骨质疏松及其骨折的局部药物治疗

祝俊雄 宋纯理

北京大学第三医院骨科，北京 100191

骨质疏松是一种以骨量低下、骨微结构破坏，导致骨脆性增加、易发生骨折为特征的代谢性骨病。骨质疏松虽然是一种系统性骨骼疾病，但其最严重的后果却是发生局部骨质疏松性骨折(脆性骨折)，一旦发生骨折，治疗非常棘手，死亡率高、致残率高、医疗费用高。发生髋部骨折后一年内，20%的患者会死于各种并发症，约50%的患者致残，生活质量明显下降[1-2]。随着人口老龄化，骨质疏松已成为目前主要的公共健康问题之一。据估计，骨质疏松在全球范围内每年导致890万人次骨折，超过2亿女性受到该疾病的影响[3]。我国现在老龄化的问题非常严重，未来30～50年将面临更大的压力和挑战。我国2015年用于主要骨质疏松性骨折(腕部、椎体和髋部)的医疗费用高达720亿元，据预测，2050年将达到1 630亿元[4]，形势非常严峻。各国的骨质疏松症治疗指南也都指出，降低脆性骨折的风险是治疗骨质疏松的重要内容。骨质疏松骨折的好发部位非常集中，近年来现代微创介入外科的迅速发展，为骨质疏松骨折防治的局部治疗提供了可能。

1 骨质疏松局部药物治疗的可行性证据

1.1 骨质疏松系统药物治疗的现状和缺陷

目前，临床上主要通过系统用药预防和治疗骨质疏松。临床治疗药物主要分为基本补充剂(钙剂和维生素D)、抗骨吸收药物和促骨形成药物。抗骨吸收药物包括双膦酸盐、雌激素及其受体调节剂、降钙素、核因子κB受体活化体配体(receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand，RANKL)抑制剂(国内尚未上市)；甲状旁腺激素为促骨形成药物；锶盐、维生素K2等兼有抗骨吸收和促骨形成的作用，但作用较弱。目前大多数的骨质疏松治疗药物是骨吸收抑制剂。其中，双膦酸盐是最常用的一线抗骨吸收药物。甲状旁腺激素(parathyroid hormone，PTH)是第一个被美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration，FDA)批准临床应用的具有促骨形成作用的药物，但批准的最长使用时间只有2年[5]。靶向异化作用的RANK和同化作用的Wnt信号通路的抗骨质疏松药物是潜力药物，其中作为RANKL抑制剂的狄诺塞麦(denosumab)已被美国FDA批准用于治疗绝经后骨质疏松症。其他的如骨硬化蛋白抗体(romosozumab)、DKK-1(dickkopf-related protein 1)抗体也在临床前或临床研究之中[6]。

系统性用药存在诸多问题。骨质疏松作为悄无声息的隐匿疾病，患者的治疗依从性很差，且长期系统性用药会带来相应的副作用。例如，长期的双膦酸盐治疗会导致股骨不典型骨折[7-8]和下颌骨坏死[9]；维生素D和钙剂的安全性主要与心血管并发症有关[10]；用于治疗绝经后骨质疏松症的雌激素因存在乳腺癌、子宫内膜癌等风险，临床应用存在争议，目前已退居二线治疗；选择性雌激素受体调节剂不增加乳腺癌和子宫内膜癌的风险，但增加静脉血栓风险[11]。除了副作用之外，起效慢、依从性差、对骨折的治疗效果不佳也限制了系统用药的治疗。系统性药物治疗受生物利用度和“骨-血屏障”[12]的局限，需要治疗一段时间才能发挥作用，在初始治疗时不能发挥预防骨折的作用。重复性地使用药物使患者的依从性普遍存在问题[13]，且治疗依从性差是导致骨质疏松疗效不佳的一个重要原因[14]。以目前骨质疏松一线治疗药物双膦酸盐为例，即使在发达国家能坚持每天服药至1年的患者也只有25%～35%[15]。口服双膦酸盐对胃肠道刺激较大，因此口服前后都需要禁食，服药后需保持直立，如方法不当很容易引起胃肠道反应甚至溃疡性食管炎[16]。双膦酸盐起效慢，口服3个月后骨丢失才逐步减少，而骨折3个月内骨量急剧丢失，骨吸收抑制剂难以“救急”。作为骨形成促进剂的PTH(1-34)，效果好，但作为一种生物制剂，价格昂贵，运输和保存存在一定困难，且需每日皮下注射使用[17]，限制了其广泛运用。其他药物如降钙素、锶盐、维生素K不是治疗骨质疏松的主流药物，其中降钙素于2012年被欧洲药事委员会宣布不再用于治疗骨质疏松[18]；锶盐具有一定的骨形成促进作用，但仅在少数国家批准，一般可作为治疗绝经后骨质疏松症双膦酸盐的替选药[19-20]。

为解决系统用药副作用多、生物利用度差和起效慢等问题，主要考虑两种手段：一是改变药物剂型，二是局部直接给药。将药物制成纳米微粒、脂质体等剂型可以部分改善生物利用度和副作用的问题，但尚处于临床前的研究阶段[21]，且纳米药物研究历史短，一旦药物形成纳米剂型就不容易掌控，因此对纳米药存在顾虑[22]。比较而言，局部治疗对这些问题的解决更加直接和彻底，在实现临床转化的可能性和速度方面存在一定优势。

1.2 局部治疗的可行性

骨质疏松骨折的疾病特点和解剖特点为局部治疗创造了良好的先天条件。骨质疏松骨折的好发部位集中，近80%的骨质疏松骨折发生在脊柱(大多集中在胸12腰1)和髋部[23]。从双能X线吸收检测法(dual-energy X-ray absorptiometry，DXA)的测量部位(一般选择腰1～4/2～4，双髋)也可以间接反映这几个部位的重要性。另外，在解剖层面上，骨骼内的骨髓腔和松质骨的多孔腔隙，为药物停留和局部缓释提供了绝佳的条件。经皮冠状动脉腔内血管成形术(percutaneous transluminal coronary angioplasty，PTCA)在治疗冠心病上具有里程碑意义，大大降低了心梗的死亡率。借鉴血管介入治疗的思路，即不是对所有血管进行介入，而是对重点血管进行治疗，如果通过微创的方法在骨折好发部位或骨折局部呈递药物，对预防和治疗骨质疏松骨折可能会起到关键的作用。同时，现代微创介入技术迅速发展，为骨质疏松的局部治疗提供了强有力的技术支持，因此近年来局部治疗骨质疏松取得了不少成绩。相比系统用药，局部药物治疗不仅能快速有效地在特定部位提高药物浓度，加速局部骨质疏松及其骨折的愈合，还能避免系统性用药带来的全身并发症。相比开放性手术，局部开展的微创技术还有创伤小、术后恢复快等优点，如近年来广泛开展的经皮椎体成形术(percutaneous vertebroplasty，PVP)和经皮椎体后凸成形术(percutaneous kyphoplasty，PKP)，已经是治疗骨质疏松引起的椎体压缩性骨折的主要手术方法。

2 骨质疏松症的局部药物治疗现状

根据局部药物治疗运用的场景，可以大致将其分为局部注射药物或生物材料和植入物涂层释放药物两种。局部药物注射选择性地对骨质疏松严重的骨骼进行干预以避免脆性骨折，或加速疏松性骨折部位的愈合。植入物药物涂层多用于已发生的脆性骨折，可以增强植入物在疏松骨骼中的稳定性，加速骨折愈合。此外，有的药物甚至可以发挥多效性作用[24]。常用的局部用药有双膦酸盐、PTH、骨形成蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)和他汀类药物。

2.1 局部注射药物或生物材料

10多年来国内外大量的研究已经证明，局部注射药物或生物材料在多种动物模型中可以有效地在局部提高骨密度(bone mineral density，BMD)，改善骨微结构，提高力学强度，进而降低该部位的骨折风险。注射材料可以直接或通过多种形式搭载多种抗骨质疏松药物，根据材料的特性可以控制药物的速度，或增加局部支持骨骼的强度。

2.1.1磷酸钙和聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)骨水泥作为药物载体：磷酸钙和PMMA骨水泥已是临床应用的产品，是局部治疗常用的药物载体，且这两种载体可以在局部提供一定的力学强度，也可以达到缓释药物的效果。双膦酸盐在临床上广泛使用，是常见的搭载药物。PMMA颗粒介导的骨吸收是引起植入物松动的重要原因之一，而有研究显示，在PMMA骨水泥中加入双膦酸盐可以有效抑制PMMA颗粒诱导的骨吸收[25]。国内李锋等[26]在骨质疏松家兔模型的右侧股骨中植入不锈钢内植物，并在假体周围应用载有阿伦膦酸钠的PMMA，8 w后处理组的力学强度优于对照组，且处理组的小梁骨面积百分比、厚度和骨小梁数目明显高于对照组。Sorensen等[27]在大鼠胫骨缺损处使用载有唑来膦酸的磷酸钙骨水泥，与对照组相比，处理组的骨再生得到了增强。这些实验表明，通过骨水泥搭载双膦酸盐可以有效增强局部骨骼强度。

近年来广泛开展的PVP和PKP是治疗骨质疏松性椎体压缩性骨折的治疗方法，是使用现代微创技术结合局部治疗的典范，仅仅在美国，每年PVP的手术量达18万例[28]。但目前应用于PVP和PKP的注射材料存在明显缺陷，如目前主流的填充物为PMMA，其在体内不可降解，无骨传导性和骨诱导性。磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cement，CPC)具有良好的生物相容性、可吸收性和骨传导性，在一定程度上能弥补PMMA的缺陷。Kroese等[29]的研究表明，磷酸钙承载rhBMP-2后可以表现出良好的缓释特性及骨诱导能力。这些特性与CPC的多孔性有关，随着孔隙的增加，虽然可吸收性和载药能力增加，但机械性能却会下降。但就呈递药物来说，PMMA骨水泥对药物释放的控制较差，而CPC对多种小分子及蛋白制剂都显示出很好的呈递能力[30]。因此，PMMA骨水泥和CPC各有不同的缺陷，尚未达到理想灌注剂的要求。理论上，理想的灌注剂应该具有良好的生物力学特性、生物相容性和降解性，并且能搭载并缓释具有活性的骨诱导药物或细胞因子，在局部诱导骨形成，并最终被正常骨替代。

然而，这两种手术也不完美。PMMA骨水泥强度远高于椎体骨质，使用后术节椎体抗压缩能力增大，很少发生再骨折，但易发生邻近椎体骨折[31]。2009年《The New England Journal of Medicine》的两篇多中心、双盲的随机对照研究报道引起了大家的广泛争议，两个临床试验分别显示PVP组和假手术组(安慰对照)在干预之后疼痛均明显改善，但两组之间并无差异[32-33]。虽然PVP的治疗效果受到一定的质疑，但这两项研究也有一定的缺陷[28]，而且PVP已在临床应用多年，短时间很难让医生放弃，还需要设计更完善、说服力更强的临床试验以解决争议。但无论如何，微创介入治疗是未来发展的重要方向，“良弓尚需良箭”，未来可注射诱导成骨材料的研发将有广阔的前景。

2.1.2促成骨生物制剂的常用递送载体：近几十年来，骨科领域对生物制剂尤其是生长因子的呈递系统进行了大量的研究[34]。对生物制剂，往往采用聚乳酸-羟基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA]、纤维蛋白、羟甲基纤维素、水凝胶、壳聚糖等作为载体，因这些载体可以很好地保留搭载药物的生物活性。对骨形成有作用的生长因子有很多，包括BMP、转化生长因子β(transforming growth factor beta，TGF-β)、 胰岛素样生长因子(insulin-like growth factors，IGF)、成纤维生长因子(fibroblast growth factors，FGF)、血小板衍生生长因子(platelet-derived growth factor，PDGF)和血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)。 其中BMP是局部最常用的骨诱导因子，也是目前唯一用于临床的成骨细胞因子[35]。Phillips等[36]分别以PLGA微球和羟甲基纤维素作为载体，将BMP-7注射至卵巢切除骨质疏松羊椎骨，6个月后与对照组比较，椎体的抗压强度有所增强，且具有缓释作用的PLGA组比没有缓释作用的PLGA组效果要好。Wu等[37]用纤维蛋白作为载体将rhBMP-2注射进入OVX羊椎骨中后，与单纯用rhBMP-2或纤维蛋白相比，BMD、骨体积及椎体的抗压强度都有显著增加。但也有研究表明，BMP释放后在早期可以形成炎症和骨吸收增强，使治疗部位的骨折风险暂时性地增加[38-40]。Boerckel等[41]研究了明胶海绵和纳米纤维网/藻酸盐杂交的两种呈递系统对rhBMP-2介导的骨再生的影响，在相同剂量下发现后者的释放速度更慢，骨再生的效果更好。这些研究都提示在局部对某些药物的释放进行控制和优化对其发挥疗效具有重要作用，且释放效果越慢，效果会更好。还有学者认为单一生长因子或简单地将多种生长因子混合给药时存在很多缺陷，因为骨修复过程是一个受多种生长因子影响的过程[42-43]。Wang等[44]利用左旋聚乳酸和PLGA制成壳-核微球，壳-核结构分别包含FGF-2和BMP-2，可以达到时序性释放生物因子，显著刺激骨再生。在局部时序性地释放药物，可能会达到更好的效果。作为局部治疗的主要药物，BMP虽然具有优秀的骨诱导作用，但仍然存在一定缺陷。Carragee等[45-46]和Aro等[47]的研究认为局部应用BMP有明显的副作用，如局部肿胀、疼痛、增加伤口感染的风险，甚至增加患癌风险。而制药企业资助的临床研究没有把BMP在脊柱融合中应用时产生的副作用进行报告[45]。

rhPTH(1-34)是临床有效的骨形成促进剂，间歇皮下注射可促进成骨。近年来，对PTH局部疗效的研究也受到学者的关注。Arrighi等[48]用纤维蛋白呈递并缓释PTH，在羊的长骨骨缺损模型中显示出剂量依赖的成骨效果。除以上呈递系统，水凝胶作为骨骼局部施用的载体也十分流行，水凝胶包括胶原、凝胶、聚乙二醇等材料。Jung等[49]用改良的聚乙二醇水凝胶搭载PTH，在美国猎狐犬的牙槽骨植入物周围应用，12 w后PTH组比对照组骨再生明显增强。

除了搭载蛋白制剂，也有学者利用RNA干扰技术，用siRNA对局部骨骼进行干预。由于siRNA在体内的半衰期非常短，全身使用非常困难，因此在局部应用siRNA是一个不错的选择[30]。Wang等[50]用PLGA微球搭载RANK siRNA，发现在体外可以有效降低RANK的表达，证明可以通过这种局部呈递方法治疗骨质疏松。Zhang等[51]通过水凝胶搭载siRNA，骨内注射后可以方便快捷地在局部沉默相关基因，提供了很好的研究模型和工具。其他靶向药物如RANKL抑制剂、骨硬化蛋白抗体的局部应用研究还相对缺乏。

2.1.3他汀类药物在局部治疗骨质疏松中的潜力：1999年Mundy等[52]发现他汀类药物可明显增强成骨细胞BMP-2基因的表达并有显著的成骨作用，引起了学者们的关注。因他汀是临床上广泛应用的降脂药，是可能成功完成临床转化的潜力药物，近年来对他汀类药物的成骨效应及其机制是研究的热点。Song等[53]研究发现辛伐他汀促进骨髓间充质干细胞的成骨分化，抑制成脂分化，还可选择性上调骨组织中雌激素受体α(estrogen receptor-alpha，ER-α)的表达[54]。由于在目前治疗高血脂所需剂量下，全身施用他汀类药物预防骨质疏松症的影响结论不一[55-57]，而局部施用他汀类药物是一个有吸引力的解决方法。在不同的呈递系统中，他汀都具有显著的成骨作用。Fukui等[58]在大鼠股骨骨折处使用可生物降解的明胶呈递辛伐他汀，可通过成骨和成血管促进骨折愈合；付鑫等[59]在小型猪椎体中先注射辛伐他汀水凝胶，然后双侧置入椎弓根螺钉，3个月后与对照组相比，椎弓根螺钉的最大拔出力显著增加，骨密度、骨微结构也显著改善。Tan等[60]在去卵巢小型猪椎体内单次注射载0.5 mg的辛伐他汀泊洛沙姆水凝胶，3个月后椎体的骨密度、骨微结构和强度显著增加，提示使用具有缓释药物效果的呈递系统，单次治疗就能发挥长效作用。Cui等[61]利用聚乳酸制备含辛伐他汀的植入片，发现可通过动员和招募自体成骨干细胞而促进颅骨骨缺损的修复。除了强大的成骨作用，他汀还具有抗炎、抗菌、降脂等多效性作用，而且作为小分子药物在制备和储存上都比细胞因子方便，在临床上已安全应用多年，因此局部应用的潜力也大大增加[24]。

2.2 植入物涂层呈递药物

发生骨质疏松性骨折后，如何进行有效的内固定是临床面临的一个重要难题。除植入物本身的材料特征和外科技术，植入物表面特征也会影响骨整合[62]。在植入物表面附加涂层，同时搭载合适的药物可以显著促进植入物周围的骨整合，增加植入物的稳定性。实际上植入物涂层也使用上述的部分呈递材料，只不过通过特殊方法将其制成涂层的形式，贴附于外科植入物，是呈递材料的一种特殊形式，主要目的是增强植入物周围的骨整合。

2.2.1羟基磷灰石涂层：羟基磷灰石(hydroxyapatite，HA)是脊椎动物骨骼和牙齿的主要组成成分，具有良好的生物相容性和骨传导性，因此是最常用的涂层之一。Peter等[63]用这一方法将唑来膦酸附着于用等离子喷涂包被羟基磷灰石的钛植入物上，用唑来磷酸处理过的植入物植入对照和OVX处理的大鼠股骨末端，3 w后假体周围骨形成和拔除强度都有所增强。同样的效果在羊、兔子和狗的模型中也得到验证[64-66]。羟基磷灰石有多种包被方式，包括前述的等离子喷涂技术，还有溅射镀膜、溶胶涂层和仿生涂层等方式[67-69]，其中仿生涂层最具吸引力，其方法简单，更重要的是能在生理温度下完成包被过程，多种生物分子如抗生素、激素、生长因子，甚至DNA都能成功包被且不会影响其生物活性[70-73]。Yu等[74]将PTH承载于仿生包被的羟基磷灰石钛种植体上，28 d后种植体的骨整合性显著增强，且与PTH的剂量呈正相关。Mustafa等[75-76]将BMP-2和VEGF搭载于仿生包被的羟基磷灰石钛合金植入物上，在植入猪颅骨2 w后，骨密度显著增加，且联合搭载BMP-2和VEGF组的BMD比单独搭载或对照组都要高。

2.2.2其他涂层：除了HA涂层，学者们对其他涂层是否能有效呈递药物也进行了研究。纤维蛋白涂层是一种有效的呈递系统。Tengvall等[77]将纤维蛋白原包覆于不锈钢螺钉上，并搭载双膦酸盐，2 w后螺丝从胫骨的拔出强度显著增加。Roshan-Ghias等[78]用类似方法用纤维蛋白包被的螺钉搭载唑来膦酸植入兔股骨髁后，6 w时并无效果，但在11 w时显示骨量和拔出强度均有所增加。聚丙交酯(也称聚乳酸)是另外一种常用涂层，并可搭载生物制剂。Schmidmaier等[79]将聚D-L丙交酯(D-L lactide，PDLLA)涂层搭载IGF-1和TGF-β1，附于钛植入物表面，植入体内后48 h内可释放约50%的生长因子，并显示可以促进骨折愈合。植入物相关感染和无菌性松动是造成内固定或关节假体失效的主要原因，因此在植入物表面进行抗感染修饰或加入抗菌药物，可以增加内固定的稳定效果。Gulcu等[80]分别将庆大霉素和磷霉素加入PDLLA涂层，发现搭载庆大霉素可以预防植入物相关感染而磷霉素不行，可见在局部治疗中呈递材料和搭载药物的选择都是非常重要的。

3 结语

骨质疏松及其骨折的局部治疗策略给临床医生提供了一种新的治疗思路。实际上除了在局部应用药物，低强度脉冲超声(low intensity pulsed ultrasound，LIPUS)作为促进骨质疏松及骨折愈合的物理疗法，因其无创的特点曾受到广泛关注，进行了大量的研究，但其效果一直存在争议[81]。遗憾的是2016年由Busse等[82]完成的一项大型多中心盲法随机平行对照临床试验结果显示，LIPUS并不能加速骨折的影像学愈合和患者的功能恢复。因此，药物治疗仍是未来很长一段时间的首选治疗方法。当前，系统用药是治疗骨质疏松的主要方法，局部治疗仅对系统治疗起辅助作用。但局部治疗能够有效解决系统治疗局部疗效差、起效慢、全身副作用多、患者依从性差等缺点，因此具有不可忽视的发展潜力。另外，介入技术和手术机器人的快速发展对局部治疗助力不少，这种变化虽然是潜移默化的，但最终很可能带来革命性的变化。正如弓和箭的关系，只有药物和给药技术相互配合，才能发挥最大的治疗效果。

虽然潜力巨大，局部药物治疗仍存在很多问题，如何延长局部治疗的有效时间甚至可控治疗时间是未来研究的重要方向[83]。目前骨诱导药物和呈递系统种类繁多，如何选择最优骨诱导药物和搭配呈递系统也是很大的问题，而且临床转化效率十分低下。但分析当前系统药物治疗和局部药物治疗的优缺点，取长补短，联合应用这两种治疗手段，是未来一段时间的研究及发展方向。随着这个领域的发展，局部治疗骨质疏松在将来也许能够独当一面。