骨鈣素在動脈粥樣硬化形成中的作用研究進展

李琳琳(綜述)，馮淑芝(審校)

(天津醫科大學總醫院保健醫療部 天津市老年病研究所,天津 300052)

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骨鈣素在動脈粥樣硬化形成中的作用研究進展

李琳琳△(綜述)，馮淑芝※(審校)

(天津醫科大學總醫院保健醫療部 天津市老年病研究所,天津 300052)

摘要：骨鈣素是成骨細胞分泌的非膠原蛋白，大部分位于骨基質中，少量分泌入血循環。目前臨床測量的血清骨鈣素主要用來衡量骨轉化和骨形成的速率。研究發現骨鈣素對動脈粥樣硬化形成的過程中也起著重要的作用，且骨鈣素在血管壁和循環中對動脈粥樣硬化的作用機制完全相反。該文對骨鈣素在骨代謝，能量代謝作用的基礎上予以綜述，對循環中和鈣化斑塊處的骨鈣素對動脈粥樣硬化形成過程中所起的作用予以深入探討。

關鍵詞：骨鈣素；骨祖細胞；內皮祖細胞；羥磷灰石

心腦血管疾病的高發病率、高致殘率和高致死率的特點，引起人們廣泛的關注。動脈粥樣硬化引起的動脈狹窄甚至閉塞是導致心腦血管疾病的主要病因，威脅著人類的健康。過去人們認為引起動脈粥樣硬化的高危因素可能有高血壓、血脂代謝紊亂、糖尿病、肥胖和吸煙等，近年來研究發現骨鈣素對動脈粥樣硬化也起重要作用。骨鈣素作為動脈粥樣硬化的獨立因素之一，有助于深入對動脈粥樣硬化機制的研究。現對骨鈣素在動脈粥樣硬化的機制予以綜述。

1概述

1.1骨鈣素骨鈣素占骨總蛋白的1.0%～2.0%，骨鈣素由成骨細胞合成，在骨外可探測其信使RNA。骨鈣素也存在于齒質、異處鈣化及血漿中。其相對分子質量為6000，骨鈣素蛋白含3個α-羧谷氨酸殘基(Gla殘基)，Gla殘基是谷氨酸殘基，經翻譯后修飾，在維生素K酶催化下形成。它與鈣結合相對較弱，但對羥磷灰石有高度的親和性，1 mg骨鈣素可以和17 mg 羥磷灰石結合[1]。在骨重建的過程中骨鈣素可以調節破骨細胞及其前體細胞的活動，標記破骨與成骨的轉折點，增加骨鹽含量。

1.2骨鈣素與糖脂代謝的關系過去認為，隨著年齡的增長，骨質疏松、代謝綜合征、動脈粥樣硬化分別是互不相干的三種疾病。但越來越多的橫向和縱向的研究說明它們之間有著千絲萬縷的聯系[2-4]。

在2型糖尿病患者中，血漿骨鈣素水平較糖耐量正常者明顯降低，血漿骨鈣素與空腹血糖、糖化血紅蛋白、體質指數、體脂含量呈負相關，與胰島β細胞功能、胰島素敏感性呈正相關[5-6]。骨鈣素基因缺失的小鼠表現為胰島素抵抗和糖耐量降低。骨鈣素通過調控脂肪細胞因子脂聯素表達增加來提高胰島素的敏感性。Idelevich等[7]研究發現，轉染高表達的骨鈣素基因質粒的小鼠糖酵解酶表達水平升高，糖異生被抑制。反過來缺失胰島素受體1基因的小鼠有嚴重的骨質疏松和相對低的骨轉換率。Ogata等[8]亦認為胰島素受體1也在成骨細胞中表達，缺失胰島素受體1表達的成骨細胞不能誘導細胞蛋白的谷氨酸磷酸化，減少了成骨細胞的分化和增生。此外，血漿骨鈣素水平與脂代謝相關，骨鈣素水平與脂肪細胞特異性脂肪酸結合蛋白、高密度脂蛋白、膽固醇呈負相關，與脂聯素水平呈正相關，所以血清骨鈣素與代謝缺陷呈負相關。

1.3動脈粥樣硬化形成的經典機制①損傷反應學說：血管內皮細胞為覆蓋于血管內膜表面的單層扁平或多角形的細胞。內皮細胞損傷學說認為物理、化學、機械等因素可造成的血管內皮損傷，從而引起血小板聚集、血管收縮和血栓形成。②脂質浸潤學說：高脂血癥可引起內皮細胞損傷和灶狀脫落，導致血管壁通透性升高，血漿脂蛋白得已進入內膜，引起巨噬細胞和血管壁平滑肌細胞增生以清除脂質灶，并形成斑塊。③血栓形成血小板聚集學說：內皮一旦損傷，暴露的組織因子與內皮下組織立即啟動內源性和外源性凝血途徑，血小板聚集和凝血因子黏附形成血栓，血栓團塊封堵損傷的內皮創口。④損傷炎癥形成學說，Ross[9]提出“動脈粥樣硬化是一種炎癥性疾病”。他指出動脈粥樣硬化的病理表現也具有炎癥病理的基本表現形式，在細胞因子、炎性介質的作用下，平滑肌細胞不斷增殖、遷移，形成粥樣斑塊。

2動脈粥樣硬化形成機制新的認知

過去認為血管鈣化是一個被動的退化的鈣磷礦化的沉積。研究表明，血管鈣化與骨的形成非常相似，兩者都是不同部位對血鈣和血磷沉積的一個積極、主動的、可調控的、可逆的調節過程[10]。血管鈣化包括內膜鈣化、中膜鈣化和瓣膜鈣化。內膜鈣化即動脈內膜粥樣硬化斑塊內鈣化。中膜鈣化也稱為“Monckebergs”硬化。前兩種鈣化最為常見，鈣化過程均涉及血管內皮細胞、血管平滑肌細胞、內皮祖細胞、泡沫細胞等向成骨細胞轉化。Bini等[11]從頸動脈內膜剝脫術獲得的標本中發現，頸動脈粥樣硬化血管壁鈣化區表達成骨樣表型，它的基因包括骨保護素、骨形態發生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)2、骨橋蛋白、骨鈣素。其中抑制血管鈣化因子是骨鈣素、骨橋蛋白和骨保護素，促進鈣化因子是BMPs[12-13]，這些成骨蛋白與血管鈣化、血栓形成、出血都有密切聯系。內皮細胞轉化為成骨樣細胞的機制如下。

2.1細胞學基礎內皮細胞來源于內皮祖細胞，成骨細胞來源于骨祖細胞，過去人們認為是截然不同的祖細胞群。骨祖細胞來源于骨髓間充質干細胞。內皮祖細胞原始的來源比較復雜包括造血干細胞、髓系祖細胞和多潛能成體祖細胞，即都來源于骨髓。1994年Demer等[14]就已經證明參加血管鈣化的細胞來源于多向分化潛能的間充質干細胞，一般分化為血管平滑肌細胞、巨噬細胞、肥大細胞、樹突樣血管細胞、周細胞等。這些細胞在吞噬了氧化性低密度脂蛋白和膽固醇后，細胞的表型能發生成骨樣轉化，分泌高水平的堿性磷酸鹽、Ⅰ型膠原、骨鈣素、骨橋蛋白。G?ssl等[15]研究發現，當有血管壁受損時，外周循環內皮祖細胞(endothelial progenitor cells，EPC)就會從骨髓中遷移到血管受損處，參加血管的修復。大多數參加血管損傷和修復的EPC表達CD34和激酶插入區受體(kinase insert domain receptor，KDR)，部分表達CD133。隨著它的分化成熟，先后失去CD133和CD34的表型，故可將參加血管修復的EPC分為兩組，相對低分化的EPC(CD34+/CD133+/KDR+)和相對高分化EPC(CD34+/CD133-/KDR+)。也有研究[16]通過反轉錄的方法驗證，20%外周血的CD34+細胞內含有骨鈣素的信使RNA。而且將這些細胞注入免疫缺陷同時伴有股骨骨折小鼠體內，這些細胞能定位在骨折部位并分化成內皮細胞和成骨細胞，促進骨折的愈合。Chen等[17]的實驗亦表明，CD34+骨髓細胞能分化為成骨細胞，這些成骨細胞分化為骨細胞，同時生成礦物結晶。

2.2生物分子學基礎骨形成的過程分為膜內成骨和軟骨內成骨。在膜內成骨的過程中，轉錄因子核心結合因子α1(core combined factor α1，cbfα1)扮演著重要的角色。cbfα1直接調控骨鈣素、骨粘連蛋白和骨橋蛋白的表達[18]。另外，轉錄因子sox9在軟骨內成骨早期起著重要的作用，調控著間充質細胞向多分化成軟骨細胞分化,募集有軟骨分化潛能的間充質細胞的聚集，并提高下游Ⅱ型膠原的表達水平。在軟骨細胞分化的終末期，cbfα1高度表達，使肥大的軟骨細胞退化凋亡。增生的血管募集破骨細胞，破骨細胞分泌金屬蛋白酶9降解肥大的軟骨細胞。在血管局部組織缺氧、應激、氧化性脂質、慢性炎癥導致腫瘤壞死因子α增多，加快肥大軟骨細胞的降解。血管內皮細胞、循環中的內皮祖細胞、平滑肌細胞表達的BMP增多。BMP2和BMP4與受體形成復合物，磷酸化Smad1/Smad5/Smad8，進一步磷酸化的Smad激活其下游信號轉導，上調核轉錄因子cbfα1/Runx2和sox，使上述細胞發生成骨樣表型[19]。

3不同部位骨鈣素對于動脈粥樣硬化的影響

G?ssl等[15]研究發現，這些CD34+EPC超過20%都表達了骨鈣素。在動脈粥樣硬化早期和晚期CD34+/CD133+/KDR+的EPC中的骨鈣素表達的陽性率升高了2倍，CD34+/CD133/KDR+的EPC中的骨鈣素表達的陽性率升高了5倍。我國進行的一項對腦卒中患者外周循環EPC上骨鈣素的表達的研究顯示[20]，腦卒中組外周循環EPC上的骨鈣素是正常對照組的3倍以上。但重度狹窄(狹窄率超過70%)EPC的骨鈣素的陽性率和非重度狹窄的骨鈣素陽性率比較差異無統計學意義。另外，Chen等[17]研究也表明，在動脈粥樣硬化的早期即內皮受損期，外周血EPC表達的骨鈣素就升高了。動脈粥樣硬化導致的血管鈣化加劇，斑塊增多，說明血管壁局部骨鈣素促進血管鈣化。與此相反，在臨床研究中發現血清骨鈣素水平與雙側肱踝脈搏波傳導速度、頸動脈內膜中層厚度呈負相關，說明了血清骨鈣素對心血管系統的保護作用[21]。另外，學者對具備冠狀動脈造影的人群分析后發現，具備冠心病患者的血清骨鈣素明顯低于非冠心病患者，血清骨鈣素水平和動脈狹窄程度呈負相關(β=-0.497，P<0.01)，隨著動脈粥樣硬化血管數的增加，血清骨鈣素水平呈下降趨勢[22]。以上結論均提示血清骨鈣素作為動脈粥樣硬化的負性調節因子具有抑制動脈粥樣硬化的作用。由此可見，骨鈣素在血管壁局部和循環中的作用截然相反。

明確骨鈣素對動脈粥樣硬化是保護作用還是推動作用，首先要闡述骨鈣素的生理功能。骨鈣素在維生素K作用的情況下，促使骨鈣素的谷氨酸殘基羧化為Gla殘基時。羧化后的Gla殘基具有吸附Ca2+的能力，骨鈣素與羥磷灰石的結合是通過Gla側鏈上的丙二酸根與羥磷灰石表面的Ca2+結合。Ca2+作為橋梁作用而不可缺少。當骨鈣素分子的Gla殘基脫羧后，即不能吸附Ca2+，與羥磷灰石的親和力明顯降低，此時骨鈣素對羥磷灰石結晶的抑制作用明顯降低，骨中羥磷灰石沉積增強。羥磷灰石又稱羥基磷酸鈣，可以看成是磷酸鈣和氫氧化鈣組成的堿式復鹽。羥基磷灰石很容易復合成為羥基磷灰石結晶，為六方晶體。在骨礦化的過程中，骨基質中富含纖維狀的膠原作為支架，羥磷灰石結晶能沉積在這個支架上。所以，骨鈣素是羥磷灰石結晶的強有力的抑制劑，保持骨的正常礦化速度[6]。

其次是區別血清骨鈣素和血管壁局部骨鈣素。血清骨鈣素在臨床上廣泛用于檢測骨形成和骨轉化的指標。雖然血清堿性磷酸酶也可以反映骨的形成，但是其受多種因素的影響，其來源除了骨外，還來源于肝臟，故特異性較差。血清骨鈣素僅在腎小球濾過率低于20 mL/min時方有改變[23]。測得的血清骨鈣素不是骨鈣素與羥磷灰石的結合，而是反映了未與羥磷灰石結合的新合成的骨鈣素和礦化部位擴散出來的骨鈣素碎片。血清骨鈣素也包含細胞外骨基質破骨細胞在骨重新吸收時降解的骨鈣素成分。相反地，當鈣和磷在血管壁局部的濃度超過磷酸鹽的溶解度的乘積時，不溶解的堿性磷酸鈣在細胞外基質沉積，導致血管鈣化。在動脈粥樣硬化引起的血管鈣化多是磷酸鈣和碳酸鈣的沉積，X線衍射類型為非晶體化合物。斑塊形成初期，沉積的鈣鹽在電鏡下為細小的顆粒。這時的斑塊纖維帽或許可能已經形成，但不夠牢固，局部表達的骨鈣素也許可以通過促進更多的鈣鹽沉積形成類似石灰樣的結構從而使斑塊加穩加固。但是這種類石灰樣的結構非六方晶體。而且類石灰樣的結構也不像骨形成的羥磷灰石結晶那樣數量龐大，膠原纖維的支架結構也稀稀疏疏。在電鏡下可見隨著動脈粥樣硬化程度的加重，鈣鹽的細微顆粒被鈣鹽的大顆粒和團塊所取代。所以，鈣化血管壁局部的骨鈣素促進動脈粥樣硬化的形成。可以推測，血管壁局部骨鈣素的表達程度可以預測斑塊將來的穩定程度，對心腦血管疾病的預后提供更多的參考。

4是否存在“骨-血管”軸

現在很多研究認為骨也是內分泌系統的一部分，是新型的內分泌器官，具有內分泌功能。血液中非羧基化的骨鈣素可作用于β細胞[24]、脂肪細胞及睪丸間充質細胞，促進胰島素、脂聯素和睪酮的分泌，對能量代謝和雄性生殖起調節作用。所以，骨鈣素可以作為“骨-胰腺”軸、“骨-脂肪組織”軸，“骨-睪丸”軸的調節激素。

相似的，成骨細胞和骨細胞分泌破骨細胞吸收釋放的骨鈣素，部分羧基化后，在骨環境中與羥磷灰石結合可抑制骨形成，使血液中的鈣鹽減少，血管壁的鈣磷負荷降低，血管鈣化相對減輕。在女性絕經后，雌激素減少，血管動脈粥樣硬化的程度加重，骨骼中動脈發生動脈粥樣硬化也相應加重，雌激素的減少使破骨細胞的活性增加，破骨細胞吸收骨質釋放出更多的骨鈣素，羧基化后的骨鈣素又反過來抑制動脈粥樣硬化的進一步加重[25]。但骨鈣素在骨和血管中的具體分子生物學機制有待進一步研究。

5展望

骨代謝與機體的能量代謝密切相關，患有代謝綜合征的患者總是伴隨著骨量低下，骨代謝異常。同樣能量代謝與外周循環也是息息相關的。但是并不確定骨質疏松和外周血管疾病有共同的病理機制，因為骨的轉化指標在動脈粥樣硬化患者的采集還是相對匱乏的。在今后的基礎和臨床研究中，可以更深入地研究骨代謝和循環系統的聯系，使血管壁局部骨鈣素的表達能更完善動脈粥樣硬化斑塊的形成機制；內皮受損早期血清骨鈣素的升高能作為檢測動脈粥樣硬化程度的新指標；血清骨鈣素可能作為動脈粥樣硬化的獨立保護因素，能為動脈粥樣硬化治療提供新的靶點。

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Progress of Effect of Osteocalcin on Atherosclerotic FormationLILin-lin，FENGShu-zhi.(DepartmentofHealthcare,TianjinMedicalUniversityGeneralHospital,TianjinGeriatricsInstitute,Tianjin300052,China)

Abstract:Osteocalcin is a none collagenous protein synthesized by osteoblasts.Most osteocalcin is deposited on the bone matrix,with a little being secreted in the blood.At present,osteocalcin is a useful marker of bone turnover and bone formation.Recently,studies have shown that osteocalcin plays an important role in process of atherosclerosis.However,osteocalcin on vessel wall and in serum have an opposite effect on atherosclerosis.Here is to make a review of the role of osteocalcin in bone and in energy metabolism,as well the impact on the process of atherosclerosis determined by its location in serum or in calcified plaque.

Key words：Osteocalcin; Osteoprogenitor cell; Endothelia progenitor cell; Hydroxyapatite

收稿日期：2014-07-28修回日期：2014-10-31編輯：樓立理

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.11.009

中圖分類號：R543.5

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)11-1942-04