雙膦酸鹽的今昔與思考

張萌萌

《中國骨質疏松雜志》社，北京 100102

雙膦酸鹽(bisphosphonates，BPs)又稱偕二膦酸鹽，是近30年來發展起來的抗代謝性骨病的一類新藥，能特異地與骨質中的羥基磷灰石結合，濃集于骨骼，并在骨表面保留長達數月至數年，在破骨細胞進行骨吸收活動時被其攝取，抑制破骨細胞活性[1]，從而抑制骨吸收，增加骨密度。

雙膦酸鹽類藥物是臨床應用較多、最有發展前景的骨吸收抑制劑，用于治療各類骨疾患及鈣代謝性疾病，如原發性骨質疏松、繼發性骨質疏松、變形性骨炎、惡性腫瘤骨轉移引起的高鈣血癥和骨痛癥等。由于雙膦酸鹽高效的抑制骨吸收作用，目前已成為國際上各國指南認可的治療骨質疏松癥的一線藥物。

1 雙膦酸鹽的發展歷史

20世紀60年代初，Fleisch等發現血漿及尿液中存在抑制異位鈣化作用的焦磷酸鹽，它可能是鈣化生理調節因子，但焦磷酸鹽口服無效，注射給藥又迅速被焦磷酸酯酶水解失活，達不到治療效果。后來研究發現，以P-C-P基團取代焦磷酸鹽結構中的P-O-P基團可改變焦磷酸鹽的理化性質，有效抵制體內水解酶的生物降解作用，改變其生物學性質及毒理作用，保持一定的穩定性，隨后合成了一系列雙膦酸鹽類化合物。

1968年人類報道了第一個雙膦酸鹽，1977年，第一代的依替膦酸鈉(Etidronate)，由美國寶潔(Proter & Gamble，P&G)公司開發上市，作為骨代謝調節劑用于治療骨質疏松癥、惡性腫瘤、高鈣血癥和Paget’s病等，依替膦酸鈉對體內磷酸鈣有較強的親和力，能抑制人體異常鈣化和過量骨吸收，減輕骨痛；降低血清堿性磷酸酶和尿羥脯氨酸的濃度。但依替膦酸鈉抑制骨吸收作用較弱，使用時要求劑量較高，接近其抑制骨正常礦化的劑量，長期使用可導致骨軟化。1986年，氯屈膦酸鈉(Clodronate)上市，其抗骨質吸收作用強度是依替膦酸鈉的10倍，而抑制骨礦化作用減小，克服了依替膦酸鈉的缺點，成為使用最廣泛的第一代雙膦酸鹽類藥物。

1998年，瑞士諾華、中國深圳海王公司分別研發了第二代雙膦酸鹽——帕米膦酸鈉(Pamidronate)，在碳原子1號位上加上羥基(R)，并在側鏈(R′)上引入氨基，即含氮雙膦酸鹽，這樣的結構增加了雙膦酸鹽的活性，其抗骨質吸收的作用明顯優于第一代雙膦酸鹽，比依替膦酸鈉抗骨質吸收作用強100倍，適用于惡性腫瘤并發的高鈣血癥和溶骨性癌轉移引起的骨痛。

隨后美國的研究發現，雙膦酸鹽的抗骨質吸收能力隨其側鏈的延長而增加，進一步延長帕米膦酸鈉的側鏈，形成一個以4個碳原子為骨架的側鏈結構，成為活性最強的第二代雙膦酸鹽——阿侖膦酸鈉(Alendronate)[2]，其抗骨質吸收能力是依替膦酸的1000倍，適用于成人骨質疏松的治療，以預防髖部和椎體骨折。

阿根廷Gador公司的研究者將帕米膦酸氨基上的氮二甲基化后，形成了奧帕膦酸鈉(Olpadronate)，活性得到進一步提高，抗骨質吸收能力是帕米膦酸的7倍，用于防治骨質疏松，治療Paget’s病和惡性腫瘤引起的高鈣血癥。

德國Boehringer Mannheim公司在奧帕膦酸鈉的氮原子上引入一個飽和羥鏈，形成了活性更強的第三代雙膦酸鹽——伊班膦酸鈉(Ibandronate)，并于1996年在德國首次上市，用于治療惡性腫瘤所致的高鈣血癥及多發性骨髓瘤和實體瘤的骨轉移等，并可預防和治療骨質疏松癥，是目前適應證最廣的雙膦酸鹽藥物[3]，其特點是高效、作用時間長、低毒、使用方便、可以長間歇給藥等。

由美國寶潔(Procter & Gamble，P&G)公司與Hoechst Marion Roussrl公司研發，在雙膦酸鹽的側鏈上引入環狀結構，合成吡啶雙膦酸鹽——利塞膦酸鈉(Risedronate)，并于1998年首次在美國上市，其抗骨吸收作用更強，毒副作用小，具有很好的臨床應用前景，臨床上用于治療不同程度的Paget’s骨病(變形性骨炎)，2004年又獲美國食品藥品監督管理局(Food and Drug Administration，FDA)認可，用于預防和治療絕經后骨質疏松癥與糖皮質類固醇性骨質疏松的防治[4-5]。

隨后，瑞士諾華(Novatris)公司研制開發了抗骨質吸收作用更強、抑制骨礦化作用更小的藥物——唑來膦酸鈉(Zoledronate)，屬于含有咪唑環的第三代雙膦酸鹽，并于2000年首次在加拿大上市，目前已在歐盟、美國等80多個國家和地區廣泛使用。可用于控制惡性腫瘤骨轉移[6]、治療絕經后骨質疏松癥、惡性高鈣血癥等。

2 第一代、第二代、第三代雙膦酸鹽的化學結構

雙膦酸鹽類藥物抗骨吸收作用的主要機制為：(1)直接改變破骨細胞的形態學特征，阻止成熟破骨細胞在骨表面形成一個濃度梯度，從而抑制破骨細胞功能；(2)與骨質中的羥磷灰石結合，直接干擾骨吸收；(3)抑制破骨細胞前體向骨骼表面游走和聚集，抑制其向多核細胞分化；(4)直接抑制成骨細胞介導的細胞因子，如白介素6(IL-6)、腫瘤壞死因子(TNF)的產生，間接抑制細胞因子對破骨細胞的激活；(5)誘導破骨細胞凋亡，縮短破骨細胞生存期。

其中，雙膦酸鹽分子中P-C-P基本結構是其產生抑制骨吸收活性的必要條件。雙膦酸鹽分子中磷酸根上的氧原子能與鈣離子螯合，形成二配位體而發揮抑制骨吸收活性[7]，并有助于藥物向細胞內轉運。雙膦酸鹽類藥物化學結構式見圖1。

圖1 雙膦酸鹽類藥物化學結構式Fig.1 The chemical structural formula of bisphosphonates

雙膦酸鹽類藥物的藥效強度取決于各藥的碳原子上取代側鏈的類型，即C原子上的R1和R2側鏈取代基。R1側鏈取代基主要參與雙膦酸鹽與骨基質中的羥基磷灰石的結合[8]，決定了雙膦酸鹽分子在體內能否迅速而選擇性地結合到骨基質表面。R2側鏈取代基對雙膦酸鹽類藥物抗骨質吸收的強度起著重要作用[9]。R2取代基側鏈的長短對雙膦酸鹽的活性起決定性作用，適宜的碳鏈長度可提高藥物的穩定性和生物利用度，但也不能無限地延長，當延長至一定程度，反而會減弱雙膦酸鹽的強度；側鏈中若含有氮原子，可顯著增加雙膦酸鹽藥物活性。

目前根據雙膦酸鹽類藥物結構特點，可以將其劃分為三代產品。

2.1 第一代：不含氮雙膦酸鹽

2.1.1依替膦酸鈉(Etidronate)：化學名：(1-羥基亞乙基)二膦酸二鈉鹽；分子式：C2H6Na2O7P2。

2.1.2氯屈膦酸鈉(Clodronate)：化學名：二氯亞甲基二磷酸二鈉；分子式：CH2Cl2Na2O6P2。

2.1.3替魯膦酸鈉(Tiludronate)：化學名：(4-氯苯硫基)甲叉二膦酸；分子式：C7H9ClO6P2S。

2.2 第二代：含氮雙膦酸鹽

第二代雙膦酸鹽以側鏈含氨基為主要特點，抗骨質吸收的作用明顯優于第一代雙膦酸鹽。如帕米膦酸鈉和阿侖膦酸鈉分別比第一代的依替膦酸鈉強100倍和1000倍。

2.2.1帕米膦酸鈉(Pamidronate)：化學名稱：3-氨基-1-羥基亞丙基-1，1-二膦酸二鈉五水合物；分子式：C3H9NNa2O7P2·5H2O。

2.2.2阿侖膦酸鈉(Alendronate)：化學名稱：(4-氨基-1-羥基亞丁基)二膦酸單鈉鹽三水合物；分子式：C4H12NNaO7P2·3H2O。其化學結構式見圖2。

圖2 阿侖膦酸鈉(第二代雙膦酸鹽)化學結構式Fig.2 The chemical structural formula of Alendronate (The second generation bisphosphonate)

2.3 第三代：具有雜環結構的含氮雙膦酸鹽

第三代雙膦酸鹽藥物的結構特點為在保留氨基中氮原子的基礎上，進一步延長側鏈長度或引入環狀結構，其抗骨吸收作用更強。如R1上的H原子被吡啶甲基取代使抗骨吸收作用提高，利塞膦酸鈉的強度為依替膦酸鈉的5000倍；如R1側鏈的N原子上加入甲基和戊基得到的伊班膦酸鈉，其活性比依替膦酸鈉強10000倍。含有雙氮雜環的唑來膦酸其抑制骨吸收作用是阿侖膦酸鈉的25～114倍、帕米膦酸的100～850倍，具有更強的抗骨質疏松治療作用。

2.3.1伊班膦酸鈉(Ibandronate)：化學名稱：1-羥基-3-(甲基戊基胺)-丙烷-1,1-雙膦酸鈉；分子式：C9H22NO7P2NaH2O。

2.3.2利塞膦酸鈉(Risedronate)：化學名稱：2-(3-吡啶基)-1-羥基乙烷-1，1-雙膦酸單鈉鹽；分子式：C7H10NNaO7P2·2.5H2O。

2.3.3唑來膦酸鈉(Zoledronate)：化學名稱：1-羥基-2-(1-咪唑基)-亞乙基-1,1-二磷酸一水化物；分子式：C5H10N2O7P2·H2O。其化學結構式見圖3。

圖3 唑來膦酸(第三代雙膦酸鹽)化學結構式Fig.3 The chemical structural formula of Zoledronate (The third generation bisphosphonate)

第三代雙膦酸鹽抗骨吸收作用強、臨床應用安全方便、副作用小，具有廣闊的發展前景。唑來膦酸鈉是第三代雙膦酸鹽的代表。

3 第三代雙膦酸鹽抗骨吸收研究作用

在骨質疏松規范治療中，第三代雙膦酸鹽類藥物因其具有強大的抗骨質吸收作用，臨床應用越來越廣泛。目前，其代表藥物唑來膦酸(Zoledronate)是抗骨質疏松藥理活性最強的藥物，已在包括美國和歐盟在內的80多個國家和地區獲準治療絕經后骨質疏松。2009年，唑來膦酸獲得中國國家食品藥品監督管理總局的新藥批準，用于治療絕經后骨質疏松癥[10]。2012年法國國家衛生管理局制定的藥物治療骨質疏松癥指南中將唑來膦酸鹽作為治療骨質疏松的首選藥物[11]。

唑來膦酸對骨表面某些結構有高親和力，吸收后可以在骨小梁表面聚集，通過甲羥戊酸通路與骨礦鹽的羥基磷灰石結合，抑制甲羥戊酸代謝的關鍵酶——法尼基焦磷酸合成酶(Farnesylpyrophosphate，FPP)，使甲羥戊酸途徑不能合成FPP和雙香葉基焦磷酸(Pyrophosphate，GGPP)，抑制破骨細胞結構蛋白的合成，使破骨細胞喪失骨吸收能力，并加速破骨細胞凋亡，從而抑制破骨細胞介導的骨吸收過程；同時可激活被抑制的成骨細胞，促進骨重建，增加骨密度。

國內外許多醫學機構對其藥理作用、藥代動力學特征、臨床療效等進行了大量的動物實驗及臨床試驗研究。

Shane等[12]對72只大鼠模擬失重的實驗顯示，唑來膦酸鈉能維持骨小梁的微結構、抑制破骨細胞功能、增加骨密度(bone mineral density，BMD)。

柳維等[13]探索唑來膦酸對骨質疏松性大鼠股骨干骺端骨缺損修復的影響，結果顯示，唑來膦酸注射組大鼠模型股骨骨密度增加較快，缺損區新骨生成明顯，破骨細胞活性降低、數量減少，說明唑來膦酸可較好地促進骨質疏松性大鼠股骨干骺端骨缺損的修復。

Rogers等[14]研究顯示，唑來膦酸抑制破骨細胞內作用于甲羥戊酸通路的關鍵酶，使小G蛋白異戊二烯化過程受到抑制，小G蛋白對維持破骨細胞的功能至關重要，從而抑制破骨細胞的增殖、分化。

王雪鵬等[15]觀察唑來膦酸對骨質疏松性骨折大鼠模型局部骨痂力學強度的影響，發現唑來膦酸可增強骨質疏松性骨折斷端的骨痂結構力學強度，這與唑來膦酸抑制骨吸收、提高骨痂內部骨小梁數量、維持大量編織骨有關。而延遲注射唑來膦酸抑制骨折后期骨痂重建，雖然不會損害編織骨數量，但可能會損害骨痂內部骨小梁力學強度和連接數目。

Wedemeyer等[16]的動物實驗研究顯示，唑來膦酸能有效抑制骨吸收并刺激骨痂形成，保留骨小梁數量，增加骨骼生物力學強度。

陳越等[17]研究唑來膦酸對去勢大鼠骨質疏松性骨折愈合過程中轉化生長因子(TGF-β)表達的影響，結果顯示，唑來膦酸能加快骨痂形成，促進成骨細胞轉化生長因子β的表達，促進骨質疏松性骨折的愈合。

Black等[18]對唑來膦酸治療絕經后骨質疏松及骨折愈合的臨床研究顯示，唑來膦酸是治療絕經后骨質疏松的有效手段。

Reid等[19]對美國、澳大利亞、中國香港、以色列和 12個歐洲國家的833例糖皮質激素繼發骨質疏松患者的臨床試驗表明，唑來膦酸治療組患者腰椎骨密度、股骨頸骨密度、全髖骨密度均高于利塞膦酸治療組，唑來膦酸治療組患者血清骨代謝標記物(Ⅰ型膠原羧基末端肽CTX，Ⅰ型前膠原氨基末端肽PINP)水平于用藥9～11 d后即顯著下降。唑來膦酸在預防和治療糖皮質激素繼發骨質疏松方面效果明顯。

陳根強等[20]對120例糖皮質激素繼發的骨質疏松患者隨機雙盲試驗的研究顯示，唑來膦酸靜脈滴注能夠顯著增加患者腰椎、股骨頸骨密度，降低血清骨吸收標志物I型膠原羧基末端肽(β-CTX)及骨形成標志物I型前膠原氨基末端肽(PINP)水平，療效優于利塞膦酸治療組。

Eastell等[21]的一項對唑來膦酸一年一次治療骨質疏松的回顧性研究認為，唑來膦酸能降低約40%的髖部骨折風險。

高雷等[22]研究雙膦酸鹽對絕經后骨質疏松患者骨量的影響，結果顯示，唑來膦酸聯合鈣劑治療絕經后骨質疏松，能顯著改善患者的疼痛癥狀，提高患者全髖骨密度，增加骨量，降低骨質疏松性骨折的發生率，是治療絕經后骨質疏松安全有效的方法。

Jacques等[23]研究表明，對絕經后骨質疏松患者每年給予5 mg唑來膦酸1次，患者髖部骨密度、椎體骨密度均有明顯提高，骨折發生率降低。

美國骨與骨礦研究協會的一項研究報告顯示，唑來膦酸每年給藥1次，連續給藥3年，能降低70%的脊柱骨折、40%的髖部骨折，骨折總發生率減少24%。

4 正確使用雙膦酸鹽

國內外的眾多臨床研究及臨床實踐都顯示，第三代雙膦酸鹽能夠明顯提高骨密度、降低椎體和髖部骨折發生的危險性。

美國加利福尼亞大學Black教授等[24]對3889例絕經后骨質疏松患者給予唑來膦酸治療3年后發現，唑來膦酸治療組較安慰劑組椎體骨折風險減少70%，髖部骨折的風險減少41%，可顯著降低骨質疏松性骨折的發生率。

南京大學醫學院附屬鼓樓醫院林華教授等[25]對收治的89例絕經后骨質疏松患者，給予唑來膦酸治療后1年發現，原發性骨質疏松組腰椎骨密度增加5.8%，股骨頸骨密度增加2.9%，而繼發性骨質疏松組腰椎骨密度增加3.4%，股骨頸骨密度增加2.1%。

美國克瑞頓大學醫學院Recker教授等[26]對7736名絕經后骨質疏松患者給予唑來膦酸治療，結果顯示，第1年患者椎體骨折風險降低60%，第2年與第3年分別降低71%和70%，三年內療效逐漸增加，骨密度增加6%左右。

吉林大學第四醫院骨質疏松診療中心對長春地區257例絕經后骨質疏松癥患者，給予靜脈滴注唑來膦酸5 mg注射液，患者腰椎1-4、股骨頸骨密度在滴注唑來膦酸1、2、3年后均較治療前有明顯提高，并且無嚴重不良反應發生，唑來膦酸治療絕經后骨質疏松癥安全有效[27]。

美國杜克大學醫學中心對2127例患者多中心隨機雙盲安慰劑對照研究顯示，唑來膦酸 5 mg治療組骨折發生率為8.6%，較安慰劑組(13.9%)顯著下降，骨折風險明顯下降。唑來膦酸治療組全髖骨密度、股骨頸骨密度較對照組顯著提高[28]。

翟明玉等[29]對臨床收治的120例老年嚴重骨質疏松癥患者的臨床研究顯示，治療組(給予鈣爾奇+阿法骨化醇+唑來膦酸鈉治療)骨密度改善程度及骨痛緩解程度明顯優于對照組(給予鈣爾奇+阿法骨化醇治療)，治療組血清堿性磷酸酶(ALP)水平較治療前明顯下降。提示唑來膦酸能顯著緩解嚴重老年性骨質疏松癥患者的骨痛癥狀，提高患者的BMD水平。

樊勤學等[30]對新疆53例原發性骨質疏松癥患者的臨床觀察顯示，5 mg唑來膦酸治療組患者腰椎、股骨頸骨密度均顯著提高。

Black等一項關于唑來膦酸的長達9年的研究顯示[31]，5 mg唑來膦酸每年使用一次，連續使用6年，可提高骨質疏松患者髖部骨密度，骨密度值隨著用藥時間的延長而增加，峰值則出現在第4～5年內；改善血清骨轉換指標水平；降低骨質疏松性骨折發生率。部分患者持續使用3年，在第9年檢測髖部骨密度、血清骨轉換指標水平及骨折發生率，結果與第6年之后停藥的患者并無顯著差異。表明幾乎所有接受6年連續唑來膦酸注射的患者可以停藥長達3年，患者骨密度仍維持較好水平。

第三代雙膦酸鹽治療骨質疏松效果顯著，具有良好的安全性和耐受性，但有時仍有不良反應發生。最常出現的是流感樣癥狀(約9%)，包括發熱(7.2%)、疲乏(4.1%)、寒戰(2.8%)、骨痛(9.1%)、關節痛和肌痛(約3%)等。其發生不良反應的主要機制[32]是：唑來膦酸抑制甲醛戊酸(HMG-CoA)途徑，導致香葉焦磷酸(isopentenyl pyrophosphate，IPP)增多。IPP與γδT 細胞表面受體結合，促進γδT細胞活化增殖，釋放γ干擾素(INF-γ)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)，促進白細胞介素-6(IL-6)的釋放，從而導致患者發熱。

為加強臨床用藥的安全性，減少不良反應的發生，臨床應注意正確合理使用第三代雙膦酸鹽——唑來膦酸。

首先，在注射前需要給患者檢測以下項目：血常規、尿常規、生化二、肝功一、血脂、感染性標志物、骨鈣素、降鈣素、甲狀旁腺素、1，25-二羥基維生素D3、風濕三項、腫瘤8項、常規心電圖檢查、骨密度測定、DR-胸腹：胸部、DR-下肢：膝關節、彩超：肝膽胰脾。

計算肌酐清除率，肌酐清除率大于35 ml/min，方可用藥。

其次，用藥情況。(1)如果血鈣低于2.5 mmol/L，可靜點0.9%氯化鈉注射液100 ml，葡萄糖酸鈣注射液2 g(根據情況1～2 d)；如果血鈣高于2.5 mmol/L，無需靜點。(2)應用唑來前一天晚上開始服用布洛芬緩釋膠囊，每日兩次，每次300 mg(連續口服3 d)。(3)應用唑來膦酸當天，分三步靜點：①葡萄糖氯化鈉注射液500 ml，靜點；②唑來膦酸注射液5 mg(100 ml)，30 min點完(絕對不能少于15min)，最好用輸液泵控制；③葡萄糖氯化鈉注射液500 ml，靜點。

第三，入院日起常規口服羅蓋全、鈣爾奇D。羅蓋全，0.25 ug，每日一次，飯后口服；鈣爾奇D，0.6 g/d，每晚睡前口服。

第四，靜點唑來膦酸之后可能會引起發熱、骨痛的處置。(1)大量飲水；(2)解熱鎮痛藥：注射用賴氨匹林，每次0.9 g(100 ml)。

第三代雙膦酸鹽給藥方便、提高了患者對治療的依從性，在臨床應用實踐中應規范用藥，減少副作用的發生，提高患者對治療的依從性，達到增加骨密度、降低骨折風險的目的，才有更好的前景。

雙膦酸鹽從發現到應用于臨床，經歷了漫長的時間，對其結構、活性、作用機制的研究引領骨質疏松領域治療理念的不斷更新，為不同種類雙膦酸鹽作用于破骨細胞、成骨細胞、骨重建局部調節因子的分子機制和臨床特征，提供了有力的循證醫學證據。