血管形成与骨代谢

骨是富血供的器官，血供的状态对骨的修复、再生及稳态起重要的作用。骨的形成、修复及再生都需要血管的参与，骨的血供一旦遭到破坏，将严重影响骨的代谢；反之，骨对血管的形成也产生影响，在哺乳动物的骨形成过程中，软骨细胞和其他骨细胞分泌的血管内皮生长因子（VEGF）可调控血管网的生成。血管与骨之间的相互影响，早期的研究较多地集中在血管与成骨细胞之间。然而，最近报道在鼠类的骨骼中发现一种特殊的毛细血管，与骨形成密切偶联，这种偶联随年龄增加而减少，但可为药物所逆转。所以，进一步研究血管形成与骨形成之间的偶联具有潜在的临床价值，尤其可能作为绝经后骨质疏松骨量丢失原因的新补充。尽管绝经后骨质疏松的主要原因是雌激素的缺乏，但从细胞、动物、人等各层面的研究表明：局部血供的下降对绝经后骨质疏松的发生起重要的作用。所以，骨形成与血管形成或将成为骨代谢领域研究的新热点（图5-1）。

图5-1 血管形成示意图

A.内皮细胞受生长因子刺激活化；B.顶细胞萌芽，柄细胞增殖；C.相邻顶细胞伪足融合；D.初级管腔形成；E.血流冲刷，管腔分支逐渐成熟

（摘自：S.Stegen，et al.Bone，2015，70：19-27.）

6.1 血管形成

血管的形成具有一套完整的程序，需要成血管相关因子的刺激、血管萌芽、管腔形成及血管塑形等。血管的网络可为组织器官的生长发育提供所需要的营养物质、氧气并可运输代谢产物。血管形成的第一步是内皮细胞受到成血管因子的刺激，形成萌芽；随着成血管因子的持续刺激，在血管萌芽的最前端形成顶细胞，尾随的内皮细胞成为柄细胞，顶细胞逐渐伸出伪足感受周围环境的变化，诱导新芽向基质生长，而柄细胞则形成管腔及分支，同时还具有稳定新生管腔的功能；继而两个相邻的顶细胞融合，细胞的连接逐渐紧密，原始管腔形成，加上血流冲刷的作用而逐渐发育成熟。

血管的分支状态具有组织特异性，需要不断地重塑，以满足组织器官的生长。在血管的萌芽和塑形过程中，受到多种因子的影响，包括血管内皮生长因子（VEGF）、胎盘生长因子（PIGF）、成纤维细胞生长因子（FGF）、转化生长因子家族（TGF）等。其中，最重要的成血管刺激因子之一是VEGF，通过与血管内皮细胞生长因子受体结合，传导信号刺激顶细胞伸出伪足，通过Notch信号通路加强顶细胞之间的信息传递，使顶细胞进一步融合，促进管腔形成。

6.2 血管在骨形成、骨修复中的作用

哺乳动物的骨骼系统在维持骨骼发育过程中具有间充质干细胞、骨祖细胞、成骨细胞这样一个完整的分化体系，这对骨的稳态及骨折愈合是极其重要的，但这种分化能力通常随器官的老化而逐渐减弱，从而导致骨量减低并增加骨折风险。影响骨发育过程中的任何环节都将导致骨代谢、骨修复的异常。骨修复主要通过膜内成骨及软骨内成骨。膜内成骨是通过募集骨膜的骨祖细胞和间充质干细胞直接成骨；而软骨内成骨是由间充质干细胞分化成软骨，产生软骨基质，继而基质发生钙化后成骨。

在骨修复过程中，骨形成与血管形成之间的联系非常密切，有序的血管形成对骨修复的成功与否至关重要。血管不仅为骨修复提供足够的氧气、营养及钙、磷等重要的无机盐，还可向骨组织输注骨祖细胞，进一步分化为成骨细胞、骨细胞，沉积于骨基质中形成原始骨组织，最后通过力学塑形而成骨。骨髓中的间充质干细胞和造血干细胞对骨修复也具有重要的作用，二者作用的微环境同样需要骨髓内血管系统来维持。缺氧诱导因子（HIF-1）能促进骨形成，在骨修复过程中具有重要作用。在骨修复过程中如果血管损伤，将直接影响局部氧气的供应，干扰间充质干细胞的分化过程，从而造成骨修复障碍。动物实验也证实，骨损伤或增龄后骨内血管及相关因子表达也降低。管骨的再生能力极强，但仍可能发生骨折的延迟愈合、不愈合，其中主要的原因之一就是血供，尤其当骨折合并大量血管损伤时，发生延迟愈合或不愈合的比例更高。动物实验也证实，在骨折愈合期间，应用抗血管生成的药物干预可造成明显的延迟愈合；反之，采用促血管形成的措施可加速骨的修复与再生。

6.3 骨形成与血管形成的偶联关系

6.3.1 骨内特殊亚型血管的发现

2014年3月，德国学者Ralf等在Nature上发表文章，证实在鼠类骨骼系统中存在一种新的毛细血管亚型，具有不同形态、分子及功能特性。通过对骨组织特异性免疫荧光血管染色，发现这种特殊的亚型血管主要存在于干骺端及骨内膜区，表现为CD31和Emcn染色双阳性（H型），在这种亚型血管的周围存在Osterix、Ⅰ型胶原和Runx2染色阳性的骨祖细胞，而在骨干区CD31或Emcn呈单阳性染色血管（L型），其周围几乎不存在骨祖细胞［94］。这类血管存在于特定的部位，调节骨内血管和骨形成，产生不同代谢及分子微环境，可维持血管周围骨祖细胞的生存，使得骨形成与血管发生能协同进行。通过对内皮细胞辐射损伤实验进一步证实，在辐射后第7天，流式细胞仪定量显示L型内皮细胞明显减少，而H型内皮细胞明显增加，发生了L型内皮细胞向H型内皮细胞的转换；小鼠胫骨切片免疫荧光染色显示骨干区出现了H型血管。这些改变说明H型血管在骨的发育和再生过程中起重要作用。

6.3.2 二者间偶联的分子机制

为了解释血管形成与骨形成偶联的现象，2014年Ralf等在Nature上又发表文章，阐述骨内新生血管与骨形成的偶联是依赖于血管内皮细胞的Notch信号通路，该信号通路可促进骨内血管的生长和骨形成；通过条件性敲除小鼠内皮细胞Notch信号通路的相关基因，发现不仅损伤了小鼠骨内新生血管，而且导致其骨量减少，骨密度减低，骨小梁稀疏，长骨短小，软骨细胞缺失；进一步研究证实这种偶联现象的变化与内皮细胞分泌的Noggin（骨形态蛋白拮抗剂）减少有关，给予外源性Noggin可恢复骨的生长和矿化，促进软骨细胞的成熟，增加骨祖细胞的数量。

6.3.3 PDGF-BB促进H型血管新生

2014年10月，Xie等在Nature Medicine上发表文章，指出破骨细胞前体细胞分泌的血小板源性生长因子（PDGF-BB）在促进骨形成的同时可诱导血管新生。利用外源性PDGF-BB局部注射可增加去势小鼠破骨细胞前体细胞的数量，促进CD31和Emcn双阳性血管的新生，刺激新骨形成。为了强调PDGF-BB在促H亚型血管新生方面的重要作用，2014年11月，Ralf等在Nature Medicine上对Xie等的发现进行了评述，指出破骨细胞前体细胞可促进骨血管的新生与骨形成。我们认为，骨内血管的形成与骨形成的偶联关系可能成为骨代谢领域的新热点。

总之，认识骨内这种特殊的血管亚型对今后的基础与临床研究非常重要，这种特殊的血管亚型主要分布在长骨的特定部位。通过对骨内血管与骨祖细胞共定位染色，结果显示， CD31+和Emcn+的毛细血管周围存在大量的骨祖细胞，这种偶联主要存在于骨代谢旺盛的区域。尽管这种血管亚型和伴随的骨祖细胞的数量随动物年龄的增加而明显减少，但这种现象可被药物所逆转，并恢复骨量，这将可能成为绝经后骨量丢失防治的新靶点。

6.4 药物对骨形成与血管形成偶联关系的影响

James等报道：运用磁共振（MRI）及计算机断层扫描（CT）灌注成像手段，与假手术组比较，观察大鼠去势后2、4、8周L2-4椎体灌注的最大增强斜率和对应骨密度的关系，验证了骨灌注下降程度与骨密度的降低几乎协同发生。Jia等报道：使用不同剂量的DMOG（一种HIF信号通路的激活剂）可改善去势小鼠的骨量丢失，而且随着DMOG干预剂量的增加，小鼠的骨量逐渐降低，呈剂量依赖特征，其机制是DMOG激活了HIF-1和Wnt/catenin信号通路，促进了血管形成与骨形成。Tetsuya等发现，由血管内皮细胞分泌的一种神经营养因子Netrin-4，能够抑制破骨细胞的分化，应用外源性Netrin-4干预去势小鼠，通过抑制破骨细胞的数量改善骨量丢失；进一步共培养血管内皮细胞和骨髓巨核细胞，发现破骨细胞的分化受到明显抑制。Ralf等报道：小鼠老龄后骨密度下降，同时骨内血管也减少，应用去铁胺（DFO）干预后，骨量得到改善，骨内血管也增多，进一步验证了骨形成与血管形成的偶联关系，且特定药物可逆转这种偶联关系的下降。

综上所述，骨形成与血管形成的偶联是近几年研究的新热点，尤其是近年来新发现的骨内特殊亚型血管与骨形成密切偶联，且这种偶联关系存在于骨组织代谢活跃的特定部位；随着年龄的增加，骨内特殊血管亚型与骨形成能力逐渐下降，但可为特定的药物所逆转。那么，如果人的骨组织中也存在这种偶联关系，应用促血管形成的专有药物可能改善骨折愈合与骨量丢失，这或将在骨质疏松相关疾病的防治领域具有潜在的临床意义。

（王亮、赵国阳）