慢性阻塞性肺疾病合并骨質(zhì)疏松患者血清基質(zhì)金屬蛋白酶9和腫瘤壞死因子α與骨密度的關(guān)系

張培芳，羅志揚，馮彥林，甄國粹

骨質(zhì)疏松以骨量減少、骨結(jié)構(gòu)退化和骨折風險增加為特征，是慢性阻塞性肺疾病(COPD)重要的系統(tǒng)性合并癥之一，其在COPD患者中的發(fā)病率明顯高于正常人群[1-2]。而COPD繼發(fā)骨質(zhì)疏松的潛在機制目前尚不明確。基質(zhì)金屬蛋白酶9(MMP-9)及基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑1(TIMP-1)的比例，目前被認為是反映氣道組織破壞與修復(fù)動態(tài)平衡的標志[3]。MMP-9在破骨細胞中特異性表達，可能會促進骨質(zhì)疏松形成，而TIMP-1可阻止骨吸收。腫瘤壞死因子α(TNF-α)是重要的COPD系統(tǒng)性炎性遞質(zhì)[4]，亦被證實可能是骨代謝和重塑的重要調(diào)節(jié)因子，通過協(xié)同作用的方式刺激破骨細胞的分化[5]。本研究旨在探討COPD合并骨質(zhì)疏松患者血清MMP-9/TIMP-1、炎性遞質(zhì)TNF-α與骨密度(BMD)的相關(guān)性，以了解COPD繼發(fā)骨質(zhì)疏松的可能機制。

1 資料與方法

1.1 病例入選標準和排除標準 入選標準：符合2007年中華醫(yī)學(xué)會呼吸病學(xué)分會制訂的《慢性阻塞性肺疾病診治指南》的穩(wěn)定期COPD診斷標準：(1)年齡>40歲；(2)第1秒用力呼氣容積(FEV1)/用力肺活量(FVC)<70%，F(xiàn)EV1占預(yù)計值百分比(FEV1%)<80%，支氣管舒張試驗FEV1改善值<12%(絕對值<200 ml)；(3)癥狀相對穩(wěn)定，近4周內(nèi)無急性發(fā)作。既往有吸煙史或戒煙者。排除標準：(1)有嚴重心腦血管疾病及肝腎功能衰竭者；有哮喘、肺間質(zhì)性疾病等肺部其他疾病者；既往有骨骼系統(tǒng)疾病史，如骨折等；有風濕性關(guān)節(jié)炎、內(nèi)分泌代謝疾病史：類風濕性關(guān)節(jié)炎、甲狀旁腺功能亢進者；入組前3個月內(nèi)使用過糖皮質(zhì)激素者；入組1年內(nèi)有使用影響骨骼代謝的藥物者，如鮭魚降鈣素等。

1.2 一般資料 選取2010年5月—2012年5月廣東省佛山市第一人民醫(yī)院門診穩(wěn)定期COPD男性患者90例，根據(jù)腰椎和股骨頸BMD，將患者分為骨量正常組、骨量減少組和骨質(zhì)疏松組，每組30例。為避免女性絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松對本研究結(jié)果的影響，本研究未將女性患者納入在內(nèi)。本研究方案得到廣東省佛山市第一人民醫(yī)院倫理委員會批準，所有入組患者簽署知情同意書。

1.3 方法 患者入組后當日完成病史采集，記錄體質(zhì)指數(shù)(BMI)，BMI(kg/m2)=體質(zhì)量/身高2；完成肺功能、BMD測定。患者次日清晨空腹抽取肘靜脈血10 ml，室溫下1 000 r/min離心10 min，留取上清液，-80 °C凍存待測。

BMD測定：采用雙能X線吸光測定法(DXA)對患者正位腰椎L1～4及雙側(cè)股骨頸進行BMD測定[6]，儀器為Hologic(USA)公司的DelphiTM雙能X線快速全身骨密度測定儀。要求每個工作日均對儀器進行人體椎體模型檢測，檢測結(jié)果Area測量變異系數(shù)(CV)在0.52%以內(nèi)，BMD測量CV在0.40%以內(nèi)。BMD測量結(jié)果包括絕對值(g/cm2)和T值(表示與參考均值的標準差)兩種形式。按照世界衛(wèi)生組織(WHO)的骨質(zhì)疏松診斷標準，根據(jù)T值做出如下診斷：患者腰椎L1～4及股骨頸與同性別、同種族健康成人的骨峰值相比，不足1個標準差屬骨量正常，即T值≥-1.0；任一受檢部位-2.5

細胞因子檢測：采用酶聯(lián)免疫吸附試驗(ELISA)法檢測MMP-9、TIMP-1、TNF-α水平(試劑盒號為Catalog No.DMP900、DTM100、DTA00C；R & D Systems，Inc.USA)。CV<10%。各項指標由專業(yè)人員嚴格按照試劑盒內(nèi)操作標準進行檢測。

2 結(jié)果

2.1 3組患者的一般資料及BMD比較 3組COPD患者年齡、FEV1/FVC、FEV1%、吸煙指數(shù)比較，差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)；而3組BMI、腰椎BMD、股骨頸BMD比較，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)；其中骨量正常組、骨量減少組、骨質(zhì)疏松組患者BMI、腰椎BMD、股骨頸BMD依次降低，兩兩比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05，見表1)。

2.2 3組患者血清MMP-9、TIMP-1、TNF-α水平及MMP-9/TIMP-1值比較 3組COPD患者血清MMP-9、TNF-α水平及MMP-9/TIMP-1值比較，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)；且這3個指標在骨量正常組、骨量減少組、骨質(zhì)疏松組依次升高，組間兩兩比較差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)；而3組患者血清TIMP-1水平比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05，見表2)。

2.3 Pearson相關(guān)分析 結(jié)果顯示，腰椎BMD、股骨頸BMD與BMI呈正相關(guān)(r值分別為0.278和0.273，均P<0.01)，與血清MMP-9水平及MMP-9/TIMP-1值呈負相關(guān)(r腰椎值分別為-0.432和-0.697，r股骨頸值分別為-0.273和-0.529，均P<0.01)，而與TIMP-1、TNF-α無相關(guān)性(P>0.05)；血清MMP-9與TNF-α呈正相關(guān)(r=0.370，P<0.01)。

3 討論

隨著醫(yī)療條件的進步，COPD患者生存率逐步改善，COPD的重要并發(fā)癥——骨質(zhì)疏松和脆性骨折也越來越受到重視。已有研究發(fā)現(xiàn)，骨質(zhì)疏松在COPD患者中的發(fā)病率明顯高于正常人群。嚴重骨質(zhì)疏松患者，其肺活量和肺總量隨胸椎骨折的增多而逐步下降。骨質(zhì)疏松骨折已經(jīng)成為嚴重降低COPD患者生活質(zhì)量的因素之一[7]。

從病因?qū)W角度來看，COPD繼發(fā)骨質(zhì)疏松是多種因素綜合作用的結(jié)果。既往的許多國外研究提出了多個與COPD并發(fā)骨質(zhì)疏松相關(guān)的病因?qū)W因素，如BMI、年齡、生活質(zhì)量下降、FEV1減低、吸煙、糖皮質(zhì)激素的應(yīng)用等[2，7-8]。在已經(jīng)提出的這些相關(guān)因素中，只有BMI與骨質(zhì)疏松的關(guān)系得到了比較廣泛的認可，而其他因素的作用目前尚存在爭論。本研究結(jié)果顯示，COPD合并骨質(zhì)疏松患者與COPD骨量正常、骨量減少者比較，其BMI、腰椎BMD、股骨頸BMD最低，且腰椎BMD、股骨頸BMD均與BMI呈正相關(guān)，此結(jié)果與既往的多項研究結(jié)果一致[7-8]。

蛋白酶/抗蛋白酶系統(tǒng)失衡學(xué)說在COPD發(fā)病機制中占重要地位，其中基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)及其抑制劑(TIMPs)是目前研究熱點[9]。MMPs是降解細胞外基質(zhì)(ECM)中必不可少的內(nèi)肽酶，其中MMP-9主要降解Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅹ型膠原及明膠等。MMP-9的增加可以使膠原和彈性蛋白等過度降解，有利于炎性細胞穿過基底膜浸潤支氣管壁，從而促進呼吸道炎癥和高反應(yīng)性的發(fā)生，氣道破壞增加，引起不可逆性氣流阻塞[10]。TIMP-1是其內(nèi)源性天然抑制因子，與MMP-9以1∶1非共價鍵結(jié)合并抑制其活性。由于MMPs可以降解ECM所有主要成分，其在骨質(zhì)疏松中的作用也受到關(guān)注。本研究結(jié)果顯示，穩(wěn)定期COPD骨量正常者、骨量減少者、骨質(zhì)疏松者血清MMP-9、TNF-α水平及MMP-9/TIMP-1值依次升高，說明這3各指標均隨著BMD的下降而升高；相關(guān)分析顯示，腰椎BMD、股骨頸BMD與血清MMP-9水平及MMP-9/TIMP-1值呈負相關(guān)。國內(nèi)研究也發(fā)現(xiàn)，老年絕經(jīng)期女性血清MMP-9水平隨BMD降低而升高[11]。MMP-9是反映骨吸收和骨重建的重要關(guān)鍵酶，不僅破骨細胞及其前體細胞可分泌MMP-1，單核細胞等也可分泌MMP-9。MMP-9促進骨膠原吸收，在破骨性骨吸收中可能發(fā)揮重要作用。成骨細胞分泌TIMP-1，其可以阻止骨吸收[12]。Nyman等[13]研究發(fā)現(xiàn)，MMP-9缺失提高了野生小鼠脛骨干骺端骨小梁連接密度，而MMP-9高表達小鼠椎體內(nèi)骨小梁變細、數(shù)目減少，出現(xiàn)骨質(zhì)疏松表現(xiàn)。Bolton等[14]研究發(fā)現(xiàn)，骨質(zhì)疏松患者血清MMP-9水平較健康對照者明顯升高。在男性穩(wěn)定期COPD患者，升高的MMP-9及MMP-9/TIMP-1比例失調(diào)可能是COPD并發(fā)骨質(zhì)疏松的重要影響因素。

Table2 Comparison of serum levels of MMP-9，TIMP-1，TNF-α and MMP-9/TIMP-1 in three groups

組別例數(shù)MMP-9(μg/L)TIMP-1(μg/L)MMP-9/TIMP-1TNF-α(μg/L)骨量正常組3033.6±7.1 172.9±27.80.20±0.06 30.7±10.1 骨量減少組3049.1±6.3△ 181.6±52.50.29±0.10△ 35.1±6.3* 骨質(zhì)疏松組3084.7±6.0△☆194.9±47.40.46±0.13△☆40.1±5.5△▲F值490.9871.90950.33511.525P值 0.0000.154 0.000 0.000

注：MMP-9=基質(zhì)金屬蛋白酶9，TIMP-1=基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑1，TNF-α=腫瘤壞死因子α；與骨量正常組比較，*P<0.05，△P<0.01；與骨量減少組比較，▲P<0.05，☆P<0.01

表1 3組患者一般資料及BMD比較

注：FEV1/FVC=第1秒用力呼氣容積/用力肺活量，F(xiàn)EV1%=第1秒用力呼氣容積占預(yù)計值百分比，BMI=體質(zhì)指數(shù)，BMD=骨密度；與骨量正常組比較，*P<0.05，△P<0.01；與骨量減少組比較，▲P<0.05，☆P<0.01

在本研究中，COPD合并骨質(zhì)疏松患者血清TNF-α水平高于COPD骨量正常者及骨量減少者，這在一定程度上證實了COPD系統(tǒng)性炎癥的存在。本研究結(jié)果與Seifart等[15]研究結(jié)果一致。TNF-α是重要的COPD系統(tǒng)性炎性遞質(zhì)，可以促進炎性細胞趨化和活化，導(dǎo)致氣道炎癥反應(yīng)。在骨骼系統(tǒng)中，TNF-α促進溶骨性細胞因子如巨噬細胞集落刺激因子(M-CSF)的表達，從而刺激破骨細胞的產(chǎn)生；還能抑制成骨細胞合成Ⅰ型膠原，抑制ECM沉積并刺激MMPs的合成，從而降解有機骨質(zhì)[16]。

筆者推測：COPD患者由于慢性氣道炎癥，炎性細胞釋放MMP-9增加并進入血液循環(huán)，同時釋放大量炎性遞質(zhì)如TNF-α等，不僅作用于肺泡ECM，還作用于骨基質(zhì)。隨著破骨細胞的激活，MMP-9隨之高表達，促進骨吸收，而成骨細胞分泌的TIMP-1未相應(yīng)增加，骨形成速度減慢，出現(xiàn)不可逆的骨丟失，從而造成骨質(zhì)疏松。MMPs/TIMPs、炎性遞質(zhì)與ECM(包括肺泡ECM、骨基質(zhì)等)之間可能存在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)機制，MMPs作為一個重要的調(diào)節(jié)因素可能參與COPD和骨質(zhì)疏松的病理生理。

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