血管新生介導甲狀旁腺素對靶器官代謝調控作用的研究進展

文章來源：中華內分泌代謝雜誌, 2017,33(04): 351-354

作者：姜鑫 程群

摘要

血管新生是組織損傷修復、腫瘤生長及激素作用等過程必不可少的環節，甲狀旁腺素(PTH)作為調節機體鈣、磷與骨代謝穩態的基礎激素，近年關於血管新生介導PTH發揮代謝調控作用的研究逐漸興起，本文就PTH對靶器官尤其對骨組織作用時相應的血管新生變化進行綜述。

甲狀旁腺素(PTH)是調節機體鈣、磷與骨代謝穩態的基礎激素，與降鈣素及骨化三醇習慣稱為"鈣調節激素" 。甲狀旁腺素對骨的作用既促進骨形成，又促進骨吸收；對腎臟，主要促進對鈣的重吸收和磷的排泄。血管新生是生長發育、損傷修復、腫瘤生長及諸多激素髮揮作用等過程中必不可少的環節，包括血管發生、血管生成和動脈生成三個過程。近年來，關於血管新生在PTH發揮代謝調控時所起作用的研究逐漸成為熱點，國內外諸多學者試圖通過靶器官激素-受體結合、細胞內信號轉導通路、激素給藥方式和量的干預、微環境血管因子變化等諸多方面的研究，闡述PTH的上述生理作用及病理狀態時的血管發生機制，以期通過干預或誘導血管新生來治療諸如老年骨質疏鬆及PTH異常導致的相應疾病。

一、PTH與不同骨靶點的血管新生關係

1.激素-受體結合調節軟骨內血管新生：

PTH受體不僅存在於成骨細胞，內皮細胞同樣表達[1]。美國約翰·霍普金斯大學醫學院的研究發現成骨細胞內存在的1型PTH受體(PTH receptor type 1, PTH1R)屬G蛋白耦聯受體，當PTH與位於成骨細胞內的PTH1R結合時，G蛋白活化，細胞內通過"PTH1R—G蛋白—cAMP—蛋白激酶A(PKA)"的信號轉導通路，調節軟骨內血管入侵，促進軟骨吸收的過程。該團隊特異性敲除了小鼠成骨細胞內PTH1R，出現如下表現：(1)軟骨細胞內的血管生成、軟骨血管侵入能力降低，軟骨細胞異常發育、成熟，生長板提前融合；(2)骨組織長度縮短、軟骨基質礦化及軟骨生長板內肥大軟骨細胞減少。最終成骨細胞的質和量也隨之下降，骨小梁形成受阻，垂直骨生長延遲，表明PTH1R調節骨形成過程，對於增殖中軟骨細胞的作用是刺激增殖、延緩成熟[3,4,5,6]。研究還表明，PTH通過與位於成骨細胞內的PTH1R結合，調節軟骨內的血管形成以維持出生後骨生長板的作用[6]，具體作用機制見後述。

2.骨骺生長板甲狀旁腺激素相關肽(PTHrP)-印第安刺蝟蛋白(Indian Hedgehog，IHH)信號軸與成纖維細胞生長因子3型受體(FGFR3)：

近來研究發現，PTHrP-IHH信號軸作為骨骺生長板中調節軟骨和成骨細胞增殖、分化、肥大和礦化的重要負反饋軸，其調節作用極大程度上依賴軟骨內的血管新生，另外FGFR3對PTHrP-IHH信號軸調節軟骨內骨化過程至關重要。由前肥大軟骨細胞分泌的IHH可獨立刺激軟骨細胞的增殖，並決定骨領區域形成的位置；上調軟骨細胞分泌的PTHrP，一方面刺激軟骨增殖帶增殖，另一方面延緩增殖軟骨細胞分化為肥大軟骨細胞的進程，以增加肥大軟骨細胞的前期儲備。位於骺生長板的肥大軟骨細胞可表達血管內皮生長因子(VEGF)mRNA，而依賴VEGF的血管入侵在骺生長板內對偶聯軟骨吸收-新骨形成過程至關重要[7]；特異性敲除FGFR3的小鼠表現出骨骼的過度生長，這表明FGFR3負性調節軟骨內骨化過程，且FGFR3通過活化突變，調控軟骨內IHH/PTH1R系統[8]。

3. PTH通過微血管誘導原代成骨細胞分化：

通過基因重組PTH(recombinant parathyroid hormone，rPTH)對小鼠骨缺損同種異體移植修復模型的研究發現：rPTH增強移植骨與受者缺損骨融合的機制與抑制促血管生成素-2(Angiopoietin-2，Ang-2)誘導的動脈形成、減少肥大細胞數量、減輕纖維化發生密切相關[9]。這一結論也被另一課題組證實並進一步深化[10]。通過檢測血管生成相關基因如Ang-2、血管內皮生長因子D、血管內皮生長因子1型受體[VEGF receptor 1，VEGFR1(Flt-1)]等發現，PTH在同種異體骨移植模型中發揮成骨作用時，一方面通過降低Ang-2的表達來抑制其誘導的大動脈形成[11]以減少肥大細胞數目，肥大細胞會促進接觸面間纖維化發生[12]，使得骨修復失敗；另一方面通過促進VEGF的表達，誘導微血管向骨形成位點發生[13]並增強原代成骨細胞鹼性磷酸酶的活性，提高其對PTH的敏感性。此外，該課題組還發現了原代成骨細胞對VEGF-A的高親和位點，這不僅證明成骨細胞功能性VEGF受體的存在，同時提示除與內皮作用外，VEGF還可能參與誘導成骨細胞的分化。

二、PTH/PTHrP與血管內皮生長因子系統

1. VEGF與骨形成：

諸多基礎與臨床研究均證明，沒有脈管系統的交互作用，就沒有機體的骨形成[14,15]。對小鼠下肢微營養動脈模型的研究發現，PTH(1-84)成骨、增加骨量的作用竟可不依賴血管新生而獨立發生[16]，更有趣的是，給小鼠注射貝伐單抗(非特異性抗VEGF抗體[17])後，不僅PTH(1-84)增加骨量的作用消失，骨髓空間上血管的再分布也受到抑制，而這種再分布對骨髓微血管與骨細胞間的營養交換至關重要，並可能為骨生長提供支持性微環境。最終研究表明：PTH(1-84)獨立於血管新生的成骨機製為通過與內皮PTH1R結合，增強自分泌VEGF的產量，VEGF通過表達於內皮自身的酪氨酸激酶受體為中介增強內皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase，eNOS)活性，產生NO，使得血管舒張，同時增強骨血管平滑肌細胞對體循環中及局部促血管舒張因子的敏感性[18]。馬德里和平醫院的Esbrit等[19]的研究則證明了C-末端的PTHrP(107-139)是骨形成的重要促進因素，與N端PTH/PTHrP(1-34)不同，C-末端的PTHrP不與PTH1R/PTHrPR限定結合，而通過活化蛋白激酶C(PKC)上調人成骨細胞VEGF的表達，誘導骨新生血管形成，促進骨生成。

2. VEGF與腫瘤溶骨轉移：

骨骼是許多惡性腫瘤轉移的好發部位，尤其如前列腺癌、肺部腫瘤及乳腺癌，在腫瘤溶骨性轉移過程中，PTHrP起到了重要作用。以乳腺癌為例，胸部腫瘤在骨轉移期間，通過分泌PTHrP(1-34)，促進VEGF等多種生物因子的釋放，促使骨血管新生變化來為腫瘤細胞的骨轉移和生長提供一個合適的微環境[20]。研究發現，由腫瘤細胞分泌的PTHrP通過兩種途徑增強VEGF的表達：一方面通過自分泌途徑作用於腫瘤細胞自身表達的甲狀旁腺素相關肽受體(PTHrP receptor，PTHrPR)，上調腫瘤細胞VEGF的表達，以協助PTHrP發揮刺激腫瘤細胞增殖、黏附、存活的作用[21,22,23]；另一方面，與位於成骨細胞內的PTH1R結合，通過依賴PKC激活的細胞外信號調節激酶(ERK1/2)和絲裂原激活蛋白激酶p38(p38MAPK)通路，增強VEGF的表達。VEGF通過結合表達於成熟破骨細胞的激酶插入區受體/胎肝激酶1[VEGF receptor 2，VEGFR2(KDR/Flk-1)]或Flt-1，直接調節新生血管形成[24]，增強破骨細胞溶骨能力[25]，協助腫瘤骨轉移。

三、PTH"量-效調理規則"與骨重吸收

間歇性注射甲狀旁腺素(intermittent injection of PTH, iPTH)與連續性注射甲狀旁腺素(continuous injection of PTH, cPTH)均可促進骨形成，但對於骨重吸收的作用恰恰相反。研究發現，(1)骨的重吸收與血管密度呈正相關，與血管尺寸和平均面積呈負相關；(2)cPTH組小鼠脛骨骨血管面積減少，血管密度增高，血管尺寸無明顯變化，骨小梁厚度變薄，皮質骨厚度增加；而iPTH組脛骨骨血管面積及血管尺寸增加，皮質骨厚度不變，骨小梁的厚度增加，這表明iPTH具有促進骨形成，抑制骨吸收的作用[26,27]。研究發現，iPTH(1-84)可在不改變血壓的情況下，通過誘導骨骼肌等多個組織器官微血管網的改變：增加血管尺寸、減輕血管形成抵抗而增加骨的血流灌注，抑制因卵巢切除術/卵巢退化所誘發的骨髓血管形成及骨流失(骨質疏鬆)等一系列相應改變，cPTH(1-84)則降低血壓，損傷骨量、骨結構，即cPTH具有促進骨吸收的作用。這種因PTH劑量和給藥方式不同而導致不同生理效應的現象暫譯為"量-效調理規則" 。與此同時，iPTH可顯著增加正常小鼠的骨內血管數量及血流灌注，而卵巢切除小鼠的骨內血管尺寸並未見相應改變，表明PTH(1-84)通過影響骨血管結構和狀態發揮代謝調控作用時依賴於下丘腦-垂體-性腺(HPG)軸的狀態[27]。

四、病理情況下PTH增加與血管生成調控

1.繼發性甲狀旁腺功能亢進(HPT)時PTH與促血管生成因子：

PTH作用於腎臟時，腎小管重吸收磷的能力減弱，尿磷增加，重吸收鈣的能力提高；加強腎lα羥化酶活性，促進腎臟合成1，25(OH)2D3，間接地促進腸吸收鈣，提高血鈣水平。目前對血管新生變化介導PTH發揮作用時的機制研究主要集中在骨代謝，對PTH作用於腎臟發揮代謝調節作用時血管新生變化的研究甚少。慢性腎臟疾病患者常並發繼發性HPT。此時繼發性HPT患者甲狀旁腺的增大是由腺體的增生而非細胞肥大導致[28]。研究發現：(1)與正常人群相比，繼發性HPT患者內皮因子(Endoglin，又名CD105，為細胞膜糖蛋白)在血管內皮的表達大幅上調，CD105能特異性刺激血管內皮新生血管的形成，同時促血管生成因子，如VEGF-A及鹼性成纖維細胞生長因子(basic fibroblastic growth factor，b-FGF)的表達均增加。甲狀旁腺組織血管形成依賴旁分泌途徑產生的VEGF-A可增加微血管的通透性、延緩內皮細胞凋亡、刺激內皮細胞分離和遷移，從而促進新的血管形成。(2)甲狀旁腺組織的血管生成數量遠超單由VEGF-A誘導產生的量。Patricia Martins等的實驗結果與之前諸多觀察實驗一致[29,30,31]，表明繼發性甲旁亢患者的甲狀旁腺組織內存在b-FGF及其受體。由內皮、基質、腫瘤細胞等分泌的b-FGF是強力的促血管內皮生成因子，與VEGF-A起協同增強內皮細胞活動的作用[28]，但與VEGF-A相比，繼發性HPT時b-FGF的表達增量更有意義，與患者血管形成、組織過度增生的關係更加密切[31]。

2.原發性HPT時PTH與FGF-2：

原發性HPT最早由Fuller Albright等在二十世紀三十年代提出和描述[32]。與由慢性腎衰導致的繼發性HPT不同，腺體大小的改變並不是額外PTH分泌的主要因素。來自牛津丘吉爾醫學中心的Garcia博士研究團隊發現，(1)原發性HPT時，Ⅱ型成纖維細胞生長因子(FGF-2)具有階梯式表達遞減現象，即FGF-2的表達於原發性HPT時最高，甲狀旁腺腫瘤時次之，正常甲狀旁腺組織最低；(2)各組VEGF-A的表達沒有顯著差異。實驗表明，於原發性HPT時發生的血管新生而言，FGF-2為主要的促血管生成因子[33]。

五、結語與討論

血管形成依賴於促血管生成因子與抑制血管生成因子之間的平衡，以及與細胞外基質間的相互作用[34]。綜上所述對於血管新生介導PTH發揮代謝調節作用的研究，主要集中在促血管生成因子如VEGF、FGF等方面，關於PTH與抑制血管生成因子如血管抑素、內皮抑素等的研究相對較少，而我們相信，抗血管生成因子在PTH的血管發生機制中也必定發揮著至關重要的作用，有必要進行相應的實驗進行探究；第二，PTHrP刺激的VEGF表達增加既可促進骨重吸收，也可促進骨形成過程，但何種差異導致VEGF不同作用的發生機制不清，同時，關於PTH對腎臟靶器官作用時的血管新生研究少，機制不清，相應實驗有待開展；第三，對於促血管生成因子的研究要繼續深入到分子表型，注意探究不同血管因子間的相互作用對PTH血管新生的影響，是協同？拮抗？抑或單獨作用？尤其注意這些因子發揮促血管生成作用的主次關係；第四，針對諸多內分泌腫瘤的實驗發現，血管形成和腫瘤細胞的增殖缺乏相關性[35]。義大利學者Viacava等[36]發現甲狀旁腺瘤的微血管密度與腫瘤的內分泌活動(腫瘤尺寸、分泌狀況)呈負相關；內分泌腫瘤的大小、血管生成表型與腫瘤分泌狀態之間不具有相關性，而這一結論恰與Garcia de la Torre課題組的實驗結果[33]相反。進一步探究實驗有待展開的同時提醒我們，在新研究開展的同時，要不斷對先前已取得的研究成果進行驗證、完善，這也是當代科研精神對我們提出的要求。

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