骨质疏松症(osteoporosis，OP)是一种以骨量下降、骨组织微结构破坏为特征，骨脆性增加，易发生骨折的代谢性骨病。骨质疏松的发病率随着人口老龄化速度的加快而不断上升，这是全球面临的公共健康问题。由成骨和破骨作用组成的骨代谢“二元调控理论”目前已不能完全解释骨质疏松症的发病机制[1]。有研究显示，血管生成先于骨形成，骨脉管系统不仅为骨形成提供必要的营养盐、生长因子、激素、细胞因子和趋化因子而且能清除代谢废物，同时也是骨与周围组织联系的桥梁[2]。因此，骨代谢的“三元调控理论”，即血管生成、成骨和破骨被提出。血管生成可能为骨量丢失，尤其是绝经后骨质疏松的防治提供新的靶点[3]。本文就骨形成与血管生成偶联机制作一综述。
骨是一个高度血管化的组织，骨代谢的平衡依赖血管和骨细胞之间相互作用维持。骨血管生成和骨形成通过特殊血管形式及通路相互偶联。促进血管生成的因子包括血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、血小板源性生长因子(platelet-derived growth factor，PDGF)、低氧诱导因子(hypoxia-inducible factor，HIF)、转化生长因子-β(transforming growth factor，TGF-β)、成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor，FGF)、骨形成蛋白(bone morphogenetic protein，BMPs)等，他启动血管生成并调控骨形成。
血管及通路与偶联机制Kusumbe等[4]在骨骼中发现CD31hiEmcnhi血管，其特殊的形态学、分子学和功能，为骨代谢提供独特的微环境，调节骨脉管系统生长，维持血管周围的骨细胞前体，偶联血管生成和骨形成。该实验结果也显示，在年老的动物骨中这些血管及其周围的骨细胞前体减少，从而发生骨质疏松，提示CD31hiEmcnhi血管偶联血管生成和骨形成。
神经肽P物质(neuropeptide substance P，SP)主要通过Wnt信号通路和β-连环蛋白增强骨髓间充质干细胞向成骨细胞的分化，此外也可增加BMP-2的表达诱导成骨细胞的分化、提高骨髓间充质干细胞血管生成能力，从而增强骨形成和血管生成[5]。另有研究认为Notch通路在促进血管生成和骨形成中发挥重要作用，抑制Notch信号通路不仅导致骨血管生成障碍，而且可造成骨形成障碍、软骨细胞缺失、长骨缩短、骨小梁丢失和骨量减少[6]。Ma等[7]发现TLR4信号与骨形成和血管生成相关，LPS-EB干预后的前成骨细胞中TLR4的表达上调，TLR4可通过脂多糖-BB (lipopolysaccharide-BB，LPS-EB)的作用改善内皮细胞活性、刺激成骨细胞的增生。Kazmers等[8]证实Hh (Hedgehog)通路参与皮质骨形成，抑制Hh信号通路不仅影响骨形成，而且减少骨血管数量、增加HIF-1α表达，这表明Hh通路与组织缺氧和血管生成相关，从而偶联骨形成。
血管内皮细胞与偶联机制血管内皮是血管生成的基础细胞。骨形成与血管生成的偶联是内皮细胞与成骨细胞之间分子联系的表现[9]。体外培养血管内皮细胞与脂肪干细胞时，血管内皮细胞可能通过分泌BMP，促进脂肪干细胞向成骨细胞分化[10]。在共同培养人脐静脉内皮细胞(human primary endothelial cell，hpEC)与成骨细胞(osteoblast，OB)时，hpEC可通过提高VEGF的作用促进骨矿化，不同比例hpECs/OBs的矿化作用不同，在比例为1:5时矿化结节及碱性磷酸酶分泌最多[11]。Enoki等[12]在骨髓巨噬细胞与血管内皮细胞共培养时发现，血管内皮细胞通过分泌netrin-4显著抑制破骨细胞分化。但是有研究认为骨重塑的第一步是破骨细胞对旧骨组织的吸收，即有机组织的降解，随后才是新骨的形成[13]。故血管内皮偶联血管生成与骨形成主要通过成骨细胞分化或矿化起作用，而破骨细胞在偶联中的作用有待进一步的研究。
生长因子与偶联机制VEGF：VEGF高度表达于血管组织，其生物作用被特殊的酪氨酸激酶受体(VEGFRs)，如VEGFR-1/Flt-1和VEGFR-2/KDR所调控。研究发现急性心肌梗死小鼠模型体内miR-21通过增加VEGF表达，拮抗血管内皮细胞凋亡、促进新生血管生成，增加缺血心肌供血, 从而下调梗死面积[14]。此外VEGF受体抑制剂可用于肿瘤及年龄相关性黄斑变性等疾病防治。目前研究发现VEGF通过调节骨髓间充质干细胞的成骨细胞和脂肪细胞分化之间的平衡，在骨骼发育和出生后骨微环境平衡中起重要作用[15]。骨髓间充质干细胞可分化为脂肪细胞、成骨细胞、软骨细胞等，其分化相互抑制，如脂肪细胞分化越多、成骨细胞分化越少，骨形成降低进而导致骨代谢性疾病。VEGF与VEGFR2作用后增加β-连环蛋白的表达促进骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化，降低骨髓脂肪化[16]。Berendsen等[17]发现VEGF可通过增加Runx2的表达、减少PPARγ2的表达，促进成骨细胞分化，敲除VEGF基因后骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化减少，向脂肪细胞分化增加。以上均表明VEGF通过促进成骨细胞分化、降低脂肪细胞分化而促进骨形成。另有研究发现VEGF上调MC3T3-E1成骨细胞的VEGFR2的表达，成骨早期提高ALP活性、晚期增加骨钙素的表达，此外VEGF通过调控骨保护素/RANKL的比率影响骨吸收，因此VEGF也可直接增加骨细胞活性促进骨形成[18]。
Li等[19]在体外培养卵巢去势大鼠骨髓间充质干细胞时，予以rhBMP-2刺激2周后发现骨碱性磷酸酶活性及VEGF的表达显著高于对照组。研究提示rhBMP-2可能通过调节VEGF的表达参与骨代谢、促进成骨因子的表达，从而提高卵巢去势骨质疏松症大鼠骨髓间充质干细胞的体外成骨能力。Li等[20]证实骨缺损大鼠的局部予以内皮祖细胞治疗后，VEGF异构体水平分别在治疗后2周、3周达到高峰，而这种作用可能是因为内皮祖细胞通过旁分泌机制增加VEGF的水平，从而刺激血管生成促进骨折的愈合，这一过程对于早期骨痂形成、骨再生必不可少，即细胞、细胞因子等可通过VEGF起作用。
PDGF-BB：PDGF亚型有PDGF-A、B、C、D，前两者组成PDGFAA、BB、AB，其中PDGF-BB由前破骨细胞分泌且在偶联血管生成和骨形成中发挥重要作用。据文献报道，卵巢去势小鼠血清及骨髓的PDGF-BB水平及CD31hiEmcnhi血管数量与对照组相比明显降低，外源性给予PDGF-BB治疗或者抑制组织蛋白酶K可以增加前破骨细胞数量，从而使CD31hiEmcnhi血管数量及前破骨细胞分泌的内源性PDGF-BB增加，骨形成增强[3]，提示PDGF-BB与绝经后骨质疏松发病机制相关，且可能通过CD31hiEmcnhi血管起作用。
HIF：HIF-1α是一种重要的低氧调控因子，在骨形成、骨重建和骨代谢平衡中发挥重要作用。HIF-1α在成熟成骨细胞中高表达，通过抑制VHL (von Hippel-Lindau)基因的表达而增加血管生成和骨形成，敲除HIF-1α基因的小鼠骨量和骨密度均降低[21]。另外HIF-1α可能直接与骨保护素(osteoprotegrin，OPG)基因上游位点结合而提高OPG基因的表达，从而促进骨形成。Wagegget等[22]发现在低氧条件下，HIF-1α可抑制骨髓间充质干细胞向脂肪细胞分化，从而促进成骨细胞分化。
有研究显示，成熟的成骨细胞保持内在HIF-1α和HIF-2α的稳定性，会使骨量、骨血管密度增加，并且该机制与VEGF水平升高相关[23]。Regan等[24]认为HIF可上调VEGF的水平促进血管生成，通过增加糖酵解刺激骨形成。此外，HIF-1α还可增加FGF及PDGFR的表达促进骨形成和血管生成[25]。但是Yang等[26]却发现HIF-1α过表达时，促血管生成基因表达降低，且在低氧条件下成骨细胞分化受损。故HIF-1α与血管生成和骨形成的偶联机制需进一步研究。
SDF1/CXCR4轴：CXC趋化因子受体4(CXC chemokine receptor 4，CXCR4)是基质细胞衍生因子1(stromal-derived-factor 1，SDF-1)的特异性受体。既往认为SDF1/CXCR4轴作用于BMP2诱导间充质干细胞C2C12和ST2的成骨分化[27]。Kawakami等[28]发现CXCR4-/-小鼠与野生型小鼠相比，内皮祖细胞从骨髓间充质干细胞衍生减少、骨折愈合延迟、骨折区域毛细血管减少。血管生成标志物(如CD31、血管内皮钙黏蛋白、VEGF)和骨形成标志物(如骨钙素、骨胶原1A1、BMP-2)在CXCR4-/-组明显降低。可见SDF1/CXCR4轴与血管生成和骨形成相关。
EGFL7：表皮生长因子7(epidermal growth factor-like domain，EGFL7)是表皮生长因子家族中的一员，在内皮细胞表达，并通过自分泌起作用促进内皮细胞的活性[29]。既往认为EGFL7通过Notch通路和/或内在的miR-126调控血管生成[30]。然而，Takeuchi等[31]敲除EGFL7基因后发现VEGF诱导血管生成的作用受到抑制，Akt/Erk通路受到影响，提示EGFL7也可通过VEGF起作用。无论是Notch通路还是VEGF均参与血管生成与骨形成的偶联。
PTH与偶联机制甲状旁腺素(parathyroid hormone，PTH)通过激活PTH受体(PTH1R)刺激成骨细胞、调控软骨细胞生长。PTH1R信号在成骨细胞通过提高血管生成可正向调控软骨细胞增生，抑制PTH1R基因表达的小鼠与野生型小鼠相比成骨细胞减少，骨小梁形成降低，并且软骨内血管生成受损，血管体积、数量和连通性均减少[32]。Benson等[33]认为，PTH通过舒张血管增强血液流动，从而促进组织新陈代谢，该研究发现PTH类似物与PTH1R作用后对NO的调控激活，表现为PTH1-84和PTHrP 1-34主要刺激PKA信号，PTH1-34刺激PKA和PKC信号。以上可知，PTH不仅促进血管生成与骨形成，而且可通过舒张血管增强骨代谢。
生物力学与偶联机制组织器官处于多种力的作用下，包括静止的和动态的，细胞生长和分化受到这些力的影响。细胞机械力的刺激能调节许多功能，包括细胞生长、细胞分化、基因表达、蛋白合成和细胞凋亡。对于骨组织再生和重塑，血液动力学、压力刺激是关键性因素，这加速骨的形成。Zhang等[34]发现兔头盖骨骨折损伤模型在间断性的负压治疗后，骨折愈合时间明显缩短。研究表明间歇性地予以负压治疗能促进骨髓间充质干细胞向成骨细胞的分化，上调VEGF、BMP-2基因表达。另有研究发现，在给予股骨头坏死兔模型-50 KPa的压力可以诱导MSCs向成骨细胞分化，促进骨保护素并减少骨保护素配合基的表达[35]。可见一定的负压治疗对血管生成和骨形成起正向作用。
综上所述，骨形成和血管生成是密切联系的，其偶联机制由特殊的血管环境、多种生长因子、激素及生物力学等共同调控。血管生成与骨形成的偶联为骨质疏松的防治提供新的方向，但其偶联机制尚未完全阐明，需进一步的研究。
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| (收稿日期：2016-03-21) |