骨内血管作为骨质疏松症治疗靶点的研究进展

桑晓文 詹红生

1 陕西中医药大学附属医院,陕西 咸阳 712000

2 上海市中医药研究院骨伤科研究所，上海 201203

骨组织是一种富含血管的结缔组织，血液供应由小动脉网络提供，并通过血管新生过程发展[1]。脉管系统可向骨细胞输送氧气、营养素、激素、神经递质和生长因子等，并对于骨发育、再生和重塑起到重要作用[2-3]。随着血管结构生物学发展，人们对于骨内血管在生理和病理条件下的特点有了更深入了解，而靶向骨内血管促进新骨形成可能成为治疗骨质疏松症的新治疗靶点。

1 血管及血管新生过程

血管由内层血管内皮细胞、外周壁细胞(包括周细胞和血管平滑肌细胞)组成[4]。血管新生包括血管发生(vasculogenesis)和血管形成(angiogenesis)两种形式，前者指从中胚层来源的内皮前体细胞(angioblast 成血管细胞)新形成血管，而后者指从原始血管床出芽形成新血管[5]。vasculogenesis一般发生在胚胎期，成人体内的血管新生大多通过angiogenesis过程产生[6]。血管形成过程中，新形成的小毛细血管由外周壁细胞支持的内皮细胞构成的中空管腔，并有基底膜和细胞外基质(ECM)包绕[7]。在成人中，血管和内皮细胞保持静止状态且很少被激活形成新的分支，而内皮细胞周围的基底膜和周细胞维持内皮细胞稳定的位置，仅在特定刺激如缺氧、炎症状态时，血管形成才启动[8-9]。首先，周细胞分离，ECM和基底膜被基质金属蛋白酶(MMPs)降解，这导致血管的不稳定和血管通透性增加。此外，细胞外基质的分解过程释放诸多促血管生成因子和趋化因子，如血管内皮生长因子(VEGF)、纤维细胞生长因子-2(FGF-2)和基质细胞衍生因子-1(SDF-1)[9]。此类细胞因子可与内皮细胞受体结合，激活内皮细胞，并诱导内皮形成新的出芽分支。此过程需要特定的“尖细胞”(tip cell)和“杆细胞”(stalk cell)在VEGF/Notch信号通路调控下完成[6,10]。内皮细胞形成诸多伪足，来协调细胞迁移方向，而stalk cell跟随tip cell方向增殖生长，而stalk cell通过细胞内囊泡融合和结构排列形成新的管腔[11]，并伴随新的细胞外基质沉积和周细胞的招募，最后形成稳定的血管。如果没有周细胞的附着，血管形成不稳定，并可以被迅速分解退化[11]。促血管新生因子(VEGF、FGF-2、SDF-1、EGF)与血管抑制因子(thrombospondin、endostatin、angiostatin、angiopoietin-2)在局部微环境中保持动态平衡是维持器官稳态的重要机制，而血管形成功能下降是损伤后修复困难的主要原因之一[8,12]。

2 骨内血管结构特征

骨组织具有丰富的血管网络，消耗大约10%～15%的心脏输出，骨内血管的分布可有效地将氧气和营养物质输送至骨髓腔。研究[1,3,13]表明无论骨骼形态，骨的血管供应大多都来源于来自皮质骨区域的营养动脉，通过骨内纵向的Haversian管内动脉和横向的Volkmann’s 管内动脉，与干骺端或骨内膜毛细血管连接，最终完成静脉回流，而骨骺区域动脉血管有其独立动静脉系统。骨内毛细血管的直径通常为5～10 μm，并由单层排列的内皮细胞构成，其一般分连续型、孔隙型和血窦型[14]。连续型毛细血管的网络屏障在体内普遍存在，内皮细胞紧密相连。此类毛细血管的独特结构允许水、小分子和脂溶性材料扩散到周围组织或间质液中，而不会损失循环细胞和血浆蛋白，而较大的分子如葡萄糖和其他营养素通过转胞吞作用通过单层内皮细胞。孔隙型毛细血管具有穿透内皮细胞衬内的隔膜，孔隙存在不仅加速了水的交换，而且还允许溶质通过。血窦型内皮细胞在细胞之间具有间隙，这种特征导致水的自由交换，并为等离子体和间质液之间的大量溶质如血浆蛋白提供导管。由于在这些器官中需要广泛交换，血流在血窦中减速以延长跨越血窦屏障的外部变化的时间。与此同时，沿着肝脏、脾脏和骨髓血窦分布的吞噬细胞充当着处理和吞噬外源性病原体、受损细胞和碎片的作用[15]。在骨骼系统内，孔隙型毛细血管和血窦型毛细血管占大多数，且与其他器官毛细血管类型不同，骨内毛细血管不表达VEGFR3[16]。

3 骨内血管与促骨形成偶联调控

骨内血管灌注不足与骨折愈合障碍和骨质疏松症密切相关[17-18]。通过卵巢切除(OVX)骨质疏松症模型发现，骨内血流灌注减少的同时发生骨量下降的比例几乎同步[19]；通过小鼠的活体成像显示，当血流受损伤可导致骨内血管生成和骨形成减少，以及内皮细胞Notch信号通路的下调；在老年小鼠中，骨内血流和内皮细胞Notch活性也降低，导致血管生成和成骨减少[3]。研究表明，骨系细胞可以产生血管因子，而内皮细胞同样可以贡献促成骨的细胞因子，在成骨细胞与内皮细胞共培养体系中发现血管生成和骨的矿化作用均得到增强[20]，血管内皮生长因子(VEGF)[21]、成纤维细胞生长因子2(FGF-2)[22]、血小板衍生因子BB(PDGF-BB)[23]、缺氧诱导因子1α(HIF-1α)[24]、表皮生长因子7(EGFL7)[25]及基质细胞衍生因子1/趋化因子4(SDF1/CXCR4)轴[26]在血管形成和骨形成偶联中发挥重要作用。同样内皮细胞Notch信号传导可促进出生后长骨中的内皮细胞增殖和血管生长，Notch信号传导的破坏不仅损害了骨血管的形态和生长，而且还导致骨生成减少，长骨缩短，软骨细胞缺损，骨小梁减少和骨量减少[27]。目前研究[28]发现，骨生长活跃区域如干骺端、骨膜区域具有CD31+/endomusin+的H亚型血管，其周围有osterix阳性骨祖细胞聚集，并与成骨明确相关，而髓腔区域具有CD31-/endomusin-的L型血管，在结构上H型血管在干骺端、骨膜区域呈现柱状排列，而L型血管在髓腔内呈现网状结构。通过对骨内微循环的测定，H型血管内血流流速更高[3,29]，通过测量活体小鼠氧分压(PO2)得出，在H型血管丰富的骨内膜区域的氧分压比L型血管分布的髓腔组织高[30]。此外发现，骨内血管特殊类型CD31+/PDGFRβ+阳性血管周围，小动脉形成明显增加，而老年小鼠此类血管明显减少。国内学者[31]研究发现在老年人群和骨质疏松症人群中H型血管数量同样减少，骨内H型血管可能是成人骨量的生物标志物。

4 骨内血管与骨质疏松症治疗

在哺乳动物体内，骨形成与骨吸收共同维持骨稳态，但由于成骨与破骨偶联机制，在抑制骨吸收同时骨形成同样受到抑制[32]。而近期临床研究证实，对于重度骨质疏松症患者，促骨形成优于抑制骨吸收治疗[33]。骨形成效应是从根本治疗骨质疏松症的关键所在，而靶向骨内血管促进新骨形成可能成为治疗骨质疏松症新的研究方向[34]。研究[35]表明，促骨形成药物特立帕肽在对卵巢切除(OVX)大鼠干预后发现可以提高骨量，同时可促进缺损部分新血管形成。Notch信号通路是一条在物种进化过程中高度保守的信号通路，该通路在骨质疏松症、骨性关节炎及骨肿瘤等疾病中均有表达，对骨骼系统有重要影响[36]。Notch信号通路通过调节内皮生长因子受体2(VEGFR2)影响内皮细胞向尖端细胞(tip cell)与茎细胞(stalk cell)的分化选择，调节血管生成[37]。通过激活内皮细胞Notch信号通路，可以促进出生后长骨中的内皮细胞增殖和血管生长及造血干细胞微环境的扩张[38]；此外，破骨细胞前体细胞分泌的血小板源性生长因子(PDGF-BB)能诱导血管新生及骨形成，利用外源性PDGF-BB增加了骨内H型血管并刺激骨形成[23]。小鼠中内皮细胞特异性ZEB1的缺失，可损害骨内H型血管形成，导致成骨减少，ZEB1的缺失减少了Dll4和Notch1启动子上的组蛋白乙酰化，从而抑制Notch信号传导[39]。通过激活NOTCH通路可释放蛋白noggin，外源性noggin可以使Dll4-NOTCH信号突变小鼠的长骨长度、骨量恢复正常化[38]。此外，Slit3可由脉管系统中的内皮细胞和血管平滑肌细胞表达和分泌，并且Slit3同源受体Robo1和Robo4由内皮细胞普遍表达[40]。体内实验表明，Slit3敲除小鼠在胚胎发生期间显示出血管生成的破坏，而成骨细胞分泌的Slit3可促进H型血管形成，并使H型血管内皮细胞大量表达其受体Robo1，小鼠敲除Slit3可减少骨内H型血管数量，导致低骨量的发生；当给予重组Slit3可同时增强骨折愈合和对抗骨质疏松小鼠骨丢失[41]。

5 展望

随着血管生物学研究的不断深入，对骨内血管结构、功能有了更多认识。骨内血管不仅为循环系统发挥作用，而且在骨骼系统疾病中也有重要意义。内皮细胞与骨系细胞互相调控，对于维持骨稳态、促骨形成有重要意义，通过对骨内血管新生、血管形成与骨形成偶联调控、内皮细胞Notch信号通路及骨内H型血管展开深入的研究，可为骨质疏松症防治提供新的治疗思路和防治靶点。