氟化物在成骨中作用机制的研究进展

・综　述・

氟化物在成骨中作用机制的研究进展

王　哲综述　王全平审校

　　　中图分类号　R68　　　文献标识码　A　　　文章编号　　氟是自然界中分布最广,性质最活跃卤族元素之一,人体

众多生理现象和病理过程均与体内氟化物的代谢过程密切相关。1961年,氟化钠始用于Ⅰ型骨质疏松症的治疗1,30多年的临床观察证实氟化物能增加骨小梁骨量2;另一方面,长期过量摄入氟化物可导致机体的损害,造成氟中毒,氟骨症3。上述特性使氟化物在骨形成中的作用成为人们关注的热点,本文就有关近年来氟化物在骨形成中的作用机制的研究进展做以下概述。

1　氟化物在骨形成中双相性作用

研究表明,大量摄入氟化物对细胞膜和原生质均有毒害作用,因此氟被认为是一种具有细胞膜和原生质毒的元素。近年来的研究表明4～6,实际上氟化物在骨形成过程中呈现出双相性的作用:低剂量的氟化物促进成骨细胞增殖分化和成熟,具有促进成骨的作用;高剂量的氟化物将抑制骨形成,严重干扰骨质形成和矿化。詹海涛等研究了不同浓度氟对大鼠诱导性异位成骨的影响,结果表明4:50ppm氟化物组的诱导成骨较对照组显著活跃,且无明显矿化障碍;200ppm氟化物组的诱导成骨和矿化明显受阻,成骨量显著减少。郭昭庆等研究表明5:氟化钠直接影响成人成骨细胞的增殖,呈现双相调节作用,即氟化钠在1.25～10uM浓度范围内促进成骨细胞增殖;>20uM则产生抑制效应,可见氟化物促成骨有效的浓度范围相对狭窄,超出有效浓度范围,氟化物就表现出毒性作用。

碱性磷酸酶作为成骨细胞的特征酶,既可作为成骨细胞功能的标记物,又可反映成骨细胞的分化成熟程度,因而在研究氟化物对成骨过程的影响作用时,碱性磷酸酶常作为非常重要的检测指标之一。人胎成骨细胞在体外实验中6,在0.17Mm氟化钠作用下,其碱性磷酸酶的活性增加,表明小剂量的氟化钠可促进成骨细胞分化成熟;在1mM氟化钠作用下,其碱性磷酸酶的活性下降,表明人胎成骨细胞的功能受抑制。

2　氟化物促成骨作用的研究

Farley研究显示7:氟化钠对体外分离的骨细胞有直接促增殖及促骨形成效应,且在体外对骨组织有同样的效应,表明氟化钠(NaF)对进行中的骨生成具有刺激作用。Hall等8将鸡胚胎下颌骨的间充质细胞—未诱导分化的骨原细胞,在10(-5)MNaF的条件下培养,发现NaF启动了骨发生过程,提出NaF可刺激骨发生前胚胎间充质细胞向成骨细胞分化并沉作者单位:第四军医大学西京医院骨科研究所,西安　710032作者简介:王哲(19692),男,河北涿州市人,主治医师,医学博士。研

究方向:脊柱外科。电话:(029)3375291。Email:wzh55@hot2

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1005-8478(2002)09-0906-02

积骨基质。Bellows等9将胎鼠颅骨细胞株在10(-5)～5×10(-3)

MNaF培养21d,发现细胞株中骨结节的形成,同时伴

有碱性磷酸酶活性增高,其最大效应浓度为5×10(-4)

(P<0.01);当浓度达到1Mm时,颅骨细胞株的细胞数量减少,提示NaF的细胞毒性作用。该结果表明:NaF可刺激胎鼠的骨原细胞在体外增殖分化,但其最大的效应浓度与其中毒浓度非常接近。

Farley10,11等研究证实,在临床有效的治疗浓度(5-30uM)下,NaF对体外培养的骨组织,具有促进成骨细胞增殖及骨形成的作用,这种作用依赖以下3个条件:(1)介质中有磷离子Pi存在;(2)骨细胞生长因子的存在;(3)能对骨细胞生长因子起反应的骨原细胞,并提出氟化物是通过促进骨细胞生长因子的活动,从而促进骨原细胞的增殖来增加骨形成。这与Chavassieux等12报道一致。1994年Kassem发现13人骨髓基质细胞与成熟的成骨细胞,在体外培养条件下对氧化物的反应性不一样。NaF(10-5mM)可明显促进人骨髓基质细胞的增殖及碱性磷酸酶的活性增加(P<0.05);当地塞米松协同作用时,氟化钠不仅进一步增加骨髓基质细胞碱性磷酸酶的活性,亦可增加原胶原Ⅰ型前肽的合成及骨钙素的合成;相同条件下,氟化物作用于成熟的成骨细胞则无上述效应。这表明在体外,骨髓基质细胞对氟化物较成熟的成骨细胞更为敏感,提示在体内,氟化物可能是通过刺激骨髓中基质细胞的增殖分化来促进骨形成的。从而进一步支持Farley等的观点。

3　氟化物促成骨机制的研究

近年来有关氟化物促成骨机制的研究取得了较大的进展,特别是氟化物促成骨中细胞内信号传导过程的研究。众所周知,生长因子与其特定的受体结合后可引发一系列的细胞内信号传递,其特征主要表现为关键性信号蛋白磷酸化状态的改变,其中酪氨酸蛋白激酶的磷酸化在受体后的信号传导中起着重要作用14。酪氨酸蛋白的磷酸化状态是由磷酸酪氨酸蛋白激酶(PTKs)与磷酸酪氨酸蛋白磷脂酶(PTPs)的作用来调节的,一般来讲,PTPs调节负性效应,关闭由PTKs产生的信号传导过程。Wergedal等提出15,人成骨细胞具有对氟化钠敏感的磷酸酪氨酸蛋白磷脂酶(PTPs),并提出:氟化钠刺激人成骨细胞增殖的作用是通过抑制PTPs,提高在促细胞增殖活动中起重要作用的磷酸化酪氨酸蛋白底物的水平来实现的。1996年Thomas等利用免疫斑点杂交的方法证实16,在致有丝分裂浓度(50～20mM)的氟化钠作用下,人骨细胞内至少13种蛋白的酪氨酸磷酸化的水平增加。Wu等研究证实17氟化物能诱导增加,人骨肉瘤细胞TE85的蛋白激酶(MAPK)的酪氨酸底物磷酸化水平。另外,致有丝分裂剂量的原钒酸盐(一种骨细胞的细胞分裂剂,同时也是磷酸酪氨酸磷脂酶的抑制剂),同样诱导增加人骨肉瘤细胞TE85的MAPK

　中国矫形外科杂志　2002年8月第10卷第9期　OrthopJChin,Vol.10,No.9August2002的酪氨酸底物磷酸化水平。该结果进一步证实,氟化钠通过抑制PTPs的活动刺激人成骨细胞的增殖。

Susa1999年提出一种新的细胞内信号传导模式18,即氟化物与微量的铝形成氟化铝(ALF4),氟化铝穿过细胞膜直接到达无活性的膜蛋白-G蛋白的亚单位上,其位置紧邻鸟苷酸(GDP),而Ga2GDP2ALF4复合物的构象与Ga2GTP复合物相似。生理条件下,Ga2GTP复合物在7种与G蛋白适配的跨膜受体的激活下形成;ALF4激活的Ga亚单位与受体激活的Ga亚单位都具有传导信号的效应,进而引起后续的细胞效应。对成骨细胞,ALF4可激活百日咳毒素敏感的G抑制蛋白,进一步激活细胞外信号调节激酶(Erks)以及P70S6激酶,而这些・907・

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蛋白激酶在基因转录,蛋白质合成调节中起重要作用。另外ALF4也可激活百日咳毒素不敏感的G蛋白,该蛋白主要来自Ga12族,可激活细胞浆内酪氨酸蛋白激酶(Src,Pyk2)及局部粘连激酶(Fak),Erks的激活导致成骨细胞增殖与分化;而Src,Pyks与Fak的激活可调节成骨细胞的粘附特性,成骨细胞粘附又影响细胞的分化,移出及凋亡。总之,目前氟化物促成骨的细胞内信号传导的研究,主要集中于上述两种模式,尚存争论,有作者认为前一种模式,即氟通过抑制氟化钠敏感的PTPs来刺激人成骨细胞的增殖,真实代表了氟化物促成骨的分子间作用机制19,仍需进一步的相关研究来证实。

4　影响氟化物促成骨作用的相关因素

目前研究较多的是糖皮质激素———地塞米松与重金属

铝。地塞米松不仅可使骨髓基质细胞对NaF反应性增强,亦可使NaF促人TE85骨肉瘤细胞骨形成效应增强20。Caverzasio等发现21微量的铝(5　氟对成骨细胞摄钙率的影响

有关氟对成骨细胞摄钙率影响的报道结果不一。Far2ley7

证实生理浓度(10uM)氟可提高成人成骨细胞培养物的摄钙率,加速钙沉积。宋德新等研究报道6,无论是低剂量(0.17mM)还是高剂量(1mM)氟,均导致进入人胎成骨细胞内的钙量减少,45Ca摄入率下降;氟化物的浓度越大,该作用就越显著。镇学初等的研究表明22,氟对诱导性软骨的硫酸粘多糖的合成及骨钙盐形成均无明显影响,表现为氟化物作用后35S与45Ca摄入率均无明显改变。而Farley等23近年来的研究证实,氟化钠可增加人成骨肉瘤细胞株SaOS-2的45Ca吸收率,但这种效应依赖于培养液中磷酸盐的存在及浓度。

结论:随着细胞生物技术的发展,有关氟化物在骨形成中作用的研究已取得了较大的进展,氟化物在骨质疏松的治疗前景广阔,仍有许多基础与临床问题尚待进一步研究,从而为最终解决应用氟化物合理有效的治疗骨质疏松的临床课题奠定基础。参考文献:

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(收稿:2001211214　修回:2002201216)

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