骨质疏松症和血管粥样硬化发展过程中的病理生理学统一性

在发达国家的人口死亡结构中，循环系统疾病占据首位。以动脉粥样硬化为基础的心血管疾病（动脉高血压、缺血性心脏病、心肌梗死）被称为21世纪的流行病。

据世界卫生组织统计，全球每年有超过1700万人死于心血管疾病，到2015年，死亡人数将增至2000万。此外，骨质疏松症（OP）是导致成年人口功能不全和劳动能力丧失的主要原因之一，它是世界上最著名、最常见的骨骼系统疾病，且与年龄有关。骨质疏松症是一种多因素多基因骨骼疾病，是代谢性骨病最常见的形式。这种疾病的特点是骨量减少、骨微结构破坏（骨小梁破坏）、骨强度下降，并伴有较高的骨折风险。

骨折，其中最严重的是股骨颈骨折和前臂下1/3桡骨骨折，决定了该疾病的医学和社会医学意义，包括死亡率的增加和与之相关的重大经济损失。骨质疏松症的特点是这种疾病主要影响老年人。自20世纪下半叶以来，骨质疏松症发病率显著上升，这自然反映了人口结构的变化，并体现在世界所有工业化国家的人口老龄化上。近年来，全球和欧洲进行的大量流行病学研究表明，心血管疾病与骨骼系统病变呈正相关。同时，许多作者将骨质疏松症与动脉粥样硬化的进展联系起来，包括血管壁钙化。在患有骨质疏松性骨折的女性中，主动脉和冠状动脉钙化的发生率增加，其严重程度与骨矿物质密度（BMD）降低相关。

SO Song 等的研究通过电子束 CT 显示脊柱和股骨近端 BMD 下降与冠状动脉钙化含量上升之间存在关联。M. Naves 等研究发现，绝经后骨质疏松症女性的 BMD 较峰值骨量下降一个标准差，总死亡率增加 43%，并可能导致因心血管疾病过早死亡。其他研究也发现，BMD 下降的患者更容易出现血脂浓度升高、冠状动脉粥样硬化加重，并显著增加中风和心肌梗死的风险。本研究数据表明，同一患者骨质疏松症、异位钙化和动脉粥样硬化发病率升高具有共同的致病基础。心血管疾病和骨质疏松症通过同时影响血管和骨细胞的标志物相互关联的观点已得到大量实验研究的支持。

具有此类标记物作用的候选物质是最近发现的蛋白质骨保护素 (OPG)，它属于肿瘤坏死因子受体家族，是 RANKL-RANK-OPG 细胞因子系统的一部分。

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骨重塑和 rankl-rank-opg 系统的作用

骨质疏松症是一种基于骨重塑障碍过程的疾病，表现为骨吸收增加和骨合成减少。骨组织形成的两个过程紧密相连，是成骨细胞 (OB) 和破骨细胞 (OC) 相互作用的结果。成骨细胞源自不同细胞系的前体：成骨细胞源自间充质干细胞，破骨细胞源自骨髓的巨噬细胞-单核细胞。成骨细胞是参与骨形成和骨基质细胞矿化过程的单核细胞。成骨细胞在调节骨重塑和调节其他骨组织细胞的代谢活动中起着重要作用。它们分泌多种生物活性物质，通过这些物质影响破骨细胞前体细胞的成熟过程，使其转化为能够参与骨吸收（即骨组织的吸收）的大型多核细胞，仅作用于矿化骨，而不会改变骨组织的实际基质。

成骨细胞的成熟和分化是在影响转录过程的各种特定因子的影响下进行的，其中最重要的是蛋白质Cbfal（核心结合因子2；也称为runt相关转录因子2；RUNX2）。在缺乏Cbfal/RUNX2的小鼠中，观察到骨形成过程显著减慢，并且未观察到成骨细胞的成熟。相反，给动物注射重组Cbfal会导致非成骨细胞表达成骨细胞固有的基因。Cbfal/RUNX2在成骨细胞分化和成熟中的重要作用还体现在它能够调节参与骨组织蛋白合成的许多基因的功能：1型胶原蛋白、骨桥蛋白（OPN）、骨钙素和涎蛋白。成骨细胞的生长和功能能力也受到旁分泌和/或自分泌因子的影响，这些因子调节核内转录过程的活性、OPN和骨钙素的合成。这些包括许多细胞生长因子、细胞因子调节剂和激素类生物活性物质。骨组织重塑的激活和调节是成骨细胞和破骨细胞相互作用的结果这一假设已在许多研究中得到证实。细胞因子 RANKL-RANK-OPG 系统的发现在破骨细胞的形成、分化和活性中起着关键作用，为理解骨重塑过程取得了重大进展。该系统的发现成为理解骨质疏松症的发病机制、破骨细胞生成和骨吸收调节以及涉及局部骨重塑的其他过程的基石。破骨细胞生成的调节主要由两种细胞因子进行：核因子 κB 受体激活剂配体 (RANKL) 和 OPG，在巨噬细胞集落刺激因子 (M-CSF) 的允许作用背景下。

RANKL是由成骨细胞（活化T淋巴细胞）产生的糖蛋白，属于肿瘤坏死因子 (TNF) 配体超家族，是破骨细胞成熟的主要刺激因子。RANKL-RANK-OPG系统细胞间相互作用的分子基础可以概括如下：成骨细胞表面表达的RANKL与骨肉瘤（OC）前体细胞膜上的RANK受体结合，诱导破骨细胞分化和活化。同时，骨髓和骨肉瘤干细胞释放M-CSF。这种多肽生长因子与其高亲和力跨膜受体（c-fms）相互作用，激活细胞内酪氨酸激酶，刺激破骨细胞前体细胞的增殖和分化。当骨肉瘤 (OB) 暴露于甲状旁腺激素、维生素 D3、白细胞介素 1 (IL-1)、TNF 时，M-CSF 的增殖活性显著增加，相反，在雌激素和 OPG 的影响下，M-CSF 的增殖活性降低。雌激素与细胞内的 OB 受体相互作用，增加细胞的增殖和功能活性，同时降低破骨细胞的功能，刺激成骨细胞产生 OPG。OPG 是 RANKL 的可溶性受体，由成骨细胞以及基质细胞、血管内皮细胞和 B 淋巴细胞合成和释放。OPG 充当 RANKL 的内源性诱饵受体，阻断其与自身受体 (RANK) 的相互作用，从而抑制成熟多核破骨细胞的形成，破坏破骨细胞生成过程，降低骨组织吸收活性。 RANKL由骨肉瘤（OB）细胞合成和释放，是骨肉瘤（OC）发育和功能所必需的特异性因子。RANKL与骨肉瘤前体细胞（破骨细胞和单核细胞/巨噬细胞的常见前体）膜上的趋向性受体RANK相互作用，从而引发细胞内级联基因组转化。RANK通过受体相关蛋白TRAF6影响核因子κB (NF-κB)，TRAF6激活NF-κB并将其从细胞质转移到细胞核。

活化的NF-kB的积累会增加NFATcl蛋白的表达，NFATcl蛋白是启动细胞内基因转录过程的特异性触发因子，而这些基因转录过程最终构成破骨细胞生成过程。分化的破骨细胞在骨骼表面占据特定位置，并发展出一种特殊的细胞骨架，使其能够形成一个独立的吸收腔，即破骨细胞和骨骼之间的微环境。面向细胞形成的吸收腔的破骨细胞膜形成许多褶皱，呈现出波纹状，从而显著增加了吸收表面。通过向吸收腔中注入质子，使形成的吸收腔微环境酸化。在碳酸酐酶II的参与下，破骨细胞的细胞内pH值通过细胞的抗吸收膜进行HCO3/Cl离子交换来维持。离子氯通过波纹状吸收膜的阴离子通道渗透到吸收微腔中，使腔内pH值达到4.2-4.5。酸性环境为骨矿物质相的动员创造了条件，并在组织蛋白酶K（一种由OK的“酸性囊泡”合成并释放到吸收腔中的酶）的参与下，为骨组织有机基质的降解提供了最佳条件。RANKL表达增加直接导致骨吸收的激活和骨骼BMD的降低。引入重组RANKL导致第一天结束时出现高钙血症，到第三天结束时导致骨量显著减少和BMD下降。RANKL和OPG之间的平衡实际上决定了骨吸收的量和BMD的变化程度。动物实验表明，小鼠OPG表达增加导致骨量增加、骨质硬化，以破骨细胞数量和活性下降为特征。相反，当OPG基因关闭时，可观察到骨密度（BMD）下降，成熟的多核破骨细胞数量显著增加，骨密度降低，并发生自发性椎体骨折。

给小鼠皮下注射重组OPG，剂量为4 mg/kg/day，持续一周，可恢复骨密度（BMD）指标。在大鼠佐剂性关节炎模型中，在病理过程初期注射OPG（2.5和10 mg/kg/day），持续9天，可阻断RANKL功能，防止骨和软骨组织质量损失。实验表明，OPG的作用主要在于降低或显著“关闭”RANKL引起的效应。目前，已明确维持RANKL与OPG之间的关联是维持骨吸收和骨形成平衡的重要条件。这两个过程的结合，以及骨组织中RANKL和OPG的相对浓度，是决定骨量和骨强度的主要因素。自从RANKL-RAMK-OPG系统作为破骨细胞形成和分化的最终途径被发现以来，许多研究者证实了该细胞和分子机制在骨质疏松症发病机制中的主导作用。

Rankl-Rank-Opg细胞因子系统在血管钙化过程中的作用

骨质疏松症和动脉粥样硬化存在共同的发病基础，骨质疏松症的发展机制与血管钙化的机制之间存在一定的相似性，这一假设已被许多实验和临床观察证实。已证明骨骼和血管组织在细胞和分子水平上具有许多相同的特性。骨组织和骨髓含有内皮细胞、前成骨细胞和破骨细胞——单核细胞的衍生物，而它们也是血管壁细胞群的正常组成部分。在动脉粥样硬化过程中，骨组织和动脉血管壁均含有骨桥蛋白 (OPN)、骨钙素、形态发生骨蛋白、基质Gla蛋白、I型胶原和基质囊泡。在动脉粥样硬化和骨性骨质疏松症的发病机制中，单核细胞参与分化为血管壁内具有泡沫状胞浆的巨噬细胞和骨组织中的破骨细胞。血管壁中的细胞元素根据骨形成OB的阶段分化为成骨细胞，产生骨的矿物质成分。

至关重要的是，RANKL-RANK-OPG 细胞因子系统启动骨组织中的成骨细胞生成和破骨细胞生成，诱导成骨细胞和 OC 分化以及血管壁矿化过程等。在该系统的组成部分中，OPG 直接表明骨质疏松症和动脉粥样硬化之间存在关联，因此受到了研究人员的最大关注。众所周知，OPG 不仅在骨组织细胞中表达，而且在心血管细胞中表达：心肌细胞、动脉和静脉的平滑肌细胞以及血管内皮细胞。OPG 是血管钙化的调节剂，S. Moropu 等人在完整小鼠和 OPG 表达基因破坏/缺失的动物身上进行的实验证实了这一点。研究发现，与对照组动物不同，OPG合成能力受损（OPG-/-）的小鼠表现出动脉钙化过程的激活，并伴有骨质疏松症和多发性骨折的发生。相反，将合成OPG的基因导入OPG表达不足的动物体内，则有助于抑制骨吸收和血管钙化过程。

炎症在动脉粥样硬化发展的各个阶段都起着关键作用，伴随而来的是血浆中炎症标志物——细胞因子（白细胞介素-1，a-TNF）浓度的显著升高，而这些细胞因子又会诱导骨吸收。根据动脉粥样硬化发展的炎症性质，内皮细胞和血管平滑肌细胞在上述促炎因子的影响下，表达并释放骨保护素（OPG）到血液和周围组织中。与基质细胞不同，内皮细胞和血管平滑肌组织不会通过增加OPG的合成和释放来响应血浆中维生素D3或甲状旁腺激素（PTH）含量的变化。 OPG 可预防维生素 D3 引起的血管异位钙化，同时增加骨的主要非胶原基质蛋白 OPN 的含量，OPN 可作为血管矿化的抑制剂，并触发内皮细胞和血管平滑肌细胞合成和释放 OPG。OPN 可抑制羟基磷灰石基质的形成（体外）和血管钙化（体内）过程，它由血管壁中膜的平滑肌细胞和内膜的巨噬细胞合成和释放，且浓度足够高。OPN 的合成发生在血管壁矿化主要的区域，并受促炎和成骨因子的调节。OPN 与动脉粥样硬化形成部位的内皮细胞合成的 avb3 整合素一起，使 OPG 发挥 NF-kB 依赖性作用，从而维持内皮细胞的完整性。因此，心血管疾病中观察到的血浆和血管 OPG 浓度升高可能是内皮细胞活动在炎症标志物的影响下以及 OPN/avb3-HHTerpnHOBoro 机制的结果。

动脉壁巨噬细胞和TC中NF-kB的激活也是骨质疏松症和动脉粥样硬化之间联系的重要机制之一。血管内膜中活化的T细胞释放的细胞因子作用导致NF-kB活性增强，进而促进丝氨酸/苏氨酸激酶（Akt，蛋白激酶B）活性的增加，而Akt是维持血管内皮细胞功能的重要因素。

已证实，由于蛋白激酶B活性增加，内皮型一氧化氮合酶（eNOS）被激活，一氧化氮（NO）合成增加，从而参与维持内皮细胞完整性的机制。与骨保护素（OPG）类似，内皮细胞合成和释放RANKL是在炎性细胞因子的影响下进行的，而非在维生素D3或甲状旁腺激素（PTH）的作用下进行的，这些维生素D3或PTH能够增加骨肉瘤（OB）或基质细胞中RANKL的浓度。

动脉和静脉血管中 RANKL 浓度的增加也是由于转化生长因子 (TGF-Pj) 对 OPG 表达过程的抑制作用所致，在该因子的影响下，OPG 的含量显著降低。它对骨骼和血管中的 RANKL 含量具有多向影响：在骨组织中，TGF-Pj 促进 OPG OB 的表达，结果，OPG 与 RANKL 结合，降低其浓度和破骨细胞生成活性。在血管壁中，TGF-Pj 增加 RANKL/OPG 比率，因此，RANKL 含量在细胞内信号系统的参与下与内皮细胞膜表面的 RANK 受体相互作用，刺激血管细胞成骨，激活钙化、增殖和细胞迁移以及基质重塑的过程。基于目前对骨质疏松症和动脉粥样硬化过程中骨重建的细胞和分子机制的理解，以及对细胞因子 RANKL-RANK-OPG 系统在这些疾病发生发展中的主导作用的阐明，提出了新概念，并合成了新一代药物 - 地诺单抗。地诺单抗 (Prolia; Amgen Incorporation) 是一种对 RANKL 具有高度趋向性的特异性人单克隆抗体，可阻断该蛋白质的功能。大量实验室和临床研究已证实，地诺单抗具有很强的降低 RANKL 活性的能力，可显著减缓和减弱骨吸收程度。目前，地诺单抗与双膦酸盐一起用作系统性骨质疏松症患者的一线药物，以预防骨折。同时，S. Helas 等人确定了地舒单抗对RANKL参与血管钙化过程的抑制作用。因此，所获得的数据为减缓骨质疏松症和血管动脉粥样硬化的进展、预防骨质疏松症心血管并发症的发展以及维护患者的健康和生命开辟了新的可能性。

S. Sagalovsky, Richter. 骨质疏松症和血管动脉粥样硬化发展的病理生理统一性//国际医学杂志 - No. 4 - 2012