骨代谢相关信号通路与抗骨质疏松新型药物的研发-章振林

52药品评价2015年第12卷第15期药物与临床DrugsandClinicS引　　言原发性骨质疏松症是常见疾病，罹患于绝经后妇女和老年男性，其最大危害是会引起脆性骨折。因此，对骨质疏松的治疗目标是降低首次骨折或再次骨折的发生风险。目前抗骨质疏松药物按机制可以分为抑制骨吸收和增加骨形成两类药物，抑制骨吸收代表药物是双膦酸盐类，而促进骨形成代表药物为甲状旁腺素。最近已经成功研发出一批新型抗骨质疏松药物，有些已经或者即将上市，我们对此充满期待，这些药物的研发成功正是源于罕见骨病致病基因的发现及对其机制的阐明。本文将少见骨病致病基因及其相关信号通路进行阐述，主要涉及OPG/RNKL/RANK、WNTWnt/β-catenin和组织蛋白酶K信号通路，及与之相关的抗骨质疏松新型药物。OPG/RNKL/RANK信号通路该通路较早被学者们认识，不但涉及骨骼系统，而且对免疫、血液系统等均有重要作用。核因子κB(nuclearfactor-kappaB，NF-κB)受体活化素配体(receptoractivatorofnuclearfactorκBligand，RANKL)与NF-κB受体活化因子(receptoractivatorofnuclearfactorκB，RANK)结合后激活NF-κB，促进破骨细胞的生成、分化和成熟，而骨保护素(osteoprotegerin，OPG)可与RANKL结合，阻止RANK活化，抑制破骨细胞活性。如下一些少见或罕见遗传性骨病致病基因均涉及该通路。1.OPG基因突变青少年性畸形性骨炎(juvenile章振林　上海交通大学附属第六人民医院骨质疏松和骨病科主任、骨代谢病和遗传研究室主任，医学博士、教授、主任医师、博士研究生导师，兼任中华医学会骨质疏松和骨矿盐疾病分会副主任委员、上海医学会骨质疏松专科分会主任委员。主要诊治代谢病骨病，研究方向为代谢病骨病遗传机制。以第一完成人获得国家自然科学基金5项，发表SCI收录论文60多篇。Bonemetabolismrelatedsignalpathwayandstudyofantiosteoporosisdrugs骨代谢相关信号通路与抗骨质疏松新型药物的研发上海交通大学附属第六人民医院骨质疏松和骨病科&骨代谢病和遗传研究室　章振林中图分类号R681　　文献标识码　A　　文章编号　1672-2809(2015)15-0052-04摘要最近有一些新型抗骨质疏松药物已经研发成功，这些药物正是基于罕见骨病致病基因的发现及对机制的阐明而研发的。本文将对少见骨病致病基因及其相关信号通路进行阐述，主要涉及OPG/RNKL/RANK、WNTWnt/β-catenin和组织蛋白酶K信号通路及与之相关的抗骨质疏松新型药物。关键词OPG/RNKL/RANK；WNTWnt/β-catenin；组织蛋白酶K；信号通路；骨质疏松药物2015年第12卷第15期药品评价53药物与临床DrugsandClinicPagetdiseaseofbone)是常染色体隐性遗传病，不同于经典型畸形性骨炎，前者在出生后或婴幼儿时期即起病，由于破骨细胞功能增强，骨吸收显著增加，导致骨溶解和疏松、骨骼弯曲畸形，同时常伴骨折、血碱性磷酸酶显著增高。美国Whyte教授于2002年首先鉴定到致病基因OPG[1]。OPG基因突变后，OPG与RANKL结合功能丢失，而RANKL和RANK结合，促使破骨细胞过多活化，骨吸收大大增加。2.RANK基因突变该基因突变导致早发性畸形性骨炎(earlyonsetPaget'sdiseaseofbone)，非常罕见，迄今仅有3个家族报告[2-4]，第一个家系是日本人。英国Ralston等[2]于2003年鉴定到RANK突变，呈常显遗传方式，该家系患者发病很早，10岁左右，表现为多骨骼受累，以骨溶解为特征，与其他类型畸形性骨炎区别还在于双手指关节膨大、下颌骨膨大。我们2008年[3]报告一个汉族家系鉴定到RANK基因第一外显子27bp重复突变，与上述家系不同之处是双手指关节膨大出现得较晚，在38岁以后。该疾病需要与家族性膨胀性骨溶解(familialexpansileosteolysis，FEO)鉴别，后者也呈常显遗传，但主要累及长骨，表现为显著骨膨大和骨溶解，由RANK突变第一外显子18bp重复突变引起[5]。RNAK信号肽区域重复突变，导致RANK活性显著增加，致使破骨细胞功能增强，表现为骨吸收、骨溶解等。3.RANKL基因突变RANKL基因纯合突变导致的骨硬化症伴低γ球蛋白血症，属于常染色体隐型遗传性骨硬化症。Guerrini等[6]报告发病机制是破骨细胞功能低下、骨吸收下降，显然与上述OPG或RANK基因突变导致破骨细胞功能增强的机制正好相反。显然，上述3个基因突变引起以破骨细胞活性显著增加或者减低为特征的骨病，即以骨吸收增加为特征的畸形性骨炎、家族性膨胀性骨溶解和以骨吸收降低为特征的骨硬化症，可见OPG/RANK/RANKL通路在破骨细胞活化中扮演了不可替代的作用。正是基于对上述罕见遗传性骨病和致病基因的认识，才研发了RANKL单克隆抗体，即狄诺塞麦(Denosumab)，其与RANKL结合，阻止了RANK和RANKL结合，导致破骨细胞功能下降，抑制骨吸收，从而达到治疗骨质疏松的目的。已经完成的3年随机对照试验(FREEDOM)结果显示[7]，Denosumab明显降低绝经后骨质疏松患者新发影像学椎体骨折和髋部骨折的发生风险。随后的FREEDOM延长试验[8]对4550例绝经后妇女使用Denosumab治疗5年后发现，骨转换指标可维持在低水平、骨密度显著增加(腰椎和全髋部骨密度分别增加14%和7%)以及骨折风险降低。为期8年的2期临床试验[9]结果显示，腰椎和全髋部骨密度与基线时比较分别增加16.5%和6.8%，血清骨吸收指标beta-CTX下降达到65%。2013年LANCET报告了一组随机对照试验[10]，三组分别使用PTH20μg/d，Denosumab60mg/次、6月1次，另外一组为两组药物联合应用。1年后结果显示，联合应用组腰椎、股骨颈和全髋部骨密度增加显著高于其他单独应用组，上述部位骨密度分别比基线时增加9.1%、4.2%和4.9%。本研究提示PTH联合Denosumab治疗取得的骨密度上升超过以往报道的其他治疗。因此，联合治疗对于高骨折风险的骨质疏松患者是一个可以选择的治疗方案。在国内，由本人牵头联合十多家三甲医院也对安进(Amgen)公司研发的Denosumab进行了Ⅲ期临床试验。Wnt/β-catenin信号通路Wnt信号系统对骨代谢具有重要作用的认识，源于对两类遗传性骨代谢病的分子机制的阐明，即2001年Cell杂志[11]报道的骨质疏松伴假性神经胶质瘤综合征(osteoporosispseudogliomasyndrome，OPPG)。该研究鉴定到低密度脂蛋白相关蛋白5(lowdensitylipoproteinreceptor-relatedprotein5，LRP5)纯合突变为功能丢失之突变；随后，两个独立研究[12,13]均发现高骨密度综合征，也称为常染色体显性遗传性骨硬化症1型，致病基因也是LRP5，为功能增强性杂合突变。我们也曾报道1个汉族患病家系[14]。LRP5对Wnt/β-catenin信号通路具有负调节作用，不同突变呈现出骨形成下降或增加的表现。至此，确立了Wnt/β-catenin通路对骨代谢的重要地位。而几乎相同时期，2001年发现硬化性骨54药品评价2015年第12卷第15期药物与临床DrugsandClinicS病(bonedysplasiasclerosteosis)和VanBuchem病致病基因为硬骨素(SOST)基因[15,16]，该基因编码蛋白为骨硬化素(sclerostin)。骨硬化素就是通过对Wnt/β-catenin信号通路的负调节作用降低骨形成，而功能丢失性突变，促使骨形成显著增加，导致骨密度显著增加，而骨折风险并没有增加。正是基于上述疾病分子机制的阐明以及对骨硬化素促进骨形成作用的深入理解，最近国外大制药公司研发了血清骨硬化素单克隆抗体(Romosozumab)，就目前临床试验结果来言，是非常有前景的绝经后妇女骨质疏松的治疗药物。2014年NEJM报告了一项随机安慰剂对照研究[17]，该研究将419名55～85岁低骨量(腰椎或股骨颈或全髋BMDT值为-3.5～-2.0SD)绝经后妇女随机分成8组，分别接受不同剂量Romosozumab、阿仑膦酸钠、特立帕肽和安慰剂治疗1年。结果显示，所有Romosozumab组均显著增加各部位骨密度，其中每3个月皮下注射210mg组增加腰椎BMD为11.3%、阿仑膦酸钠组增加4.1%、特立帕肽(甲状旁腺素)组增加7.1%、安慰对照组下降0.1%，同时Romosozumab组显示出短暂地增加骨形成指标、持久地抑制骨吸收指标的优势，同时没有发现严重不良反应。显然，Romosozumab升高骨密度的疗效要高于骨吸收抑制剂——阿仑膦酸钠和骨形成促进剂——特立帕肽。该药物预计明年在中国开展Ⅲ期临床试验。组织蛋白酶K通路对于组织蛋白K(cathepsinK，CTSK)对骨代谢的影响源自致密性成骨不全(pycnodysostosis)，一种常染色体隐性遗传病，表现为头颅畸形(包括宽颅缝)、肢端骨质溶解以及全身性骨骼发生均匀性致密性骨硬化，可以伴有锁骨发育不全，容易发生骨折。Maroteaux和Lamy于1962年首次报道该病，1996年Gelb等[18]鉴定到致病基因是CTSK，存在无义突变、错义突变等，以致其编码蛋白功能丢失。2013年我们在1例非近亲婚配男性先证者鉴定到CTSK基因R122Q纯合突变[19]。CTSK是破骨细胞中表达量最高、溶骨活性最强的一种半胱氨酸蛋白酶，对包括Ⅰ型和Ⅱ型胶原蛋白等骨基质蛋白具有降解作用。因此，抑制破骨细胞内的CTSK，可以降低骨吸收、增加骨量。为此，美国默克公司、瑞士诺华公司和英国GSK公司相继研发了选择性CTSK拮抗剂，分别为Odanacatib、Relacatib和Balicatib。一项为期5年Odanacatib(ODN)对绝经后妇女骨量减少或骨质疏松影响的临床试验[20]显示，接受5年ODN10～50mg/周的受试者，腰椎和髋部BMD持续上升。13例接受ODN50mg连续5年的受试者，平均腰椎BMD变化百分比(95%CI)为11.9%(7.2%～16.5%)，而前2年接受ODN50mg而后3年改为安慰剂的受试者(14例)平均腰椎BMD变化百分比(95%CI)为0.4%(3.1%～2.3%)；在连续接受ODN的受试者中(10～50mg，26～29例)，在第5年与基线相比，骨吸收指标——尿Ⅰ型胶原氦基末端肽/肌酐比值和血清C末端肽的下降百分比的几何均数达55%左右，而骨形成指标包括骨源性碱性磷酸酶(bone-specificalkalinephosphatase，BSAP)和1型前胶原氨基端肽(amino-terminalpropeptideoftypeIprocollagen，P1NP)则接近基线水平，无明显变化。在前2年接受ODN治疗(10～50mg)而后3年为安慰剂的受试者中(25例)，骨转换指标与基线水平相似。主要不良反应是治疗后3年处理组发生尿路感染显著高于安慰剂组，至于特别关注的硬皮病与安慰剂组没有差异。随后发表的另外1项为期2年的随机安慰剂对照临床研究[21]，纳入214例研究对象为45～85岁绝经3年以上妇女，腰椎、股骨颈、大转子、全髋BMD在-1.5SD～-3.5SD之间，研究对象随机服用odanacatib50mg/周或安慰剂，同时每周服用维生素D35600IU和每日补充钙剂1200mg。治疗2年后，与基线时比较，腰椎和股骨颈BMD分别增加5.4%和3.8%，血CTX和P1NP分别下降54%和9.1%，同时两组不良反应无明显差异。从以上临床试验结果我们可以得出，选择性CTSK拮抗剂具有显著增加骨量、降低骨吸收的疗效，且