双膦酸盐治疗骨关节炎的作用机制及应用前景

邵威捷,吴聪,何帮剑,童培建,肖鲁伟

(1.浙江中医药大学第一临床医学院,浙江 杭州 310053;2.浙江省中医院,浙江 杭州 310006)

骨关节炎(osteoarthritis,OA)是以关节软骨破坏、软骨下骨硬化或囊性变、骨质或滑膜增生为主要病理特点的骨科常见病。近年来,我国OA的患病率呈逐渐上升趋势,且患病群体呈逐渐年轻化趋势[1]。目前治疗OA的常用药物包括非甾体类抗炎药、氨基葡萄糖、玻璃酸钠等,然而这些药物对于伴有软骨下骨损伤的OA患者治疗效果并不理想。部分OA患者,尤其是膝骨关节炎(knee osteoarthritis,KOA)患者,常伴有软骨下骨骨髓水肿,膝部疼痛症状较为明显,但是目前并无针对此类患者的特效药物[2]。此外,对于合并骨质疏松症(osteoporosis,OP)的OA患者,也面临无特效药的困境。因此在OA的个体化治疗方面,应用更具针对性的药物显得尤为重要。双膦酸盐(bisphosphonates,BPs)是治疗OP的常用药物,近年来诸多学者认为该药在OA的个体化治疗方面有良好的应用前景。本文对 BPs治疗OA的作用机制及应用前景综述如下。

1 BPs对OA相关细胞的作用

BPs是治疗各种骨代谢性疾病尤其是OP和转移性骨病的常用药物。目前BPs共有3代,第1代BPs呈P-C-P结构,代表性药物是依替膦酸二钠和氯膦酸二钠;第2代BPs的结构特点是侧链含有氨基,代表性药物是帕米膦酸二钠和阿仑膦酸钠;第3代BPs是具有杂环结构的含氮BPs,代表性药物是利塞膦酸钠和唑来膦酸钠。目前OA的具体发生机制尚未完全明确,可能与转化生长因子-β通路、Wnt/β-catenin通路、雷帕霉素靶蛋白信号通路等有关[3]。与OA有关的细胞主要包括成骨细胞、破骨细胞、软骨细胞及骨髓间质干细胞等,而BPs可在一定条件下抑制破骨细胞活性,促进成骨细胞增殖,保护软骨细胞,并促进骨髓间质干细胞向成骨细胞分化。由于BPs的主要靶向细胞为破骨细胞[4],BPs对破骨细胞的作用也被认为是其治疗OA的主要依据。由此推断,BPs可能通过调控与OA有关的细胞而发挥治疗作用。

1.1 BPs对破骨细胞的作用BPs具有与骨骼中羟基磷灰石骨矿物高亲和力的特点,因此在体内选择性地靶向骨骼而非软组织[5]。BPs与骨矿物质结合后,破骨细胞可在微环境中通过骨吸收过程释放并内化大量BPs。虽然成骨细胞、树突状细胞和内皮细胞也会受BPs的影响,但这些细胞无法通过酸化骨表面以释放BPs,且内化BPs的能力低于破骨细胞,因此破骨细胞是受BPs影响最大的骨细胞。不同类型BPs对破骨细胞的作用机制也不同。按照BPs的侧链结构可将其大致分为2种类型:①侧链不含氮的BPs。主要为第1代BPs,具有细胞毒性。该类BPs被破骨细胞吸收后,其P-C-P基团会在氨酰tRNA合成酶的催化下取代三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)的β和γ-磷酸基团,由此产生不可水解的ATP类似物,而具有潜在细胞毒性的ATP类似物会在细胞质中逐渐累积,从而通过抑制ATP依赖性细胞酶(如线粒体腺嘌呤核苷酸转位酶)的活性调控破骨细胞的凋亡[6]。②侧链含氮的BPs。主要为第2代和第3代BPs。该类BPs主要通过抑制蛋白质的异戊二烯化过程引起破骨细胞凋亡。该类BPs的空间位阻较大,无法进入细胞质内,需要以甲羟戊酸途径中的法尼基焦磷酸合酶为靶点发挥作用[6-7]。小鸟苷三磷酸(guanosine triphosphate,GTP)酶是破骨细胞内的重要信号蛋白,可调节骨吸收所必需的多种细胞过程[8],而且小GTP酶翻译后修饰可干扰破骨细胞的细胞骨架[9]。此外,该类BPs也可通过抑制ATP依赖性细胞内酶的活性而调控破骨细胞的凋亡[7,10]。

1.2 BPs对成骨细胞的作用BPs对成骨细胞的作用主要体现在其低浓度下促进成骨细胞的增殖,而这与钙通道的开放和细胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)的激活有关[11]。BPs通过打开连接蛋白43半通道激活ERK,ERK被激活后可作用于p90核糖体S6激酶,最终造成促凋亡蛋白Bad被磷酸化而失活[7]。Baba等[12]研究发现,唑来膦酸钠可抑制成骨细胞的分化和活力,而依替膦酸钠的作用与之相反。Plotkin等[13]研究发现,高浓度的BPs具有降低成骨细胞功能和存活率的作用。Lotz等[14]研究发现,阿仑膦酸钠在最高浓度时对成骨细胞的抑制作用最强,在最低浓度时可通过增加骨钙素和前列腺素E2诱发促成骨作用。目前多数观点认为BPs对成骨细胞有抑制作用,这可能是因为大部分高浓度的BPs可减缓骨整合速度。虽然不同浓度、不同类型的BPs对成骨细胞的作用不同,但骨吸收和骨形成的耦合才是决定BPs疗效的主要因素[15]。

1.3 BPs对软骨细胞的作用BPs具有保护软骨细胞的作用,但并非所有类型的BPs均被证实具有上述作用,目前已有明确证据表明具有保护软骨细胞作用的BPs为阿仑膦酸钠和氯膦酸二钠。Wang等[16]研究发现,阿仑膦酸钠可通过增加细胞外基质(extracellular matrix,ECM)的调节因子Sox-9的表达提高ECM相关基因的表达水平。由于ECM是软骨细胞发挥生理功能的部位,也是软骨细胞吸收营养和传递信号的载体,文献[16]的研究结果可间接证明阿仑膦酸钠具有保护软骨细胞的作用。韩芸等[17]研究发现,阿仑膦酸钠可抑制软骨细胞凋亡,同时调节软骨组织中基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)-1的表达。Rosa等[18]研究发现,氯膦酸二钠可通过嘌呤能受体诱导ECM合成增加,从而起到保护软骨细胞的作用。

1.4 BPs对骨髓间质干细胞的作用BPs对骨髓间质干细胞的作用主要体现在BPs可促进骨髓间质干细胞向软骨细胞分化。骨髓间质干细胞具有自我更新及多向分化的功能,促使骨髓间质干细胞向软骨细胞分化是治疗OA的潜在途径[19-20]。Valenti等[21]研究发现,氯膦酸二钠可上调Sox-9和COL2A1基因的表达。由于Sox-9是诱导骨髓间质干细胞向软骨细胞分化的重要转录基因[22-23],文献[21]的研究结果可证明氯膦酸二钠能促进骨髓间质干细胞向软骨细胞分化。

2 BPs治疗OA的抗炎作用机制

2.1 抑制促炎细胞因子释放炎症在OA进程中起着重要作用[24-25]。在OA患者的滑膜、滑液及外周血中存在许多与炎症严重程度相关的细胞因子,如白细胞介素(interleukin,IL)-1β、IL-6和肿瘤坏死因子-α等,BPs可以通过抑制这些细胞因子的活性发挥抗炎作用[26-27]。王哲彦等[28]研究发现,阿仑膦酸钠可降低IL-1β体外诱导的大鼠膝关节软骨细胞内MMP-13水平。Peris等[29]研究发现,BPs可以抑制单核细胞的迁移、增殖与分化,还可抑制促炎性细胞因子(如IL-1β和肿瘤坏死因子-α)的分泌。Baroja-Mazo等[30]研究发现,BPs可通过拮抗P2X7受体发挥抗炎作用,从而缓解炎症。

2.2 介导滑膜巨噬细胞凋亡BPs可通过介导滑膜巨噬细胞的凋亡延缓OA进程。滑膜巨噬细胞属于免疫细胞,可被多种因素激活,对OA的症状和病情进展有重要影响[31]。被激活的滑膜巨噬细胞受mTOR等信号通路调控,在OA患者的滑膜组织和外周血中分化为M1或M2亚型。M1亚型主要参与炎症的启动,而M2亚型则主要参与炎症的消除[32]。滑膜巨噬细胞和软骨细胞之间除了自分泌相互作用外,还可通过旁分泌相互作用分泌炎症细胞因子、生长因子和MMPs,从而影响OA的病情。而BPs可诱导滑膜巨噬细胞凋亡。Patntirapong等[33-34]研究发现,BPs可影响滑膜巨噬细胞前体的增殖,使滑膜巨噬细胞迁移并诱导其功能改变和/或凋亡。Makkonen等[35]研究发现,BPs可抑制滑膜巨噬细胞中不同促炎介质的产生和黏附分子的表达。

3 BPs治疗OA的镇痛作用机制

目前虽然有研究证明BPs具有镇痛作用,但其具体的镇痛作用机制尚不明确[36-37]。Frediani等[38]研究发现,氯膦酸二钠对以手部疼痛为主要表现的OA有良好的疗效。Frediani等[39]的另一项研究发现,肌肉注射氯膦酸二钠可以减轻KOA患者的膝部疼痛程度,并且与较短的疗程相比,延长疗程可提高氯膦酸二钠的长期疗效。由于不同类型BPs的作用机制不同,且BPs的镇痛作用机制尚未完全明确,目前BPs并非OA的首选镇痛药物。临床可将BPs作为OA的辅助用药,通过制定合理的给药方案发挥BPs的镇痛作用。BPs治疗OA的镇痛作用机制,大致分为主要镇痛机制和其他镇痛机制。

3.1 主要镇痛机制目前多数学者推测BPs的主要镇痛机制为,BPs可通过降低破骨细胞活性使酸诱导的初级传入痛觉感受器的激活减少而缓解疼痛。Tzschentke等[40]研究发现,破骨细胞可分泌质子降解和吸收骨矿物质,使细胞微环境呈酸性,这将导致酸敏感受体被激活,从而产生痛觉刺激。BPs对破骨细胞活性的抑制会降低细胞外酸化程度,从而减少酸敏感受体介导的位于骨中的痛觉初级传入神经的激活,最终使疼痛得到缓解。

3.2 其他镇痛机制Tzschentke等[40]对BPs的镇痛机制进行了推测,在OA的病理进程中软骨神经、血管侵犯会不断增加,其中感觉神经侵犯会使疼痛加剧,而BPs可通过抗血管生成减少软骨神经、血管侵犯,进而缓解疼痛。Hayami 等[41]研究发现,阿仑膦酸钠可能通过抑制钙化软骨的血管侵袭和骨赘形成达到减轻疼痛的目的。Strassle等[42]研究发现,在纳摩尔浓度范围内的唑来膦酸钠可以激活成骨细胞的瞬时受体电位香草素受体(transient receptor potential vanilloid,TRPV)-1通道,由此推断低浓度的唑来膦酸钠可以激活神经元上的TRPV-1,造成TRPV-1快速和持续地脱敏,从而抑制TRPV-1介导的伤害感受器的激活,进而缓解疼痛。

4 BPs在OA治疗中的应用前景

BPs在OA的治疗领域有广泛的应用前景。对于合并OP的OA患者,BPs不仅可以缓解OP症状,还可缓解OA症状。陈建超[43]研究发现,阿仑膦酸钠治疗绝经后OP合并KOA的效果良好。BPs可在一定程度上延缓OA进程,降低关节置换的手术率。Neogi等[44]研究发现,接受BPs治疗的老年女性KOA患者的膝关节置换率低于未接受BPs治疗者,而且BPs不会对骨骼的力学性能造成负面影响。

BPs还可减少因OA行关节置换的并发症,降低术后假体翻修率。Vertesich等[45]研究发现,短期应用阿仑膦酸钠可增加胫骨近端植入钛植入物小鼠的胫骨远端的骨体积分数、骨小梁数量、骨小梁厚度,并减小植入物周围的骨小梁间距。Wang等[46]对植入钛棒假体的家兔进行了相关研究,发现注射唑来膦酸钠后,家兔的骨保护素蛋白含量增高、核因子κB受体活化因子配体蛋白含量降低,而且假体周围的骨吸收受到抑制。Ro等[47]研究发现,在膝关节置换术后使用BPs可减少关节的机械松动和无菌性松动,有助于降低假体翻修率。Prieto-Alhambra等[48]研究发现,在关节置换术后使用BPs可延长假体的使用寿命,降低假体翻修手术的风险。Namba等[49]研究发现,对于合并或不合并OP的膝关节置换患者,BPs均可降低其关节翻修风险。Shi等[50]研究发现,BPs有助于维持膝关节置换患者的假体周围骨密度,而且第2代和第3代BPs对假体周围骨密度的影响大于第1代BPs;该研究还发现,BPs对假体近端骨密度的影响大于假体远端。

对于存在软骨下骨损伤的OA患者,BPs也有良好的治疗效果[51]。Yuan等[52]研究发现,阿仑膦酸钠治疗伴软骨下骨损伤的OA,可能是通过下调MMPs、IL-1β、血管内皮生长因子等的表达而发挥治疗作用。Laslett等[53]研究发现,KOA患者单次静脉输注唑来膦酸钠后,膝部疼痛视觉模拟量表评分较治疗前下降,并且软骨下骨髓病变面积较治疗前减少。Agarwala等[54]采用唑来膦酸钠联合阿仑膦酸钠治疗伴骨髓水肿的KOA,结果发现治疗后软骨下骨髓水肿程度降低;该研究还发现,与单纯注射唑来磷酸钠或伊班膦酸钠相比,注射唑来膦酸钠联合口服阿仑膦酸钠在改善KOA的临床症状和影像学表现方面更具优势。

BPs治疗OA的时机很重要。OA早期软骨下骨多表现为骨吸收增强、骨重塑速度加快,此时即是采用BPs治疗OA的良好时机。Hayes等[55]研究发现,BPs对早期KOA患者的治疗效果良好,可以延缓病情进展;但BPs对于病情严重或晚期KOA患者的治疗效果并不理想,这可能与KOA晚期软骨下骨硬化和骨重塑速度减慢等有关。

5 小 结

目前,BPs并不是治疗OA的首选药物,但根据其作用机制可将其作为OA的个体化治疗药物。BPs对破骨细胞的作用是其治疗OA的主要依据。BPs治疗OA的抗炎作用机制相对明确,但镇痛作用机制有待进一步研究证实。BPs在OA的治疗领域有良好的应用前景,不仅可用于治疗合并软骨下骨损伤的OA患者,还可用于治疗已接受关节置换手术的OA患者。然而,使用何种类型的BPs治疗OA,以及BPs的最佳剂量和给药方式目前尚无统一标准,并且关于BPs治疗OA的长期疗效和安全性尚缺乏相关研究。因此,未来需通过高质量的研究来逐一解决上述问题。