鍶成骨機制的研究進展

鐘寧瑩 王麗萍

1.廣州醫(yī)科大學附屬口腔醫(yī)院 廣州口腔疾病研究所 口腔醫(yī)學重點實驗室，廣州 510140；

2.南方醫(yī)科大學順德醫(yī)院（佛山市順德區(qū)第一人民醫(yī)院）口腔醫(yī)學中心，佛山 528308

鍶是一種親骨性元素，能通過鈣離子受體介導一系列成骨相關通路，誘導骨基質(zhì)的形成，增加骨基質(zhì)含量，同時抑制破骨細胞的破骨吸收，減少骨吸收。近年來對鍶成骨機制及效果的研究在不斷深入，本文將對鍶相關成骨相關研究進行綜述。

1 鍶的性質(zhì)及其代謝特點

鍶元素在周期表中位于第4周期、第ⅡA族，銀白色堿土金屬，自然界以化合物形式存在。鍶在人體內(nèi)以Sr2+存在，含量約320 g，99%存在人體硬組織骨骼在和牙齒中，剩余0.7%存在于細胞外液。鍶主要經(jīng)胃腸道吸收，少部分經(jīng)皮膚、肺吸收；大部分由腎臟代謝，最終隨尿液排出體外，小部分由胃腸排除[1]。鍶可沉積到骨密質(zhì)及骨小梁中，由于骨小梁改建較骨密質(zhì)頻繁，其在骨松質(zhì)的分布高于骨密質(zhì)，鍶在股骨、腰椎骨和髂嵴分布較多[2-3]。鍶滲入骨組織有2種方式：一種是鍶離子通過與鈣離子交換滲入骨礦結晶的晶格表面，這種形式占據(jù)骨鍶的大部分；另一小部分鍶離子取代骨礦晶體羥磷灰石中的鈣[3]。骨組織中鍶的清除分為2個階段：第一階段是鍶的初始清除期，快速清除結晶表面的鍶；第二階段是慢性清除期，緩慢清除滲入骨礦結晶中的鍶[4]。血液中鍶濃度正常范圍是10.57～12.23 mg·L-1[5]，過量鍶會干擾鈣的吸收與代謝，甚至替代骨組織中的鈣，鍶比鈣更易從骨組織中游離，因此當人體內(nèi)鍶含量較高時，會引起骨質(zhì)疏松、骨畸形[1,6]，腎功能不全的患者易引起體內(nèi)鍶的蓄積，形成高血鍶導致不良后果[7]。

2 鍶的成骨效應和機制

2.1 成骨細胞

研究[8]表明，鍶能延長成骨細胞的存活時間，促進成骨細胞早期黏附、增殖、分化和基質(zhì)的礦化。鍶能通過整合素α2、整合素β1、黏著斑激酶及細胞外信號調(diào)節(jié)激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）2信號傳導途徑，有效促進成骨細胞的早期黏附[9]。同時可以通過鈣離子敏感受體（calciumsensing receptor，CaSR）促進成骨細胞分化過程中骨橋蛋白（osteopontin，OPN）、堿性磷酸酶（alkaline phosphatase protein，ALP）、骨唾液酸糖蛋白（bonesialoprotein，BSP）、唾液蛋白、骨鈣素（osteocalcin，OCN）表達的增加，促進成骨細胞分泌膠原蛋白。鍶也可與基質(zhì)結合，加速成骨細胞成熟及礦化[10-11]。此外，鍶還可促進前成骨細胞增殖，提高細胞活性和成骨分化相關基因OPN、OCN及纖維黏連蛋白的表達，促進前成骨細胞向成骨細胞成熟分化，但是鍶促進成骨細胞的增殖和分化具有顯著的劑量依賴關系，超過最優(yōu)濃度范圍時，其促進作用下降，在一定閾值后甚至會出現(xiàn)毒性抑制作用[12-13]。而將適量鍶摻雜在生物材料中，也能夠促進前成骨細胞MC3T3-E1細胞的ALP活性、Ⅰ型膠原和礦物結節(jié)形成[14]。

2.2 破骨細胞

研究[15]表明，鍶可以促進破骨細胞凋亡并抑制其增殖、分化從而減少骨的吸收。Bonnelye等[11]研究表明，鍶能夠降低破骨細胞的功能活性，減緩破骨細胞成熟分化，可以通過破壞肌動蛋白封閉區(qū)來抑制破骨細胞的黏附和增殖能力。鍶能夠通過激活蛋白激酶C-βⅡ促進破骨細胞凋亡從而降低骨吸收，并呈現(xiàn)出劑量依賴性，抑制前破骨細胞的分化，從而影響骨的吸收[16]。抗酒石酸酸性磷酸酶（tartrate resistant acid phosphatase，TRACP）多存在于破骨細胞胞質(zhì)中，為骨吸收的良好標志物，鍶可過抑制TRACP5b基因的表達，降低TRACP活性，從而增強成骨細胞的代謝活性[17-18]。Caudrillier等[19]研究表明，鍶通過介導鈣離子受體作用，降低破骨細胞TRACP的活性。鍶在破骨細胞分化早期能夠通過抑制胞漿的核因子（nuclear factor，NF）-κB，激活蛋白1轉(zhuǎn)移至細胞核從而抑制NF-κB受體激動劑配體（receptor activator of NF-κB ligand，RANKL）誘導的破骨細胞分化。

2.3 干細胞

干細胞具有多向分化的能力，可分化成軟骨細胞、成骨細胞、脂肪細胞等[20]。過氧化物酶增殖體活化受體（peroxisome proliferative activated receptor，PPAR）γ2和骨特異性轉(zhuǎn)錄因子（runt-related transcription factor，Runx）2是調(diào)控骨髓間充質(zhì)干細胞向成骨分化還是成脂分化的關鍵基因，Runx2表達增加和PPARγ2表達降低，會使骨髓間充質(zhì)干細胞向成骨分化；Runx2表達降低和PPARγ2表達升高，則會促進骨髓間充質(zhì)干細胞向成脂分化[21]。研究[22-23]表明，鍶可以抑制骨髓間充干細胞脂質(zhì)沉積基因PPARγ2、CCAAT增強子結合蛋白α、脂肪細胞脂質(zhì)結合蛋白2和脂蛋白脂肪酶表達，并促進成骨基因Runx2、ALP、BSP和OCN的表達，從而抑制骨髓間充質(zhì)干細胞的增殖和向脂肪細胞分化，進而定向誘導骨髓間充質(zhì)干細胞的成骨細胞分化。鍶除了提高骨髓間充質(zhì)干細胞促進成骨基因Runx2、ALP、OPN和OCN的表達之外，還促進了成骨分化，同時可促進血管生成生長因子和血小板源生長因子BB蛋白的分泌，招募內(nèi)皮細胞，促進血管形成[23-24]。

2.4 巨噬細胞

宿主免疫應答在移植中起著重要作用，巨噬細胞是宿主免疫應答的第一道線。巨噬細胞是調(diào)控宿主免疫和炎癥反應的重要細胞，可以調(diào)控巨噬細胞在材料表面的黏附、激活、融合、凋亡等行為，以及材料在動物體內(nèi)引發(fā)的宿主反應，所以巨噬細胞在成骨是組織工程中具有重要地位，因此有學者提出組織“骨免疫”的概念[25]。張文等[26]將鍶摻雜到生物玻璃中，研究其骨免疫作用。巨噬細胞可分M1型和M2型，M2型巨噬細胞可以促進骨組織修復，M1型巨噬細胞生產(chǎn)促炎介質(zhì)促進破骨分化分化，M2型巨噬細胞會分泌抗炎細胞因子和與傷口愈合有關，促進新骨形成[27]。摻雜鍶的生物玻璃能促進巨噬細胞向M2型轉(zhuǎn)換，減少促炎性細胞因子白細胞介素（interleukin，IL）-6、IL-1β和誘導型一氧化氮合酶的釋放，增加抗炎基因IL-1受體拮抗劑和精氨酸酶的釋放，促進間充質(zhì)干細胞的成骨作用[28]。并且Zhu等[29]也證實，鍶可以抑制巨噬細胞促炎因子腫瘤壞死因子-α、IL-6、IL-1β的表達，減少巨噬細胞向破骨細胞分化，減少破骨細胞數(shù)量，從而促進新骨形成，促進成骨。

此外，鍶可促進成牙髓干細胞的增殖和成牙本質(zhì)基因——牙本質(zhì)磷蛋白、牙本質(zhì)基質(zhì)蛋白1和ALP的表達，從而促進牙髓干細胞增殖成牙本質(zhì)，并促進其基質(zhì)礦化[30]。鍶還可以促進人乳牙脫落細胞增殖、分化，抑制成牙骨質(zhì)細胞的增殖，促進成牙骨質(zhì)細胞成牙骨質(zhì)分化[31-32]。Qin等[33]將牙髓干細胞分別和羥磷灰石支架、磷酸鈣支架、1%鍶摻雜磷酸鈣支架共培養(yǎng)后，檢查細胞增殖和血管內(nèi)皮生長因子、堿性成纖維細胞生長因子基因的表達，結果顯示，加入鍶摻雜的支架后，明顯增加了乳牙干細胞的增殖和成血管基因血管內(nèi)皮生長因子、堿性成纖維細胞生長因子的表達。

3 鍶作用相關信號通路

3.1 NF-κB受體激動劑/RANKL/骨保護素信號途徑

NF-κB受體激動劑（receptor activator of NF-κB，RANK）/RANKL/骨保護素（osteoprotegerin，OPG）信號途徑在破骨細胞的發(fā)生、活化、分化和凋亡起到重要的調(diào)控作用[34]。RANKL存在骨髓干細胞、成骨細胞、軟骨細胞、及淋巴細胞中，具有促進破骨細胞成熟分化的作用；NF-κB是RANKL的受體，RANK與RANKL的結合能促進破骨細胞增殖、激活破骨細胞的破骨分化，進而增強骨吸收作用；OPG是由成骨細胞和干細胞分泌的一種分泌型糖蛋白，OPG可以競爭性的與RANK結合，進而抑制破骨細胞活性、降低破骨細胞分化和增加骨密度[35]。鍶最先和細胞的鈣敏感受體結合，然后誘導成骨細胞和間充質(zhì)干細胞OPG mRNA的分泌增加，同時可降低RANKL mRNA濃度，OPG與RANKL的結合增多，抑制破骨前體細胞RANK與RANKL結合的作用，削弱RANK對破骨前體細胞的活化作用，進而抑制破骨細胞的活性，成熟分化，從而減少骨吸收[36-37]，并且同時Zhu等[29]研究表明，鍶能夠減少巨噬細胞的RANK的表達，從而減少巨噬細胞向破骨細胞破骨分化的相關基因組織蛋白酶、基質(zhì)金屬蛋白酶9、TRACP、骨痂組織降鈣素受體、活化T細胞核因子c1（nuclear factor of activated T cells cytoplasmic 1，NFATc1）和c-fos表達減少破骨細胞數(shù)量，進而減少骨組織的吸收。Stuss等[38]研究表明，骨質(zhì)疏松患者每天口服雷奈酸鍶2 g，6個月后血清的OPG和RANKL蛋白明顯表達增加，骨密度也有所增加。

3.2 Wnt信號途徑

Wnt信號通路貫穿著人類生命活動的一生，從胚胎發(fā)育到骨的發(fā)育和穩(wěn)態(tài)過程中均扮演著重要角色[39]。β-連環(huán)蛋白在Wnt信號通路中占據(jù)重要作用，根據(jù)是否有連環(huán)蛋白基因的參與可以將Wnt分為經(jīng)典的Wnt信號通路和非經(jīng)典Wnt信號通路[40]。在經(jīng)典途徑中，鍶可通過激活鈣離子受體作用，促進Wnt3a和活化T細胞因子的表達，促進β-連環(huán)蛋白核轉(zhuǎn)移以及相關成骨基因Runx2、ALP及Ⅰ型膠原酶的表達，同時抑制糖原合成激酶、經(jīng)典的Wnt信號通路拮抗劑硬化蛋白表達，從而促進成骨細胞的增殖分化[40]；在非經(jīng)典途徑中，鍶可在不依賴β-連環(huán)蛋白情況下，通過Wnt5a蛋白-Ryk跨膜蛋白-Rho小G蛋白信號增加的表達，促進成骨細胞的增殖和分化[41-42]。Fromigué等[43]研究也表明，加入Wnt通路拮抗劑后，鍶將不能誘導的成骨分化基因Runx2、ALP和Ⅰ型膠原的表達增加。

3.3 大鼠肉瘤蛋白/絲裂原活化蛋白激酶與磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B通路

大鼠肉瘤蛋白（rat sarcomaviral oncogene，Ras）/絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）與磷脂酰肌醇3-激酶（phosphoinositol 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）信號通路在調(diào)控細胞凋亡、增殖、分化、代謝及血管生成有重要作用，它們功能十分類似，并且可相互影響[44]。鍶可激活成骨標志物Ras，Ras又是MAPK和Akt上游調(diào)控因子[44]。Ras與三磷酸鳥苷結合后被激活，使Raf與細胞膜結合并募集在此，進而使裂原活化蛋白激酶激酶（mitoge-activated protein kinase kinase，MEK）、MAPK依次被磷酸化激活，磷酸化的MAPK可通過活化轉(zhuǎn)錄因子和蛋白激酶調(diào)控細胞的各種生理過程[43]。鍶可激活Ras，從而增強骨髓間充質(zhì)干細胞絲裂原對MAPK的活化作用，通過增加ERK1/2和p38的磷酸化，激活下游轉(zhuǎn)錄因子Runx2的表達，促進間充質(zhì)干細胞成骨分化[45]。Okita等[46]研究表明，鍶可通過鈣離子受體激活ERK1/2通路，定向誘導成軟骨分化基因Ⅱ型膠原蛋白α1鏈mRNA的表達增加，促進去分化脂肪細胞成軟骨分化。王仁峰[47]將PI3K特異性抑制劑抑制PI3K活性后發(fā)現(xiàn)，鍶促進成骨分化作用明顯被抑制，進一步證實了鍶通過PI3K/Akt信號通路促進成骨。鍶在低劑量可通過增加ERK1/2磷酸化和激活β-連環(huán)蛋白，來降低晚期糖基化終末產(chǎn)物的積累，增加骨骼的強度，減少骨折的發(fā)生；但高劑量的鍶（1 000～3 000 μmol·L-1）卻通過激活ERK1/2促進人脂肪干細胞凋亡，不利于成骨[24,48]。此外，鍶還能夠通過組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶激活ERK，進而促進成骨細胞分化[49]。

3.4 Smad通路

Smad蛋白是轉(zhuǎn)化生長因子（transforming growth factor，TGF）-β下游的信號蛋白分子，將TGF-β信號從細胞外轉(zhuǎn)導到細胞核內(nèi)，在調(diào)節(jié)細胞增殖、分化、遷移、凋亡中具有重要作用，是TGF-β信號轉(zhuǎn)導通路的始動因子[50]。骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）是TGF-β1超家族的一員，包括BMP2、BMP4和BMP7等，BMP2/Smad通路是成骨細胞形成的重要通路，BMP2是促進骨形成和誘導成骨細胞分化最重要的細胞外信號分子之一。呂輝珍等[51]研究表明，鍶可通過上調(diào)TGF-β1表達，進而促進磷酸化Smad2、Runx2和ALP活性表達，促進鈣結節(jié)形成，從而促進骨髓間充質(zhì)干細胞向成骨細胞分化。TGF-β1的拮抗劑可抑制鍶對Runx2、ALP的上調(diào)，減少礦化結節(jié)的生長。李正等[52]發(fā)現(xiàn)，鍶可濃度依賴性地增加ALP活性，明顯促進鈣結節(jié)的表達。這表明，BMP/Smad通路參與了鍶對骨髓間充質(zhì)干細胞成骨分化的促進調(diào)節(jié)過程，BMP-7阻斷劑可抑制鍶誘導的BMP-7表達，降低ALP活性及減少鈣結節(jié)的礦化，由此可見，BMP-2/Smad通路參與了鍶對骨髓間充質(zhì)干細胞成骨分化的促進調(diào)節(jié)過程。然而Zhang等[53]發(fā)現(xiàn)，Sr2+會與外源人重組骨形態(tài)發(fā)生蛋白（recombinant human bone morphogenetic protein，rhBMP）-2快速結合，形成Sr-rhBMP-2復合體，使rhBMP-2發(fā)生β折疊增加，從而抑制Smad1/5/8信號轉(zhuǎn)導通路，進而抑制rhBMP-2誘導的ALP活性和下調(diào)骨相關蛋白（ALP、Ⅰ型膠原，骨鈣素和Runx2）在mRNA和蛋白質(zhì)水平的表達，并且在體內(nèi)實驗也證實了，含Sr-rhBMP-2的明膠海綿比僅含rhBMP-2的明膠海綿成骨效果差。這提示，鍶可以通過Smad信號通路促進成骨分化，但是鍶聯(lián)合外源性的生長因子一起應用時，應當注意其含量，避免高濃度鍶離子可能造成的不良影響。

3.5 Hedgehog/膠質(zhì)瘤相關癌基因蛋白1通路

Hedgehog是一種分節(jié)極性基因，因突變的果蠅胚胎呈多毛團狀，酷似受驚刺猬而得名。膠質(zhì)瘤相關癌基因蛋白（glioma oncogene protein，Gli）1是編碼一個鋅指蛋白Kruppel家族的成員。Hedgehog/Gli1通路在脊椎動物骨骼系統(tǒng)的形成和發(fā)育中具有重要的調(diào)節(jié)作用[54]。胡潔芬等[55]實驗表明，鍶能夠上調(diào)細胞內(nèi)的Gli1蛋白，從而對ALP活性及鈣化結節(jié)形成具有促進作用，Hedgehog受體拮抗劑能拮抗鍶對Gli1蛋白表達的上調(diào)作用，Gli1小干擾RNA可下調(diào)Runx表達，降低ALP活性，減少鈣結節(jié)形成，抑制骨髓間充質(zhì)干細胞向成骨分化的過程。由此可見，Hedgehog/Gli通路可能是鍶促進成骨分化的潛在機制。

3.6 成纖維細胞生長因子受體通路

鍶通過鈣敏感受體介導除了明顯增加磷脂酶、嵌膜銜接蛋白、絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶、ERK和絲分裂原激活蛋白激酶活化外，鍶還會通過鈣敏感受體激活成纖維細胞生長因子受體（fibroblast growth factor receptor，F(xiàn)GFR），進而促進成骨細胞的增殖，而FGFR特異性抑制劑能夠阻斷鍶對成骨細胞的生長作用，并且FGFR的其他陽離子如鈣、鋁，同樣可以促進FGFR介導成骨細胞的增殖， FGFR可能是鍶促進成骨細胞增殖的通路之一[56]。

3.7 NFATc1通路

NFATc1信號通路可以調(diào)控骨的形成、成骨分化和改建[57]。鍶可以激活鈣依賴磷酸酶促進NFATc1核轉(zhuǎn)移的增加，通過NFATc1/Wnt信號通路促進成骨細胞的表型標記物Runx2、ALP、Ⅰ型膠原表達的增加，促進成骨細胞增殖、分化，抑制細胞凋亡[58-59]。

3.8 其他

此外，鍶促進成骨的機制還跟前列腺素、IL-1β、腫瘤壞死因子-α、一氧化氮、血清胰島素樣生長因子-1等有關。鍶可以誘導環(huán)氧化酶-2、前列腺素和一氧化氮表達增加，促進干細胞分化成為成骨細胞[60-61]。口服雷奈酸鍶6個月后，血清中的胰島素樣生長因子-1表達明顯增加[62]。服用雷奈酸鍶后，可降低發(fā)炎的關節(jié)炎癥因子IL-1β、TNFα的釋放，減輕炎癥反應[63]。

4 展望

鍶在細胞及分子水平的作用機制及作用效果正被廣泛研究，但其作用機制十分復雜，目前尚不明確。在細胞水平上：鍶可促進干細胞成骨分化，促進成骨細胞的復制及分化，抑制破骨細胞破骨分化進而影響骨的代謝；在分子水平上：鍶可通RANK/RANKL/OPG信號通路Wnt信號通及Smad信號通路等多種信號通路影響骨的代謝。鍶在醫(yī)學中有著應用的廣泛，它可治療骨質(zhì)疏松，降低骨質(zhì)疏松患者骨折的風險，鍶骨替代材料在組織工程的應用也越來越被認可。然而鍶在體內(nèi)各種通路是否有聯(lián)系、如何聯(lián)系、各種細胞間的相關作用、鍶骨替代材料如何同時實現(xiàn)成骨成血管化，以及支架材料是否能促進骨質(zhì)疏松患者的局部成骨等有關問題仍需進一步研究。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。