他汀类药物对骨再生作用的研究进展

刘忠玉，张金利，刘培佳

20世纪70年代，人类发现他汀类药物是胆固醇形成途径中重要酶的抑制剂，从此他汀类药物开始应用于高胆固醇的治疗[1-2]。后来科学家们又发现他汀类药物还具有促进骨再生的作用[3]。他汀类药物如辛伐他汀可增加成骨作用，增强间充质细胞分化为成骨细胞，上调骨形态发生蛋白-2（BMP-2）和下调成骨细胞凋亡。此外，他汀类药物可通过抑制骨痂分化和活性来减少骨吸收[4]。因此，他汀类药物被认为是一种双模式作用药物[1]。

我们回顾他汀类药物在促进骨再生作用的重要研究。阐述他汀类药物对骨作用的机制，对骨再生作用结果以及给药途径、剂量对疗效的影响。

1 他汀类对骨再生作用的机制

他汀类药物对骨作用的主要机制包括：1）促进成骨；2）抑制骨细胞凋亡；3）抑制破骨细胞分化和活性。

1.1 他汀药物对成骨的影响 他汀类药物通过增加成骨细胞的活性分化促进成骨作用。他汀类药物通过Ras/PI3K/Akt/Erk/有丝分裂原活化蛋白激酶（MAPK）/BMP-2途径增加BMP启动子、荧光素酶活性并上调BMP-2的表达[5]。刺激Ras的快速激活，Ras与质膜中的磷酸肌醇3激酶（PI3K）相关联并将其激活，进而调节Akt诱导BMP-2、碱性磷酸酶、Ⅰ型胶原、骨桥蛋白、唾液蛋白等成骨标志物的表达[6]。他汀类药物促进RasGRF1和磷酸RasGRF1在细胞膜上定位[6]。RasGRF1促进Ras蛋白从非活性GDP状态转变为活性GTP状态。活化的Ras通过MAPK促进ERK1/2的磷酸化，MAPK参与BMP-2的转录。他汀类药物还以PI3K和Ras方式激活Akt。他汀类药物诱导成骨的PI3K/Akt通路依赖于Ras的活性。他汀药物能够刺激Ras与PI3K的相互作用，从而提高Ras的活性[6]。

他汀类药物在其他方面促进成骨的作用包括：1）对肿瘤坏死因子的抑制作用；2）阻止Smad 1、5和8磷酸化介导对BMP-2的抑制；3）除了通过BMP-2途径，还通过ER-α诱导成骨[7]；4）能够减少白细胞介素-6和白细胞介素-8的产生，具有一定的抗炎作用；5）能够刺激血管内皮生长因子的释放；6）触发典型的连环蛋白信号级联[8]。

1.2 他汀类药物对成骨细胞的保护作用 他汀类药物通过TGFβ/Smad3信号通路抑制成骨细胞凋亡。TGFβ激活II型受体，从而激活I型受体；因此，TGFI型受体样激酶的磷酸化激活Smad3。Smad3能够保护成骨细胞，Smad3能够抑制成骨细胞向骨细胞的转化，同时也能够抑制成骨细胞的凋亡。当Smad3的表达增加时，成骨细胞的碱性磷酸酶活性、基质生成和矿化也将随着增加[9]。他汀类药物也通过其他的作用机制对成骨细胞起到保护作用，通过甲羟戊酸通路减少GTP结合蛋白预酰化，从而阻断成骨细胞凋亡[10]。

1.3 他汀类药物对破骨细胞分化及活性的影响 骨保护素（OPG）/核因子受体激活剂κB配体（RANKL）/RANK信号通路参与他汀类药物诱导的抑制破骨细胞生成。辛伐他汀增加OPGmRNA表达，降低RANKLmRNA表达，阻断RANKL诱导的破骨细胞分化。NF-κB的活性对破骨细胞形成起重要作用。破骨细胞分化被OPG抑制，OPG与RANKL结合，从而阻断其与RANKL相互作用。辛伐他汀通过抑制IκBα磷酸化（抑制性κBa）、IκBα降解和IκBα激酶活性，抑制RANKL诱导的破骨细胞前体细胞NF-κB活性，从而阻止破骨细胞的形成[11]。雌激素受体（ER）通过影响OPG/RANKL/RANK系统的ER依赖机制，在抑制破骨细胞生成中发挥重要作用。雌激素通过降低RANKL和增加OPG抑制破骨细胞的生成。他汀类药物能够调节ER的表达，通过减少ER转录激活因子FFP而呈剂量依赖性增加ERα水平。最后，他汀类药物作用于甲羟戊酸通路，能够减少GTP结合蛋白的前酰化，GTP结合蛋白具有阻断破骨细胞的活性作用[10]。

2 他汀类药物对骨修复的作用

发现洛伐他汀可以促进BMP-2的表达后，Mundy等[12]在小鼠头部皮下注射洛伐他汀和辛伐他汀，发现小鼠骨量明显增加。此后，许多学者对他汀类药物是否可以帮助治愈骨折和骨缺损进行了研究。虽然许多动物研究支持口服他汀类药物可以促进骨折愈合，但无法确定是否由于BMP-2的表达增加促进了骨折愈合[13-14]。

Stephanie等[15]在一项研究中对股骨骨折的白鼠皮下连续注射辛伐他汀，观察促进骨愈合作用，与对照组比较，应力试验结果发现皮下注射辛伐他汀组断裂应力是对照组的170%。在去势大鼠胫骨骨折部位皮下注射辛伐他汀，结果显示，辛伐他汀治疗后大鼠胫骨骨折处的骨横截面积明显增大，最大负荷也显著增加。在组织形态学上，辛伐他汀显著增加骨折断端矿化的宽度和体积[16]。在大鼠胫骨闭合性骨折模型中，小剂量辛伐他汀涂层的固定骨折的钢丝与大剂量BMP-2涂层的固定骨折的钢丝有相似的骨折愈合、生物力学、放射学和组织形态学结果[17]。将小剂量洛伐他汀应用于具有成骨细胞基因缺陷鼠的骨折中，结果发现洛伐他汀能够增加小鼠的骨愈合[18]。小剂量辛伐他汀联合水凝胶在白鼠的局部给药也显示出促进骨折愈合的作用[19]。

在他汀类药物对骨缺损修复的研究中，局部注射辛伐他汀观察大鼠胫骨的骨缺损的修复能力，结果发现骨缺损部位新骨生成数量增加，同时RANKL表达下降。但是如果停止应用辛伐他汀，可见骨缺损的修复则与对照组无明显差别[1]。在兔胫骨皮质骨缺损中植入载有洛伐他汀的可吸收胶原海绵后出现骨量增加，伴有骨矿物质密度增加[20]。将洛伐他汀微粒复合可生物降解的聚氨酯支架植入大鼠股骨大段缺损区，术后观察骨缺损区新骨形成显著增加，作者得出结论，洛伐他汀对大段骨缺损有显著修复效果，由于骨断端桥接只见于洛伐他汀治疗组[21]。然而，并非所有骨缺损应用他汀类药物的研究被证明是有效的。 Cottrell等[22]发现洛伐他汀局部递送至大鼠股骨缺损并未导致缺损部位出现明显的新骨形成。

由于他汀类药物与骨折和骨缺损修复密切相关，金属内植物是骨科常见的固定方式，许多学者研究他汀类药物通过全身或局部用药来增强内固定物周围骨愈合能力。Masuzaki等[23]发现应用含氟伐他汀的微粒能增强植入大鼠胫骨的钛棒周围的成骨作用。这种利用局部用药的方式通过非胃肠和非静脉途径实现全身用药。同样，Yoshii等[24]发现给胫骨钛棒固定的大鼠腹腔注射辛伐他汀也能增强其愈合能力。Du等[25]应用胫骨螺钉植入卵巢切除大鼠骨质疏松性骨骼内，结果显示口服辛伐他汀与未接受辛伐他汀的卵巢切除大鼠相比，能够加强螺钉周围的骨愈合。一项检查大鼠胫骨涂有氟伐他汀的纯钛棒的研究显示，内植物周围骨体积、内植物周围骨接触和固定强度显著增加[26]。另一项研究中在内植物植入前局部应用氟伐他汀，结果显示与非氟伐他汀治疗组相比，氟伐他汀治疗组在4周时矿化骨体积显著增加[27]。

3 他汀类药物对骨质疏松的作用

骨质疏松症和低骨量几乎影响80%的老年女性和超过40%的老年男性[28]。该病的特征是骨密度（BMD）降低，骨骼脆性增加，容易发生骨折[29]。双膦酸盐是一类抗骨质疏松药物，目前用于防止骨流失[30]。尽管双膦酸盐已经被证实对多种疾病的治疗具有良好的临床疗效，如癌症转移、多发性骨髓瘤、Paget病和骨性骨桥炎，但也会引起严重的副作用，尤其是下颌骨坏死[31-32]。双磷酸盐抑制甲戊酸钠通路中HMG-CoA还原酶下游的一种酶，同样，他汀类药物也具有相似的作用，同时降低了骨坏死的可能性。体外研究表明，他汀类药物具有直接的抗破骨细胞活性[33-34]。

在研究骨质疏松症时，有两个因素可以用来判断疾病的严重程度：骨密度和骨折风险。临床研究表明，使用他汀类药物治疗高胆固醇血症的患者在对抗骨质疏松方面有良好的效果[35-36]。他汀类药物单独或与激素替代疗法和其他疗法联合使用，能够增加患者的骨密度[37-38]。然而，研究发现氟伐他汀对骨折疏松没有明显的作用[39-40]，这表明并非所有的他汀类药物对骨转换和骨吸收都有相同的作用。其中的一项研究主要集中于绝经后妇女，发现他汀类药物对减少这些患者的骨丢失没有作用，表明他汀类药物更适合预防骨质疏松症。

一项病例对照研究发现，在6110例65岁和65岁以上的居民中，他汀类药物与髋部骨折具有一定的相关性[41]。研究发现，在应用他汀类药物的人群中，髋部骨折发生率仅为未应用人群的一半。Meier在美国六个健康护理机构进行的基于人群病例对照研究报告了类似的结果[42]，本研究调查了928例60岁以上女性髋、肱骨、胫骨远端、腕部或腰椎骨折，这些数据与2747例无骨折对照组进行比较。研究发现，使用他汀类药物1年的女性骨折率低于未使用他汀类药物的女性。在对年龄、住院人数、慢性病评分和使用非他汀类降脂药物后，他们得出结论，他汀类药物对人体具有促进骨合成作用，从而降低骨折风险，尽管他汀类药物使骨质量仅有少量增加[43-44]。Pasco等[46]研究发现使用他汀类药物治疗的患者骨折风险降低60%。他汀类药物的使用与股骨颈的校正骨密度增加3%相关，脊柱和全身的骨密度也有增加的趋势，但没有达到统计学意义[45]。虽然许多研究已经证实应用他汀类药物能够降低骨折风险。但文献报道普伐他汀和氟伐他汀没有显示出明显的降低骨折风险[46]。

4 给药途径

全身给药是目前主要的用药方法，其中口服给药是动物研究中最常用的全身给药方法。在93项体内研究中，36.55%使用全身用药途径。其中79.41%通过口服辛伐他汀，8.82%使用皮下（SC）注射，5.88%使用腹膜内（IP）给药，仅2.94%使用肌内（IM）注射。大多数体内研究在受伤部位局部应用辛伐他汀。辛伐他汀的局部给药至少有两种方式，包括局部注射和通过药物载体植入。在59项研究中，25.42%使用不同的载体局部应用辛伐他汀，74.57%在受损的骨缺损中植入各种骨支架，以便长时间地输送辛伐他汀。

口服或通过IV，IM，IP或SC注射进行全身给药是提供辛伐他汀的一种简单和安全的方法。然而，在这种方法中，整个身体都受到影响，大部分药物通过肝脏代谢，其浓度和生物利用度迅速下降。因此，只有少量的他汀类药物到达目标部位。辛伐他汀对骨的亲和力低，所以需要长时间维持辛伐他汀在血液中的有效浓度，以确保辛伐他汀能够持续影响受损部位。因此，如果采取全身性用药，辛伐他汀需要连续性给药。

局部用药是另一种可用于加速骨折愈合的给药方法，其优点是他汀药物不被肝脏代谢，因此药物毒性和副作用的风险降低。局部注射方法药物的生物利用度低，因为大部分药物在循环血液中溶解并从体内排出。因此，需要重复局部注射辛伐他汀以维持受损部位的药物浓度。另外，通过不同的载体（特别是支架）局部应用辛伐他汀，使药物能够逐渐从支架中释放出来。通过这种方法可以显著降低骨愈合所需的总药量。

5 剂量

在不同的研究中药物剂量的使用上也有很大的差异，这主要是与给药的途径有关。当全身给药时，应使用治疗剂量。如果局部用药时，可以使用较低的剂量。另一个干扰因素是动物模型，例如，当选择辛伐他汀通过骨支架局部输送时，促进新骨形成所需的总剂量在兔和大鼠上有显著的差异。

Mundy等[12]报道给去势大鼠每天应用剂量为5～10mg/kg的辛伐他汀，35天后观察可见大鼠的骨小梁明显增加。Maritz等[47]研究发现，大剂量应用辛伐他汀（20 mg/kg/d）可促进骨形成，而小剂量辛伐他汀（1 mg/kg/d）则减少骨形成，增加骨吸收。Cottrell等[22]在食物内加入辛伐他汀通过喂食的方式用药剂量可达到120mg/kg/d的极高剂量。

据报道，超高剂量全身应用辛伐他汀会增加肝衰竭、肾脏疾病、横纹肌溶解症、肌痛和其他副作用的风险[48-49]。辛伐他汀具有局部和全身的抗炎特性。已经证明，局部用药约70mg/kg会导致皮肤炎症和结痂[50]。Stein等[51]在研究中应用不同剂量的辛伐他汀，发现降低辛伐他汀的剂量能够减少炎性反应。与对照组相比，大鼠注射辛伐他汀1.7～2.0mg/kg能有效地减轻软组织肿胀，同时保持骨骼生长。目前临床上应用的他汀类药物安全有效剂量和不良反应见表1。应谨慎选择剂量，并需要进一步研究以确定治疗效果的最佳剂量。

表1 他汀类药物临床应用安全有效剂量和不良反应

6 未来的发展和挑战

他汀类药物在骨再生和骨质疏松的研究领域还有许多挑战需要解决。首先，由于药物类型和给药方法不同，很难从公布的体外和体内研究中阐明药物类型与他汀类药物有效浓度之间有意义的比较。关于他汀类药物的类型，已经做了一些努力来区分为什么不同的他汀类药物会产生不同的效果，并且有一些证据表明可能在于不同药物有不同的水溶性或疏水性[52-53]。考虑到一些他汀类药物对血管生成的影响，血管的形成（骨愈合中的另一个关键过程）可能导致骨再生。最有可能的是，他汀类药物对骨愈合的影响是他汀类药物的许多多效性作用的复杂相互作用，需要系统实验来阐明。因此，人们仍然担心他汀类药物的作用可能不一致且不可预测，使其对临床没有吸引力。

7 结论

他汀类药物能够影响骨代谢，具体包括以下几方面：1）通过增加成骨细胞的数量和通过增加BMP-2的表达诱导局部细胞分化为成骨细胞；2）减少成骨细胞凋亡，从而增加了成骨细胞的数量；3）通过减少巨噬细胞或单核细胞向破骨细胞的分化，因此减少了骨吸收和骨丢失。他汀类药物是一种骨诱导化合物，可以口服或局部使用，以促进骨折愈合或抑制骨质疏松。虽然局部应用他汀类药物是一种可靠和有效的方法，但全身应用也是一种有价值的骨再生方法。然而，与局部用药相比，全身用药的失败率更高。此外，全身给药方法需要更高剂量，增加了药物副作用。

他汀药物治疗的主要分歧与剂量有关。他汀类药物对骨愈合有剂量依赖性作用，但这种特性仅在特定剂量范围内有价值。尽管许多研究使用相同剂量的他汀药物治疗骨缺损或预防骨质疏松症，但在使用全身给药途径的研究中他汀类药物的剂量有很大差异。载体在他汀类药物的局部给药中起着重要作用。为了长期释放药物，他汀类药物可以被装载到不同的载体上，这种方法可以显著减少骨修复所需的总剂量，同时也可以减少他汀类药物相关的副作用。与局部注射法相比，这种通过载体局部应用他汀类药物对骨代谢的作用更佳。在临床前期研究中，未来的研究应明确哪种剂量（包括局部和全身给药）能够对骨折愈合和骨质疏松产生有益的影响。