组织蛋白酶K抑制剂Odanacatib治疗骨质疏松的研究进展

李 明，吕厚辰，张里程，唐佩福，张立海

解放军总医院 骨科，北京 100853

综 述

组织蛋白酶K抑制剂Odanacatib治疗骨质疏松的研究进展

李 明，吕厚辰，张里程，唐佩福，张立海

解放军总医院 骨科，北京 100853

组织蛋白酶K(cathepsin K，Cat K)为表达于破骨细胞的一种半胱氨酸蛋白酶，是骨重建过程中骨吸收的关键酶。相关研究证实，抑制其活性是治疗骨质疏松的一个新思路。当前最新研发的组织蛋白酶K抑制剂Odanacatib (ODN)，可有效抑制骨的吸收且不抑制骨的形成，耐受性好，无明显的药物相关不良反应，为治疗骨质疏松提供了新的选择。

Odanacatib；组织蛋白酶K；骨质疏松；抑制剂

骨质疏松症是以骨量减少，骨小梁，皮质骨多孔、变薄，导致骨脆性增高及骨折危险增加的一种代谢性骨病。目前，全世界约有2亿人患骨质疏松症，其发病率已跃居世界各种常见病的第7位[1]。当前研究发现，成年人每年大约有25%的骨小梁和3%的皮质骨进行[2]，破骨细胞的骨吸收及成骨细胞的骨形成这一动态平衡过程，当骨重建失衡，骨吸收大于骨形成，则引起骨质疏松症[3]。根据骨质疏松发病机制的不同，临床抗骨质疏松药物治疗分为抗骨吸收药物、促骨形成药物和基本补充剂。抗骨吸收药物主要为双磷酸盐类[4]，减少破骨细胞数量及抑制其活性从而抑制骨转换。促骨形成药物主要为甲状旁腺激素[5]，直接刺激骨形成，快速增加骨密度(bone mineral density，BMD)，恢复骨的结构和完整性。基本补充剂为钙剂和活性维生素D及其类似物，改善骨矿化，促进钙的吸收，从而减缓骨的丢失[6]。而当前最新研发的抗骨质疏松药物Odanacatib(ODN)，通过抑制骨重建过程中骨吸收的关键酶组织蛋白酶K(Cathepsin K，Cat K)，在抑制骨吸收的同时而不影响骨形成，进而提高骨密度，减缓骨质疏松的进展，预防骨质疏松骨折的发生，为骨质疏松的治疗提供了新的思路。本文以ODN为例，对组织蛋白酶K抑制剂在骨质疏松的作用机制、治疗效果等进行综述。

1 组织蛋白酶K

组织蛋白酶K是一种半胱氨酸蛋白酶，属溶酶体半胱氨酸蛋白酶中番木瓜蛋白酶超家族成员。主要表达于破骨细胞，广泛存在于骨吸收表面、胞转囊泡和细胞溶酶体内[7]。溶酶体半胱氨酸蛋白酶中番木瓜蛋白酶与底物的结合具有高度选择特异性，主要的选择性位点包括P1、P2及P1'。组织蛋白酶K主要裂解P2位短小或分支状疏水性侧链、P1位短小或分支状的亲水侧链及P1'位分支状疏水性侧链、酪氨酸或甘氨酸等。而其中组织蛋白酶K裂解P1'位甘氨酸的特性在降解胶原螺旋结构域中发挥了核心作用[8]。

目前研究认为，组织蛋白酶K主要降解骨组织中的Ⅰ型胶原。除可直接降解胶原端肽区外，还通过与硫酸软骨素形成复合物于多个位点解离胶原的三螺旋结构，使其更易被明胶酶降解。此外有研究发现，组织蛋白酶K对骨组织中非胶原蛋白，如骨钙素、骨桥蛋白、骨黏连蛋白、蛋白多糖及相关生长因子等，也有促进其失活和加速其降解的作用[9-10]。组织蛋白酶K功能正常与否，对骨骼正常生理结构及功能的维持有重要意义。

目前已证实，组织蛋白酶K基因可能存在30种以上的不同类型突变(增添、缺失或替换)，且突变可影响组织蛋白酶K约17个成熟蛋白位点和2个前肽位点[11]。基因突变后导致组织蛋白酶K低表达或无法表达时，可引起致密性成骨不全症[12-13]。临床上表现为以骨吸收障碍、骨质硬化为特征的全身骨骼发育异常，可出现身材矮小，脑、上颌、指骨畸形，骨样硬化症，骨脆性增加等。此外，动物实验证实，敲除组织蛋白酶K基因的小鼠表现出同人致密性成骨不全症相同的骨质硬化病理特征，骨吸收作用严重破坏，形成骨样硬症[14]。而经转基因修饰过度表达组织蛋白酶K的小鼠表现为骨量减少及骨转换增加[15]。同时，研究还发现，在骨质疏松状态下，破骨细胞较成骨细胞活性相对增强，组织蛋白酶K的表达增加，且经抗骨质疏松药物双膦酸盐类治疗后，抑制了破骨细胞活性从而降低了组织上蛋白酶K的表达[16-17]，提示组织蛋白酶K活性增强为骨质疏松发生、发展的影响因素之一，因此，抑制其活性可成为治疗骨质疏松的新靶点。

2 组织蛋白酶K抑制剂ODN

根据组织蛋白酶K的结构和功能特征，针对其主要的3个位点(P1、P2及P1')，英国GlaxoSmithKline、美国MCE、日本Ono Pharmaceutical Co等相继研发出了一系列组织蛋白酶K抑制剂[18-22]。而ODN因其作用效果显著而成为组织蛋白酶K抑制剂的代表性药物。ODN(代号MK-0822)是目前最新的一种组织蛋白酶K抑制剂，属可逆性非肽联芳组织蛋白酶K抑制剂，化学组成为C25H27F4N3O3S((2S)-N-(1-氰基环丙基)-4-氟-4-甲基-2-[[(1S)-2，2，2-三氟-1-[4'-(甲基磺酰基)[1，1'-联苯]-4-基]乙基]氨基]戊酰胺)，分子量为525.56 g/mol。该药物P2～P3位连接形成苯环，对组织蛋白酶K具有高度选择特异性，同时通过P2位的4-氟亮氨酸与口袋状S2位间的相互作用，发挥出强大的负性调控作用[23]。ODN作用特点为诱导破骨细胞产生浅表陷窝，致吸收面积减少，降低骨吸收；致Cat K、抗酒石酸酸性磷酸酶及分解的基质蛋白蓄积细胞内囊泡，阻碍囊泡的正常转运，从而进一步抑制骨吸收。值得一提的是，ODN在抑制骨吸收的同时，并不影响破骨细胞的活性及存活状态[24]。

在药代动力学和口服生物利用度方面，ODN也具有较大的优势。ODN具有无特殊不良反应、适合口服、生物利用度高、半衰期长等特点。研究发现，其口服后吸收达峰值时间为14.2 h，半衰期可达96.7 h，在体内能够长期发挥生物学效用。在代谢方面，主要由细胞色素P450-3A(CYP3A)调控，主要经以下4条途径分解代谢，1)氟代亮氨酸甲基羟基化作用产生M3、M7-B和M7-D代谢产物；2)谷胱甘肽结合作用产生M6代谢产物；2)脱烷基化作用产生M9代谢产物；4)酰胺部水解作用产生M10代谢产物[25]，目前尚未发现上述代谢中间产物及最终产物存在明显的毒性作用。

3 动物与临床实验

大量动物实验证实，ODN能够增加骨密度，抑制骨吸收同时对骨形成无负面影响。Jensen等[26]发现，在去势家兔骨松模型中予以ODN治疗后，能显著增加兔脊柱与髋部骨密度，刺激了骨膜骨的形成，维持内皮质骨的形成，对骨小梁和皮质骨表面的形成率无影响。Stroup等[27]在去势恒河猴的实验中也有类似的发现，ODN可显著增加去势恒河猴骨膜骨和内皮质骨的形成，增强内皮质骨的表面矿化，减少皮质骨的重建，刺激基础建模骨的形成，显著改善皮质骨的尺寸和强度[28]。Cabal等[29]通过定量计算机断层扫描和计算机断层扫描成像技术分析发现，ODN可显著增加去势猕猴骨小梁密度和皮质厚度，改善骨小梁微观架构。Fratzl-Zelman等[30]通过定量背散射电子显像研究ODN对去卵巢猕猴胸腰椎及股骨骨矿密度分布(bone mineral density distribution，BMDD)发现，ODN明显增加骨小梁BMDD，但对皮质骨BMDD没有改变。

一系列临床试验发现，ODN可明显增加骨质疏松患者脊柱及髋部骨密度，有效降低骨吸收标记物(Ⅰ型胶原交联氨基末端肽，Ⅰ型胶原交联羧基末端肽)而不影响骨形成标记物(骨血清碱性磷酸酶、Ⅰ型前胶原N端前肽)，患者对ODN能够很好耐受且无明显不良反应[31-35]。

来自比利时和美国的随机、安慰剂对照、双盲研究设计的Ⅰ期临床试验，对79名年龄≤75岁绝经后女性，评估ODN日剂量0.5 mg、2.5 mg、10 mg与周剂量为5 mg、25 mg、50 mg、100 mg效果。根据骨代谢标记物判断评价ODN的药代动力学参数、最佳剂量及安全耐受性。结果显示，ODN的半衰期为66～93 h，服药168 h后，骨吸收标记物下降明显。且周次剂量＞50 mg或日次剂量＞2.5 mg时，ODN显示出较强且持续的抑制骨形成标记物的作用，服药后无明显不良反应[31]。

后续Ⅱ期试验进一步评价了不同剂量的周次给药的治疗差异。对399名年龄为45～85岁，骨密度T值为-2.5 ～-3.5的绝经后女性，分别采用周剂量3 mg、10 mg、25 mg和50 mg，治疗时间12个月，延伸治疗为24个月。结果显示，受试者BMD呈剂量依赖性增加，且50 mg/周组受试者BMD增加最显著，骨吸收标记物呈剂量依赖性降低[32]。同期另一项研究中189名女性参与3年临床延伸试验，结果发现，50 mg/周组受试者BMD持续增高，骨吸收标记物明显降低，骨形成标记物无明显改变，且到第3年时，骨形成标记物较基线值增加了18%[33]。最近5年扩展数据第二阶段研究报告显示，85名绝经后女性接受ODN 50 mg/周治疗5年后，全身多部位的骨量呈现进行性(几乎以线性速率)增加，特别在髋部骨量上增加尤为明显，骨吸收标记物明显降低，而骨形成标记物保持在基线相对不变[34]。

大量研究提示，ODN可明显提高患者腰椎及髋部BMD，抑制骨吸收且呈剂量依赖性，同时对骨形成标记物无显著影响，患者对ODN治疗的耐受性好，未出现剂量相关的不良事件[35]。

4 结语

组织蛋白酶K抑制剂ODN在抑制骨吸收的同时，不抑制骨形成，且耐受性好，无明显的药物相关不良反应。其与现有常用的抗骨质疏松药物，如双膦酸盐、降钙素和雌激素受体调节剂等具有不同的作用机制，具有一定的互补作用。随着ODN逐步应用于临床，其将会改善骨质疏松症的治疗现状，提高治疗效果。

1 戴如春，张丽，廖二元.骨质疏松的诊治进展［J］.中国医刊，2008，43（4）：4-6.

2 Manolagas SC， Jilka RL. Bone marrow， cytokines， and bone remodeling. Emerging insights into the pathophysiology of osteoporosis［J］. N Engl J Med， 1995， 332（5）：305-311.

3 Iacovino JR. Mortality outcomes after osteoporotic fractures in men and women［J］. J Insur Med， 2001， 33（4）：316-320.

4 Russell R. Bisphosphonates： the first 40 years［J］. Bone， 2011，49（1， SI）： 2-19.

5 Augustine M， Horwitz MJ. Parathyroid hormone and parathyroid hormone-related protein analogs as therapies for osteoporosis［J］. Curr Osteoporos Rep， 2013， 11（4）： 400-406.

6 Salari Sharif P， Abdollahi M， Larijani B. Current， new and future treatments of osteoporosis［J］. Rheumatol Int， 2011， 31（3）：289-300.

7 Vääräniemi J， Halleen JM， Kaarlonen K， et al. Intracellular machinery for matrix degradation in bone-resorbing osteoclasts［J］. J Bone Miner Res， 2004， 19（9）： 1432-1440.

8 Atley LM， Mort JS， Lalumiere M， et al. Proteolysis of human bone collagen by cathepsin K： Characterization of the cleavage sites generating the cross-linked N-telopeptide neoepitope［J］. Bone，2000， 26（3）： 241-247.

9 Fuller K， Lawrence KM， Ross JL， et al. Cathepsin K inhibitors prevent matrix-derived growth factor degradation by human osteoclasts［J］. Bone， 2008， 42（1）： 200-211.

10 Bossard MJ， Tomaszek TA， Thompson SK， et al. Proteolytic activity of human osteoclast cathepsin K. Expression， purification， activation，and substrate identification［J］. J Biol Chem， 1996， 271（21）：12517-12524.

11 Xue Y， Cai T， Shi S， et al. Clinical and animal research findings in pycnodysostosis and gene mutations of cathepsin K from 1996 to 2011［J］. Orphanet J Rare Dis， 2011， 6：20.

12 Schilling AF， Mülhausen C， Lehmann W， et al. High bone mineral density in pycnodysostotic patients with a novel mutation in the propeptide of cathepsin K［J］. Osteoporos Int， 2007， 18（5）：659-669.

13 Troen BR. The regulation of cathepsin K gene expression［J］. Ann N Y Acad Sci， 2006， 1068：165-172.

14 Gowen M， Lazner F， Dodds R， et al. Cathepsin K knockout mice develop osteopetrosis due to a deficit in matrix degradation but not demineralization［J］. J Bone Miner Res， 1999， 14（10）： 1654-1663.

15 Kiviranta R， Morko J， Uusitalo H， et al. Accelerated turnover of metaphyseal trabecular bone in mice overexpressing cathepsin K［J］. J Bone Miner Res， 2001， 16（8）： 1444-1452.

16 Eghbali-Fatourechi G， Khosla S， Sanyal A， et al. Role of RANK ligand in mediating increased bone resorption in early postmenopausal women［J］. J Clin Invest， 2003， 111（8）：1221-1230.

17 Meier C， Meinhardt U， Greenfield JR， et al. Serum cathepsin K concentrations reflect osteoclastic activity in women with postmenopausal osteoporosis and patients with Paget’s disease［J］. Clin Lab， 2006， 52（1/2）： 1-10.

18 Connor JR， LePage C， Swift BA， et al. Protective effects of a cathepsin K inhibitor， SB-553484， in the canine partial medial meniscectomy model of osteoarthritis［J］. Osteoarthritis Cartilage，2009， 17（9）：1236-1243.

19 Kumar S， Dare L， Vasko-Moser JA， et al. A highly potent inhibitor of cathepsin K （relacatib） reduces biomarkers of bone resorption both in vitro and in an acute model of elevated bone turnover in vivo in monkeys［J］. Bone， 2007， 40（1）： 122-131.

20 Jerome C， Missbach M， Gamse R. Balicatib， a cathepsin K inhibitor，stimulates periosteal bone formation in monkeys［J］. Osteoporos Int， 2011， 22（12）： 3001-3011.

21 Engelke K， Nagase S， Fuerst T， et al. The effect of the cathepsin K inhibitor ONO-5334 on trabecular and cortical bone in postmenopausal osteoporosis： the OCEAN study［J］. J Bone Miner Res， 2014， 29（3）：629-638.

22 Tanaka M， Hashimoto Y， Sekiya N， et al. Effects of novel cathepsin K inhibitor ONO-5334 on bone resorption markers： a study of four sustained release formulations with different pharmacokinetic patterns［J］. J Bone Miner Metab， 2014， 32（4）： 447-454.

23 Brömme D， Lecaille F. Cathepsin K inhibitors for osteoporosis and potential off-target effects［J］. Expert Opin Investig Drugs， 2009，18（5）： 585-600.

24 Leung P， Pickarski M， Zhuo Y， et al. The effects of the cathepsin K inhibitor odanacatib on osteoclastic bone resorption and vesicular trafficking［J］. Bone， 2011， 49（4）：623-635.

25 Kassahun K， McIntosh I， Koeplinger K， et al. Disposition and metabolism of the cathepsin K inhibitor odanacatib in humans［J］. Drug Metab Dispos， 2014， 42（5）：818-827.

26 Jensen PR， Andersen TL， Pennypacker BL， et al. The bone resorption inhibitors odanacatib and alendronate affect postosteoclastic events differently in ovariectomized rabbits［J］. Calcif Tissue Int， 2014， 94（2）： 212-222.

27 Stroup GB， Kumar S， Jerome CP. Treatment with a potent cathepsin K inhibitor preserves cortical and trabecular bone mass in ovariectomized monkeys［J］. Calcif Tissue Int， 2009， 85（4）：344-355.

28 Pennypacker BL， Chen CM， Zheng H， et al. Inhibition of cathepsin K increases modeling-based bone formation， and improves cortical dimension and strength in adult ovariectomized monkeys［J］. J Bone Miner Res， 2014， 29（8）：1847-1858.

29 Cabal A， Jayakar RY， Sardesai S， et al. High-resolution peripheral quantitative computed tomography and finite element analysis of bone strength at the distal radius in ovariectomized adult rhesus monkey demonstrate efficacy of odanacatib and differentiation from alendronate［J］. Bone， 2013， 56（2）： 497-505.

30 Fratzl-Zelman N， Roschger P， Fisher JE， et al. Effects of odanacatib on bone mineralization density distribution in thoracic spine and femora of ovariectomized adult rhesus monkeys： a quantitative backscattered electron imaging study［J］. Calcif Tissue Int， 2013，92（3）： 261-269.

31 Stoch SA， Zajic S， Stone J， et al. Effect of the cathepsin K inhibitor odanacatib on bone resorption biomarkers in healthy postmenopausal women： two double-blind， randomized， placebo-controlled phase I studies［J］. Clin Pharmacol Ther， 2009， 86（2）：175-182.

32 Bone HG， Mcclung MR， Roux C， et al. Odanacatib， a cathepsin-K inhibitor for osteoporosis： a two-year study in postmenopausal women with low bone density［J］. J Bone Miner Res， 2010， 25（5）：937-947.

33 Eisman JA， Bone HG， Hosking DJ， et al. Odanacatib in the treatment of postmenopausal women with low bone mineral density： three-year continued therapy and resolution of effect［J］. J Bone Miner Res，2011， 26（2）：242-251.

34 Langdahl B， Binkley N， Bone H， et al. Odanacatib in the treatment of postmenopausal women with low bone mineral density： five years of continued therapy in a phase 2 study［J］. J Bone Miner Res， 2012，27（11）：2251-2258.

35 Nakamura T， Shiraki M， Fukunaga M， et al. Effect of the cathepsin K inhibitor odanacatib administered once weekly on bone mineral density in Japanese patients with osteoporosis--a double-blind，randomized， dose-finding study［J］. Osteoporos Int， 2014， 25（1）：367-376.

Advances in Cathepsin K inhibitor Odanacatib in treatment of osteoporosis

LI Ming, LYU Houchen, ZHANG Licheng, TANG Peifu, ZHANG Lihai
Department of Orthopedics, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China

ZHANG lihai. Email: zhanglihai74@qq.com

Cathepsin K (Cat K) is a cysteine protease expressed in osteoclasts, which is the key enzyme of bone resorption in the process of bone rebuilding. Related research confirms that inhibiting its activity is a new way for the treatment of osteoporosis. As the latest research and development of cathepsin K inhibitor, Odanacatib (ODN) can effectively inhibit bone absorption without inhibiting bone formation, and it also shows well tolerance and no obvious drug related adverse reaction, which provides a new option for treatment of osteoporosis.

Odanacatib; cathepsin K; osteoporosis; inhibitors

R 681.4

A

2095-5227(2015)03-0285-03

10.3969/j.issn.2095-5227.2015.03.023

时间：2014-12-22 16:33

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3275.R.20141222.1633.001.html

2014-09-25

国家自然科学基金面上项目(31370947；81472112)；国家自然科学基金青年基金(8140090663)

Supported by the National Natural Science Foundation of China(31370947; 81472112); National Natural Science Foundation for Youth of China(81400 90663)

李明，男，硕士。研究方向：创伤骨科。Email: liming8 91215@163.com

张立海，男，博士，副主任医师，副教授，副主任。Email: zhanglihai74@qq.com