6-8］。同时，越来越多的临床研究发现二甲双胍在牙周骨缺损修复、关节炎致骨缺损修复以及骨折修复过程中也发挥着积极的作用。本文将围绕二甲双胍在骨缺损修复中的临床应用案例与临床试验结果、二甲双胍在骨缺损修复中的技术原理、目前存在的问题和局限性展开，并提出对二甲双胍在骨缺损修复未来的发展方向和前景的看法，希望为二甲双胍对骨缺损的治疗研究提供参考和新思路。

1 二甲双胍在骨缺损修复方面的临床应用

1.1 二甲双胍与牙周炎致骨缺损修复牙周炎是最常见的口腔疾病之一，其特征是感染性炎症反应，导致牙周组织的缺损与破坏，严重时将会导致牙齿脱落。缺失牙周组织的再生是牙周治疗的基本目标，但是传统的牙周炎手术或者非手术方法无法引导牙周组织的再生［9］。目前，大量的研究显示二甲双胍对于牙周骨缺损的治疗具有积极的作用，见表1。

表1 二甲双胍用于牙周骨缺损治疗案例的主要特征与结果Tab.1 Main characteristics and results of metformin used in the treatment of periodontal bone defects ±s

表1 二甲双胍用于牙周骨缺损治疗案例的主要特征与结果Tab.1 Main characteristics and results of metformin used in the treatment of periodontal bone defects ±s

参考文献样本大小对照组与观察组［10］对照组：10；观察组：10对照组：龈下刮治和根面平整+安慰剂；观察组：龈下刮治和根面平整+二甲双胍膜观察组：3 个月：4±1.05；6 个月：3.20±0.92主要结果探诊深度（mm）对照组：3 个月：5.0±1.03；6 个月：4.40±0.52临床附着丧失（mm）对照组：3 个月：4.4±1.07；6 个月：3.50±0.97探诊深度（mm）对照组：6 个月：4.34±0.22；9 个月：4.19±0.14临床附着丧失（mm）对照组：6 个月：3.57±0.39；9 个月：3.30±0.24边缘骨丢失（mm）对照组：6 个月：2.83±0.13；9 个月：2.70±0.11探诊深度变化（mm）OFD：9 个月：3.00±0.18相对附着水平变化（mm）OFD：9 个月：2.96±0.18影像学变化观察组：3 个月：3.5±0.97；6 个月：2.70±0.67观察组：6 个月：3.85±0.33；9 个月：3.41±0.44［11］对照组：10；观察组：10对照组：OFD；观察组：OFD+1%二甲双胍凝胶观察组：6 个月：3.04±0.10；9 个月：2.7±0.15观察组：6 个月：2.38±0.3；9 个月：2.0±0.23［13］对照组：30；观察组：每组各30对照组：OFD；观察组：OFD+PRF；OFD+1%MF；OFD+PRF+1%MF OFD+PRF：9 个月：4.00±0.18 OFD+1%MF：9 个月：3.93±0.25 OFD+PRF+1%MF：9 个月：4.90±0.30 OFD+PRF：9 个月：4.03±0.18 OFD+1%MF：9 个月：3.93±0.25 OFD+PRF+1%MF：9 个月：4.90±0.30 OFD+MF 对照组：OFD；观察组：OFD+MF；OFD+PRGF；OFD+MF+PRGF对照组：6 个点；观察组：每组各6 个点OFD OFD+PRGF OFD+MF+PRGF［14］射线可透性无变化射线不透性2 4 0 0 4 2 0 5 1 0 2 4

在一项临床应用案例中［10］，研究人员发现1%二甲双胍多层薄膜治疗可以有效降低慢性牙周炎中重症患者的探诊深度，同时增加缺损部位骨密度。这一结果证实二甲双胍在慢性牙周炎致骨缺损的非手术治疗中效果明显。近期，另一项临床应用案例同时从临床与影像学两方面证实二甲双胍在牙周骨缺损的手术治疗中同样非常有效。研究人员发现开放皮瓣手术（OFD）与1%二甲双胍联合治疗可以有效降低牙周骨缺损患者的探诊深度、改善临床附着水平与边缘骨水平［11］。二甲双胍的应用可以显著提高临床附着水平、促进患者的骨缺损部位填充并减小牙周探诊深度，从而更有利于骨缺损的修复［12］。

另外，研究人员也在尝试将二甲双胍与其他临床准入的自体生物活性材料进行联用，进而提升总体治疗效果。富含血小板纤维蛋白（PRF）即富血小板血浆的第二代产品，其由包括有助于愈合的细胞因子、结构性糖蛋白在内的纤维蛋白网络组成，是一种自体生物材料，选择其作为二甲双胍的载体既有效保障了临床试验的安全性，同时PRF 凝胶能实现二甲双胍的缓慢释放，使得二甲双胍在骨缺损部位能够长时间保持有效浓度，有效促进缺损部位的治疗效果。局部给药也能在一定程度上避免全身用药带来的副作用。在一项临床试验中［13］，研究人员比较了OFD、OFD+PRF、OFD+1%二甲双胍（MF）及OFD+PRF+1%MF 处理对慢性牙周炎导致的三壁骨缺损的疗效，结果发现，OFD+PRF+1%MF 处理组患者牙周袋探诊深度大幅度减小，相对附着水平显著提升。证实相比于单独使用PRF 或者二甲双胍，二甲双胍与PRF 的联合使用可以有效促进牙周骨缺损的修复。在相对容易修复的三壁骨缺损方面取得不错的临床试验结果后，研究人员在修复相对困难的二壁骨缺损方向也取得了一定的进展。在另一项临床试验中，研究人员将1%二甲双胍生物膜（MF）与富含生长因子血浆（PRGF）结合用于治疗二壁骨缺损［14］。PRGF 是一种富含生物活性介质的自体血液制剂，其富含血小板衍生生长因子、胰岛素样生长因子及成纤维细胞生长因子，且不含白细胞，在促进软组织与硬组织再生方面都取得了不错的治疗效果［14-15］。治疗效果显示MF 与PRGF 联合治疗的患者的临床参数有明显改善，但这种改善与其他组相比没有差异，仅在影像学检测中观测到统计学差异。

此外，由创伤或者疾病导致的牙齿缺失也会导致牙槽骨损伤［16］。种植牙则可以有效避免牙槽骨的萎缩，而实现和维持骨整合则是维持种植体长期稳定存在的首要条件。一项临床和三维放射学研究表明，在种植体的表面修饰一层1%二甲双胍凝胶可以有效促进其周围的骨整合［17］。TUBA等［18］的一项研究也表明使用二甲双胍可以增加TiAl6Va4 种植体周围的骨填充效率，进而对骨整合产生积极影响。SHARMA 等［19］的一项案例报告中也得到了相似的结论。由此推断，二甲双胍是一种潜在的值得广泛推广应用的牙周骨缺损治疗的新型方案。

1.2 二甲双胍与关节炎治疗除去牙周炎致骨缺损修复，二甲双胍在类风湿性关节炎治疗过程中也取得了一定的研究与应用进展。类风湿性关节炎是一种自身免疫性疾病，可导致关节与骨骼损伤［20］。与正常人相比，类风湿性关节炎患者滑膜中成纤维细胞样细胞明显增生，CHEN 等［21］的研究结果表明二甲双胍可以有效抑制成纤维细胞样细胞的过度增殖。同时，二甲双胍增强了甲氨蝶呤对类风湿性关节炎的治疗效果［22］。LU 等［23］发现相比于单独使用环氧化酶-2（COX-2）抑制剂，二甲双胍与COX-2 抑制剂联用可以有效降低类风湿性关节炎合并T2DM 患者的入院率。而二甲双胍可以有效降低女性患类风湿性关节炎的风险［24］。

此外，二甲双胍也已被证实对骨性关节炎的相关治疗具有不错的效果。LU 等［25］研究显示，COX-2 抑制剂与二甲双胍的联合使用可以有效降低同时患有关节炎与糖尿病患者的关节置换率，结果在随后10年的随访期间内发现与单独使用COX-2 抑制剂的对照组患者相比，治疗组的患者关节置换手术率更低。MOHAMMED 等［26］研究表明二甲双胍可以有效增强美洛昔康的治疗效果。膝关节损伤及骨性关节炎评分（KOOS）结果显示二甲双胍和美洛昔康的联合使用可以显著改善患者的日常生活活动能力，远高于单独使用美洛昔康治疗的临床效果。WANG 等［27］研究发现，二甲双胍可以降低肥胖病并发骨性关节炎患者内侧软骨体积损失，从而进一步降低全膝关节置换术概率。这一系列研究表明二甲双胍可能成为关节炎患者的潜在辅助治疗药物。

1.3 二甲双胍与骨折修复及预防糖尿病作为一种全身性疾病，也极大影响着骨骼的健康，糖尿病患者发生骨折的风险更高［28］。张瑞美［29］研究指出，口服低剂量的二甲双胍能有效促进T2DM 患者骨折后的恢复。洪文婕等［30］研究发现二甲双胍和胰高糖素样多肽-1（GLP-1）对T2DM 患者并发骨折后恢复的研究同样印证了这一结果，低剂量二甲双胍与GLP-1 的联合治疗可以有效提升患者骨折位点的骨密度和Harris 评分，且差异具有统计学意义。这说明相比于高剂量的二甲双胍，低剂量的二甲双胍能更有效促进骨折的愈合，且这一规律在与其他药物联合使用时可能同样适用。

ZHAO 等［31］从正畸治疗或者拔牙患者的前磨牙中提取人牙周膜干细胞，接种在负载有二甲双胍的磷酸钙骨水泥支架上制备成新型骨修复支架，证实二甲双胍可以有效促进人牙周膜干细胞的成骨基因表达、碱性磷酸酶活性及矿物质合成。SUN 等［32］将二甲双胍加入到明胶与羟基磷灰石的混合溶液中，借助静电纺丝技术制备了纳米-明胶/羟基磷灰石纤维支架，在大鼠体内实验中证实其可以增强骨髓干细胞的粘附，极大的促进了临界骨缺损的愈合，且在大动物LanYu-100迷你猪模型中也显示出了良好的骨整合效果。SHAHREZAEE 等［33］将二甲双胍负载在明胶纳米球中（MET/GNs），并将其包覆在PLA/PCL 支架的表面，制备成新型支架MET/GNs-PLA/PCL，利用大鼠颅骨缺损模型证实，MET/GNs-PLA/PCL 支架可以有效改善骨长入、促进血管生成和缺损部位重建，组织学结果显示其与自体骨移植组的修复效果高度相似。与骨折发生后的积极治疗相比，增加骨密度、降低骨折发生的风险同样重要，二甲双胍在这方面亦有较多的应用案例报道。VOGEL等［34］分析了二甲双胍对内源性库欣综合征（CS）患者的代谢影响，与未使用二甲双胍的CS 患者相比，二甲双胍治疗后的患者的骨矿物质密度更高，且骨转换标志物更低，这表明二甲双胍对CS 患者的骨代谢具有潜在保护作用。NORDKLINT 等［35］评估了二甲双胍+胰岛素与安慰剂+胰岛素相比对T2DM 患者全身骨骼的影响，发现二甲双胍治疗与安慰剂相比对患者周围骨骼的骨密度和矿物质含量产生了微小但积极的作用。MORI等［36］比较吡格列酮和二甲双胍对T2DM 患者骨代谢的影响，发现与二甲双胍相比，吡格列酮显著增加患者血清和尿液中骨吸收标志物水平。SALARI-MOGHADDAM等［37］发现，与二甲双胍单药治疗相比，胰岛素单药治疗或二甲双胍+磺脲类药物联合治疗增加了患者的骨折风险。LOSADA 等［38］分别比较了二甲双胍、胰岛素、噻唑烷二酮类药物和磺酰脲类的使用和相应糖尿病患者的骨折风险，同样发现胰岛素、磺脲类药物和噻唑烷二酮类的使用可能增加患者的骨折风险。与之相反，二甲双胍可以有效降低骨折风险，具有良好的临床治疗效果［28，39-40］。这一结论也在其他临床应用案例中反复得到验证，另一项分析指出，与安慰剂相比，曲格列汀增加了骨折的风险，而二甲双胍降低了骨折的风险［41］。二甲双胍还表现出对髋部骨折具有保护作用［42］。更有研究发现坚持二甲双胍治疗的60 岁以上的T2DM 男性患者发生原发性骨癌的风险显著降低［43］。

2 二甲双胍的技术原理

已有多项研究发现二甲双胍有促进成骨细胞增殖、分化和矿化的能力［6-7］。同时，研究发现二甲双胍处理后，破骨细胞前体数量减少，表明二甲双胍会降低破骨细胞活性［8］。用巨噬细胞集落刺激因子和破骨细胞分化因子（RANKL）分别刺激关节炎（CIA）小鼠和经二甲双胍治疗的CIA 小鼠的破骨细胞，发现用二甲双胍治疗的CIA 小鼠的前破骨细胞分化为破骨细胞的能力较弱，各种破骨细胞标记物的表达水平也降低，这表明二甲双胍可以抑制破骨细胞的生成［44］。因此，二甲双胍可能通过多种机制来抑制破骨细胞的增殖和分化，从而减少骨吸收和促进骨缺损修复。

此外，骨缺损修复是一个与炎症密切相关的过程。有研究［45］建立感染性骨缺损大鼠模型，发现骨搬移治疗后大鼠炎症因子的表达下调，并且有更多骨小梁形成，表明炎症因子的调控可能是促进感染性骨缺损愈合的原因之一。二甲双胍可通过AMPK 磷酸化促进巨噬细胞极化为抗炎表型（M2 型），同时抑制巨噬细胞向经典型（M1 型）的转化，而M2 型巨噬细胞则可以通过分泌抗炎因子IL-10 等促进骨缺损的修复［5，46］。

信号通路研究证实，AMPK 是成骨分化的关键调节因子，AMPK 途径与骨分化和矿化作用密切相关。二甲双胍可以显著激活AMPK 途径来增强骨分化和矿化作用［47］。AMPK 抑制剂Compound C 可以抑制二甲双胍的作用，这进一步证明二甲双胍可以通过激活AMPK 起作用［48-50］。因此，二甲双胍可通过激活AMPK 途径来增强骨分化和矿化作用，从而为在骨缺损修复中发挥作用提供了理论依据。

3 二甲双胍在骨缺损修复中存在的问题与局限性

目前，虽然已有系列临床前与临床研究表明二甲双胍对牙周骨缺损修复、关节炎致骨缺损修复、骨折恢复、骨微结构、骨矿物质密度、骨转换标志物和骨折风险均有着有利的影响，但由于临床患者病情的复杂性，在一些临床试验中，二甲双胍的治疗效果并没有显著性优于对照组；此外，二甲双胍促进骨缺损修复的临床应用与临床试验主要集中于牙周骨缺损的修复，尚缺乏其在大段骨缺损治疗中的研究；同时，机制研究方面，虽有大量针对二甲双胍如何影响骨修复潜在机制的研究，但其作用机制并没有完全阐明。

4 总结与展望

综上所述，二甲双胍作为广泛使用的一线降血糖药物，其安全性已得到充分验证。其促进骨缺损修复的分子机制将得到进一步更加清晰的阐述，而其作用效果也将在更多的大动物及临床试验中得到体现。另一方面，未来更多更细致的研究将有效克服临床上患者个体病情的复杂性，从而建立并完善二甲双胍针对用于骨缺损治疗的认定标准与用药范围，确保治疗效果。此外，给药方式方面，二甲双胍将更多的与可降解生物大分子材料及骨组织工程技术相结合，实现在缺损部位的智能、精准、可持续释放，最终走向药、械一体化发展的道路。而二甲双胍与骨组织工程技术的结合，也将开拓二甲双胍在大段骨缺损修复中应用的新征程。相信经过更多的机制研究和临床研究后，二甲双胍可以在骨缺损相关的疾病治疗过程中发挥广泛而巨大的作用。