骨質疏松及其骨折的局部藥物治療

祝俊雄 宋純理

北京大學第三醫院骨科，北京 100191

骨質疏松是一種以骨量低下、骨微結構破壞，導致骨脆性增加、易發生骨折為特征的代謝性骨病。骨質疏松雖然是一種系統性骨骼疾病，但其最嚴重的后果卻是發生局部骨質疏松性骨折(脆性骨折)，一旦發生骨折，治療非常棘手，死亡率高、致殘率高、醫療費用高。發生髖部骨折后一年內，20%的患者會死于各種并發癥，約50%的患者致殘，生活質量明顯下降[1-2]。隨著人口老齡化，骨質疏松已成為目前主要的公共健康問題之一。據估計，骨質疏松在全球范圍內每年導致890萬人次骨折，超過2億女性受到該疾病的影響[3]。我國現在老齡化的問題非常嚴重，未來30～50年將面臨更大的壓力和挑戰。我國2015年用于主要骨質疏松性骨折(腕部、椎體和髖部)的醫療費用高達720億元，據預測，2050年將達到1 630億元[4]，形勢非常嚴峻。各國的骨質疏松癥治療指南也都指出，降低脆性骨折的風險是治療骨質疏松的重要內容。骨質疏松骨折的好發部位非常集中，近年來現代微創介入外科的迅速發展，為骨質疏松骨折防治的局部治療提供了可能。

1 骨質疏松局部藥物治療的可行性證據

1.1 骨質疏松系統藥物治療的現狀和缺陷

目前，臨床上主要通過系統用藥預防和治療骨質疏松。臨床治療藥物主要分為基本補充劑(鈣劑和維生素D)、抗骨吸收藥物和促骨形成藥物。抗骨吸收藥物包括雙膦酸鹽、雌激素及其受體調節劑、降鈣素、核因子κB受體活化體配體(receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand，RANKL)抑制劑(國內尚未上市)；甲狀旁腺激素為促骨形成藥物；鍶鹽、維生素K2等兼有抗骨吸收和促骨形成的作用，但作用較弱。目前大多數的骨質疏松治療藥物是骨吸收抑制劑。其中，雙膦酸鹽是最常用的一線抗骨吸收藥物。甲狀旁腺激素(parathyroid hormone，PTH)是第一個被美國食品藥品監督管理局(Food and Drug Administration，FDA)批準臨床應用的具有促骨形成作用的藥物，但批準的最長使用時間只有2年[5]。靶向異化作用的RANK和同化作用的Wnt信號通路的抗骨質疏松藥物是潛力藥物，其中作為RANKL抑制劑的狄諾塞麥(denosumab)已被美國FDA批準用于治療絕經后骨質疏松癥。其他的如骨硬化蛋白抗體(romosozumab)、DKK-1(dickkopf-related protein 1)抗體也在臨床前或臨床研究之中[6]。

系統性用藥存在諸多問題。骨質疏松作為悄無聲息的隱匿疾病，患者的治療依從性很差，且長期系統性用藥會帶來相應的副作用。例如，長期的雙膦酸鹽治療會導致股骨不典型骨折[7-8]和下頜骨壞死[9]；維生素D和鈣劑的安全性主要與心血管并發癥有關[10]；用于治療絕經后骨質疏松癥的雌激素因存在乳腺癌、子宮內膜癌等風險，臨床應用存在爭議，目前已退居二線治療；選擇性雌激素受體調節劑不增加乳腺癌和子宮內膜癌的風險，但增加靜脈血栓風險[11]。除了副作用之外，起效慢、依從性差、對骨折的治療效果不佳也限制了系統用藥的治療。系統性藥物治療受生物利用度和“骨-血屏障”[12]的局限，需要治療一段時間才能發揮作用，在初始治療時不能發揮預防骨折的作用。重復性地使用藥物使患者的依從性普遍存在問題[13]，且治療依從性差是導致骨質疏松療效不佳的一個重要原因[14]。以目前骨質疏松一線治療藥物雙膦酸鹽為例，即使在發達國家能堅持每天服藥至1年的患者也只有25%～35%[15]。口服雙膦酸鹽對胃腸道刺激較大，因此口服前后都需要禁食，服藥后需保持直立，如方法不當很容易引起胃腸道反應甚至潰瘍性食管炎[16]。雙膦酸鹽起效慢，口服3個月后骨丟失才逐步減少，而骨折3個月內骨量急劇丟失，骨吸收抑制劑難以“救急”。作為骨形成促進劑的PTH(1-34)，效果好，但作為一種生物制劑，價格昂貴，運輸和保存存在一定困難，且需每日皮下注射使用[17]，限制了其廣泛運用。其他藥物如降鈣素、鍶鹽、維生素K不是治療骨質疏松的主流藥物，其中降鈣素于2012年被歐洲藥事委員會宣布不再用于治療骨質疏松[18]；鍶鹽具有一定的骨形成促進作用，但僅在少數國家批準，一般可作為治療絕經后骨質疏松癥雙膦酸鹽的替選藥[19-20]。

為解決系統用藥副作用多、生物利用度差和起效慢等問題，主要考慮兩種手段：一是改變藥物劑型，二是局部直接給藥。將藥物制成納米微粒、脂質體等劑型可以部分改善生物利用度和副作用的問題，但尚處于臨床前的研究階段[21]，且納米藥物研究歷史短，一旦藥物形成納米劑型就不容易掌控，因此對納米藥存在顧慮[22]。比較而言，局部治療對這些問題的解決更加直接和徹底，在實現臨床轉化的可能性和速度方面存在一定優勢。

1.2 局部治療的可行性

骨質疏松骨折的疾病特點和解剖特點為局部治療創造了良好的先天條件。骨質疏松骨折的好發部位集中，近80%的骨質疏松骨折發生在脊柱(大多集中在胸12腰1)和髖部[23]。從雙能X線吸收檢測法(dual-energy X-ray absorptiometry，DXA)的測量部位(一般選擇腰1～4/2～4，雙髖)也可以間接反映這幾個部位的重要性。另外，在解剖層面上，骨骼內的骨髓腔和松質骨的多孔腔隙，為藥物停留和局部緩釋提供了絕佳的條件。經皮冠狀動脈腔內血管成形術(percutaneous transluminal coronary angioplasty，PTCA)在治療冠心病上具有里程碑意義，大大降低了心梗的死亡率。借鑒血管介入治療的思路，即不是對所有血管進行介入，而是對重點血管進行治療，如果通過微創的方法在骨折好發部位或骨折局部呈遞藥物，對預防和治療骨質疏松骨折可能會起到關鍵的作用。同時，現代微創介入技術迅速發展，為骨質疏松的局部治療提供了強有力的技術支持，因此近年來局部治療骨質疏松取得了不少成績。相比系統用藥，局部藥物治療不僅能快速有效地在特定部位提高藥物濃度，加速局部骨質疏松及其骨折的愈合，還能避免系統性用藥帶來的全身并發癥。相比開放性手術，局部開展的微創技術還有創傷小、術后恢復快等優點，如近年來廣泛開展的經皮椎體成形術(percutaneous vertebroplasty，PVP)和經皮椎體后凸成形術(percutaneous kyphoplasty，PKP)，已經是治療骨質疏松引起的椎體壓縮性骨折的主要手術方法。

2 骨質疏松癥的局部藥物治療現狀

根據局部藥物治療運用的場景，可以大致將其分為局部注射藥物或生物材料和植入物涂層釋放藥物兩種。局部藥物注射選擇性地對骨質疏松嚴重的骨骼進行干預以避免脆性骨折，或加速疏松性骨折部位的愈合。植入物藥物涂層多用于已發生的脆性骨折，可以增強植入物在疏松骨骼中的穩定性，加速骨折愈合。此外，有的藥物甚至可以發揮多效性作用[24]。常用的局部用藥有雙膦酸鹽、PTH、骨形成蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)和他汀類藥物。

2.1 局部注射藥物或生物材料

10多年來國內外大量的研究已經證明，局部注射藥物或生物材料在多種動物模型中可以有效地在局部提高骨密度(bone mineral density，BMD)，改善骨微結構，提高力學強度，進而降低該部位的骨折風險。注射材料可以直接或通過多種形式搭載多種抗骨質疏松藥物，根據材料的特性可以控制藥物的速度，或增加局部支持骨骼的強度。

2.1.1磷酸鈣和聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)骨水泥作為藥物載體：磷酸鈣和PMMA骨水泥已是臨床應用的產品，是局部治療常用的藥物載體，且這兩種載體可以在局部提供一定的力學強度，也可以達到緩釋藥物的效果。雙膦酸鹽在臨床上廣泛使用，是常見的搭載藥物。PMMA顆粒介導的骨吸收是引起植入物松動的重要原因之一，而有研究顯示，在PMMA骨水泥中加入雙膦酸鹽可以有效抑制PMMA顆粒誘導的骨吸收[25]。國內李鋒等[26]在骨質疏松家兔模型的右側股骨中植入不銹鋼內植物，并在假體周圍應用載有阿倫膦酸鈉的PMMA，8 w后處理組的力學強度優于對照組，且處理組的小梁骨面積百分比、厚度和骨小梁數目明顯高于對照組。Sorensen等[27]在大鼠脛骨缺損處使用載有唑來膦酸的磷酸鈣骨水泥，與對照組相比，處理組的骨再生得到了增強。這些實驗表明，通過骨水泥搭載雙膦酸鹽可以有效增強局部骨骼強度。

近年來廣泛開展的PVP和PKP是治療骨質疏松性椎體壓縮性骨折的治療方法，是使用現代微創技術結合局部治療的典范，僅僅在美國，每年PVP的手術量達18萬例[28]。但目前應用于PVP和PKP的注射材料存在明顯缺陷，如目前主流的填充物為PMMA，其在體內不可降解，無骨傳導性和骨誘導性。磷酸鈣骨水泥(calcium phosphate cement，CPC)具有良好的生物相容性、可吸收性和骨傳導性，在一定程度上能彌補PMMA的缺陷。Kroese等[29]的研究表明，磷酸鈣承載rhBMP-2后可以表現出良好的緩釋特性及骨誘導能力。這些特性與CPC的多孔性有關，隨著孔隙的增加，雖然可吸收性和載藥能力增加，但機械性能卻會下降。但就呈遞藥物來說，PMMA骨水泥對藥物釋放的控制較差，而CPC對多種小分子及蛋白制劑都顯示出很好的呈遞能力[30]。因此，PMMA骨水泥和CPC各有不同的缺陷，尚未達到理想灌注劑的要求。理論上，理想的灌注劑應該具有良好的生物力學特性、生物相容性和降解性，并且能搭載并緩釋具有活性的骨誘導藥物或細胞因子，在局部誘導骨形成，并最終被正常骨替代。

然而，這兩種手術也不完美。PMMA骨水泥強度遠高于椎體骨質，使用后術節椎體抗壓縮能力增大，很少發生再骨折，但易發生鄰近椎體骨折[31]。2009年《The New England Journal of Medicine》的兩篇多中心、雙盲的隨機對照研究報道引起了大家的廣泛爭議，兩個臨床試驗分別顯示PVP組和假手術組(安慰對照)在干預之后疼痛均明顯改善，但兩組之間并無差異[32-33]。雖然PVP的治療效果受到一定的質疑，但這兩項研究也有一定的缺陷[28]，而且PVP已在臨床應用多年，短時間很難讓醫生放棄，還需要設計更完善、說服力更強的臨床試驗以解決爭議。但無論如何，微創介入治療是未來發展的重要方向，“良弓尚需良箭”，未來可注射誘導成骨材料的研發將有廣闊的前景。

2.1.2促成骨生物制劑的常用遞送載體：近幾十年來，骨科領域對生物制劑尤其是生長因子的呈遞系統進行了大量的研究[34]。對生物制劑，往往采用聚乳酸-羥基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA]、纖維蛋白、羥甲基纖維素、水凝膠、殼聚糖等作為載體，因這些載體可以很好地保留搭載藥物的生物活性。對骨形成有作用的生長因子有很多，包括BMP、轉化生長因子β(transforming growth factor beta，TGF-β)、 胰島素樣生長因子(insulin-like growth factors，IGF)、成纖維生長因子(fibroblast growth factors，FGF)、血小板衍生生長因子(platelet-derived growth factor，PDGF)和血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)。 其中BMP是局部最常用的骨誘導因子，也是目前唯一用于臨床的成骨細胞因子[35]。Phillips等[36]分別以PLGA微球和羥甲基纖維素作為載體，將BMP-7注射至卵巢切除骨質疏松羊椎骨，6個月后與對照組比較，椎體的抗壓強度有所增強，且具有緩釋作用的PLGA組比沒有緩釋作用的PLGA組效果要好。Wu等[37]用纖維蛋白作為載體將rhBMP-2注射進入OVX羊椎骨中后，與單純用rhBMP-2或纖維蛋白相比，BMD、骨體積及椎體的抗壓強度都有顯著增加。但也有研究表明，BMP釋放后在早期可以形成炎癥和骨吸收增強，使治療部位的骨折風險暫時性地增加[38-40]。Boerckel等[41]研究了明膠海綿和納米纖維網/藻酸鹽雜交的兩種呈遞系統對rhBMP-2介導的骨再生的影響，在相同劑量下發現后者的釋放速度更慢，骨再生的效果更好。這些研究都提示在局部對某些藥物的釋放進行控制和優化對其發揮療效具有重要作用，且釋放效果越慢，效果會更好。還有學者認為單一生長因子或簡單地將多種生長因子混合給藥時存在很多缺陷，因為骨修復過程是一個受多種生長因子影響的過程[42-43]。Wang等[44]利用左旋聚乳酸和PLGA制成殼-核微球，殼-核結構分別包含FGF-2和BMP-2，可以達到時序性釋放生物因子，顯著刺激骨再生。在局部時序性地釋放藥物，可能會達到更好的效果。作為局部治療的主要藥物，BMP雖然具有優秀的骨誘導作用，但仍然存在一定缺陷。Carragee等[45-46]和Aro等[47]的研究認為局部應用BMP有明顯的副作用，如局部腫脹、疼痛、增加傷口感染的風險，甚至增加患癌風險。而制藥企業資助的臨床研究沒有把BMP在脊柱融合中應用時產生的副作用進行報告[45]。

rhPTH(1-34)是臨床有效的骨形成促進劑，間歇皮下注射可促進成骨。近年來，對PTH局部療效的研究也受到學者的關注。Arrighi等[48]用纖維蛋白呈遞并緩釋PTH，在羊的長骨骨缺損模型中顯示出劑量依賴的成骨效果。除以上呈遞系統，水凝膠作為骨骼局部施用的載體也十分流行，水凝膠包括膠原、凝膠、聚乙二醇等材料。Jung等[49]用改良的聚乙二醇水凝膠搭載PTH，在美國獵狐犬的牙槽骨植入物周圍應用，12 w后PTH組比對照組骨再生明顯增強。

除了搭載蛋白制劑，也有學者利用RNA干擾技術，用siRNA對局部骨骼進行干預。由于siRNA在體內的半衰期非常短，全身使用非常困難，因此在局部應用siRNA是一個不錯的選擇[30]。Wang等[50]用PLGA微球搭載RANK siRNA，發現在體外可以有效降低RANK的表達，證明可以通過這種局部呈遞方法治療骨質疏松。Zhang等[51]通過水凝膠搭載siRNA，骨內注射后可以方便快捷地在局部沉默相關基因，提供了很好的研究模型和工具。其他靶向藥物如RANKL抑制劑、骨硬化蛋白抗體的局部應用研究還相對缺乏。

2.1.3他汀類藥物在局部治療骨質疏松中的潛力：1999年Mundy等[52]發現他汀類藥物可明顯增強成骨細胞BMP-2基因的表達并有顯著的成骨作用，引起了學者們的關注。因他汀是臨床上廣泛應用的降脂藥，是可能成功完成臨床轉化的潛力藥物，近年來對他汀類藥物的成骨效應及其機制是研究的熱點。Song等[53]研究發現辛伐他汀促進骨髓間充質干細胞的成骨分化，抑制成脂分化，還可選擇性上調骨組織中雌激素受體α(estrogen receptor-alpha，ER-α)的表達[54]。由于在目前治療高血脂所需劑量下，全身施用他汀類藥物預防骨質疏松癥的影響結論不一[55-57]，而局部施用他汀類藥物是一個有吸引力的解決方法。在不同的呈遞系統中，他汀都具有顯著的成骨作用。Fukui等[58]在大鼠股骨骨折處使用可生物降解的明膠呈遞辛伐他汀，可通過成骨和成血管促進骨折愈合；付鑫等[59]在小型豬椎體中先注射辛伐他汀水凝膠，然后雙側置入椎弓根螺釘，3個月后與對照組相比，椎弓根螺釘的最大拔出力顯著增加，骨密度、骨微結構也顯著改善。Tan等[60]在去卵巢小型豬椎體內單次注射載0.5 mg的辛伐他汀泊洛沙姆水凝膠，3個月后椎體的骨密度、骨微結構和強度顯著增加，提示使用具有緩釋藥物效果的呈遞系統，單次治療就能發揮長效作用。Cui等[61]利用聚乳酸制備含辛伐他汀的植入片，發現可通過動員和招募自體成骨干細胞而促進顱骨骨缺損的修復。除了強大的成骨作用，他汀還具有抗炎、抗菌、降脂等多效性作用，而且作為小分子藥物在制備和儲存上都比細胞因子方便，在臨床上已安全應用多年，因此局部應用的潛力也大大增加[24]。

2.2 植入物涂層呈遞藥物

發生骨質疏松性骨折后，如何進行有效的內固定是臨床面臨的一個重要難題。除植入物本身的材料特征和外科技術，植入物表面特征也會影響骨整合[62]。在植入物表面附加涂層，同時搭載合適的藥物可以顯著促進植入物周圍的骨整合，增加植入物的穩定性。實際上植入物涂層也使用上述的部分呈遞材料，只不過通過特殊方法將其制成涂層的形式，貼附于外科植入物，是呈遞材料的一種特殊形式，主要目的是增強植入物周圍的骨整合。

2.2.1羥基磷灰石涂層：羥基磷灰石(hydroxyapatite，HA)是脊椎動物骨骼和牙齒的主要組成成分，具有良好的生物相容性和骨傳導性，因此是最常用的涂層之一。Peter等[63]用這一方法將唑來膦酸附著于用等離子噴涂包被羥基磷灰石的鈦植入物上，用唑來磷酸處理過的植入物植入對照和OVX處理的大鼠股骨末端，3 w后假體周圍骨形成和拔除強度都有所增強。同樣的效果在羊、兔子和狗的模型中也得到驗證[64-66]。羥基磷灰石有多種包被方式，包括前述的等離子噴涂技術，還有濺射鍍膜、溶膠涂層和仿生涂層等方式[67-69]，其中仿生涂層最具吸引力，其方法簡單，更重要的是能在生理溫度下完成包被過程，多種生物分子如抗生素、激素、生長因子，甚至DNA都能成功包被且不會影響其生物活性[70-73]。Yu等[74]將PTH承載于仿生包被的羥基磷灰石鈦種植體上，28 d后種植體的骨整合性顯著增強，且與PTH的劑量呈正相關。Mustafa等[75-76]將BMP-2和VEGF搭載于仿生包被的羥基磷灰石鈦合金植入物上，在植入豬顱骨2 w后，骨密度顯著增加，且聯合搭載BMP-2和VEGF組的BMD比單獨搭載或對照組都要高。

2.2.2其他涂層：除了HA涂層，學者們對其他涂層是否能有效呈遞藥物也進行了研究。纖維蛋白涂層是一種有效的呈遞系統。Tengvall等[77]將纖維蛋白原包覆于不銹鋼螺釘上，并搭載雙膦酸鹽，2 w后螺絲從脛骨的拔出強度顯著增加。Roshan-Ghias等[78]用類似方法用纖維蛋白包被的螺釘搭載唑來膦酸植入兔股骨髁后，6 w時并無效果，但在11 w時顯示骨量和拔出強度均有所增加。聚丙交酯(也稱聚乳酸)是另外一種常用涂層，并可搭載生物制劑。Schmidmaier等[79]將聚D-L丙交酯(D-L lactide，PDLLA)涂層搭載IGF-1和TGF-β1，附于鈦植入物表面，植入體內后48 h內可釋放約50%的生長因子，并顯示可以促進骨折愈合。植入物相關感染和無菌性松動是造成內固定或關節假體失效的主要原因，因此在植入物表面進行抗感染修飾或加入抗菌藥物，可以增加內固定的穩定效果。Gulcu等[80]分別將慶大霉素和磷霉素加入PDLLA涂層，發現搭載慶大霉素可以預防植入物相關感染而磷霉素不行，可見在局部治療中呈遞材料和搭載藥物的選擇都是非常重要的。

3 結語

骨質疏松及其骨折的局部治療策略給臨床醫生提供了一種新的治療思路。實際上除了在局部應用藥物，低強度脈沖超聲(low intensity pulsed ultrasound，LIPUS)作為促進骨質疏松及骨折愈合的物理療法，因其無創的特點曾受到廣泛關注，進行了大量的研究，但其效果一直存在爭議[81]。遺憾的是2016年由Busse等[82]完成的一項大型多中心盲法隨機平行對照臨床試驗結果顯示，LIPUS并不能加速骨折的影像學愈合和患者的功能恢復。因此，藥物治療仍是未來很長一段時間的首選治療方法。當前，系統用藥是治療骨質疏松的主要方法，局部治療僅對系統治療起輔助作用。但局部治療能夠有效解決系統治療局部療效差、起效慢、全身副作用多、患者依從性差等缺點，因此具有不可忽視的發展潛力。另外，介入技術和手術機器人的快速發展對局部治療助力不少，這種變化雖然是潛移默化的，但最終很可能帶來革命性的變化。正如弓和箭的關系，只有藥物和給藥技術相互配合，才能發揮最大的治療效果。

雖然潛力巨大，局部藥物治療仍存在很多問題，如何延長局部治療的有效時間甚至可控治療時間是未來研究的重要方向[83]。目前骨誘導藥物和呈遞系統種類繁多，如何選擇最優骨誘導藥物和搭配呈遞系統也是很大的問題，而且臨床轉化效率十分低下。但分析當前系統藥物治療和局部藥物治療的優缺點，取長補短，聯合應用這兩種治療手段，是未來一段時間的研究及發展方向。隨著這個領域的發展，局部治療骨質疏松在將來也許能夠獨當一面。