骨代谢标志物在骨质疏松症诊治中的应用

邱敏丽, 古洁若

中山大学附属第三医院风湿免疫科、广东省免疫疾病临床医学研究中心(广东广州 510630)

骨质疏松症(osteoporosis)是一种以骨量减少和骨微结构破坏为特征的骨代谢性疾病,多发于绝经后的女性、老年人甚至患有某些基础疾病的年轻人。骨质疏松是一种慢性病,常伴发疼痛和功能障碍等症状,甚至容易发生脆性骨折,给患者及其家庭和社会带来沉重的负担。预防和治疗骨质疏松已成为当今医学领域的热点和难点问题。预测骨折风险和临床预防脆性骨折是骨质疏松医学研究和治疗的首要目标。目前预测骨折的方法主要基于对骨密度(BMD)的测量和基于对骨骼的某些临床风险因素使用的风险计算器,即FRAX-calculator。骨密度的测量主要使用双能X射线骨密度仪(DXA)扫描,WHO推荐的骨质疏松症诊断标准,就是基于DXA的骨密度定量分析测量。但其具有显著的局限性,包括对治疗的延迟反应、对测量的骨骼部位的限制和对骨折风险预测的有限性等。其实,骨代谢标志物(bone turnover markers,BTMs)等动态指标虽无法直接诊断骨质疏松症,但可以用于评价不断变化的骨代谢状态,也是骨质疏松症的重要的临床参数。并且,复查骨密度通常需要间隔6～12个月才能观察到测量值变化,而BTMs能准确地反映每一个测量时间点的骨代谢状态。检测BTMs浓度对了解骨质疏松和多种骨骼疾病的发病机制、协助鉴别诊断、监测骨质疏松进展、评估骨折风险以及观察药物疗效等具有重要价值[1-3]。

1 骨组织结构和更新

骨骼是一种生命力旺盛的组织,它主要由无机质和有机质构成,无机质主要包括钙、磷、镁等矿物质,有机质主要由胶原蛋白、多种非胶原蛋白质构成,骨骼还含有多种细胞和水分,依靠成骨细胞、破骨细胞、骨细胞完成不断更新与重塑,即骨重建过程。骨骼的完整性由不断重复、时空偶联的骨吸收和骨形成过程维持。破骨细胞分泌一些酶类,使周围骨质被溶解,产生骨吸收陷窝。在溶解的过程中,成骨细胞迁移到骨缺损的陷窝处进行分化、增殖,分泌一些胶原纤维在骨细胞的周围,并出现胶原纤维钙质的沉积,成骨细胞转化为骨细胞, 填补骨陷窝,这就完成了骨组织的吸收和形成过程。期间产生的骨吸收和骨形成代谢物进入血液,也可经肾脏滤过后进入尿液排出[4]。破骨细胞不断吸收旧骨和成骨细胞不断形成新骨的自我更新过程,称为骨转换(bone turnover)。骨转换是一个持续的过程,可以修复疲劳受损的骨骼并保持骨骼强度。

BTMs是一组在骨重建过程中释放的代谢产物或酶类,可以在血清或尿液中检测到,分为骨形成标志物和骨吸收标志物,分别反映骨形成和骨吸收水平及其活跃程度。骨吸收和骨形成受多个因素的调控,包括基因、机械应力、内分泌激素和药物等,骨转换失衡是多种骨骼疾病的关键病理生理机制[5]。

2 BTMs种类

BTMs分为骨形成标志物和骨吸收标志物。(1)骨形成标志物主要有:总碱性磷酸酶 (ALP)、骨特异性碱性磷酸酶 (b-ALP)、1 型原胶原氨基端前肽 (P1NP)、1型原胶原羧基端前肽 (P1CP)、骨钙素 (OC) 等。(2)骨吸收标志物主要包括:羟脯氨酸 (HOP)、吡啶啉 (Pyr)、脱氧吡啶啉 (DPD)、1型胶原交联羧基端肽 (CTX)、1型胶原交联氨基端肽 (NTX)、抗酒石酸酸性磷酸酶5b (TRAP 5b) 等。

尽管所有 BTMs都可以因骨质疏松症的疾病过程而发生变化,但国际骨质疏松症基金会 (IOF) 已推荐血清P1NP和CTX-1分别作为骨形成和骨吸收的参考标志物,用于骨折和骨质疏松症的风险预测和治疗监测。

3 BTMs 临床应用

近年来,随着包括骨质疏松在内的各类代谢性骨骼疾病的研究不断深入,有关BTMs的国内外 循证医学证据不断涌现[6-8],BTMs应用于临床中越发广泛。

3.1 BTMs 在骨骼疾病诊断和鉴别诊断中的意义 目前国际公认的骨质疏松症诊断金标准是基于DXA的骨密度测量结果[9],尽管BTMs与骨密度有一定的相关性,但诸多研究数据显示这种相关性不够强,BTMs不能直接用于诊断骨质疏松症[4]。

BTMs 在多种骨骼疾病的诊断与鉴别诊断中具有重要意义。在原发性骨质疏松症患者中, BTMs水平一般在正常范围,或仅有轻度升高,当 BTMs浓度特别高时 (高于参考区间3个标准差),要注意完善肿瘤指标、内分泌激素水平等检查进行鉴别诊断,排除肿瘤性、代谢性骨病等继发性骨质疏松情况。多种疾病均可引起 BTMs 的明显变化,包括原发性甲状旁腺功能亢进、甲状腺毒症、吸收不良或其他骨病(如骨纤维异样增殖症、Paget病、骨软化症、慢性肾性骨病、恶性肿瘤骨转移、多发性骨髓瘤等)[4-5]。

除上述疾病会导致BTMs发生改变,多种药物也会影响 BTMs 水平,包括糖皮质激素、芳香化酶抑制剂、抗惊厥药物、噻嗪类利尿剂、肝素、维生素 K 拮抗剂等[5]。骨吸收抑制剂或骨形成促进剂等抗骨质疏松药物,也可引起BTMs水平的明显变化,这可用于监测药物疗效。

3.2 BTMs与骨质流失和骨微结构损害 骨吸收标志物代表1型胶原降解和破骨细胞活化。骨形成标志物代表1型胶原蛋白的产生和成骨细胞活性。在骨骼疾病中,骨代谢会发生各种变化,任何一类标志物都可以识别骨转换的变化[10-11]。因此,骨质疏松症的发生是成骨细胞和破骨细胞数量和活性变化的直接反映。因此,BTMs反映了这些细胞的当前活性,并且可以提供超出X线拍照所能提供的额外信息。例如,低骨量可能随着骨转换的增加或减少而发生,低转换和高转换骨质疏松症患者的骨骼可能具有不同的生物物理特性和骨折风险。一项针对中国女性的研究显示,BTMs水平明显升高,与其发生骨质疏松或骨量减少的风险增加显著相关,骨转换加速与增龄所致骨丢失密切关联[12-13]。由于骨吸收和骨形成通常是偶合的,成骨细胞活性的增加通常伴随着破骨细胞的骨吸收增加。因此,BTMs可能在预测骨丢失方面具有重要意义。然而,BTMs改变对老年女性加速骨质流失的阳性预测价值不大[14]。因此,目前不建议用BTMs来筛选和识别那些快速骨丢失风险增加的人群[14-15]。

在骨微结构方面,男性70 岁以后较高的 BTMs 水平与胫骨和桡骨皮质骨厚度和骨密度降低相关,处于BTMs 最高四分位数的男性桡骨远端骨小梁密度、数量和厚度更低,且小梁分布更不均匀[5,16-18]。BTMs 升高的女性,比BTMs水平正常者,骨皮质孔隙率更高,骨皮质更薄,更易发生骨折[19]。

3.3 BTMs 与骨折风险预测 骨丢失加快导致骨密度下降及骨微结构破坏,降低骨强度,增加骨折风险。因此,在预测骨折风险方面,BTMs与骨折风险有一定的相关性,BTMs浓度越高,骨折风险越大[20]。

BTMs对骨折风险具有独立预测作用。在研究对象为女性的大多数研究中,骨折风险的升高往往与骨转换标志物中单个指标水平升高具有相关性[21]。有趣的是,升高的再吸收标志物仅在发现后5年的时间内与骨折风险增加有关,这种预测能力超过5年无效[22]。因此,发现BTMs升高可早期预测骨质疏松患者的骨折风险,但超过5年的长期骨折风险评估需结合FRAX工具、骨密度等其他方法,由于具有变异性等不能把BTMs作为长期的评估指标。

如果将BTMs与骨密度结合,可更好地预测骨折风险。瑞典 EPIDOS 研究表明,绝经后女性10年骨折风险从高到低依次为: (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与骨折风险关系研究中,它们之间的相关性还存在一定的争议,这可能由于研究涉及的BTMs种类多,各研究之间的统计方法存在差异,且具有多种变异性因素等所导致。后续的研究除了需要扩大样本量外,还要注意排除分析前多种变异性的因素,减少如因昼夜节律、饮食、运动等可控性混杂因素导致的检测差异,使得BTMs与骨折风险之间的关系更为明确[24]。

3.4 BTMs 在骨质疏松症药物治疗中的意义 骨密度作为一个变化的标志物,复查前必须等待6～12个月的观察期,然而,与 DXA 测量不同,BTMs水平对骨转换率的变化表现出明显的快速反应,能准确地反映每一个测量时间点的骨代谢状态,这使得它们在临床上非常有用,BTMs已被证明可作为抗骨质疏松药物治疗反应以及患者依从性监测的辅助工具[25-26]。

骨转换失衡导致骨吸收大于骨形成是骨质疏松症的关键病理机制,针对此机制,目前骨质疏松症治疗药物主要分为骨吸收抑制剂、骨形成促进剂和双重作用药物。应用抗骨吸收药物[如双膦酸盐(BPs)、地舒单抗、选择性雌激素受体调节剂(SERMs)等]时,骨吸收和骨形成标志物均下降,以骨吸收标志物下降为主,且下降幅度与药物增加骨密度疗效呈正相关[27]。 应用促骨形成药物(如特立帕肽、阿巴洛肽)时,骨形成标志物显著升高,特别是P1NP尤以明显,其上升幅度也可用来评估药物疗效,而骨吸收标志物水平一般未发生显著改变。双重作用药物Romosozumab 为硬骨抑素的单克隆抗体,能够特异性抑制硬骨抑素活性,激活成骨细胞 Wnt 信号通路,促进骨形成,并通过影响破骨细胞 Opg-Rankl-Rank 信号通路,抑制骨吸收,因此其具有独特的双重作用,显著增加患者骨密度[5]。它也会导致骨形成标志物的剂量依赖性增加,但与特立帕肽不同,它会导致血清β-CTX显著下降,约在治疗14天降至最低值,在用药期间可维持在低水平长达一年[28]。临床上根据BTMs与抗骨质疏松药物的这种特性关系,通过在基线期及用药后相应时间点监测BTMs水平,可以及时评估药物疗效和患者依从性,并及时调整抗骨质疏松方案。

另外,有研究表明骨质疏松症开始治疗前的BTMs浓度可能有助于选择最佳治疗方法,BTMs浓度高的患者可能对抗吸收治疗反应最好,而 BTMs浓度低的患者可能对合成代谢治疗反应最好[29]。

同时,有研究显示, 在口服双膦酸盐药物治疗的患者中,在治疗1年后,药物维持率降到了50%以内[30]。因此利用 BTMs来监测患者接受治疗的依从性是一种简单易行的方法[31],患者的依从性也是评估药物疗效的重要影响因素[32]。

由于尚未确定 BTMs的标准化参考值,同一患者BTMs的连续测量可用于显示BTMs水平随时间的相对变化。这对药物疗效的早期反应和依从性监测特别有帮助[33]。患者应在开始抗骨质疏松药物治疗前进行BTMs 的基线水平的测量。然后可以根据所使用的治疗药物在特定时间间隔再次测量患者的BTMs水平,了解 BTMs的变化,判断患者对药物治疗的反应以及治疗的依从性,以进一步调整治疗方案[34]。

为监测抗吸收药物疗效,如静脉用BPs,应在治疗1～3个月后,对于口服BPs,应在治疗开始后 3 个月和6个月,分别复测β-CTX 和 P1NP水平以确保水平下降并评估抑制程度。由于BPs存在药物假期,随着BPs停药时间延长,BTMs水平可能再次升高,骨密度逐渐下降,骨折风险再次升高,建议BTMs升高作为结束 BPs药物假期、重启抗骨质疏松药物治疗的重要指标之一[5]。研究显示地舒单抗注射后数天,骨吸收标志物β-CTX 就明显下降,提示药物起效迅速[35]。值得注意的是,患者停用地舒单抗治疗后出现多发椎体骨折风险增加,与停药后骨吸收标志物明显升高有显著相关性[36]。指南推荐该类药物一旦停药必须序贯双磷酸盐等其他抗骨质疏松药物治疗[37]。对于像特立帕肽这类的促骨形成药物,BTMs会随着治疗而增加,其中 P1NP 是首选标志物;一旦开始治疗,数天内骨形成指标就显著升高,在治疗1～3个月后出现峰值[33]。通常认为其较基线升高超过 10 ng/mL 为治疗有反应。在停用特立帕肽治疗后,BTMs水平迅速降低,同时出现骨密度降低,为维持疗效应序贯地舒单抗或双磷酸盐等[5]。

已有研究,在绝经后妇女中探索用抗骨吸收药物和促骨形成药物的联合治疗,在接受地舒单抗和特立帕肽治疗的患者中,骨形成标志物比单独使用地舒单抗降低更多[38-39]。在第12个月,地舒单抗单药治疗和联合治疗之间的β-CTX下降相似,并在第 24 个月保持抑制。这种对骨吸收的持续抑制与之前基于双膦酸盐的联合试验形成对比。唑来膦酸和特立帕肽联合使用可短暂抑制β-CTX,而阿仑膦酸联合特立帕肽或 PTH 对骨吸收的抑制作用低于单独使用阿仑膦酸盐[40-41]。

在使用 BTMs 评估抗骨质疏松药物疗效中,建议采用最小有意义变化(least significantchange,LSC)帮助判断 BTMs 改变的临床意义。由于正常检验测量存在误差与波动,患者 BTMs 的改变超过LSC才能视为有意义的变化。LSC计算方法如下: LSC=BTMs 测定的 “精确度误差”(CV) ×2.77[5,42]。在骨吸收抑制剂治疗过程中,BTMs 下降幅度大于 LSC 或下降到健康绝经前女性参考值的一半以下,或在骨形成促进剂治疗时,BTMs 升高幅度大于 LSC,提示治疗有反应及患者依从性良好[5,42],如 BTMs 下降幅度或升高幅度小于 LSC,提示临床医生要重新评估疾病诊断及患者的依从性,必要时要调整治疗策略[5]。

对于所有疗法,建议对 BTMs进行连续测量,以确保维持目标水平[33]。虽然个体患者的相对水平有助于评估骨转换率的变化,但 BTMs测定程序的实验室内和实验室间标准化和可重复性差仍然是BTMs纳入临床指南的主要障碍[43-44]。

4 影响BTMs 变化的干扰因素

骨转换标志物水平可能受到分析前变异性的多种因素的影响,包括不可控因素和可控因素。可以调整和最小化的因素,称为可控因素,包括昼夜节律和季节节律、 食物摄入、月经周期、检测样本稳定性、运动锻炼及生活方式等。无法控制的分析前变异性的因素,称为不可控因素,主要有年龄、性别、种族、近期骨折史、更年期状态及疾病状态等。

升高 BTMs 的因素包括绝经、骨折、制动、吸烟、药物 (如芳香化酶抑制剂、抗惊厥药物、促骨形成药物)或疾病(如甲状旁腺功能亢进症)[5]。妊娠期骨转换水平较妊娠前增加,尤以妊娠晚期与哺乳期升高更显著。降低 BTMs 的因素包括高龄、酗酒、药物 (如肝素、噻嗪类利尿剂、糖皮质激素、抗骨吸收药物) 或疾病(如甲状腺功能减退症)[5]。

BTMs表现出明显的昼夜变化。例如,血清CTX、NTX和OC在清晨(午夜到早上8点之间)达到高峰,在下午达到最低点[45]。这种昼夜节律效应通常可以在大多数BTMs中观察到,其中CTX的变化最大(60%)[45-46]。

餐后骨吸收减少,这一发现是清晨CTX达到高峰的重要原因,因为刚经历了最长的禁食期,餐后骨重塑的减少已被证明是胃肠激素(即胰高血糖素样肽-2)在减少吸收方面的作用所致[47-48]。此外,钙的摄入会导致骨吸收标志物的减少。有趣的是,骨形成标志物受禁食和昼夜节律的影响较小。P1NP具有较低的昼夜变化,并且不受饮食的影响,可随机非空腹采血测量。

此外,观察到骨转换的季节性变化,冬季骨转换水平略高于其他季节。女性月经黄体期的骨吸收指标较其他时期降低,高强度运动可能增加骨形成,降低骨吸收[4-5]。以上因素中,进食、昼夜节律、年龄和性别是重要影响因素,为最大限度地减少可控因素的干扰,建议采样时收集空腹状态、上午7:30—10:00的血液和尿液标本进行BTMs 检测[4-5]。

5 小结与展望

许多研究清楚地表明, 骨重塑的失衡,即破骨细胞和成骨细胞的活性失衡,导致了骨密度降低和骨质量变差,其最严重的临床后果是脆性骨折的风险增加。随着人口老龄化,伴随而来的发病率和死亡率,这一病理过程仍是世界范围内的一个医疗保健和社会经济问题。因此,预测骨折风险是骨质疏松症和骨代谢缺陷的医学研究和治疗的首要目标。由于代谢性骨病很多时候是无症状的,而骨量的放射学测量对骨生理学的变化反应缓慢,目前的研究主要集中在新型BTMs的识别和开发上。BTMs对于各种代谢性骨骼疾病的鉴别诊断、骨质疏松和骨折风险评估、抗骨质疏松药物疗效评价及治疗依从性等方面具有重要价值。

成骨细胞和破骨细胞活性的这种平衡或失衡反映在BTMs的变化中,这可能可用于改善骨折风险的临床评估,特别是在高度脆弱的人群中。尽管理解这一关系对制订指南、治疗方案和改善结果至关重要,但很明显,需要更多的良好控制的大规模临床研究来更充分地阐明影响骨转换的生化途径。提高精确度和敏感度的分析工具/技术的开发和标准化至关重要。同时,BTMs与发生脆性骨折之间相关性的研究仍需要更多的大样本、多中心的前瞻性研究来进一步验证。在药物疗效评价方面,BTMs能够快速反映骨代谢的变化,与骨密度检测相比,可更早评估骨质疏松症疗效,帮助医师监测患者用药依从性,及时调整治疗方案,在临床应用中有独特的优势。进一步研究确定个体分析物的普遍正常参考范围以及验证可用于指示骨转换快速患者的值对于标准化 BTMs在骨质疏松症管理中的使用(从诊断到管理阶段)也是必要的[2]。

总之,经过科研人员的不懈努力,对疾病认识和研究的深入探索,越来越多的新型骨标志物将被发现,BTM的内容也将越来越丰富,其应用方面越来越广,有望为骨质疏松症和多种骨骼代谢疾病的临床诊断、优化治疗以及患者管理等提供更多有价值的帮助。

利益相关声明:作者声明不存在任何利益冲突。

作者贡献说明:邱敏丽执笔撰写;古洁若通信作者构思设计及指导论文撰写。