劉恒,曹永平,楊昕

(北京大學(xué)第一醫(yī)院骨科,北京 100034)

選擇性環(huán)氧化酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2)抑制劑自20世紀(jì) 90年代發(fā)明以來(lái),因其良好的抗炎、解熱、鎮(zhèn)痛作用和極少的胃腸道反應(yīng)而被廣泛應(yīng)用于骨科臨床,尤其是應(yīng)用于骨折、骨關(guān)節(jié)病、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎以及軟組織損傷的患者。但自 20世紀(jì) 80年代以來(lái),許多關(guān)于非甾體類抗炎藥(nonsteroid anti-inflammatory drugs,NSAIDs)及 COX-2抑 制劑對(duì)骨折愈合和骨重建作用的研究表明,此類藥物的應(yīng)用延遲了骨折愈合并且降低了骨折愈合后的骨強(qiáng)度[1～3]。普通的NSAIDs已在全髖置換術(shù)后或創(chuàng)傷后被臨床用于抑制異位骨化,但它同樣會(huì)抑制骨折的愈合以及增加人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后假體松動(dòng)的概率[4]。2004年 10月 M ERCK公司宣布全球范圍內(nèi)撤回萬(wàn)洛 (羅非昔布),2005年 4月 FDA對(duì)西樂(lè)葆等NSAIDs類藥物發(fā)出安全警示,人們逐漸認(rèn)識(shí)到此類藥物并不像以前認(rèn)為的那么安全。這也更加引起了人們對(duì)選擇性COX-2抑制劑這類非甾體類抗炎藥在骨折愈合過(guò)程及骨整合過(guò)程中所起作用的特別關(guān)注。

1 環(huán)氧化酶(cyclooxygenase,COX)

環(huán)氧化酶是一個(gè)位于細(xì)胞膜上的分子量為 71KD的糖蛋白,是催化花生四烯酸轉(zhuǎn)化為前列腺素 H2(prostaglandin H2,PGH2)的關(guān)鍵酶和限速酶。PGH2可再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成多種前列腺素(prostaglandins,PGs),PGs與特定的 G-蛋白偶聯(lián)受體結(jié)合,該受體被激活后,能增加細(xì)胞間第二信使(環(huán)磷酸腺苷和鈣)的濃度,進(jìn)而激發(fā) PGs的臨床效應(yīng)。

1991年 Nishikawa等[5]發(fā)現(xiàn) COX有兩種同工酶:COX-1(結(jié)構(gòu)性酶),COX-2(誘導(dǎo)酶)。可被細(xì)胞因子或內(nèi)毒素刺激呈數(shù)十倍增長(zhǎng),由其產(chǎn)生的 PGs參與炎癥反應(yīng)和疼痛致敏作用。

炎癥時(shí)組織釋放緩激肽、PGs和 5-羥色胺等炎性介質(zhì)。而 COX-2抑制劑主要是通過(guò)選擇性抑制 COX-2,阻斷前列腺素 E2(急性炎癥時(shí)主要產(chǎn)生的前列腺素)的生成來(lái)發(fā)揮鎮(zhèn)痛作用的,從而避免了傳統(tǒng) N SAIDs由于抑制了 COX-1而產(chǎn)生的胃腸道、腎臟和血小板相關(guān)的不良反應(yīng)。

2 COX-2抑制劑對(duì)骨折愈合和骨整合的影響

2.1 COX-2抑制劑對(duì)骨折愈合的影響 隨著對(duì) COX-2抑制劑安全性研究的深入,學(xué)者發(fā)現(xiàn)不僅 NSAIDs對(duì)骨折愈合有負(fù)面效應(yīng),許多選擇性環(huán)氧化酶-2抑制劑對(duì)骨折愈合也有影 響。Simon等[6]用吲哚美辛 (1mg/kg? d)、塞來(lái)昔 布(4mg/kg? d)和羅非昔布(3mg/kg? d)對(duì)大鼠骨折模型進(jìn)行試驗(yàn)。8周后,塞來(lái)昔布組和羅非昔布組仍能發(fā)現(xiàn)骨折線存在。其中 ,羅非昔布組尤為明顯,在 X線下沒(méi)有一份樣本出現(xiàn)正常骨痂的橋接。說(shuō)明選擇性 COX-2抑制劑延遲了大鼠骨折的愈合。Xie等[7]也認(rèn)為選擇性 COX-2抑制劑嚴(yán)重影響了骨折局部骨膜前體細(xì)胞的活化、增殖、分化,從而影響到骨折愈合早期的骨纖維愈合,雖然提示選擇性 COX-2抑制劑的作用可能是劑量依賴性的,是可逆的,但其應(yīng)用確實(shí)影響了骨折愈合。而且 COX-2基因變異小鼠的骨折愈合也是延遲的。Rundle等[8]研究表明,用 COX-2進(jìn)行基因治療促進(jìn)了大鼠骨痂組織的形成,促進(jìn)了骨折愈合的過(guò)程。大量證據(jù)表明,COX-2對(duì)骨折愈合起著不可或缺的作用。

2.2 COX-2抑制劑對(duì)骨折愈合影響的可能機(jī)制 骨折愈合是一個(gè)包括生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子及前列腺素等物質(zhì)的釋放、間充質(zhì)干細(xì)胞的募集與增生和其向成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞的分化,最終形成膜內(nèi)化骨或軟骨內(nèi)化骨的復(fù)雜過(guò)程。在軟骨內(nèi)化骨的過(guò)程中,間充質(zhì)干細(xì)胞首先分化為軟骨細(xì)胞,并進(jìn)一步凋亡,導(dǎo)致骨基質(zhì)的鈣化。鈣化的基質(zhì)即可以作為骨形成的模板,成骨細(xì)胞在此模板上沉積,完成軟骨內(nèi)化骨。而在膜內(nèi)化骨的過(guò)程中,間充質(zhì)干細(xì)胞直接分化成為成骨細(xì)胞。

由此可見(jiàn),間充質(zhì)干細(xì)胞的分化在骨折的愈合過(guò)程中起著樞紐作用。盡管我們對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞的募集和分化機(jī)制并不十分了解,但前列腺素作為一個(gè)重要的炎性介質(zhì),對(duì)骨折后的骨形成和再吸收無(wú)疑起著不可取代的作用。

前列腺素 E2在成骨細(xì)胞增殖分化成為骨細(xì)胞系和骨細(xì)胞的進(jìn)一步增殖成熟過(guò)程中起著重要作用,其機(jī)制為促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)環(huán)磷酸腺苷的大量表達(dá),環(huán)磷酸腺苷作為信號(hào)分子促使間充質(zhì)干細(xì)胞募集、增殖及分化,并進(jìn)一步促進(jìn)骨折部位的軟骨內(nèi)化骨和膜內(nèi)化骨。亦有體外實(shí)驗(yàn)證實(shí),前列腺素 E2可通過(guò)刺激 E-Prostanoid 2和 E-Prostanoid 4受體促進(jìn)M C3T3-E1等成骨細(xì)胞系的增殖成熟。細(xì)胞內(nèi)環(huán)磷酸腺苷顯著增多,堿性磷酸酶活性和Ⅰ型膠原的合成上升[9]。

早在30年前便有研究顯示,在兔的脛骨骨折后的3～14 d,組織中的前列腺素(E、F)水平和 COX-2信使核糖核酸(messenger ribonucleic acid,mRN A)均增高。 COX-2 mRN A的水平在骨折愈合的第 14天達(dá)到峰值,在第 21天的時(shí)候恢復(fù)到基線水平[10]。多數(shù)動(dòng)物試驗(yàn)都提示多種選擇性 COX-2抑制劑均有可能阻礙骨折的愈合,但其根本原因都是因?yàn)橐种屏?COX-2的生成進(jìn)而影響了前列腺素 E2的產(chǎn)生。有研究報(bào)道,在動(dòng)物模型上使用前列腺素 E2確實(shí)增加了骨折愈合的概率。系統(tǒng)性或局部注射前列腺素 E2也刺激了骨生成。而且,通過(guò)抑制 COX而阻斷前列腺素的合成,進(jìn)而減少骨形成已在活體內(nèi)得到證明[11]。

Zhang等[1,12]2001～2002年報(bào)道在 COX-2基因敲除的小鼠中,觀察到間充質(zhì)細(xì)胞的持續(xù)不分化和成骨細(xì)胞的低生成,并最終導(dǎo)致較高概率的骨折不愈合。相比之下對(duì)照組COX-1基因敲除的小鼠并沒(méi)有出現(xiàn)這一情況。隨后他們分別對(duì) COX-2基因敲除和野生型小鼠的骨髓基質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)并觀察成骨細(xì)胞的生成,結(jié)果 COX-2缺失的小鼠骨結(jié)節(jié)生成較對(duì)照組減少了 50%,而加入外源性前列腺素 E2后,骨結(jié)節(jié)生成減少得到了恢復(fù)。進(jìn)一步研究表明,由于 COX-2的缺失,阻礙了間充質(zhì)干細(xì)胞的募集和分化成為成骨細(xì)胞,進(jìn)而阻礙了膜內(nèi)化骨和軟骨內(nèi)化骨。 Kellinsalmi[2]研究發(fā)現(xiàn),選擇性 COX-2抑制劑確實(shí)抑制干細(xì)胞向成骨細(xì)胞及破骨細(xì)胞的分化,但同時(shí)也發(fā)現(xiàn) COX-2抑制劑刺激了人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向脂肪細(xì)胞的分化,但對(duì)這一現(xiàn)象并沒(méi)有作出合理的解釋。

2.3 COX-2抑制劑影響骨折愈合存在的爭(zhēng)議 有研究顯示:在動(dòng)物骨折模型中使用選擇性 COX-2抑制劑并不影響骨折愈合的時(shí)間或效果。Brown等[13]用小鼠的股骨骨折模型研究非選擇性 COX抑制劑和選擇性 COX-2抑制劑對(duì)骨折愈合的影響。研究結(jié)果顯示:在骨折后第 4周和第 8周,測(cè)量骨折纖維愈合、軟骨內(nèi)成骨和不成熟的骨形成的指標(biāo),在吲哚美辛組和塞來(lái)昔布組較空白對(duì)照組均有下降,且有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。但在任何一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上,塞來(lái)昔布組與空白對(duì)照組在機(jī)械強(qiáng)度或是影像形態(tài)學(xué)上均沒(méi)有顯示出差異。在 12周時(shí),三組小鼠骨折模型在放射學(xué)、生物力學(xué)、組織學(xué)上都沒(méi)有顯著差異。Mullis[14]對(duì)骨折的生物機(jī)械學(xué)與生物化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)得出結(jié)論,傳統(tǒng) N SAIDs和選擇性 COX-2抑制劑的應(yīng)用對(duì)骨折愈合均沒(méi)有影響。Gerstenfeld等[10]報(bào)道,使用選擇性的 COX-2抑制劑塞來(lái)昔布并不導(dǎo)致骨折愈合在影像學(xué)或生物力學(xué)上的差異,即使證實(shí)給予的塞來(lái)昔布劑量已達(dá)到足以完全抑制前列腺素生成的程度。

Long等[15]從脊柱融合的角度研究了選擇性環(huán)氧化酶-2抑制劑對(duì)骨愈合的影響。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,8周后吲哚美辛組兔脊柱融合率為 18%,塞來(lái)昔布組為 45%,對(duì)照組為64%。提示非選擇性的 COX抑制劑對(duì)脊柱融合有影響,而塞來(lái)昔布組對(duì)脊柱融合的影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.4 COX-2抑制劑對(duì)骨整合的影響 骨整合是指活骨與荷載種植體表面直接有序的結(jié)構(gòu)和功能連接。隨著人工關(guān)節(jié)假體置換手術(shù)的普及及手術(shù)后假體松動(dòng)研究的開(kāi)展,人們對(duì)人工關(guān)節(jié)置換后骨整合的過(guò)程越來(lái)越重視。作為關(guān)節(jié)置換手術(shù)后及術(shù)后功能康復(fù)訓(xùn)練時(shí)疼痛處方的 COX-2抑制劑是否對(duì)骨整合有影響,很早就引起了學(xué)者的重視。

Goodman等[3]分別用水、萘普生 (110mg/kg? d)、羅非昔布(12.5 mg/d)的新西蘭白兔做單側(cè)脛骨植入物的骨整合試驗(yàn)。6周后發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比,萘普生組和羅非昔布組均明顯抑制了骨整合過(guò)程(P值分別為 0.031和 0.035),且萘普生組和羅非昔布組均減少了 CD51(+)破骨樣細(xì)胞。羅非昔布組減少了區(qū)域內(nèi)成骨細(xì)胞的數(shù)量,而萘普生組對(duì)成骨細(xì)胞數(shù)量減少的作用并沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。隨后,他又用同樣的方法檢測(cè)短時(shí)間使用 COX-2抑制劑對(duì)骨整合的影響[16]。三組新西蘭白兔分別在 6周中的前兩周和后兩周及全程 6周給予羅非昔布(12.5 mg/d)。6周后結(jié)果顯示,全程 6周給藥的兔子骨整合的過(guò)程受抑制明顯強(qiáng)于 6周中前兩周或后兩周的兔子,提示 COX-2抑制劑對(duì)骨整合的抑制作用與用藥時(shí)間有關(guān)。

Fernanda[17]用美洛昔康研究植入鈦釘?shù)男∈蠊钦线^(guò)程是否受到影響。通過(guò)骨與植入物的接觸面、骨面的皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨以及骨密度判斷骨整合進(jìn)程。結(jié)果顯示,持續(xù)使用美洛昔康顯著減弱了鈦釘植入物與周圍骨質(zhì)的整合過(guò)程。

3 目前存在爭(zhēng)議可能的原因

目前,選擇性 COX-2抑制劑對(duì)骨折愈合影響的動(dòng)物試驗(yàn)結(jié)果不一致。 Dimmen等[18]和 Akritopoulos等[19]甚至曾于 2008年先后于同一本雜志上發(fā)表了關(guān)于塞來(lái)昔布對(duì)骨折愈合影響的兩篇文章,結(jié)果卻截然相反。當(dāng)時(shí)評(píng)論是迷惑仍然存在。

Einhorn[20]認(rèn)為不同試驗(yàn)的不同結(jié)果多是由于不同的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物種類和不同的實(shí)驗(yàn)方法造成的。骨折動(dòng)物模型的建立方法較多,大多采用較為方便的閉合骨折方法,術(shù)后不固定或外固定。然而閉合骨折的骨折類型難以統(tǒng)一,分析比較的可比性較差。而脊柱融合的實(shí)驗(yàn)從理論上來(lái)說(shuō)并不能完全代表骨折愈合的過(guò)程,因?yàn)樗鼘?duì)破骨細(xì)胞活性的依賴性更小。并且許多動(dòng)物實(shí)驗(yàn)在藥物劑量、給藥時(shí)間和骨折評(píng)估的時(shí)間點(diǎn)上存在許多問(wèn)題,因?yàn)殡m然骨折愈合的過(guò)程可能需要數(shù)月,然而止痛藥的使用卻只需要幾天或幾周[21]。

綜上所述,選擇性 COX-2抑制劑到底是否會(huì)影響骨折愈合,目前尚無(wú)一個(gè)一致的結(jié)論。從理論上和現(xiàn)存的研究資料似乎讓人更傾向于認(rèn)為選擇性 COX-2抑制劑對(duì)骨折愈合是有影響的,但這種影響是否只停留在理論水平,對(duì)實(shí)際作為疼痛處方應(yīng)用并不構(gòu)成有力的反面證據(jù),我們?nèi)圆坏枚?。因?yàn)閷?shí)際上目前缺乏長(zhǎng)期、大規(guī)模的、系統(tǒng)的隨機(jī)臨床試驗(yàn)。在這些前瞻性臨床試驗(yàn)得出結(jié)論之前,動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究還并不能解決這一方面的盲點(diǎn)。目前,更多的學(xué)者傾向于認(rèn)為COX-2抑制劑會(huì)抑制骨折愈合過(guò)程和 /或骨整合過(guò)程。

[1]Zhang X,Schwarz EM,Young DA,et al.Cyclooxygenase-2 regulates mesenchymal cell differentiation into the osteoblast lineage and is critically involved in bone repair[J].J Clin Invest,2002,109(11):1405-1415.

[2]Kellinsalmi M,Parikka V,Risteli J,et al.Inhibition of cyclooxygenase-2down-regulates osteoclast and osteoblast differentiation and favours adipocyte formation in vitro[J].Eur J Pharmacol,2007,572(23):102-110.

[3]Goodman S,Ma T,Trindade M,et al.COX-2 selective NSAID decreases bone ingrowth in vivo[J].J Orthop Res,2002,20(6):1164-1169.

[4]Katriina V,Teemu M,Eeva M.Nonsteroidal anti-inflammatory drugs,cyclooxygenase-2 and the bone healing process[J].Basic and Clin Pharmacology-&Toxicology,2007,102(1):10-14.

[5]Nishikawa K,Morrison A,Needleman P.Exaggerated prostaglandin biosynthesis and its influence on renal resistance in the isolated hydronephrotic rabbit kidney[J].J Clin Invest,1977,59(6):1143-1150.

[6]Simon AM,Manigrasso MB,O′ConnorJP.Cyclooxygenase-2 function is essential for bone fracture healing[J].J Bone Miner Res,2002,17(6):963-976.

[7]Xie C,Ming X,Wang Q,et al.COX-2from the injury milieu is critical for the initiation of periosteal progenitor cell mediated bone healing[J].Bone,2008,43(6):1075-1083.

[8]Rundle CH,Strong DD,Chen ST,et al.Retroviralbased gene therapy with cyclooxygenase-2 promotes the union of bony callus tissues and accelerates fracture healing in the rat[J].J Gene Med,2008,10(3):229-241.

[9]Paralkar V M,Borovecki F,Ke HZ,et al.An EP2 receptor-selective prostaglandin E2 agonistinduces bone healing[J].Proc Natl Acad Sci,2003,100(11):6736-6740.

[10]Gerstenfeld L,Thiede M,Seibert K,et al.Differential inhibition of fracture healing by non-specific and cyclooxygenase-2(COX2)specific non-steroidal antiinflammatory drugs[J].Trans Orthop Res Soc,2002,27:239.

[11]Li J,Burr DB,Turner CH.Suppression of prostaglandin synthesis with NS-398has different effects on endocortical and periosteal bone formation induced by mechanical loading[J].Calcif Tissue Int,2002,70(4):320-329.

[12]Zhang X,Morham SG,Langenbach R,et al.Evidence for a direct role of cyclo-oxygenase2in implat wear debris-induced osteolysis[J].J Bone Miner Res,2001,16(4):660-670.

[13]Brown KM,Saunders M M,Kirsch T,et al.Effect of COX-2-Specific inhibition on fracture-healing in the rat femur[J].J Bone Joint Surg(Am),2004,86(1):116-123.

[14]Mullis B,Copeland S,Weinhold P.Effect of COX-2 inhibitors and N SAIDs on fracture healing in a mouse model[J].Trans Orthop Res Soc,2002,27:712.

[15]Long J,Lewis S,Kuklo T,et al.The effect of cyclooxygenase-2inhibitors on spinal fusion[J].J Bone Joint Surg(Am),2002,84(10):1763-1768.

[16]Goodman SB,Ma T,Mitsunaga L,et al.Temporal effects of a COX-2-selective NSAID on bone ingrowth[J].J Biomed Mate Res,2005,72(3):279-287.

[17]Fernanda V,Ribeiro,Joa-o B,Cyclooxygenase-2 Inhibitor May Impair Bone Healing Around Titanium Implants in Rats[J].Journal of Perodontology,2006,77(10):1731-1735.

[18]Dimmen S,Nordsletten L,Engebretsen L,et al.Negative effect of parecoxib on bone mineral during fracture healing in rats[J].Acta Orthop,2008,79(3):438-444.

[19]Akritopoulos P,Papaioannidou P,Hatzokos I,et al.Parecoxib has non-significant long-term effects on bone healing in rats when administered for a short period after fracture[J].Arch Orthop Trauma Surg,2009,129(10):1427-1432.

[20]Einhorn TA.COX-2:Where are we in2003?The role of cyclooxygenase-2in bone repair[J].Arthrites Res Ther,2003,5(1):5-7.

[21]Seidenberg AB,An YH.Is there an inhibitory effect of COX-2inhibitors on bone healing?[J].Pharmacol Res,2004,50(2):151-156.