张培芳，罗志扬，冯彦林，甄国粹

骨质疏松以骨量减少、骨结构退化和骨折风险增加为特征，是慢性阻塞性肺疾病(COPD)重要的系统性合并症之一，其在COPD患者中的发病率明显高于正常人群[1-2]。而COPD继发骨质疏松的潜在机制目前尚不明确。基质金属蛋白酶9(MMP-9)及基质金属蛋白酶抑制剂1(TIMP-1)的比例，目前被认为是反映气道组织破坏与修复动态平衡的标志[3]。MMP-9在破骨细胞中特异性表达，可能会促进骨质疏松形成，而TIMP-1可阻止骨吸收。肿瘤坏死因子α(TNF-α)是重要的COPD系统性炎性递质[4]，亦被证实可能是骨代谢和重塑的重要调节因子，通过协同作用的方式刺激破骨细胞的分化[5]。本研究旨在探讨COPD合并骨质疏松患者血清MMP-9/TIMP-1、炎性递质TNF-α与骨密度(BMD)的相关性，以了解COPD继发骨质疏松的可能机制。

1 资料与方法

1.1 病例入选标准和排除标准 入选标准：符合2007年中华医学会呼吸病学分会制订的《慢性阻塞性肺疾病诊治指南》的稳定期COPD诊断标准：(1)年龄>40岁；(2)第1秒用力呼气容积(FEV1)/用力肺活量(FVC)<70%，FEV1占预计值百分比(FEV1%)<80%，支气管舒张试验FEV1改善值<12%(绝对值<200 ml)；(3)症状相对稳定，近4周内无急性发作。既往有吸烟史或戒烟者。排除标准：(1)有严重心脑血管疾病及肝肾功能衰竭者；有哮喘、肺间质性疾病等肺部其他疾病者；既往有骨骼系统疾病史，如骨折等；有风湿性关节炎、内分泌代谢疾病史：类风湿性关节炎、甲状旁腺功能亢进者；入组前3个月内使用过糖皮质激素者；入组1年内有使用影响骨骼代谢的药物者，如鲑鱼降钙素等。

1.2 一般资料 选取2010年5月—2012年5月广东省佛山市第一人民医院门诊稳定期COPD男性患者90例，根据腰椎和股骨颈BMD，将患者分为骨量正常组、骨量减少组和骨质疏松组，每组30例。为避免女性绝经后骨质疏松对本研究结果的影响，本研究未将女性患者纳入在内。本研究方案得到广东省佛山市第一人民医院伦理委员会批准，所有入组患者签署知情同意书。

1.3 方法 患者入组后当日完成病史采集，记录体质指数(BMI)，BMI(kg/m2)=体质量/身高2；完成肺功能、BMD测定。患者次日清晨空腹抽取肘静脉血10 ml，室温下1 000 r/min离心10 min，留取上清液，-80 °C冻存待测。

BMD测定：采用双能X线吸光测定法(DXA)对患者正位腰椎L1～4及双侧股骨颈进行BMD测定[6]，仪器为Hologic(USA)公司的DelphiTM双能X线快速全身骨密度测定仪。要求每个工作日均对仪器进行人体椎体模型检测，检测结果Area测量变异系数(CV)在0.52%以内，BMD测量CV在0.40%以内。BMD测量结果包括绝对值(g/cm2)和T值(表示与参考均值的标准差)两种形式。按照世界卫生组织(WHO)的骨质疏松诊断标准，根据T值做出如下诊断：患者腰椎L1～4及股骨颈与同性别、同种族健康成人的骨峰值相比，不足1个标准差属骨量正常，即T值≥-1.0；任一受检部位-2.5

细胞因子检测：采用酶联免疫吸附试验(ELISA)法检测MMP-9、TIMP-1、TNF-α水平(试剂盒号为Catalog No.DMP900、DTM100、DTA00C；R & D Systems，Inc.USA)。CV<10%。各项指标由专业人员严格按照试剂盒内操作标准进行检测。

2 结果

2.1 3组患者的一般资料及BMD比较 3组COPD患者年龄、FEV1/FVC、FEV1%、吸烟指数比较，差异均无统计学意义(P>0.05)；而3组BMI、腰椎BMD、股骨颈BMD比较，差异均有统计学意义(P<0.05)；其中骨量正常组、骨量减少组、骨质疏松组患者BMI、腰椎BMD、股骨颈BMD依次降低，两两比较差异有统计学意义(P<0.05，见表1)。

2.2 3组患者血清MMP-9、TIMP-1、TNF-α水平及MMP-9/TIMP-1值比较 3组COPD患者血清MMP-9、TNF-α水平及MMP-9/TIMP-1值比较，差异均有统计学意义(P<0.05)；且这3个指标在骨量正常组、骨量减少组、骨质疏松组依次升高，组间两两比较差异均有统计学意义(P<0.05)；而3组患者血清TIMP-1水平比较，差异无统计学意义(P>0.05，见表2)。

2.3 Pearson相关分析 结果显示，腰椎BMD、股骨颈BMD与BMI呈正相关(r值分别为0.278和0.273，均P<0.01)，与血清MMP-9水平及MMP-9/TIMP-1值呈负相关(r腰椎值分别为-0.432和-0.697，r股骨颈值分别为-0.273和-0.529，均P<0.01)，而与TIMP-1、TNF-α无相关性(P>0.05)；血清MMP-9与TNF-α呈正相关(r=0.370，P<0.01)。

3 讨论

随着医疗条件的进步，COPD患者生存率逐步改善，COPD的重要并发症——骨质疏松和脆性骨折也越来越受到重视。已有研究发现，骨质疏松在COPD患者中的发病率明显高于正常人群。严重骨质疏松患者，其肺活量和肺总量随胸椎骨折的增多而逐步下降。骨质疏松骨折已经成为严重降低COPD患者生活质量的因素之一[7]。

从病因学角度来看，COPD继发骨质疏松是多种因素综合作用的结果。既往的许多国外研究提出了多个与COPD并发骨质疏松相关的病因学因素，如BMI、年龄、生活质量下降、FEV1减低、吸烟、糖皮质激素的应用等[2，7-8]。在已经提出的这些相关因素中，只有BMI与骨质疏松的关系得到了比较广泛的认可，而其他因素的作用目前尚存在争论。本研究结果显示，COPD合并骨质疏松患者与COPD骨量正常、骨量减少者比较，其BMI、腰椎BMD、股骨颈BMD最低，且腰椎BMD、股骨颈BMD均与BMI呈正相关，此结果与既往的多项研究结果一致[7-8]。

蛋白酶/抗蛋白酶系统失衡学说在COPD发病机制中占重要地位，其中基质金属蛋白酶(MMPs)及其抑制剂(TIMPs)是目前研究热点[9]。MMPs是降解细胞外基质(ECM)中必不可少的内肽酶，其中MMP-9主要降解Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅹ型胶原及明胶等。MMP-9的增加可以使胶原和弹性蛋白等过度降解，有利于炎性细胞穿过基底膜浸润支气管壁，从而促进呼吸道炎症和高反应性的发生，气道破坏增加，引起不可逆性气流阻塞[10]。TIMP-1是其内源性天然抑制因子，与MMP-9以1∶1非共价键结合并抑制其活性。由于MMPs可以降解ECM所有主要成分，其在骨质疏松中的作用也受到关注。本研究结果显示，稳定期COPD骨量正常者、骨量减少者、骨质疏松者血清MMP-9、TNF-α水平及MMP-9/TIMP-1值依次升高，说明这3各指标均随着BMD的下降而升高；相关分析显示，腰椎BMD、股骨颈BMD与血清MMP-9水平及MMP-9/TIMP-1值呈负相关。国内研究也发现，老年绝经期女性血清MMP-9水平随BMD降低而升高[11]。MMP-9是反映骨吸收和骨重建的重要关键酶，不仅破骨细胞及其前体细胞可分泌MMP-1，单核细胞等也可分泌MMP-9。MMP-9促进骨胶原吸收，在破骨性骨吸收中可能发挥重要作用。成骨细胞分泌TIMP-1，其可以阻止骨吸收[12]。Nyman等[13]研究发现，MMP-9缺失提高了野生小鼠胫骨干骺端骨小梁连接密度，而MMP-9高表达小鼠椎体内骨小梁变细、数目减少，出现骨质疏松表现。Bolton等[14]研究发现，骨质疏松患者血清MMP-9水平较健康对照者明显升高。在男性稳定期COPD患者，升高的MMP-9及MMP-9/TIMP-1比例失调可能是COPD并发骨质疏松的重要影响因素。

Table2 Comparison of serum levels of MMP-9，TIMP-1，TNF-α and MMP-9/TIMP-1 in three groups

组别例数MMP-9(μg/L)TIMP-1(μg/L)MMP-9/TIMP-1TNF-α(μg/L)骨量正常组3033.6±7.1 172.9±27.80.20±0.06 30.7±10.1 骨量减少组3049.1±6.3△ 181.6±52.50.29±0.10△ 35.1±6.3* 骨质疏松组3084.7±6.0△☆194.9±47.40.46±0.13△☆40.1±5.5△▲F值490.9871.90950.33511.525P值 0.0000.154 0.000 0.000

注：MMP-9=基质金属蛋白酶9，TIMP-1=基质金属蛋白酶抑制剂1，TNF-α=肿瘤坏死因子α；与骨量正常组比较，*P<0.05，△P<0.01；与骨量减少组比较，▲P<0.05，☆P<0.01

表1 3组患者一般资料及BMD比较

注：FEV1/FVC=第1秒用力呼气容积/用力肺活量，FEV1%=第1秒用力呼气容积占预计值百分比，BMI=体质指数，BMD=骨密度；与骨量正常组比较，*P<0.05，△P<0.01；与骨量减少组比较，▲P<0.05，☆P<0.01

在本研究中，COPD合并骨质疏松患者血清TNF-α水平高于COPD骨量正常者及骨量减少者，这在一定程度上证实了COPD系统性炎症的存在。本研究结果与Seifart等[15]研究结果一致。TNF-α是重要的COPD系统性炎性递质，可以促进炎性细胞趋化和活化，导致气道炎症反应。在骨骼系统中，TNF-α促进溶骨性细胞因子如巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)的表达，从而刺激破骨细胞的产生；还能抑制成骨细胞合成Ⅰ型胶原，抑制ECM沉积并刺激MMPs的合成，从而降解有机骨质[16]。

笔者推测：COPD患者由于慢性气道炎症，炎性细胞释放MMP-9增加并进入血液循环，同时释放大量炎性递质如TNF-α等，不仅作用于肺泡ECM，还作用于骨基质。随着破骨细胞的激活，MMP-9随之高表达，促进骨吸收，而成骨细胞分泌的TIMP-1未相应增加，骨形成速度减慢，出现不可逆的骨丢失，从而造成骨质疏松。MMPs/TIMPs、炎性递质与ECM(包括肺泡ECM、骨基质等)之间可能存在复杂的网络调节机制，MMPs作为一个重要的调节因素可能参与COPD和骨质疏松的病理生理。

1 Agusti AG，Noguera A，Sauleda J，et al.Systemic effects of chronic obstructive pulmonary disease[J].Eur Respir J，2003，21(2)：347-360.

2 Iqbal F，Michaelson J，Thaler L，et al.Declining bone mass in men with chronic pulmonary disease：contribution of glucocorticoid treatment，body mass index，and gonadal function[J].Chest，1999，116(6)：1616-1624.

3 Tanaka H，Miyazaki N，Oashi K，et al.Sputum matrix metalloproteinase-9：tissue inhibitor of metalloproteinase-1 ratio in acute asthma[J].J Allergy Clin Immunol，2000，105(5)：900-905.

4 黄希芬，裴文仲.慢性阻塞性肺疾病患者血清及诱导痰中肿瘤坏死因子α水平测定的临床意义[J].中国全科医学，2010，13(9)：3037.

5 Pinto-Plata V，Casanova C，Müllerova H，et al.Inflammatory and repair serum biomarker pattern.Association to clinical outcomes in COPD[J].Respir Res，2012，13(1)：71.

6 黄凯，杜雪平，孙艳格.骨质疏松症社区筛查技术研究进展及其推广应用[J].中国全科医学，2013，16(3)：836.

7 Duckers JM，Evans BA，Fraser WD，et al.Low bone mineral density in men with chronic obstructive pulmonary disease[J].Respiratory Research，2011，12(1)：101.

8 Kjensli A，Mowinckel P，Ryg MS，et al.Low bone mineral density is related to severity of chronic obstructive pulmonary disease[J].Bone，2007，40(2)：493-497.

9 王煜，苏南湘.基质金属蛋白酶及其在慢性阻塞性肺疾病中的作用[J].疑难病杂志，2011，10(5)：394.

10 Lee KS，Jin SM，Lee H，et al.Imbalance between matrix metalloproteinase-9 and tissue inhibitor of metalloproteinase-1 in toluene diisocyanate-induced asthma[J].Clin Exp Allergy，2004，34(2)：276-284.

11 秦健.绝经后妇女血清基质金属蛋白酶-2和基质金属蛋白酶-9与骨密度的关系[J].中国现代医学杂志，2009，19(11)：1684-1687.

12 Hill PA，Murphy G，Docherty AJ，et al.The effects of selective inhibitors of matrix metalloproteinases(MMPs) on bone resorption and the identification of MMPs and TIMP-1 in isolated osteoclasts[J].Journal of Cell Science，1994，107(Pt 11)：3055-3064.

13 Nyman JS，Lynch CC，Perrien DS，et al.Differential effects between the loss of MMP-2 and MMP-9 on structural and tissue-level properties of bone[J].J Bone Miner Res，2011，26(6)：1252-1260.

14 Bolton CE，Stone MD，Edwards PH，et al.Circulating matrix metalloproteinase-9 and osteoporosis in patients with chronic obstructive pulmonary disease[J].Chron Respir Dis，2009，6(2)：81-87.

15 Seifart C，Dempfle A，Plagens A，et al.TNF-alpha，TNF-beta，IL-6，and IL-10-promoter polymorphisms in patients with chronic obstructive pulmonary disease[J].Tissue Antigens，2005，65(1)：93-100.

16 Mundy GR.Osteoporosis and inflammation[J].Nutrition Reviews，2007，65(12)：S147-151.