应用于骨再生医学的干细胞及药物治疗骨质疏松：现状与未来

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.19.026

摘要/Abstract

摘要：

背景：除药物治疗外，利用再生医学方法治疗骨质疏松是目前全球研究的热点，寻找对患者创伤相对较小、更合适的种子细胞也是关注的重点。
目的：了解药物治疗骨质疏松及干细胞应用于骨再生医学的研究现状及最新进展。
方法：由第一作者应用计算机检索 PubMed 数据库2000年1月至2014年12月相关文献。在标题、摘要、关键词中以“osteoporosis，drug therapy，bone regenerative medicine，stem cell therapy” 为检索词进行检索并查阅其相关参考文献，最终选择39篇文献进行综述。
结果与结论：来自日本的Yoshikazu Mikami等人通过人工合成色氨酸衍生物发现了两种新型骨形成促进剂—— SST-VEDI和SSH-BMI，为相关药物研究提供了一个新的方向。去分化脂肪细胞和牙髓干细胞因其具有成骨方向分化能力且创伤小、伦理争议小等具有广阔的应用前景。

关键词: 干细胞, 骨质疏松, 药物治疗, 骨再生医学, SST-VEDI, SSH-BMI, 去分化脂肪细胞, 牙髓干细胞

Abstract:

BACKGROUND: Besides drug therapy, regenerative therapy is now a matter of global interest in treating osteoporosis. Therefore, it is also important to find better candidate cells.
OBJECTIVE: To cognize the status of drug therapies for osteoporosis and stem cells as regenerative therapy.
METHODS: A computer-based search of PubMed was performed by the first author to retrieve articles relevant to stem cell therapy for osteoporosis published from January 2000 to December 2014. The keywords were “osteoporosis, drug therapy, bone regenerative medicine, stem cell therapy”, which appeared in the title, abstract or keywords, and the relevant references were also looked up. Articles published recently or in authoritative journals were preferred, and finally 39 articles were included in result analysis.
RESULTS AND CONCLUSION: Yoshikazu Mikami and co-workers from Japan found two novel bone formation accelerators, SST-VEDI and SSH-BMI, which provides a new direction for related studies on drug therapy. Due to
the osteogenesis ability, lack of ethical controversy and less damage, de-differentiated fat cells and pulp stem cells may be promising candidate cells for bone regeneration medicine.

Key words: Osteoporosis, Bone Regeneration, Stem Cells, Drug Therapy

中图分类号:

R318

林源，陶树清. 应用于骨再生医学的干细胞及药物治疗骨质疏松：现状与未来[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(19): 3107-3111.

Lin Yuan, Tao Shu-qing. Drug therapies for osteoporosis and application of stem cells in bone regeneration medicine: the current and future[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(19): 3107-3111.

图/表（结果） 2

2.1 药物治疗骨质疏松骨重建其实是一个骨组织不停地重复进行组织自我替换的过程^[1-2]。骨重建的过程贯穿于整个人生中，是人正常生长和骨折修复所必须的过程。骨代谢紊乱可以导致多种疾病，如骨质疏松症便是骨吸收过程大于骨形成过程，导致骨量和骨密度的下降^[3]。
治疗骨质疏松的药物广义上来讲可以分为两类，一类是通过作用于破骨细胞减少骨吸收的骨吸收抑制剂，另一类是通过作用于成骨细胞增加骨形成的骨形成促进剂。下面就这两种类型的代表药物——二膦酸盐和甲状旁腺激素做一下回顾总结，此外，来自日本的Yoshikazu Mikami等人通过人工合成发现了两种新型骨形成促进剂——SST-VEDI和SSH-BMI，为相关药物研究提供了一个新的方向。
2.1.1 二膦酸盐二膦酸盐制剂是目前最常见的治疗骨质疏松症的药物，它通过抑制破骨细胞的骨吸收来提高骨量^[4]。虽然骨量因此得到了提高，但骨重建同时受到了抑制，老龄的骨质开始累积，最终可能会导致骨质脆性增高，这对患者来讲无疑是具有一定危险性的^[4-5]。当一个强大的外力作用于骨质上，很可能就会导致一个复杂的非典型骨折。
颌骨坏死是应用二膦酸盐类制剂可能出现的另外一种严重并发症^[6]。二膦酸盐相关的颌骨坏死被定义为持续使用二膦酸盐达到8周或者8周以上患者出现的颌骨坏死。与此相关的很多方面问题还没有确切的认识，比如发病机制以及怎样才能更合适地去预防和治疗等等。然而，有报道说发生颌骨坏死的病例中94%与“肿瘤状态”有关^[7]，因为肿瘤患者经常会应用一些免疫抑制剂(如类固醇、化疗药物等)，颌骨坏死可能是患者出现免疫抑制的一个早期征象。近期在小鼠身上的一个研究，提出颌骨坏死发生的机制可能是来源于调节性T细胞和辅助性T细胞17(Th17)之间的平衡失调，Th17代表的是辅助性T细胞中生产白细胞介素17 的一个子集[8]。
虽然二膦酸盐有不可忽视的不良反应，但仍然是药物治疗骨质疏松的一个主要选择，许多临床试验证明了二膦酸盐治疗骨质疏松症的疗效，但其在治疗其他一些骨代谢疾病时如骨转移癌，仍具有很大的争议性。因此，在利用这类药物带给患者好处的同时，也必须小心注意其使用的风险。
2.1.2 甲状旁腺激素人类甲状旁腺激素(PTH)是由84个氨基酸组成的碱性单链多肽类激素，相对分子质量约9 425。甲状旁腺激素可以有效地促进新骨形成，能同时提高骨密度和骨质量。因此，甲状旁腺激素可以通过促进新骨形成有效地防止骨折的发生^[9]。人类甲状旁腺激素从N端到第34个氨基端这一片断(甲状旁腺激素1-34)保留了与甲状旁腺激素全长相同的生物活性^[10]，并被制造成药物。自甲状旁腺激素1-34被批准应用于骨质疏松治疗以来，其和二膦酸盐制剂联合应用来提高骨量看起来能比使用单一一种药物有更好的疗效。随后的研究却发现，两种药物同时应用时，由于二膦酸盐对骨吸收的抑制作用，甲状旁腺激素无法起到加速骨转化的功能。这就导致同时应用这两种药物治疗取得重大改进这一想法变得不可能^[11-12]。
甲状旁腺激素通常是由甲状旁腺分泌，并在调节血钙的浓度上起到十分重要的作用。血钙的降低会促进甲状旁腺激素的合成与分泌，产生的甲状旁腺激素可以促进骨的新陈代谢，促使骨钙入血从而提升血钙含量。甲状旁腺激素1-34作为一种药物使用，可能引起眩晕、呕吐、虚弱感，可能导致高钙血症等不良反应^[5]。
间断的应用甲状旁腺激素1-34可以促进成骨细胞的分化并能抑制成骨细胞的凋亡，从而导致骨形成快速增加，骨量得到提高，骨的微结构得到改善^[13-14]。然而，在严重的甲状旁腺功能亢进患者中，骨量反而是降低的^[15]。这种情况是由于持续较高含量甲状旁腺激素促进了骨吸收过程而不是骨形成过程，从而导致骨量减少形成继发性骨质疏松。通过持续向大鼠体内注射人甲状旁腺激素1-34的实验研究发现，其导致了破骨细胞分化因子RANKL的增加和破骨细胞移植因子骨保护素的减少。甲状旁腺激素还导致了一些如骨钙素等与骨形成有关的成骨细胞特异性转录因子表达水平的下降^[16]。因此，与应用二膦酸盐一样，甲状旁腺激素使用的时间及剂量必须引起严格注意，不当的使用可能会反而导致骨量的下降。此外，在大鼠的实验中还发现长期持续使用甲状旁腺激素有增加骨肉瘤发病的风险^[17]，虽然其是否会增加人类骨肉瘤发病率尚未得到证实，但仍需要对长期应用甲状旁腺激素的剂量给予足够的重视。
2.1.3 SST-VEDI/SSH-BMI 色氨酸是神经递质5-羟色胺的前体，也是一种控制睡眠的激素——褪黑素的前体，色氨酸的基本结构也为其他一些生物活性物质的合成提供了基本骨架结构。Yoshikazu Mikami等人合成了大量新型的由色氨酸衍生出来的化合物，并通过与骨形成相关的一些实验检查进行综合筛选，通过这种方式发现了两种能够促进成骨细胞矿化，同时抑制成骨细胞凋亡的物质^[18-19]，并根据这两种化合物研发者姓名的首字母将其命名为SST-VEDI和SSH-BMI，这两种物质的基本骨架结构都是通过色氨酸去羧基产物获得^[20-21]。这两种化合物的化学结构式见图1。

研究人员在实验中，应用SST-VEDI和SSH-BMI提高了大鼠成骨细胞和小鼠成骨细胞前体细胞系的矿化功能，同时伴有成骨细胞标记物、骨唾液酸蛋白和骨钙素表达的增高^[18，22]，这也为学者们提供了一种新的关于骨形成促进剂的研究方向。
2.2 应用于骨再生医学治疗骨质疏松的干细胞通过干细胞移植来治疗骨质疏松症一直是骨再生医学中人们研究的热点，Ichioka等[23]研究发现，将同种异体间充质干细胞于骨髓腔注射移植后，实验组SAMP6小鼠的血液淋巴系统将会被供体细胞替换，全身骨骼骨小梁密度增加，骨矿物质密度和健康小鼠相当，骨吸收水平降低，体内骨重塑调节激素和细胞因子含量回归正常水平，纠正了实验鼠的骨质疏松情况。目前，可以应用于骨再生治疗中的干细胞有胚胎干细胞、诱导多能干细胞、成体干细胞，如何选取最合适的种子细胞进行相关研究意义重大。
2.2.1 胚胎干细胞和诱导多能干细胞胚胎干细胞来源于着床前胚胎的内细胞团，被公认为是最具多能性的干细胞群体。它们具有很高的分化潜能和增殖能力，意味着它们可以分化为人体的任何组织和器官，胚胎干细胞的这种高分化潜能使其在再生治疗研究方面得到了广泛的关注，因此，人们也已经对其进行了详尽的研究。近年有报道证实了胚胎干细胞用于替代丢失组织这一治疗的有效性^[24]。
尽管如此，关于在受精卵中获取胚胎干细胞这一做法仍然存在伦理学上的争议，而应用异体干细胞进行移植对受体来讲又存在排斥反应的风险。基于以上原因，诱导多能干细胞作为胚胎干细胞的替代品应用到组织和器官移植中引起了人们的广泛关注。
诱导多能干细胞是将已知的能够将体细胞转化为未分化状态的转录因子转入体细胞内，进而使其拥有能够分化为多种组织和器官细胞的能力，这一进程被定义为“重编程”。诱导多能干细胞具有多向分化性，能够分化成为躯体的各种细胞。诱导多能干细胞具有与胚胎干细胞类似的性质：表达全能基因和蛋白，染色体的端粒酶高度甲基化，在体内和体外具有分化成三胚层细胞的能力^[25]。目前已成功将皮肤纤维细胞、肝细胞、血细胞、前列腺癌细胞和尿源细胞诱导为诱导多能干细胞^[26]。不同于胚胎干细胞，诱导多能干细胞可以通过患者本身的体细胞处理获得，因而很大程度上减少了伦理上的争议，也减少了发生免疫排斥的可能。然而，诱导多能干细胞的获取需要经过基因转染，这可能存在相关的致癌风险。此外，由诱导多能干细胞获得的组织或者器官能否在体内长期存活，在体内长期的生理病理变化与正常器官组织是否相同仍不明确。
尽管存在这些担忧，但在缺失组织的再生医学方面，乃至疾病的病因研究和药物研究上面，胚胎干细胞和诱导多能干细胞都有很广泛的应用前景，但仍有很多伦理上和技术上的难题有待解决^[27-28]。
2.2.2 成体干细胞成体干细胞存在于机体的多种组织器官中，与胚胎干细胞和诱导多能干细胞不同，成体干细胞通常只能在其所在的组织中拥有有限的分化潜能，只拥有向特定细胞类型分化的潜能。成体干细胞同诱导多能干细胞一样，来源于患者本身，因此其也在很大程度了避免了伦理上的争议和免疫排斥反应这两个问题。目前种子细胞的主要来源有骨髓、骨、骨外膜和骨外组织，但选取骨髓、骨及骨外膜来源的种子细胞会给患者带来较大的痛苦且增加了感染机会，寻找对患者创伤相对较小的种子细胞也是关注的重点，在这里主要探讨去分化脂肪细胞和牙髓干细胞的应用前景。
去分化脂肪细胞：哺乳动物(包括人类在内)的脂肪组织是一个多细胞复合体，包含有脂肪细胞、成纤维细胞、血管内皮细胞、免疫细胞和脂肪干细胞等，成熟脂肪细胞经过“天花板贴壁培养法”可以获得成纤维细胞样的细胞，拥有很高的增殖和多向分化能力[29]。这些从成体的脂肪细胞中获得的多能细胞称之为去分化脂肪细胞。脂肪干细胞和去分化脂肪细胞已经被证实具有成骨和成软骨等多向分化的潜能。
去分化脂肪细胞完全缺乏瘦蛋白、葡萄糖转运蛋白4和所有其他脂肪细胞标记蛋白的表达，另一方面，这些细胞有与骨髓间充质干细胞和脂肪干细胞相似的表面抗原^[29]，尽管如此，去分化脂肪细胞也并非脂肪干细胞。在适当的条件下，去分化脂肪细胞可以分化为脂肪细胞、成骨细胞、软骨细胞和其他一些由轴旁中胚层分化而来的细胞以及血管内皮细胞、血管平滑肌细胞、心肌细胞等一些由脏壁中胚层分化而来的细胞^[30-34]。目前已有试验表明在病变部位移植去分化脂肪细胞，可以改善下肢缺血模型的血流状态、改善心肌梗死模型的心脏功能、改善脊髓损伤模型的运动功能、改善慢性肾功能障碍模型的肾功能，表现出范围很广的组织修复能力^[35-36]。
去分化脂肪细胞可以从有限的脂肪细胞中方便的获得，而与机体本身的成熟程度没有明显关系。这意味着，在再生医学领域，当患者的本身机体状态可能很难进行自体干细胞移植的时候——例如一个严重心衰的患者或者高龄的患者，去分化脂肪细胞作为一个新的细胞来源有很大的应用前景。此外，可以通过一个相对简单的培养方法在短时间内大量获得去分化脂肪细胞，而无需依靠一些基因工程或者病毒载体。因此，同其他一些类型的干细胞比较，在伦理学和技术要求方面去分化脂肪细胞都有一定的优势，因此应用去分化脂肪细胞治疗组织缺损在临床应用上有极大的可能性。牙髓干细胞/乳牙牙髓干细胞：Grontllos等^[37]于2000年利用酶消化的方法，将人类健康的第三磨牙牙髓制备成单细胞悬液并培养，得到具有形成细胞克隆能力和高度增殖能力的细胞，将其命名为牙髓干细胞。Miura等^[38]于2003年从脱落乳牙的牙髓中分离到具有高度增殖能力和多向分化能力的干细胞，命名为乳牙牙髓干细胞。将乳牙牙髓干细胞、牙髓干细胞和骨髓间充质干细胞进行比较发现，3种细胞都具备间充质干细胞的特征，包括成纤维细胞样形态和表达间充质干细胞特异性表面标记，因而，牙髓中获取的干细胞有可能被应用到牙齿、骨骼、软骨等多种组织和器官的再生医学中。有研究表明，通过牙髓干细胞获得的诱导多能干细胞的生物活性显著高于通过皮肤细胞获得的诱导多能干细胞^[39]，而且牙髓干细胞更容易获取和培养，可以从智齿、乳牙和被拔掉的牙中获得牙髓干细胞，不会给患者带来额外的痛苦。因而，从理论上来讲，牙髓干细胞也是再生医学中可以考虑使用的一种有一定应用前景的细胞来源。

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