骨代謝標志物在骨質疏松癥診治中的應用

邱敏麗, 古潔若

中山大學附屬第三醫院風濕免疫科、廣東省免疫疾病臨床醫學研究中心(廣東廣州 510630)

骨質疏松癥(osteoporosis)是一種以骨量減少和骨微結構破壞為特征的骨代謝性疾病,多發于絕經后的女性、老年人甚至患有某些基礎疾病的年輕人。骨質疏松是一種慢性病,常伴發疼痛和功能障礙等癥狀,甚至容易發生脆性骨折,給患者及其家庭和社會帶來沉重的負擔。預防和治療骨質疏松已成為當今醫學領域的熱點和難點問題。預測骨折風險和臨床預防脆性骨折是骨質疏松醫學研究和治療的首要目標。目前預測骨折的方法主要基于對骨密度(BMD)的測量和基于對骨骼的某些臨床風險因素使用的風險計算器,即FRAX-calculator。骨密度的測量主要使用雙能X射線骨密度儀(DXA)掃描,WHO推薦的骨質疏松癥診斷標準,就是基于DXA的骨密度定量分析測量。但其具有顯著的局限性,包括對治療的延遲反應、對測量的骨骼部位的限制和對骨折風險預測的有限性等。其實,骨代謝標志物(bone turnover markers,BTMs)等動態指標雖無法直接診斷骨質疏松癥,但可以用于評價不斷變化的骨代謝狀態,也是骨質疏松癥的重要的臨床參數。并且,復查骨密度通常需要間隔6～12個月才能觀察到測量值變化,而BTMs能準確地反映每一個測量時間點的骨代謝狀態。檢測BTMs濃度對了解骨質疏松和多種骨骼疾病的發病機制、協助鑒別診斷、監測骨質疏松進展、評估骨折風險以及觀察藥物療效等具有重要價值[1-3]。

1 骨組織結構和更新

骨骼是一種生命力旺盛的組織,它主要由無機質和有機質構成,無機質主要包括鈣、磷、鎂等礦物質,有機質主要由膠原蛋白、多種非膠原蛋白質構成,骨骼還含有多種細胞和水分,依靠成骨細胞、破骨細胞、骨細胞完成不斷更新與重塑,即骨重建過程。骨骼的完整性由不斷重復、時空偶聯的骨吸收和骨形成過程維持。破骨細胞分泌一些酶類,使周圍骨質被溶解,產生骨吸收陷窩。在溶解的過程中,成骨細胞遷移到骨缺損的陷窩處進行分化、增殖,分泌一些膠原纖維在骨細胞的周圍,并出現膠原纖維鈣質的沉積,成骨細胞轉化為骨細胞, 填補骨陷窩,這就完成了骨組織的吸收和形成過程。期間產生的骨吸收和骨形成代謝物進入血液,也可經腎臟濾過后進入尿液排出[4]。破骨細胞不斷吸收舊骨和成骨細胞不斷形成新骨的自我更新過程,稱為骨轉換(bone turnover)。骨轉換是一個持續的過程,可以修復疲勞受損的骨骼并保持骨骼強度。

BTMs是一組在骨重建過程中釋放的代謝產物或酶類,可以在血清或尿液中檢測到,分為骨形成標志物和骨吸收標志物,分別反映骨形成和骨吸收水平及其活躍程度。骨吸收和骨形成受多個因素的調控,包括基因、機械應力、內分泌激素和藥物等,骨轉換失衡是多種骨骼疾病的關鍵病理生理機制[5]。

2 BTMs種類

BTMs分為骨形成標志物和骨吸收標志物。(1)骨形成標志物主要有:總堿性磷酸酶 (ALP)、骨特異性堿性磷酸酶 (b-ALP)、1 型原膠原氨基端前肽 (P1NP)、1型原膠原羧基端前肽 (P1CP)、骨鈣素 (OC) 等。(2)骨吸收標志物主要包括:羥脯氨酸 (HOP)、吡啶啉 (Pyr)、脫氧吡啶啉 (DPD)、1型膠原交聯羧基端肽 (CTX)、1型膠原交聯氨基端肽 (NTX)、抗酒石酸酸性磷酸酶5b (TRAP 5b) 等。

盡管所有 BTMs都可以因骨質疏松癥的疾病過程而發生變化,但國際骨質疏松癥基金會 (IOF) 已推薦血清P1NP和CTX-1分別作為骨形成和骨吸收的參考標志物,用于骨折和骨質疏松癥的風險預測和治療監測。

3 BTMs 臨床應用

近年來,隨著包括骨質疏松在內的各類代謝性骨骼疾病的研究不斷深入,有關BTMs的國內外 循證醫學證據不斷涌現[6-8],BTMs應用于臨床中越發廣泛。

3.1 BTMs 在骨骼疾病診斷和鑒別診斷中的意義 目前國際公認的骨質疏松癥診斷金標準是基于DXA的骨密度測量結果[9],盡管BTMs與骨密度有一定的相關性,但諸多研究數據顯示這種相關性不夠強,BTMs不能直接用于診斷骨質疏松癥[4]。

BTMs 在多種骨骼疾病的診斷與鑒別診斷中具有重要意義。在原發性骨質疏松癥患者中, BTMs水平一般在正常范圍,或僅有輕度升高,當 BTMs濃度特別高時 (高于參考區間3個標準差),要注意完善腫瘤指標、內分泌激素水平等檢查進行鑒別診斷,排除腫瘤性、代謝性骨病等繼發性骨質疏松情況。多種疾病均可引起 BTMs 的明顯變化,包括原發性甲狀旁腺功能亢進、甲狀腺毒癥、吸收不良或其他骨病(如骨纖維異樣增殖癥、Paget病、骨軟化癥、慢性腎性骨病、惡性腫瘤骨轉移、多發性骨髓瘤等)[4-5]。

除上述疾病會導致BTMs發生改變,多種藥物也會影響 BTMs 水平,包括糖皮質激素、芳香化酶抑制劑、抗驚厥藥物、噻嗪類利尿劑、肝素、維生素 K 拮抗劑等[5]。骨吸收抑制劑或骨形成促進劑等抗骨質疏松藥物,也可引起BTMs水平的明顯變化,這可用于監測藥物療效。

3.2 BTMs與骨質流失和骨微結構損害 骨吸收標志物代表1型膠原降解和破骨細胞活化。骨形成標志物代表1型膠原蛋白的產生和成骨細胞活性。在骨骼疾病中,骨代謝會發生各種變化,任何一類標志物都可以識別骨轉換的變化[10-11]。因此,骨質疏松癥的發生是成骨細胞和破骨細胞數量和活性變化的直接反映。因此,BTMs反映了這些細胞的當前活性,并且可以提供超出X線拍照所能提供的額外信息。例如,低骨量可能隨著骨轉換的增加或減少而發生,低轉換和高轉換骨質疏松癥患者的骨骼可能具有不同的生物物理特性和骨折風險。一項針對中國女性的研究顯示,BTMs水平明顯升高,與其發生骨質疏松或骨量減少的風險增加顯著相關,骨轉換加速與增齡所致骨丟失密切關聯[12-13]。由于骨吸收和骨形成通常是偶合的,成骨細胞活性的增加通常伴隨著破骨細胞的骨吸收增加。因此,BTMs可能在預測骨丟失方面具有重要意義。然而,BTMs改變對老年女性加速骨質流失的陽性預測價值不大[14]。因此,目前不建議用BTMs來篩選和識別那些快速骨丟失風險增加的人群[14-15]。

在骨微結構方面,男性70 歲以后較高的 BTMs 水平與脛骨和橈骨皮質骨厚度和骨密度降低相關,處于BTMs 最高四分位數的男性橈骨遠端骨小梁密度、數量和厚度更低,且小梁分布更不均勻[5,16-18]。BTMs 升高的女性,比BTMs水平正常者,骨皮質孔隙率更高,骨皮質更薄,更易發生骨折[19]。

3.3 BTMs 與骨折風險預測 骨丟失加快導致骨密度下降及骨微結構破壞,降低骨強度,增加骨折風險。因此,在預測骨折風險方面,BTMs與骨折風險有一定的相關性,BTMs濃度越高,骨折風險越大[20]。

BTMs對骨折風險具有獨立預測作用。在研究對象為女性的大多數研究中,骨折風險的升高往往與骨轉換標志物中單個指標水平升高具有相關性[21]。有趣的是,升高的再吸收標志物僅在發現后5年的時間內與骨折風險增加有關,這種預測能力超過5年無效[22]。因此,發現BTMs升高可早期預測骨質疏松患者的骨折風險,但超過5年的長期骨折風險評估需結合FRAX工具、骨密度等其他方法,由于具有變異性等不能把BTMs作為長期的評估指標。

如果將BTMs與骨密度結合,可更好地預測骨折風險。瑞典 EPIDOS 研究表明,絕經后女性10年骨折風險從高到低依次為: (1)血清 β-CTX 升高+脆性骨折史; (2)β-CTX 升高 + BMD 的T值低于-2.5; (3)BMD的T值低于-2.5+脆性骨折史; (4)β-CTX升高或有脆性骨折史; (5)骨密度的T 值低于-2.5[5,23]。

需要注意的是,在BTMs與骨折風險關系研究中,它們之間的相關性還存在一定的爭議,這可能由于研究涉及的BTMs種類多,各研究之間的統計方法存在差異,且具有多種變異性因素等所導致。后續的研究除了需要擴大樣本量外,還要注意排除分析前多種變異性的因素,減少如因晝夜節律、飲食、運動等可控性混雜因素導致的檢測差異,使得BTMs與骨折風險之間的關系更為明確[24]。

3.4 BTMs 在骨質疏松癥藥物治療中的意義 骨密度作為一個變化的標志物,復查前必須等待6～12個月的觀察期,然而,與 DXA 測量不同,BTMs水平對骨轉換率的變化表現出明顯的快速反應,能準確地反映每一個測量時間點的骨代謝狀態,這使得它們在臨床上非常有用,BTMs已被證明可作為抗骨質疏松藥物治療反應以及患者依從性監測的輔助工具[25-26]。

骨轉換失衡導致骨吸收大于骨形成是骨質疏松癥的關鍵病理機制,針對此機制,目前骨質疏松癥治療藥物主要分為骨吸收抑制劑、骨形成促進劑和雙重作用藥物。應用抗骨吸收藥物[如雙膦酸鹽(BPs)、地舒單抗、選擇性雌激素受體調節劑(SERMs)等]時,骨吸收和骨形成標志物均下降,以骨吸收標志物下降為主,且下降幅度與藥物增加骨密度療效呈正相關[27]。 應用促骨形成藥物(如特立帕肽、阿巴洛肽)時,骨形成標志物顯著升高,特別是P1NP尤以明顯,其上升幅度也可用來評估藥物療效,而骨吸收標志物水平一般未發生顯著改變。雙重作用藥物Romosozumab 為硬骨抑素的單克隆抗體,能夠特異性抑制硬骨抑素活性,激活成骨細胞 Wnt 信號通路,促進骨形成,并通過影響破骨細胞 Opg-Rankl-Rank 信號通路,抑制骨吸收,因此其具有獨特的雙重作用,顯著增加患者骨密度[5]。它也會導致骨形成標志物的劑量依賴性增加,但與特立帕肽不同,它會導致血清β-CTX顯著下降,約在治療14天降至最低值,在用藥期間可維持在低水平長達一年[28]。臨床上根據BTMs與抗骨質疏松藥物的這種特性關系,通過在基線期及用藥后相應時間點監測BTMs水平,可以及時評估藥物療效和患者依從性,并及時調整抗骨質疏松方案。

另外,有研究表明骨質疏松癥開始治療前的BTMs濃度可能有助于選擇最佳治療方法,BTMs濃度高的患者可能對抗吸收治療反應最好,而 BTMs濃度低的患者可能對合成代謝治療反應最好[29]。

同時,有研究顯示, 在口服雙膦酸鹽藥物治療的患者中,在治療1年后,藥物維持率降到了50%以內[30]。因此利用 BTMs來監測患者接受治療的依從性是一種簡單易行的方法[31],患者的依從性也是評估藥物療效的重要影響因素[32]。

由于尚未確定 BTMs的標準化參考值,同一患者BTMs的連續測量可用于顯示BTMs水平隨時間的相對變化。這對藥物療效的早期反應和依從性監測特別有幫助[33]?；颊邞陂_始抗骨質疏松藥物治療前進行BTMs 的基線水平的測量。然后可以根據所使用的治療藥物在特定時間間隔再次測量患者的BTMs水平,了解 BTMs的變化,判斷患者對藥物治療的反應以及治療的依從性,以進一步調整治療方案[34]。

為監測抗吸收藥物療效,如靜脈用BPs,應在治療1～3個月后,對于口服BPs,應在治療開始后 3 個月和6個月,分別復測β-CTX 和 P1NP水平以確保水平下降并評估抑制程度。由于BPs存在藥物假期,隨著BPs停藥時間延長,BTMs水平可能再次升高,骨密度逐漸下降,骨折風險再次升高,建議BTMs升高作為結束 BPs藥物假期、重啟抗骨質疏松藥物治療的重要指標之一[5]。研究顯示地舒單抗注射后數天,骨吸收標志物β-CTX 就明顯下降,提示藥物起效迅速[35]。值得注意的是,患者停用地舒單抗治療后出現多發椎體骨折風險增加,與停藥后骨吸收標志物明顯升高有顯著相關性[36]。指南推薦該類藥物一旦停藥必須序貫雙磷酸鹽等其他抗骨質疏松藥物治療[37]。對于像特立帕肽這類的促骨形成藥物,BTMs會隨著治療而增加,其中 P1NP 是首選標志物;一旦開始治療,數天內骨形成指標就顯著升高,在治療1～3個月后出現峰值[33]。通常認為其較基線升高超過 10 ng/mL 為治療有反應。在停用特立帕肽治療后,BTMs水平迅速降低,同時出現骨密度降低,為維持療效應序貫地舒單抗或雙磷酸鹽等[5]。

已有研究,在絕經后婦女中探索用抗骨吸收藥物和促骨形成藥物的聯合治療,在接受地舒單抗和特立帕肽治療的患者中,骨形成標志物比單獨使用地舒單抗降低更多[38-39]。在第12個月,地舒單抗單藥治療和聯合治療之間的β-CTX下降相似,并在第 24 個月保持抑制。這種對骨吸收的持續抑制與之前基于雙膦酸鹽的聯合試驗形成對比。唑來膦酸和特立帕肽聯合使用可短暫抑制β-CTX,而阿侖膦酸聯合特立帕肽或 PTH 對骨吸收的抑制作用低于單獨使用阿侖膦酸鹽[40-41]。

在使用 BTMs 評估抗骨質疏松藥物療效中,建議采用最小有意義變化(least significantchange,LSC)幫助判斷 BTMs 改變的臨床意義。由于正常檢驗測量存在誤差與波動,患者 BTMs 的改變超過LSC才能視為有意義的變化。LSC計算方法如下: LSC=BTMs 測定的 “精確度誤差”(CV) ×2.77[5,42]。在骨吸收抑制劑治療過程中,BTMs 下降幅度大于 LSC 或下降到健康絕經前女性參考值的一半以下,或在骨形成促進劑治療時,BTMs 升高幅度大于 LSC,提示治療有反應及患者依從性良好[5,42],如 BTMs 下降幅度或升高幅度小于 LSC,提示臨床醫生要重新評估疾病診斷及患者的依從性,必要時要調整治療策略[5]。

對于所有療法,建議對 BTMs進行連續測量,以確保維持目標水平[33]。雖然個體患者的相對水平有助于評估骨轉換率的變化,但 BTMs測定程序的實驗室內和實驗室間標準化和可重復性差仍然是BTMs納入臨床指南的主要障礙[43-44]。

4 影響BTMs 變化的干擾因素

骨轉換標志物水平可能受到分析前變異性的多種因素的影響,包括不可控因素和可控因素?？梢哉{整和最小化的因素,稱為可控因素,包括晝夜節律和季節節律、 食物攝入、月經周期、檢測樣本穩定性、運動鍛煉及生活方式等。無法控制的分析前變異性的因素,稱為不可控因素,主要有年齡、性別、種族、近期骨折史、更年期狀態及疾病狀態等。

升高 BTMs 的因素包括絕經、骨折、制動、吸煙、藥物 (如芳香化酶抑制劑、抗驚厥藥物、促骨形成藥物)或疾病(如甲狀旁腺功能亢進癥)[5]。妊娠期骨轉換水平較妊娠前增加,尤以妊娠晚期與哺乳期升高更顯著。降低 BTMs 的因素包括高齡、酗酒、藥物 (如肝素、噻嗪類利尿劑、糖皮質激素、抗骨吸收藥物) 或疾病(如甲狀腺功能減退癥)[5]。

BTMs表現出明顯的晝夜變化。例如,血清CTX、NTX和OC在清晨(午夜到早上8點之間)達到高峰,在下午達到最低點[45]。這種晝夜節律效應通?？梢栽诖蠖鄶礏TMs中觀察到,其中CTX的變化最大(60%)[45-46]。

餐后骨吸收減少,這一發現是清晨CTX達到高峰的重要原因,因為剛經歷了最長的禁食期,餐后骨重塑的減少已被證明是胃腸激素(即胰高血糖素樣肽-2)在減少吸收方面的作用所致[47-48]。此外,鈣的攝入會導致骨吸收標志物的減少。有趣的是,骨形成標志物受禁食和晝夜節律的影響較小。P1NP具有較低的晝夜變化,并且不受飲食的影響,可隨機非空腹采血測量。

此外,觀察到骨轉換的季節性變化,冬季骨轉換水平略高于其他季節。女性月經黃體期的骨吸收指標較其他時期降低,高強度運動可能增加骨形成,降低骨吸收[4-5]。以上因素中,進食、晝夜節律、年齡和性別是重要影響因素,為最大限度地減少可控因素的干擾,建議采樣時收集空腹狀態、上午7:30—10:00的血液和尿液標本進行BTMs 檢測[4-5]。

5 小結與展望

許多研究清楚地表明, 骨重塑的失衡,即破骨細胞和成骨細胞的活性失衡,導致了骨密度降低和骨質量變差,其最嚴重的臨床后果是脆性骨折的風險增加。隨著人口老齡化,伴隨而來的發病率和死亡率,這一病理過程仍是世界范圍內的一個醫療保健和社會經濟問題。因此,預測骨折風險是骨質疏松癥和骨代謝缺陷的醫學研究和治療的首要目標。由于代謝性骨病很多時候是無癥狀的,而骨量的放射學測量對骨生理學的變化反應緩慢,目前的研究主要集中在新型BTMs的識別和開發上。BTMs對于各種代謝性骨骼疾病的鑒別診斷、骨質疏松和骨折風險評估、抗骨質疏松藥物療效評價及治療依從性等方面具有重要價值。

成骨細胞和破骨細胞活性的這種平衡或失衡反映在BTMs的變化中,這可能可用于改善骨折風險的臨床評估,特別是在高度脆弱的人群中。盡管理解這一關系對制訂指南、治療方案和改善結果至關重要,但很明顯,需要更多的良好控制的大規模臨床研究來更充分地闡明影響骨轉換的生化途徑。提高精確度和敏感度的分析工具/技術的開發和標準化至關重要。同時,BTMs與發生脆性骨折之間相關性的研究仍需要更多的大樣本、多中心的前瞻性研究來進一步驗證。在藥物療效評價方面,BTMs能夠快速反映骨代謝的變化,與骨密度檢測相比,可更早評估骨質疏松癥療效,幫助醫師監測患者用藥依從性,及時調整治療方案,在臨床應用中有獨特的優勢。進一步研究確定個體分析物的普遍正常參考范圍以及驗證可用于指示骨轉換快速患者的值對于標準化 BTMs在骨質疏松癥管理中的使用(從診斷到管理階段)也是必要的[2]。

總之,經過科研人員的不懈努力,對疾病認識和研究的深入探索,越來越多的新型骨標志物將被發現,BTM的內容也將越來越豐富,其應用方面越來越廣,有望為骨質疏松癥和多種骨骼代謝疾病的臨床診斷、優化治療以及患者管理等提供更多有價值的幫助。

利益相關聲明:作者聲明不存在任何利益沖突。

作者貢獻說明:邱敏麗執筆撰寫;古潔若通信作者構思設計及指導論文撰寫。