謝城 楊春喜

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院骨關(guān)節(jié)外科（上海200001）

焦磷酸鈣沉積（calcium pyrophosphate deposition，CPPD）多發(fā)生于纖維軟骨和透明軟骨，也可見(jiàn)于滑膜、椎間盤(pán)、韌帶或肌腱，是導(dǎo)致老年人發(fā)生軟骨鈣化的常見(jiàn)原因。雖然大部分患有軟骨CPPD的患者并沒(méi)有明顯的臨床癥狀（無(wú)癥狀CPPD）[1]，但是長(zhǎng)期的CPPD可能會(huì)導(dǎo)致關(guān)節(jié)退化，發(fā)展成骨關(guān)節(jié)炎。當(dāng)焦磷酸鈣（calcium pyrophosphate，CPP）結(jié)晶進(jìn)入關(guān)節(jié)腔間隙時(shí)，會(huì)誘發(fā)急性CPP晶體關(guān)節(jié)炎發(fā)作，分解軟骨細(xì)胞和滑膜細(xì)胞，產(chǎn)生金屬蛋白酶和前列腺素水解細(xì)胞外基質(zhì)[2]。其主要臨床表現(xiàn)為患者出現(xiàn)持續(xù)數(shù)周或者數(shù)月的發(fā)熱、寒戰(zhàn)、以及全身中毒癥狀，體征為患病關(guān)節(jié)表面皮溫升高，出現(xiàn)紅斑或者腫脹[3]。由于此病臨床表現(xiàn)類似于痛風(fēng)，臨床上又將其稱為“假性痛風(fēng)（pseudogout）”。需要特別說(shuō)明的是，痛風(fēng)通常發(fā)作的部位位于第一跖骨處，而急性CPP晶體關(guān)節(jié)炎好發(fā)于膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)等處[4]。由于目前CPPD的發(fā)生機(jī)制尚未研究清楚，臨床上對(duì)此病主要采取支持和對(duì)癥治療，無(wú)法從根本上抑制疾病的發(fā)展進(jìn)程。晶體的長(zhǎng)期存在將影響軟骨的生物力學(xué)特性并且破壞關(guān)節(jié)[5]。近幾年來(lái)關(guān)于低鎂血癥導(dǎo)致Ca2+/Mg2+失衡，進(jìn)而導(dǎo)致異位鈣化的研究相繼報(bào)道，應(yīng)用一定劑量的鎂鹽能改善CPPD患者的癥狀[6]，越來(lái)越多的證據(jù)表明Ca2+/Mg2+平衡可以維持穩(wěn)態(tài)抑制異位鈣化。因此探索Ca2+/Mg2+失衡導(dǎo)致CPPD發(fā)生的具體機(jī)制，是未來(lái)研究重點(diǎn)。

1 Ca2+/Mg2+失衡導(dǎo)致CPPD的流行病學(xué)研究

自1966年一例甲狀旁腺切除術(shù)后繼發(fā)急性CPP晶體滑膜炎伴急性低鎂血癥的病例被報(bào)道后[7]，在特發(fā)性低鎂血癥、Gitman綜合癥（一種常染色體隱性遺傳的腎小管性疾病，由于腎臟排泄鎂過(guò)多，導(dǎo)致低鎂血癥）、短腸綜合癥（由于腸道吸收鎂功能障礙導(dǎo)致低鎂血癥）的病例報(bào)告中也都觀察到了CPPD與低鎂血癥共存的現(xiàn)象[8-10]。近年一項(xiàng)關(guān)于50314名美國(guó)退伍軍人的CPPD發(fā)病率的調(diào)查研究發(fā)表，再次證實(shí)了低鎂血癥與CPPD發(fā)生相關(guān)[11]。即使血清鎂處于正常范圍內(nèi)，Mg2+降低也與膝關(guān)節(jié)軟骨CPPD存在一個(gè)劑量反應(yīng)關(guān)系[12]。然而，細(xì)胞試驗(yàn)表明，在含有不同配比的Ca2+-Mg2+培養(yǎng)基中培養(yǎng)軟骨細(xì)胞，其細(xì)胞基質(zhì)鈣化不僅僅局限于Mg2+濃度降低，當(dāng)培養(yǎng)基中Mg2+和Ca2+濃度成倍升高時(shí)，軟骨細(xì)胞基質(zhì)也存在鈣化現(xiàn)象[13]。因此，Ca2+/Mg2+失衡是導(dǎo)致CPPD發(fā)生的可能原因。

2 Ca2+/Mg2+失衡導(dǎo)致軟骨CPPD發(fā)生的機(jī)制

盡管CPPD發(fā)生的機(jī)制還沒(méi)有完全研究清楚，但在軟骨細(xì)胞外基質(zhì)易形成CPP晶體是導(dǎo)致疾病發(fā)生的第一步[14]。首先，CPP晶體很少在非軟骨組織中形成，這說(shuō)明了軟骨基質(zhì)的特異性。其次，軟骨細(xì)胞持續(xù)釋放一種外泌體囊泡，稱之為“關(guān)節(jié)軟骨囊泡”，可以作為晶體形成的重要部位[15]。軟骨細(xì)胞膜上的胞外核苷酸焦磷酸酶（eco-nucleotide pyrophosphatase 1，ENPP1）處于高活動(dòng)水平[16]，通過(guò)水解不斷自發(fā)釋放的腺嘌呤核苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP），在軟骨細(xì)胞周圍產(chǎn)生高濃度的焦磷酸鹽。因此，當(dāng)體內(nèi)Ca2+濃度出現(xiàn)異常波動(dòng)時(shí)，軟骨基質(zhì)中更易產(chǎn)生CPPD。

在骨骼系統(tǒng)中，細(xì)胞外Ca2+與Mg2+都發(fā)揮著重要作用。Ca2+濃度與Mg2+濃度保持相對(duì)平衡尤為重要。骨骼系統(tǒng)作為Mg2+儲(chǔ)存庫(kù)，Mg2+的濃度無(wú)時(shí)無(wú)刻不隨著機(jī)體內(nèi)的成骨和破骨活動(dòng)而進(jìn)行調(diào)節(jié)。Mg2+作為Ca2+的拮抗劑，當(dāng)機(jī)體出現(xiàn)低鎂血癥時(shí)，細(xì)胞內(nèi)的Ca2+/Mg2+平衡被打破，鈣的吸收和沉積將會(huì)產(chǎn)生紊亂，細(xì)胞內(nèi)依賴Ca2+的生命活動(dòng)必定會(huì)受到影響。研究表明Ca2+/Mg2+比值是成骨分化、組織礦化和細(xì)胞外基質(zhì)鈣沉積的主要調(diào)節(jié)因子。高濃度的Mg2+可以抑制血管平滑肌細(xì)胞外基質(zhì)的鈣化[17]。高濃度Ca2+誘導(dǎo)的軟骨鈣化可以被高濃度的Mg2+所抑制[18]。血管壁的異位鈣化可以通過(guò)口服Mg2+補(bǔ)充劑得到緩解，這些研究都表明Mg2+可以抑制組織鈣化。當(dāng)體內(nèi)Ca2+濃度出現(xiàn)異常波動(dòng)時(shí)，軟骨基質(zhì)中易產(chǎn)生CPPD[19]。而Mg2+可能是通過(guò)影響以下多個(gè)環(huán)節(jié)而實(shí)現(xiàn)抑制CPPD。

2.1 Ca 2+/Mg 2+失衡與焦磷酸鹽代謝

軟骨細(xì)胞周圍的焦磷酸鹽主要來(lái)源于細(xì)胞內(nèi)ATP在細(xì)胞外的分解。這一過(guò)程依賴于軟骨細(xì)胞膜上表達(dá)的三種重要的調(diào)節(jié)焦磷酸鹽代謝的膜蛋白，分別是ENPP1、組織非特異性堿性磷酸酶（tissue non-specific alkaline phosphatases，TNAP）和由ANKH（the human homologue of protein product of the murine progressive ankylosis gene）表達(dá)的膜蛋白。ENPP1水解流出到細(xì)胞外的ATP產(chǎn)生焦磷酸鹽，ANKH將細(xì)胞內(nèi)的焦磷酸鹽輸送到細(xì)胞外，TNAP將細(xì)胞外的焦磷酸鹽水解成磷酸鹽。通過(guò)ENPP1/TNAP的作用，將磷酸鹽/焦磷酸鹽維持在一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的水平。

流行病學(xué)研究表明，ANKH突變與家族性CPPD發(fā)生有關(guān)，過(guò)量表達(dá)的膜蛋白使得細(xì)胞外焦磷酸鹽濃度升高[20]。Cailotto等發(fā)現(xiàn)Ca2+內(nèi)流進(jìn)入細(xì)胞后將激活激酶1和蛋白激酶C，引發(fā)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，激活A(yù)NKH膜蛋白的啟動(dòng)子，導(dǎo)致其大量合成，通過(guò)阻斷T型和L型電容Ca2+通道可以有效抑制住上述過(guò)程[21]。Mg2+作為Ca2+的拮抗劑，可以有效阻斷電容Ca2+通道[22]。低濃度的Mg2+導(dǎo)致Ca2+通道激活曲線向正電位的轉(zhuǎn)移同時(shí)增加峰值電流振幅[23]。TNAP有四個(gè)金屬結(jié)合位點(diǎn)，兩個(gè)為Zn2+結(jié)合點(diǎn)，剩余兩個(gè)分別為Mg2+結(jié)合點(diǎn)和Ca2+結(jié)合點(diǎn)。Hoylaerts等發(fā)現(xiàn)在體內(nèi)PH為7.4的情況下，Mg2+和Ca2+在激活TNAP時(shí)存在一定的互補(bǔ)關(guān)系，當(dāng)Mg2+相對(duì)降低時(shí)，Ca2+將代償性升高維持TNAP的正常功能，然而當(dāng)Ca2+濃度升高時(shí)，將導(dǎo)致Zn2+與TNAP結(jié)合受到抑制，TNAP失活，從而造成焦磷酸鹽的堆積[24]。ENNP1基因敲除的小鼠通過(guò)在孕期進(jìn)行高鎂膳食可以有效調(diào)節(jié)Ca2+/Mg2+比例，抑制全身軟組織的異位礦化[25]。

2.2 Ca 2+/Mg 2+失衡與ATP

ATP作為細(xì)胞內(nèi)的能源物質(zhì)，通過(guò)與二磷酸腺苷（adenosine diphosphate，ADP）相互轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和釋能，并隨著細(xì)胞內(nèi)的生命活動(dòng)不斷合成分解。在軟骨中，大部分的無(wú)機(jī)焦磷酸鹽都來(lái)源于細(xì)胞外ATP的分解[26]，胞內(nèi)ATP的流出對(duì)無(wú)機(jī)磷酸鹽的濃度至關(guān)重要。ATP主要是通過(guò)自分泌或旁分泌的方式經(jīng)縫隙連接半通道流出到細(xì)胞外液。

Mg2+與Ca2+影響連接蛋白半通道打開(kāi)，細(xì)胞外的Mg2+濃度升高將導(dǎo)致離子通道的最大傳導(dǎo)速度降低，減慢通道的激活。Mg2+進(jìn)入孔道，以壓敏電阻器的形式阻斷通道，使通道處于阻斷狀態(tài)，不易打開(kāi)[27]。而低濃度的Ca2+和Mg2+將導(dǎo)致通道開(kāi)放增多，大量ATP釋放[28]。

2.3 Ca 2+/Mg 2+失衡與嘌呤受體

進(jìn)入到胞液中的ATP將激動(dòng)嘌呤受體（purinergic receptor，PR），通過(guò)激活β型磷脂酶C，生成三磷酸肌醇，引發(fā)鈣振蕩（即Ca2+濃度的升高在單個(gè)細(xì)胞水平是以振蕩的形式出現(xiàn)的）。細(xì)胞內(nèi)鈣信號(hào)主要是以鈣振蕩的形式產(chǎn)生。PR是一種廣泛分布于真核細(xì)胞膜上的膜受體，根據(jù)其配體不同，分為P1（腺苷）受體和P2（ATP）受體。在人體內(nèi)P2受體又主要分為兩種類型，一種是P2X受體（配體門(mén)控陽(yáng)離子通道），另一種是P2Y受體（G蛋白耦聯(lián)通道）[29]。

Orriss等[30]發(fā)現(xiàn)ATP通過(guò)與成骨細(xì)胞膜上的P2Y2受體結(jié)合，增強(qiáng)ENPP1的作用，最終導(dǎo)致細(xì)胞外液焦磷酸鹽的升高。Masser等[31]發(fā)現(xiàn)肝細(xì)胞釋放ATP可以引起鄰近細(xì)胞內(nèi)Ca2+的升高，當(dāng)用ATP磷酸二酯酶降解細(xì)胞外的ATP或者應(yīng)用蘇拉明降解阻斷嘌呤受體時(shí)，Ca2+濃度升高受到抑制。Mg2+作為廣受認(rèn)可的劑量依賴型的嘌呤受體拮抗劑[32]可以阻止ATP與嘌呤受體的結(jié)合，減少鈣振蕩的發(fā)生，使胞漿內(nèi)Ca2+維持在穩(wěn)定的水平。Yang等[33]發(fā)現(xiàn)含有高濃度Mg2+的培養(yǎng)基中細(xì)胞上清液的ATP含量低。而Yue等[34]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)高濃度的Mg2+可以抑制嘌呤受體P2X4、P2X5和P2X7的表達(dá)，而高濃度的ATP（＞100 mM）能夠逆轉(zhuǎn)Mg2+的抑制作用。

2.4 Ca 2+/Mg 2+失衡與線粒體

線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)作為細(xì)胞內(nèi)Ca2+的儲(chǔ)存庫(kù)，維持細(xì)胞內(nèi)Ca2+的平衡。發(fā)生于基質(zhì)小泡和軟骨細(xì)胞線粒體內(nèi)的礦化，開(kāi)始于線粒體內(nèi)鈣磷沉積形成的線粒體顆粒。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)胞漿內(nèi)的Mg2+可以減弱線粒體對(duì)Ca2+的吸收。Szanda等[35]通過(guò)將HEK293T細(xì)胞中的線粒體分離出來(lái)，清楚地觀察到了Mg2+抑制Ca2+的吸收現(xiàn)象。但其中的具體機(jī)制還在探索當(dāng)中。

目前有一種假設(shè)認(rèn)為與線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔（mitochondrial permeability transiti-on pore，mPTP）有關(guān)。當(dāng)質(zhì)子和離子通過(guò)mPTP進(jìn)入線粒體時(shí)，將導(dǎo)致線粒體內(nèi)膜去極化，從而影響ATP的釋放[36]。Yue等[34]通過(guò)使用共聚焦顯微鏡觀察不同鎂濃度培養(yǎng)下的肌腱間充質(zhì)干細(xì)胞發(fā)現(xiàn)，高濃度的Mg2+通過(guò)與Ca2+競(jìng)爭(zhēng)mPTP的結(jié)合位點(diǎn)可以抑制線粒體內(nèi)的鈣濃度以及抑制Ca2+誘發(fā)mPTP的開(kāi)啟。這項(xiàng)研究的結(jié)果與Panov等[37]對(duì)Mg2+與小鼠肺細(xì)胞線粒體的關(guān)系研究中得到的結(jié)果一致。當(dāng)Ca2+濃度增加時(shí)，導(dǎo)致mPTP打開(kāi)，大量涌出的Ca2+被H+代償，消耗的H+濃度由ATP水解來(lái)代償，從而導(dǎo)致細(xì)胞基質(zhì)中Mg2+和ADP的增加[38]。而當(dāng)胞漿內(nèi)低濃度Mg2+時(shí)，將導(dǎo)致胞漿內(nèi)Ca2+濃度升高，大量Ca2+釋放到軟骨細(xì)胞周圍的基質(zhì)中，與焦磷酸鹽形成CPPD沉積。未來(lái)對(duì)mPTP進(jìn)一步研究有利于理解鈣、鎂之間的平衡關(guān)系。

3 治療方法

對(duì)于臨床上的急性CPP晶體關(guān)節(jié)炎發(fā)作，目前主要是采用非甾體類抗炎藥或者糖皮質(zhì)激素來(lái)緩解癥狀。由于非甾體抗炎藥導(dǎo)致胃腸道出血這一不良反應(yīng)以及老年人的多種疾病共存，使這些藥物應(yīng)用受到了限制。近幾年來(lái)，關(guān)于甲氨蝶呤、生物類藥物以及促腎上腺皮質(zhì)激素應(yīng)用于CPP晶體關(guān)節(jié)炎的治療研究陸續(xù)發(fā)表，但由于所做研究樣本量太小或者不屬于隨機(jī)對(duì)照實(shí)驗(yàn)等原因，導(dǎo)致證據(jù)強(qiáng)度不夠。歐洲風(fēng)濕病協(xié)會(huì)目前還沒(méi)有推薦任何藥物來(lái)預(yù)防CPP晶體的產(chǎn)生，然而體外試驗(yàn)顯示高濃度Mg2+可以溶解CPP晶體。Hruby等[39]通過(guò)對(duì)美國(guó)心肺血液研究所的弗明漢心臟研究數(shù)據(jù)進(jìn)行二次分析發(fā)現(xiàn)，攝入的鎂含量與冠狀動(dòng)脈鈣化呈現(xiàn)高度的負(fù)相關(guān)性，至于未來(lái)是否推薦使用含鎂藥物進(jìn)行臨床預(yù)防軟骨CPPD，將需要大樣本的隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)來(lái)提供循證證據(jù)。

4 展望

軟骨CPPD的發(fā)病機(jī)制目前尚不明確?；谂R床活檢通常只能在軟骨CPPD發(fā)生后進(jìn)行，尚無(wú)適當(dāng)?shù)氖侄伪O(jiān)測(cè)體內(nèi)動(dòng)態(tài)鈣化發(fā)生過(guò)程。關(guān)于CPPD的研究目前多集中于細(xì)胞分子生物試驗(yàn)，未來(lái)尚需進(jìn)行動(dòng)物試驗(yàn)進(jìn)一步探索Ca2+/Mg2+失衡導(dǎo)致軟骨CPPD的機(jī)制。研究清楚正常的Ca2+/Mg2+平衡如何抑制軟骨CPPD的分子生物學(xué)機(jī)制，將為臨床上治療CPPD帶來(lái)新的思路，從根本上抑制軟骨CPPD的發(fā)生和進(jìn)展。