环氧化酶-2对骨折愈合的影响研究进展

张先启，刘亚军，官建中

20世纪70年代，随着前列腺素(PG)在炎症、发热和疼痛等过程中研究的不断深入，英国Vane等学者发现了阿司匹林等非甾体类抗炎药(NSALDs)是通过抑制前列腺素(PG)生成过程中的限速酶——环氧合酶(cyclooxygenase)而发挥作用的。20世纪90年代，基因表达证实两种COX存在，其中COX－2对骨折愈合影响较明显。

1 环氧化酶(COX-2)［1］

人类COX-2的基因位于1号染色体的1q25.2～q25.3，全长8.3kb，它有10个外显子和9个内含子组成，编码604个氨基酸组成多肽。环氧化酶-1(COX-1)和环氧化酶-2(COX-2)两种同分异构体，COX-1是维持机体正常生理功能的管家基因，在胃肠道的保护、维持肝肾功能及凝血机制等方面起重要作用;COX-2是一种诱导型酶，在正常生理状态下多数组织内不表达，只有在细胞因子、内毒素、白细胞介素-1(IL-1)及癌基因等因素的刺激下才能在某些细胞内迅速产生，活化COX-2可以催化花生四烯酸产生前列腺素H2(PGH2)，COX-2是这一过程的限速酶，而PGH2并不稳定，可以转化为几种活性分子如:前列腺素E2(PGE2)、前列环素(PGI2)和血栓素(TXA)等［2］，COX-2的生物学功能是通过这几种活性分子实现的。其中研究较多的是COX-2主要与肿瘤血管形成有密切关系。COX-1与COX-2具有61%的同源性，但表达出蛋白有明显差异。COX-2主要分布于细胞核膜上，其主要调控转录水平，诱导表达因素包括癌基因、IL-1、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和转化生长因子等，而地塞米松等消炎药物可抑制其表达［3］。

2 环氧化酶(COX-2)对骨折愈合影响机制

2.1 影响骨折愈合生理病理机制 骨折愈合过程中，破骨细胞与成骨细胞的动态平衡是维持骨骼完整性的关键因素，成骨细胞是一种对机械应力较敏感的细胞，通过调节破骨细胞的分化成熟，并且参与骨吸收。在对破骨细胞的调节中，骨保护素(osteoprotegerin，OPG)及骨保护素配体(OPGL)等系统起关键作用［4］。研究表明COX-2是一种酶，可以将花生四烯酸(AA)酶化成前列腺素E2(PGE2)，后者在炎症反应和疼痛方面起重要作用。同时COX-2在骨骼重建、骨质吸收、骨折愈合以及成骨细胞力学信号转导等过程中起重要作用，机械牵拉等机械因素刺激能引起成骨细胞COX-2 mRNA基因高水平表达，进而导致前列腺素(PG)产生增加，激活成骨细胞内多条信号转导通路。

2.2 国内外基础实验影响骨折愈合相关机制 国外多项基因研究证实COX2蛋白和分子机制的基因疗法:加速骨折愈合相关的研究已在老鼠胫骨骨折模型中实施。Zhang等［5］报道在小鼠体内敲除COX-2基因，观察到小鼠骨折处间充质细胞的持续不分化和成骨细胞的低生成，并最终导致较高概率的骨折不愈合及延迟骨折愈合。而对照组COX-1基因敲除的小鼠骨折不愈合情况较少。随后他们分别对COX-2基因敲除的小鼠骨髓基质细胞进行培养并观察成骨细胞情况，结果提示COX-2缺失的小鼠骨结节生成较对照组减少了约50%，然后加入外源性PGE2后，骨结节生成减少得到恢复。研究表明，由于COX-2基因的缺失，阻碍了间充质干细胞的募集与分化成为成骨细胞，从而阻碍了膜内化骨和软骨内化骨。Kellinsalmi等［6］研究发现，选择性COX-2抑制剂抑制干细胞向成骨细胞和破骨细胞的分化，也能够促进人骨髓间充质干细胞向脂肪细胞的分化，但这一现象并没有作出合理的解释。Chikazu等［7］研究小鼠颅面骨折后COX-2在骨修复中的情况，从形态学、组织学以及计算机三维重建上结果表明COX-2在颅骨骨折修复中发挥着重要作用，且实验对照组使用非甾体抗炎，结果证实颅骨软骨组织形成明显快于对照组，并提出非甾体抗炎等药物可能干扰骨折软骨的修复。

国内翁春辉等［8］研究低强度脉冲超声对兔下颌骨骨折愈合COX-2表达的影响，结果发现COX-2在骨骼重建、骨质吸收及成骨细胞等力学信号转导等过程中起重要作用。COX-2的表达促进骨折愈合，成骨细胞是一种对机械应力敏感的细胞，机械应力可诱导成骨细胞大量合成COX-2并通过催生的PGE2及其第二信使 cAMP对骨折愈合进行正向调控。因此并提出诱导成骨细胞大量合成COX-2并通过催生成PGE2，作用于成骨细胞生物效应的信号通路而促进骨折愈合。

3 COX-2对细胞的增殖及新生血管的增生起重要作用

3.1 环氧化酶与新生血管增生相关机制 目前国内外COX-2研究主要是致癌机制，认为COX-2可促进细胞的增殖、抑制细胞凋亡、促进血管生成等机制。血管生成取决于作用相反的促进血管生成因子和血管生成抑制因子的动态平衡。COX-2可诱导血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)与碱性成纤维生长因子(basic fibroblast growth factor，BFGF)等［9］，从而促进血管生成、骨膜覆盖及血肿无菌性炎症等反应，加速骨折愈合及降低骨折不愈合率。其中VEGF是一种相对分子质量为48000u，具有自分泌与旁分泌作用的同源二聚体糖蛋白，是目前发现最强的促血管生成因子。研究表明COX-2与VEGF成正相关，且表达位置较一致。Masferrer等［10］通过实验研究证实了COX-2高表达可以促进VEGF生成及血管内皮细胞的迁移，COX-2有促进新生血管形成的作用，而COX-1与新生血管生成无明显统计学意义。实验研究大鼠胫骨骨折后大鼠体内COX-2高表达促进骨折愈合主要表现在在骨折内软骨形成的速度以及周围软组织新生血管生成增加，骨折后体内炎性组织反应导致体内COX-2迅速提高，加速骨折愈合。同时Williams［11］利用遗传学和药理学的研究方法发现，COX-2特异性抑制剂可使大鼠胶质瘤模型产生VEGF的潜能降低94%;并且使用选择性COX-2抑制剂治疗野生型纤维母细胞瘤的实验组，其VEGF生成减少92%，初步证明了 COX-2可能通过影响VEGF的合成来调节血管生成。肿瘤的生长及转移依主要依赖于新生血管的支持，若无血管供给氧和营养物质，肿瘤直径不会＞2mm［12］。一旦新生血管长入肿瘤组织，肿瘤细胞迅速生长，容易侵入血管发生远处转移。肿瘤细胞中COX-2的过度表达与新生血管的形成密切相关。COX-2可能通过以下3个关键途径促进新生血管生成［13］:(1)调节VEGF合成和VEGF生理功能的发挥;(2)调控内皮细胞移行;(3)抑制内皮细胞凋亡。

3.2 环氧化酶与临床相关癌症研究相关进展 国内外研究者已应用多种方法检测相关癌症患者体征中COX-2蛋白或基因的表达，并结合病理、临床及随访资料进行分析，发现COX-2高表达与癌症的一些恶性特征有关。同时COX-2的高表达，且与肿瘤的淋巴结转移和临床分期，尤其是临床分期显著相关。显示COX-2高表达的患者预后较差。同时发现COX-2高表达的患者比低表达患者的生存期短，可以认为，COX-2表达对于未接受化放疗及内分泌治疗的患者是一个有意义的预测指标。国外学者运用多因素生存分析显示COX-2不是癌症患者的独立预后因素，它与参与肿瘤生成发展的各种因子相互影响、共同作用，同时证实COX-2与血管形成在肿瘤生长、浸润、转移中起关键作用，它受到一系列促进和抑制因子的调节，其中最重要的促进因子之一是肿瘤细胞在生长过程中分泌的VEGF。

4 COX-2抑制剂等相关镇痛药物在骨折患者使用相关分析

非甾体类抗炎药是全球最常用的药物之一。新上市的第二代COX-2抑制剂可产生显著的消炎和镇痛作用，COX-2是与疼痛及炎症有关的COX同工酶。大量的研究和临床应用证明，新一代的非甾体类抗炎药，高选择性COX-2抑制剂具有镇痛和抗炎作用，相当于或优于传统非甾体类抗炎药，减少胃肠道不良事件的发生率。国内外通过不同动物(如大鼠、兔等)和体外的报道研究，证明骨折的愈合及愈合率与非甾体抗炎药使用有关［14］。Naik等［15］将雄性 Wistar大鼠的左侧胫骨骨折建模，不同药物干预，21d处死进行组织形态学等计量分析，结果表明:长期使用双氯酚酸钠的干预组虽然达到了骨折愈合，但骨痂生成延缓、软骨数量增多、成熟骨组织减少，明显延缓了骨折愈合的时间。Bergenstock等［16］在药物对SD大鼠骨折愈合影响的研究中，证实塞来昔布组骨折不愈合率约26%，部分愈合率约53%，完全愈合率约21%;而对照组中没有骨折不愈合，部分愈合率约27%，完全愈合率约73%。研究同样证明COX-2特异性抑制剂能明显增加骨折不愈合及骨折不愈合率的发生率。动物实验结果在临床也得到证实:Bhattacharyya等［17］分析了老年人群中肱骨干骨折不愈合与使用NSALD之间的关系，发现骨折后90d内应用NSALD会明显增加骨折不愈合的可能性。Boursinos等［18］回顾了过去50年关于对非甾体类抗炎药和选择性COX-2抑制剂对骨折愈合的影响和其使用的临床意义，证实非甾体类抗炎药，特别是选择性COX-2抑制剂在术后镇痛方面大幅减少阿片类药物的需要，但COX-2抑制剂的大量使用导致骨折愈合及不愈合率增加，并提出主要可能是时间和剂量依赖性，持续时间较短，可能不超过10d，但长期使用COX-2抑制剂可能导致骨折愈合及不愈合率增加。国内张超和董英海［19］总结最近相关文献并提出NSAID对骨折愈合的影响主要表现在延缓骨折愈合时间、增加骨折不愈合率及降低骨折愈合的强度，并提出骨折愈合过程中NSAID的合理应用需正确把握用药时间和剂量、及时停药及治疗异位骨化。

综上所述，虽然实验及临床应用证实COX-2在软组织修复和软骨形成过程中起重要作用，但目前文献对COX-2抑制剂是否影响骨折愈合有着不同观点，实践上目前缺乏长期、大规模、系统的随机临床试验。从理论上和现有研究资料让人更倾向于认为COX-2抑制剂影响骨折愈合，这种影响只停留在理论水平，所以应当趋利避害，合理使用，才能发挥NSAID的最大功效。虽然COX-2在骨折方面临床及基础研究较少，但目前COX-2主要研究多关于肿瘤与血管生成方面，多项研究证实COX-2在肿瘤患者体内高表达，促进肿瘤新生血管生成，促进肿瘤迅速增生及转移。所以临床可能通过检查COX-2变化间接监测肿瘤是否复发及转移的一项指标，但组织炎症也可促使COX-2升高。另一方面，通过研究骨折患者体内COX-2变化，得出COX-2与骨折不愈合及延迟愈合患者之间的关系，从而通过早期监测骨折患者体内COX-2变化，早期干预，减少骨折不愈合及降低骨折不愈合率，减轻患者疼痛及负担，尤其对那些非手术治疗的骨折患者提供新的非手术治疗，但这可能还需进一步大量基础实验及临床研究。

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