朱磊

（上海市杨浦区平凉社区卫生服务中心 邮编 200082）

人类生长发育、新陈代谢等生命特征的化学及分子生物学本质，实际上是人体与环境进行多种元素交换及不同元素在体内进行代谢的过程。现证实，人体内微量元素平衡失调是疾病发生的病生基础。微量元素与骨质疏松的发病、病理及治疗密切相关。虽微量元素在骨组织的成分中含量甚微，却是人与动物骨骼正常生长发育的必需因子，在调节骨代谢和骨重建中起重要作用。动物实验表明，骨质疏松大鼠在骨矿物质主要成分—钙、磷丢失的同时，微量元素的含量也随之发生改变。目前国内外研究比较多的与骨质疏松相关微量元素有：氟、硒、锶、锌等，其中锶盐已作为防治骨质疏松的新药于2004年在欧洲上市。本文就氟、硒、锶、锌在骨质疏松发病过程中的作用机制作一综述。

1 氟与骨质疏松

氟是人体的必需微量元素之一，是一种已知可影响骨形成的非激素因子。氟是生物的钙化作用所必需的物质，适量氟有利于钙和磷的利用及在骨骼中沉积，加速骨骼的形成，增加骨骼的硬度，并降低硫化物的溶解度，对骨骼被吸收起抑制作用。因此氟对儿童的生长发育有促进作用。老年人缺氟时，钙磷的利用受到影响，可导致骨质疏松，因此氟对骨质疏松症有一定预防作用。但人体如果摄人过量的氟会产生氟斑牙、氟骨症。因此氟对骨形成具有双向调节作用。长期小剂量氟可促进骨形成，大剂量可引起骨质疏松或骨硬化[1,2]。

1.1 氟在骨形成过程中的直接作用

氟可以取代骨中羟磷灰石中羟基，形成更不溶于酸的氟磷灰石结晶。氟并不能浸润到已形成的骨中，但却在骨质形成期与骨质结合。另外，在正常情况下，羟磷灰石与骨胶原同时形成，在骨质疏松中氟磷灰石结晶与胶原形成交又，所形成的氟磷灰石结晶比羟磷灰石结晶粗大，不易溶解，以致氟磷灰石结晶在转换过程中能较强地拮抗破骨细胞的溶骨，从而抑制骨吸收。碱性磷酸酶（ALP）和骨钙素（BGP)分别是成骨细胞（OB）培养过程中早期和晚期分化的指标。ALP表达随着细胞分化的发展而增强，其作用是水解有机磷释放出无机磷、而作用于羟磷灰石的形成，是骨形成所必需的酶，它的表达代表着骨形成的状况，表明细胞分化的开始[3]。BGP是OB合成和分泌的一种含羧基谷氨酸的非胶原蛋白，是反映OB分化成熟及骨更新状况的一项特异性指标。骨钙素在维持骨的正常矿化，抑制软骨的钙化和不规则晶体沉积中扮演着重要的角色，具有骨代谢调节功能。一方面氟能刺激OB分泌骨钙素，使得有更多的羟磷灰石晶体与之结合并沉积于骨基质，同时由于F半径与OH半径相同，且具有相同电荷，故易使羟磷灰石置换为氟磷灰石，而使更多的氟磷灰石沉积于骨基质[4]。高浓度氟对OB的持续性刺激使产生过量的骨钙素，从而导致过多的氟磷灰石与骨钙素结合，引起骨晶体结构异常而导致骨损害。

1.2 氟对成骨细胞的作用

成骨细胞(osteoblast, OB)在氟中毒时成骨细胞系的细胞明显活跃，细胞数增大，胞体肥大。1983年Fareley等[5]首次通过鸡胚骨细胞培养，证实氟化物能直接刺激成骨细胞系的增生和增强碱性磷酸酶(ALP)活性，加强成骨作用。氟还可刺激间充质干细胞向成骨细胞方向分化，诱导骨形成。Dequcker[6]认为氟化物通过对OB的有丝分裂的作用，促使OB沉积形成阶段性的生长速度增加，使OB数量增多，功能增强。Chavassieux[7]等的实验研究表明:氟化物可能作用于骨原细胞或通过辅因子介导的间接机制而起作用。用氟化物治疗的骨质疏松病人骨骼取得的OB也表明，在体外培养显示氟化物对OB有较高的增殖能力。由此推论，在活体内氟化物可通过合成一些局部生长因子间接作用于OB，或者直接作用于成骨细胞系的某些亚群。许多研究表明，氟化物能影响成骨细胞系的分化过程，能使成骨细胞系的ALP活性升高和骨钙素含量增加，能刺激培养人的骨髓基质细胞生成骨钙蛋白(BGP)。李广生等在大鼠氟中毒实验中观察到血清BGP水平明显升高，与ALP活性升高一致。

1.3 氟对破骨细胞的作用

目前对于氟对破骨细胞（OC）的作用主要有两种不同的看法，其一认为：氟对破骨细胞主要起抑制其增殖、促进其凋亡的作用。邱明才等[8]的研究表明，氟化钠可呈剂量依赖性的抑制正常和OVX大鼠OC的形成井促进正常和OVX大鼠OC凋亡。其二认为：氟可以增强破骨细胞骨吸收的功能及促进破骨细胞的增殖。李广生等[9]的研究表明：在一定剂量范围内的氟化物可呈剂量依赖性的增加破骨细胞骨吸收陷窝的数目及提高基质金属蛋白酶9（MMP-9）的mRNA和蛋白质的表达而增强破骨细胞骨吸收功能。破骨细胞在氟中毒时常呈活跃增生状态。任立群等[10]在氟中毒大鼠胫近端干髓端用双方形网络细胞试验系统做OC计数，在低钙偏食饲料饲养2个月者，投氟组OC数明显增多;在富钙平衡饲料饲养4个月者，投氟组OC数较对照组亦有一定程度增加，但无统计学意义；只是在富钙平衡饲料饲养2个月者，投氟组OC数反而较对照组减少。表明在多数情况下，氟化物造成的是骨转换增高，破骨性吸收增强。国外研究大多强调氟化物的基本作用是刺激成骨，抑制骨吸收。Belyc曾推测，氟中毒时人骨量增加不仅是由于成骨活动的加强，还可能由于OC数量减少和生命周期缩短。氟化物在什么条件下对OC起抑制作用，又在什么条件下由抑制转为激活，还有待于进一步研究。

2 硒与骨质疏松

目前，对硒与骨质疏松关系的研究主要观点认为：硒主要通过硒蛋白的抗氧化效应而起到维护正常骨代谢的作用。在我国的西藏地区，由于土壤中的硒含量过少而导致一种硒缺乏症大骨节病。有研究表明活性氧参与骨质疏松症的发生发展，骨质疏松症患者的整体抗氧化能力比较低，在这些研究中的数据显示骨质疏松症患者的维生素E和GPx水平较正常组低。此外，在肝素诱发骨质疏松的兔模型中，硒与维生素E可以恢复重建的骨结构。硒在体内的活性形式有含硒酶和含硒蛋白，谷胱甘肽过氧化物酶(GSHpx)是含硒酶的一种，是体内的一种预防性的抗氧化剂，主要作用是阻断自由基的生成。此外，硒具有保护细胞、增强细胞膜功能，从而保护细胞间紧密结构，减少铝的吸收而促进排泄，同时促进钙的吸收。因此硒通过改善钙磷代谢增加血钙和骨钙沉积、减少骨盐分解，同时降低机体对铝的吸收，对高铝引发的骨质疏松有一定的保护作用，因而降低骨质疏松的产生和发展。

2.1 活性氧与骨质疏松

骨的代谢受间充质细胞来源的成骨细胞和造血系统来源的破骨细胞的影响。后者最终通过细胞溶合分化为多核的巨噬细胞。它们通过整合素作用紧密地吸附在骨表面形成所谓封闭区。其细胞膜的基底面有皱褶，能够分泌氢离子、氯离子和蛋白酶进入一种“细胞外溶酶体”的管腔。在骨吸收的过程中产生大量的活性氧，如果活性氧没有得到足够的区室化或中和，那么它将会损害周围微环境中的细胞与细胞外基质组分。实验表明，由于去卵巢大鼠的雌激素缺乏，导致了骨的活性氧含量增高，进而导致骨质疏松症。另有实验证明，泄出的活性氧可改变成骨细胞功能。因此研究者假定，适当的骨代谢和细胞外基质的质量需要良好的硒蛋白活性，从而能增强抗骨折能力。

2.2 硒蛋白是一种良好的抗氧化剂

众所周知，抗氧化剂硒蛋白是谷胱甘肽过氧化物酶1-4和6(GPx)和硫氧还蛋白还原酶1-3(TrxR)蛋白家族[11]。研究者很早就利用放射性硒发现硒蛋白在骨中的表达。研究者发现，几种在人类成骨样细胞中的标记带能部分的被识别为GPxs、SeP、TrxRl和TrxR2。体外试验证明，GPx和TrxR的活性取决于硒的供应。当硒充足时，维生素D可以刺激TrxR的活性。对间充质干细胞(MSC)中硒蛋白表达的分析，前者能分化为成骨细胞、软骨细胞和脂肪细胞，说明间充质干细胞中含有差不多20种硒蛋白的mRNA。研究者在体外试验中可以看到，细胞培养液中含硒量能够影响微核的形成，这表明硒蛋白的活性能够降低遗传毒性。此外，在体外培养的单核细胞、巨噬细胞和破骨细胞的分化过程中表达高水平的抗氧化蛋白(如GPxs)，它的活性很大程度上取决于含硒量。

3 锶盐与骨质疏松

锶是骨骼的重要组成成分，它能促进骨骼的发育和类骨质的形成，并有调节钙代谢的作用。雷奈酸锶（SR）对骨的作用有双重性，低剂量的锶能刺激新骨形成，高剂量的锶能引起骨矿化低下。Meunier等在对1 649名患绝经后骨质疏松的妇女进行随机双盲安慰剂对照药物试验，随访3年接受锶化合物治疗的患者椎骨骨折的发生率较安慰剂组明显下降。此外，Seeman等发现锶化合物可以降低年轻妇女和老年妇女椎骨和非椎骨骨折发生率。

3.1 锶盐抑制骨吸收及促进骨形成的实验研究

在小鼠颅骨的培养系统中，通过测定钙的排出情况，发现SR(0.1～1 mmol/L)能够抑制骨吸收。Baorn和Tsouderosl进一步验证了SR抑制骨吸收的机理[12]。SR(0.1～1 mmol/L)能够使破骨细胞分化的两项主要指标—碳酸酐酶II和亲玻黏连蛋白受体的表达明显减少，分别下降30.0%～46.0%，30.7%～40.6% (P<0.05)，并有剂量依赖性。将大鼠的破骨细胞在牛骨骨片上进行培养，加入SR (0.1～1 mmol/L)后，其吸收功能(骨吸收陷窝指数)下降32.0%～66.0%。因此，SR通过减弱前破骨细胞的分化以及降低破骨细胞的骨吸收能力，抑制骨吸收。关于SR对成骨细胞的作用同样有体外研究的结果。Canalis等将新生大鼠的颅骨用SR培养24 h，1～3 mmo l/LSR使前成骨细胞的复制增加30.0%～50.0%(24 h)和60.0%(96 h)。将22 d的大鼠胚胎颅骨用1～3 mmol/LSR培养，发现前成骨细胞群的DNA合成增加3～4倍，成骨细胞的胶原蛋白和非胶原蛋白合成增加35.0%。研究显示，SR通过促进前成骨细胞的复制以及增强成骨细胞的功能，达到促进骨形成的作用。

3.2 锶盐促进成骨、抑制吸骨的分子机制

锶与钙非常相似，具有很高的亲骨性。现已证明了锶可能部分通过作用于钙感受器受体，并且能活化第二信使和细胞丝裂原活化蛋白激酶信号途径发挥作用，从而达到促进前成骨细胞增殖、促进成骨细胞分化和激活、诱导I型胶原的合成及骨砊化形成[13,14]。虽然其他研究也已证明了可能存在一种新的锶作用于成骨细胞感受器的机制。然而同钙相比，在亲和力及动力学方面，锶和受体的直接相互作用尚未得到明确。最近的研究也证明锶能通过环加氧酶2促进前列腺素E2的产生，促进了骨髓基质细胞的成骨分化。然而并不清楚锶在细胞水平上的干扰机制。现有的研究也表明：锶盐可通过作用于钙感受器受体而促进破骨细胞的凋亡。破骨细胞的功能主要是通过核因子KB受体活化剂(RANK)来调控的，RANK本身是通过存在于成骨细胞的特定配体(RANKL)而活化的。一些研究表明锶能减少RANKL的表达和促进骨保护素的产生，骨保护素和RANKL相竞争的与RANK结合而起到抑制破骨细胞活性的作用。因此锶能抑制RANKL/RANK之间的相互作用，但并不清楚锶是否能直接影响任何已知的在骨重吸收中调控破骨细胞功能的信号途径。

4 锌与骨质疏松

锌元素既是骨的组分，又参与骨的代谢过程。由锌决定或影响着的酶有100多种。细胞内锌的含量丰富，主要在细胞核内，近年来发现在mRNA中浓度比总RNA中浓度高许多倍，显示锌与蛋白质合成遗传信息的传递有关。在骨细胞体外培养和断奶鼠口服硫酸锌的实验中均证实锌能增加骨骼胶原蛋白的合成，提高碱性磷酸酶的活性。锌是成骨细胞分化标志性酶--碱性磷酸酶(ALP)的辅基，补锌可增加ALP活性。锌能调节激素对骨代谢的影响。实验证明钙调激素1.25(OH)2D3对断奶鼠骨代谢的调节作用明显因锌的作用而加强，说明锌是骨代谢调节的激活剂。锌具有稳定肥大细胞和抑制内源性肝素颗粒释放的作用，而内源性肝素与骨质疏松病理过程有关。锌缺乏时可降低成骨细胞功能，使胶原和硫酸软膏素合成降低。在许多去势动物模型中提到，锌在骨新陈代谢中具有成骨作用，归功于抑制骨再吸收和刺激骨形成。骨质疏松大鼠骨锌含量明显较正常低。

锌可以调节各种膜上的酶，如ATP。在骨矿化钙沉积过程中，碱性磷酸酶和ATP最为重要，缺锌将使碱性磷酸酶和ATP活性降低，影响骨的代谢[15]。锌能稳定成纤维细胞和溶酶体细胞膜，起保护作用。破骨细胞含有大量的溶酶体，缺锌会使溶酶体膜的稳定性降低，使溶酶体膜发产特异性改变。作为膜的结构成份锌，它的特异功能不能为别的离子所代替。

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