鍶對骨生成的影響及其應用的研究進展

劉歡歡 綜述，張旭 審校

（天津醫科大學口腔醫院口腔內科教研室，天津300070）

鍶（Strontium，Sr）是人體的一種必需微量元素，是骨骼及牙齒的正常組成成分。體內外研究均表明鍶具有促進成骨細胞生成，刺激骨骼發育生長，抑制骨吸收過程，維持人體正常生理功能等作用[1]。臨床上不僅將鍶應用于骨質疏松或其它骨代謝疾病的藥物治療，還將鍶摻雜于組織工程領域的骨修復材料以修復骨腫瘤或外傷造成的骨缺損[2-3]。針對鍶的成骨機制與效應這一問題，研究學者們做出了大量的深入研究。本文現就鍶對骨生成的影響及其應用的研究進展作如下綜述。

1 鍶的性質及其體內代謝

1.1 鍶的性質 鍶是一種銀白色軟金屬，屬于堿土金屬族元素，在元素周期表中與鈣同族，鍶與鈣的元素性質相似。鍶是人體不可缺少的微量元素之一，生理功能主要是與骨骼形成密切相關，體內99%的鍶存在于骨骼中，骨化旺盛部位，鍶的聚集多，促進骨骼的發育生長。由于缺鈣引起抽搐癥時，血內鍶的量也減少，這說明鍶與鈣相似，影響神經肌肉的興奮過程[4]。此外，鍶與血管的結構及功能也相關，可能是鍶與鈉在腸內存在競爭性吸收，減少鈉的吸收，增加鈉的排泄，故可預防體內高鈉引起的心血管類疾病，改善心血管功能[5]。鍶的一些同位素（89Sr）具有放射性，因而鍶在疼痛治療中也發揮著重要作用[6]。

1.2 鍶的體內代謝 正常人全血鍶的含量為39μg/L，成年人每天攝入鍶2 mg就可滿足生理需要。人體主要通過食物及飲水攝取鍶，在胃腸道通過主動運輸和被動擴散兩種方式進入血液循環，還可通過皮膚及呼吸道進入體內。骨鍶與血鍶進行交換，保持動態平衡。鍶主要隨尿液排出體外，腎小管對鈣的重吸收快于對鍶的重吸收，腎排泄鍶的速率相對于鈣較大。由于幼兒的腎小管吸收功能尚未發育健全，故對鍶的排泄能力較于成年人弱。

2 鍶對骨生成的影響及其機制

2.1 鍶對骨髓間充質干細胞的作用 骨髓間充質干細胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）來源于中胚層的未分化的間充質細胞，存在于全身結締組織和器官間質中，骨髓中含量最為豐富。具有自我復制和橫向分化潛能，特定的誘導條件下可分化為骨、軟骨、神經、脂肪、肌肉等多種功能細胞，對軟骨、骨、脂肪、肌腱和骨髓基質等間質組織再生有重要作用。Li等[7]采用雷尼酸鍶培養鼠BMSCs，發現鍶能明顯抑制成骨細胞增殖，促進其分化，并具劑量依賴性。提高重要成骨蛋白堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）的表達，誘導 BMSCs表達成骨分化的啟動基因核結合因子（Cbfa1）基因和調節BMSCs向成骨細胞分化及成熟的關鍵轉錄因子Runx2基因，提高骨涎蛋白和骨鈣素的表達水平。Cbfa1基因編碼成骨細胞特異性轉錄因子，調節成骨細胞發育和分化。骨涎蛋白主要分布在礦化的膠原基質中，特異性地位于骨組織，調節骨組織的功能。骨鈣素是由成骨細胞合成并分泌的一種非膠原蛋白，骨鈣素的高低反映了成骨細胞的活性，反映骨形成與骨轉化的情況[8]。

2.2 鍶對成骨細胞的作用 在細胞水平上的機制：Almeida等[9]已通過體外培養前成骨細胞（MC3TE-E1）的實驗證明，鍶在濃度1～10 mmol范圍能有效增強前成骨細胞增殖能力和生存活性，加速成骨細胞表型的獲得。雷尼酸鍶與其它骨質疏松藥物比較，它能夠調節成骨細胞和破骨細胞活性以促進骨形成和預防骨吸收[10]。

在分子水平上的機制：實驗研究同時證明了鍶像鈣一樣激活成骨細胞和骨細胞中的鈣敏感受體，從而通過1,4,5-三磷酸肌醇釋放細胞內鈣，激活MAPK（Erk1/2）和鈣調神經磷酸酶，促進成骨細胞的增殖和分化。鍶通過激活鈣信號受體而激活了PI3K/Akt信號通路，使Wnt/β-連環蛋白信號級聯放大，加強了對RANKL/RANK骨吸收信號通路的調節作用。同時，鍶通過下調Wnt抑制劑硬骨素的作用，進一步增強了骨中β-連環蛋白信號傳導[11-12]。細胞內促成骨分子表達增多，促進成骨細胞成熟、分化，增加骨的形成。

2.3 鍶對破骨細胞的作用 在細胞水平上的機制：Bakker等[13]在研究雷尼酸鍶對MLO-Y4骨細胞的信號傳導過程的實驗中，已證明了鍶通過雙重機制發揮其對骨的作用，它能減少破骨細胞的骨吸收，刺激成骨細胞的骨形成。成骨細胞相關因子調控破骨細胞的功能、活化、成熟，因此鍶也能調控該過程。鍶增加成骨細胞向祖細胞的分化，刺激骨礦化基質的合成，直接作用于骨細胞，還通過減少破骨細胞分化從而直接影響未成熟的破骨祖細胞，增加成熟的破骨細胞的凋亡。

在分子水平上的機制：核轉錄因子κB受體活化因子配體（RANKL）-核轉錄因子κB受體活化因子-骨保護素（OPG）信號通路可調節骨吸收。RANKL與OPG結合，向破骨細胞前體內傳導信號，促進破骨細胞的分化、成熟[14]。Caudrillier等[15]研究表明鍶能降低RANKL表達，促進骨保護素產生，通過調控破骨細胞功能的信號途徑來減少破骨細胞的形成和骨吸收。

2.4 鍶促進血管化的機制 血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor,VEGF）是血管內皮細胞特異性的肝素結合生長因子，可在體內促進血管內皮細胞的有絲分裂誘導血管新生?；|金屬蛋白酶 2（matrix metalloproteinase,MMP-2）能影響內皮細胞和血管壁細胞的遷移，在促進毛細血管新生方面起著重要作用。Wang等[16]實驗證明摻鍶聚磷酸鈣相對于不摻鍶組的VEGF、MMP-2蛋白表達量更高，摻鍶聚磷酸鈣組支架相對于單一的聚磷酸鈣支架細胞增殖速率更高。鍶可通過環氧化酶-2促進前列腺素和內皮素-2的合成，而前列腺素和內皮素-2可上調VEGF的表達，因此鍶具有促血管化作用。Zhao等[17]將鍶摻雜微納米生物活性玻璃材料（Sr BGM）支架植入大鼠顱骨骨增加模型，研究體內早期促進成血管效果。研究結果表明，SrBGM具有調控巨噬細胞極化狀態從而促進血管化形成的作用，釋放的Si、Ca、P、Sr元素可以顯著增加巨噬細胞從M1型向M2型極化的趨勢，并促進抑炎相關細胞因子的表達，增強血管相關因子表達，促進巨噬細胞分泌PDGF-BB，進而有利于血管的形成和成熟[18]。

3 鍶的應用及其研究進展

3.1 抗骨質疏松治療 骨質疏松是多種原因引起的以骨組織顯微結構退化，骨礦化成分和骨基質等比例不斷減少，骨量減少為特征的代謝性骨病變。骨質疏松藥物治療是目前主要的治療方案，治療目標主要是：增加骨量，緩解骨痛，預防骨折發生。雷尼酸鍶主要用于治療和預防絕經后婦女的骨質疏松[19]。目前的藥理研究表明，鍶在骨細胞中激活多種信號傳導途徑來實現其藥理作用。鍶在破骨細胞或成骨細胞中激活鈣敏感受體導致磷脂酶Cβ，1，4，5-三磷酸肌醇，細胞內 Ca2+釋放和 MAPK(Erk1/2)和Wnt/NFATc信號通路活化。鍶介導的這些途徑的激活，促進成骨細胞增殖、分化[11，20]。

3.2 在骨組織工程中的應用

3.2.1 摻鍶羥基磷灰石 Sr2+在羥基磷灰石（Hydroxyapatite,HA）晶格中主要占據 Ca（I）位點，由于Sr2+（1.13?）的離子半徑大于Ca2+（0.99?），因此鍶取代羥基磷灰石與HA相比，在晶體結構和理化性質上發生了一定的改變，其中晶格常數，晶胞體積和密度線性增加。減少了晶體的缺陷，機械性能增強，材料的結晶性和溶解度發生改變，最終使得生物學性能增強[21]。摻鍶羥基磷灰石較單純羥基磷灰石有更好的生物相容性、生物降解性及骨誘導能力[22]。

3.2.2 摻鍶生物活性玻璃 臨床硬組織修復常用的磷酸鈣骨水泥具有良好的生物相容性，固化過程無放熱，但力學性能較低，生物降解率低。生物活性玻璃在生物體內的降解速率快，并以其作為載體摻鍶，有效提高了抗壓強度和孔隙率[23]。Newman等[24]結合鍶和生物活性玻璃的骨形成效應，評估其作為新的生物活性玻璃涂層的可能性，以增強植入物周圍的骨形成。鍶與生物活性玻璃的組合是將鍶的有益效果與生物活性玻璃溶解產物的骨刺激潛力相結合的方法。Naruphontjirakul等[25]研究摻鍶生物玻璃對成骨細胞影響的體外實驗表示，鍶改性生物活性玻璃具有良好的細胞相容性和細胞活性，可促進成骨細胞增殖，提高其安全性及可用性。

3.2.3 摻鍶聚磷酸鈣 骨組織工程應用的理想的骨組織支架材料需要具備良好的生物活性，適當的降解速率，可誘導骨內新血管的生成等條件。Xie等[26]模擬體內情況，評估了摻鍶聚磷酸鈣支架的體內生物降解性，生物相容性和成骨性，使用兔大腿骨缺損模型來證明其作為骨替代物的潛在應用。與Wang等[27]關于摻鍶聚磷酸鈣促進血管內皮細胞生長因子mRNA表達的體外實驗研究結果一致，證實了摻鍶聚磷酸鈣不僅具有良好的生物相容性、可降解性，促進骨生成，還能明顯上調成骨細胞血管化因子VEGF、MMP2 mRNA的表達，具有誘導新生血管生成作用。對為組織工程植入材料的血管化難題提供了解決途徑。

3.2.4 摻鍶硫酸鈣 硫酸鈣材料具有良好的生物相容性，但在生物體內的降解速率相對較快，不建議單獨使用。Yang等[28]建立大鼠顱骨臨界缺損模型，使用摻鍶硫酸鈣水泥進行修復，通過Micro-CT和組織學分析證實了摻鍶硫酸鈣水泥具有優越的骨誘導活性，能顯著促進成骨細胞的增殖，刺激新骨生成，并抑制破骨細胞活性，減少骨吸收。不僅可提高生物活性和生物相容性，還能刺激臨界尺寸缺損的骨再生和血管生成，有望成為骨組織缺損修復材料之一。

3.2.5 納米鍶磷灰石復合纖維多孔鈦微球 摻鍶羥基磷灰石相對于純羥基磷灰石具有更好的生物相容性和成骨性，應用納米技術構建納米鍶磷灰石復合纖維多孔鈦微球，具有更優異的結構和功能特性。Lin等[29]通過水熱法合成了鍶磷灰石多孔鈦微球，諸多微孔有利于血管形成和骨骼生長，納米大小微球性能穩定，可降解，組織相容性優異。多孔微球的離子提取物促進成骨分化和血管生成因子的表達，3.22 mol% Sr替代的微球在一個再生領域中具有最佳的潛在治療應用價值。此外，鍶磷灰石多孔鈦微球的新型3D結構抑制了較高的載藥量和持續的藥物釋放性能，適合用作骨再生和藥物遞送應用中的新生物活性材料。

3.2.6 摻鍶凍干骨 同種異體凍干骨在臨床上廣泛用于骨缺損的充填修復和骨重建等，凍干的同種異體骨具有合理的三維結構，并富含生物活性成分[30]。摻入具有成骨效應的鍶元素形成一種新型的摻鍶凍干骨材料，可有效改善骨缺損的修復效果。Zhao等[31]使用體外離子交換方法將鍶摻入冷凍干燥的骨支架中制備了高度生物活性的支架材料，實驗結果說明鍶摻入改善了HA的機械性能和溶解性，具備有益的生物活性和細胞相容性，有效提高了骨形成率，摻鍶凍干骨材料是治療骨缺損的安全且更有效的材料。

4 小結

組織工程是近年生物醫學研究的熱點，鍶優異的理化和生物性能使其能夠在骨組織工程領域發揮重要作用，解決了骨組織工程支架材料存在的一系列難題。摻鍶生物材料提高了力學及生物學性能，促進血管化生成。雖然鍶對骨生成的促進作用已得到證實,目前也有許多國內外學者對鍶在細胞及分子水平的作用機制提出了各種見解，但其具體機制和臨床應用的遠期療效仍需進一步研究。隨著骨組織工程材料的進一步發展，以及鍶對骨生成影響的深入研究,摻鍶復合材料將是骨組織工程領域值得關注和亟待開發的研究熱點。