骨质疏松症与慢性砷暴露关系研究进展

Research Progress on the Relationship between Osteoporosis and Chronic Arsenic Exposure

摘要: 骨质疏松症是一种代谢性骨病，多见于老年人群中，其最主要的结局是多发性骨折的出现。骨质疏松症的发病机制目前尚未完全明确，但普遍认为其具有复杂的病因网络，越来越多的证据表明慢性砷暴露在骨质疏松症发生发展的病因网络中占据重要地位。慢性砷暴露具有对骨组织直接和间接损害的能力，也可能通过与其他高危因素的相互作用来加重骨质疏松症的发生风险。探明砷暴露的作用机制，将其纳入早期监测指标和行为干预计划，将对骨质疏松症的防治具有很大的积极作用。本研究通过查阅国内外文献，综述了目前慢性砷暴露在骨质流失与骨质疏松症发生发展中的作用，为未来制定骨质疏松症的新防治策略提供依据。

Abstract: Osteoporosis is a metabolic bone disease commonly seen in the elderly, with its most significant outcome being the occurrence of multiple fractures. The pathogenesis of osteoporosis is not yet fully understood, but it is generally believed to involve a complex network of causative factors. Increasing evidence suggests that chronic arsenic exposure plays a significant role in the etiology and progression of osteoporosis. Chronic arsenic exposure has the capacity to cause direct and indirect damage to bone tissue and may also exacerbate the risk of osteoporosis through interactions with other high-risk factors. Investigating the mechanisms of arsenic exposure and incorporating it into early monitoring indicators and behavioral intervention plans will have a highly positive impact on the prevention and treatment of osteoporosis. This study reviews domestic and international literature to summarize the role of chronic arsenic exposure in bone loss and the development of osteoporosis, providing a basis for formulating new prevention and treatment strategies for osteoporosis in the future.

1. 引言

骨质疏松症是一种全身性的代谢性骨病，主要特征是骨吸收的增加与骨形成的减少并伴有骨重塑的失败。这种骨骼调节的不平衡反应在骨骼中，表现为持续性的骨量流失引起的骨密度和骨质量降低，骨微结构损害，导致骨脆性增加，形成易发生骨折的状态[1]。该病通常被认为在白种人中更为常见，但近年来包括我国在内的中低社会人口学指数国家中骨质疏松患病率迅速增加。同时作为一种慢性疾病，女性和老年人群通常被认为是其高危人群，随着人口老龄化在东亚的快速发展，骨质疏松正在给我国带来越来越大的疾病负担。

骨质疏松症的发病较为复杂，存在较多潜在的发病因素。既往研究通常将其归纳为性别、年龄、遗传、疾病、不良的生活行为方式、药物和外源性的化学物暴露[2]。尽管存在众多病因，但其结局较为单一，表现为骨强度降低引起的骨折。因此骨质疏松症的诊断需要评估患者的骨骼强度，通过测定骨骼矿物密度(BMD)或计算T评分标准来判定，根据世界卫生组织(WHO)的定义，骨质疏松症需要测得的BMD或T评分 < 参考人群2.5 SD时才能够明确其诊断[3]。

骨质疏松症在疾病早期可以进行有效防治，对高危因素采用非药物干预便能得到较好的预后，晚期则需要使用抗吸收药和骨合成代谢药辅助来降低其骨折风险。但其在发展过程中往往缺乏典型症状，目前尚未确定筛查的最佳间隔时间，也缺少简便易行的指标来直接衡量骨组织的恶化程度[4]，因此在骨折发生前通常难以被发现和重视，也被称为“无声疾病”。这使得人们往往在不知情的情况下错过了最佳的干预时机，放任了疾病的发生发展，所以对于骨质疏松症的防治仍以及早发现并消除人群的相关危险因素为主，晚期药物应用为辅。因此识别与骨量减少相关的新危险因素，并区分其是否可被干预仍是骨质疏松症防治的一大重点工作[5]。

2. 骨组织与骨质疏松症

骨骼在人体早期生命过程中会经历纵向和径向生长、形成和重塑，而成年后只出现骨形成与重塑，其中骨重塑在正常成人中更为常见[6]。通过旧骨吸收与新骨不断形成的动态平衡，人体始终维持着骨骼吸收与形成的相对平衡，从而有利于维持我们骨骼的强度并修复微小骨折。但当骨骼吸收率大于形成率时，骨质流失就会出现，当其达到一定程度时，就会引起骨质疏松症的出现。

这种吸收率与形成率的不平衡，通常是由于某些因素作用于骨组织，抑制了其骨形成或促进了其骨吸收的速度。骨组织是骨骼的主要成分，也是骨形成与吸收平衡的重要调节器。其是由钙化细胞外质与成骨细胞、破骨细胞、骨细胞和骨内层细胞共同构成的，控制着人体内新骨形成和旧骨吸收的次序作用及其强度[7]。

骨形成需要成骨细胞分泌的有机基质在极其致密的羟基磷灰石基矿物的沉积下不断成熟，最终钙化成骨，因此成骨细胞的数量减少或功能受限将极大地抑制骨形成。成骨细胞通常紧密堆积地排列在骨骼表面，通过有目的的合成和分泌有机基质来构建骨骼的物理框架，决定着矿化骨形成的最终形态结构，同时也参与骨组织稳态的调节。骨细胞是成骨细胞分化形成的，通常生活在钙化骨的骨陷窝中，通过骨陷窝-小管系统维持着骨基质并介导钙稳态[8] [9]。

骨吸收则需要通过破骨细胞的酸化作用溶解陈旧骨质来实现，因此破骨细胞的数量或活性与骨吸收的速度密切相关。破骨细胞是目前已知唯一可以重新吸收矿化骨的骨吸收细胞，通过进入被称作“切割锥”的深层吸收腔隙中，利用刷状边界附着在骨基质上将其酸化溶解来实现骨基质吞噬作用，清除陈旧的钙化骨[8] [9]。

因此，探索骨质疏松症高危因素对骨组织的影响，将有助于我们全面认识该因素诱导骨质流失的具体途径，帮助我们寻找有效的生物标志物和干预途径，及早发现和阻止骨质疏松症的进展。

3. 慢性砷暴露与骨组织

砷是一种广泛分布于土壤与水中的有毒类金属污染物，同时因其对人体健康的严重危害，美国毒物与疾病登记署(ATSDR)将其列为有害物质优先清单首位，需要持续评估人群暴露情况。在一般人群中，慢性砷暴露的主要途径是受到砷污染的农田产出的食物和受污染的饮水[10]，其特点是长期、低剂量并能在人体中不断蓄积。目前我国也是饮水砷污染危害较为严重的国家之一，饮水中砷的浓度平均值在个别省份中存在明显超标，同时饮用水砷造成的健康风险整体也高于WHO《饮用水水质准则》推荐的风险参考水平，在我国6个主要地理区域饮用水中砷相关的个人健康风险排名：华北 > 东北 > 中南 > 西北 >西南 > 华东[11]。

慢性砷暴露对人体的损害作用较为复杂，具有多种不同的靶器官。在流行病学和实验研究中发现，长期砷暴露能产生皮肤、骨骼和多个人体系统的损害[12] [13]。在暴露一个月后，软组织中的砷开始向骨骼中不断累积，通过竞争性替换骨质中的磷元素可以存在数年，持续不断地影响骨组织，引起以骨质流失为主的一系列骨骼疾病[14]。在这一过程中，我们普遍认为慢性砷暴露对于骨组织中成骨细胞与破骨细胞形成、分化和功能的直接和间接影响是其产生骨质流失的重要原因。

3.1. 成骨细胞

成骨细胞是一种由来自间充质干细胞谱系的骨祖细胞分化形成的骨形成细胞[8] [9]，可以通过调节有机骨基质的沉积和矿化介导骨形成。成骨细胞的激活以碱性磷酸酶释放为标志，在骨形态发生蛋白和转化生长因子β家族的其他成员[15]介导下，成骨细胞开始分化，最终转化为骨细胞或成为骨衬里细胞。

近年来多项相关研究表明，砷可以直接影响成骨细胞的特异性分化，干扰成骨细胞在骨重塑过程中的功能，甚至诱导成骨细胞的凋亡。Yu-Chen Hu等[16]通过无机砷慢性暴露处理SD大鼠和分离出的大鼠原代成骨细胞祖细胞发现，慢性砷暴露能够同时抑制成骨细胞的形成、分化和功能。与对照组相比，慢性砷暴露显著降低了调控成骨细胞分化和功能的Runx2、Osterix等转录因子[17]的表达，同时抑制了成骨细胞功能的发挥。在另一方面，慢性砷暴露诱导的氧化应激促进了成骨细胞中核转录因子Nrf2的表达，进一步负向调节了Runx2的表达，抑制成骨细胞的分化[18]。Cheng-Tien Wu等[19]的研究也发现长期处于饮用水中砷暴露可以显著降低骨密度和骨中Runx2的表达，增加骨ERK信号通路的磷酸化，减少了骨祖细胞系向成骨细胞分化。此外慢性砷暴露也被证实可以通过氧化应激诱导活性氧生成抑制骨重塑周期中成骨细胞的活性和功能[20] [21]。慢性砷暴露还可以直接诱导成骨细胞凋亡，如Chih-Hsin Tang [22]等观察到的慢性砷暴露同时诱导线粒体功能障碍和内质网应激引起成骨细胞凋亡。除了直接影响外，慢性砷暴露引起的高血糖水平[23]和雌激素紊乱[24]也是成骨细胞抑制的重要原因。U. Heilmeier等的研究中发现高血糖不利于成骨细胞合成，并导致晚期糖基化终末产物(AGEs)的积累，诱导成骨细胞凋亡。S. Kousteni [25]则发现雌激素的减少在人类细胞与小鼠中均带来了成骨细胞的凋亡。

3.2. 破骨细胞

破骨细胞是一种来源于造血干细胞的大型多核细胞，存在于骨表面称为“Howship陷窝”的浅凹陷中。破骨细胞的增殖、形成和分化需要骨髓基质细胞和成骨细胞分泌的RANKL和巨噬细胞CSF两种细胞因子来调节[26]。同时破骨细胞也是目前已知的与骨吸收存在密切联系的一种细胞，通过分泌氢离子和组织蛋白酶K，破骨细胞得以溶解骨基质中的矿物质和蛋白质基质，实现骨吸收[27]。

破骨细胞的形成和功能实现是多种细胞因子共同调节的结果，慢性砷暴露可能会破坏这种调节作用，使得结构和功能异常的破骨细胞出现。有研究发现慢性砷暴露可能促进了佩吉特病的发生[28]，佩吉特病就是一种由于破骨细胞结构和数量异常导致骨重塑全周期中骨吸收异常加速，使新骨失去正常板层模式的一种疾病[29]。Li H. [30]与Yang X. [31]等在研究氟-砷对骨的联合作用时发现慢性砷暴露对破骨细胞的影响存在双向性，低剂量下能够诱导破骨细胞形成和分化，但高浓度下反而会诱导破骨前体细胞出现凋亡。K. H. Szymczyk [32]等人则证实了砷的浓度梯度及其诱导产生的活性氧阈值在这种双向性的重要作用。但在一般人群中通常缺乏短期内的大剂量暴露，因此慢性的低剂量砷暴露更可能通过直接影响破骨细胞分化加剧骨吸收和骨重塑过程。Zhiyuan Liu等[33]发现Nrf2表达的缺失会加重慢性砷暴露导致的破骨细胞生成增加，促使骨吸收的加剧。Aybar等[34]研究显示，长期砷暴露还可以通过破坏破骨细胞功能，使破骨细胞无法正确粘附到骨基质上发挥其功能，在一定程度上可以抑制骨吸收。Yu-Chen Hu等[16]的研究中还发现慢性砷暴露在一定程度上可以利用成骨细胞来间接抑制破骨细胞的形成，通过促进SD大鼠体内成骨细胞与破骨细胞前体细胞的有效特异性结合，激活对破骨细胞分化的抑制。这些发现与Hu等的发现一致，慢性砷暴露对于破骨细胞存在一定的抑制作用，但骨吸收受到的影响低于骨形成，因此骨质流失仍然存在。此外，雌激素减少也会抑制促破骨细胞凋亡的作用，使得骨吸收的时间延长，骨量丢失加剧。

4. 慢性砷暴露与骨质疏松症

迄今为止，大量研究证据均显示慢性砷暴露不只局限于对骨组织中成骨细胞与破骨细胞的影响，其对骨质流失的发展甚至诱导骨质疏松症的出现均存在着促进作用。

在较早的一些研究[35]中，我们注意到砷酸盐通过替代骨骼羟基磷灰石晶体中的磷酸盐，能够在一定程度上降低骨质量，并存在导致骨质疏松的可疑风险。成骨细胞的凋亡程度被认为是绝经后骨质疏松症的重要决定因素之一[36]。Aybar等[34]通过对大鼠的实验研究确定慢性砷暴露可以抑制大鼠软骨内骨化过程，通过干扰骨吸收和形成引起骨质流失。之后Yao-Pang Chung等[37]发现经低剂量砷暴露处理的人体骨细胞与大鼠的关节中的细胞衰老信号增加，同时在另一项Farr[38]等人的研究中证实骨细胞在衰老过程中会产生一个对邻近的骨细胞产生负面影响的微环境，引起骨质流失。之后在S. Amuno等[39] [40]连续的流行病学研究中确认慢性砷暴露可以促进多种野生哺乳动物出现骨骼异常和骨质疏松症表现。Ru-Lan Hsieh等[41]发现在台湾地区健康成人和老年人中，尿总砷与骨质流失存在着显著的剂量反应正相关。这一观点在中国[42]与美国[43]更大范围的人群流行病学研究中也得到了证实。性别通常被认为是骨质疏松症的一个重要危险因素，但在不同性别的流行病学研究中我们均发现慢性砷暴露与骨质流失和骨质疏松症存在着密切联系。A. A. Banjabi等[44]在对女性吸烟者与非吸烟者中的骨质疏松症患者和正常人群的交叉比较中发现，吸烟显著升高了人体内的砷酸盐含量，降低了血清总钙、离子钙水平，并与骨质疏松症存在密切联系。B. Ximenez等[45]发现在绝经期后女性人群中低骨密度组尿砷浓度较正常组高18.4%。A. Akba等[46]则发现在男性人群中，慢性砷暴露组存在更高的骨质流失发生率，但骨质疏松症发生率尚没有显著差异。在Xuedan Xu等[47]构建的东风-同济队列中调查发现血砷与骨质疏松症风险呈现正相关，同时还是金属混合物中引起男性骨质疏松症的主要贡献者。但在Lidong Qin等[48]的研究中认为砷与女性骨质疏松症风险呈正相关，但不支持与男性骨质疏松症之间存在联系。这可能与两者间纳入样本的差异引起的。

当前这些研究大都针对慢性砷暴露对骨质流失和骨质疏松症的直接联系进行了探索，证明了慢性砷暴露是直接诱导骨质流失出现甚至发展为骨质疏松症的一个重要危险因素，然而目前对于慢性砷暴露通过调节其他危险因素或保护因素干预骨质流失进展的研究较少。

慢性砷暴露并非一个相对独立的危险因素，其与许多危险/保护因素都存在着密切联系。Yu-Mei Hsueh等[49]发现饮酒与砷的独立暴露均为骨质流失的高危因素，但同时二者存在协同作用，对于骨质流失的风险升高具有显著的相乘作用。Jianli Zhang等[50]发现慢性砷暴露能够改变老年人群中的肠道菌群结构，同时这种改变在砷暴露与骨质流失和骨质疏松症的联系中存在着潜在作用。M. Galvez-Fernandez等[51]也在研究中发现，包括氨基酸、微生物群共代谢和脂质代谢在内的多种代谢模式均与骨脆性终点相关，代谢干预可以改善具有氧化代谢相关基因携带者因骨质流失引起的骨脆性，但这种保护作用受到慢性砷暴露的拮抗。此外高血糖、性激素紊乱等因素已被证实既是慢性砷暴露影响的结果，同时也是骨质疏松症的高危因素，但却缺乏实验或流行病学研究证实，将之联系在一起。

因此，通过梳理慢性砷暴露在骨质疏松症复杂病因网络中的地位，发现更多的潜在影响机制，将为骨质疏松症的防治提供新的思路与见解。

5. 慢性砷暴露与骨质疏松症关系研究展望与不足

骨质疏松症被普遍认为存在着多种高危因素，尽管其复杂的病因网络尚未被我们完全了解，但慢性砷暴露在其中的重要性正在逐渐被人们所了解。慢性砷暴露已被证明是骨质疏松症的一个高危因素，砷及砷酸盐能够对人体骨组织产生直接损害，同时作为内分泌干扰物，又能够破坏人体内分泌稳态，导致人体骨代谢的调节功能紊乱，对人体骨骼健康存在着巨大危害。同时其又能够与骨质疏松症的其他高危因素产生相互作用，可以显著增加骨质疏松症发生的风险，影响骨质疏松症的进展。随着我国老龄化进展的加快，我国骨质疏松症的疾病负担正在日益加剧，同时饮水砷污染在我国的广泛存在又加剧了这一过程，是我国公共卫生领域亟待解决的问题之一。因此，通过进一步探索慢性砷暴露在骨质疏松症中的作用机制和协同作用关系，将有助于我们对骨质疏松症复杂病因网络进行全面系统的探索梳理，为骨质疏松症防治提供新的视角与策略，并有望开发出能够简便易行监测骨质疏松症发生和进展的新生物标志物，从而减轻我国因骨质疏松症引起的疾病负担。

尽管目前我们已取得了许多关于砷暴露与骨质疏松症间复杂联系的重要进展，但当前已有的研究成果仍存在一定局限性，有许多问题需要进一步研究与讨论。尽管主流研究已揭示了慢性砷暴露与骨质疏松症间的密切关联，但二者的剂量效应关系尚未明确。同时人群中许多潜在的混杂因素可能尚未被发现和控制，慢性砷暴露在不同人群中的骨损害作用还存在较大争议和分歧，反映了慢性砷暴露在骨质疏松症进展中的复杂影响，未来还需纳入更大规模、具有更多特征的人群队列加以确定。此外，目前探索慢性砷暴露与骨质疏松症其他高危因素间潜在联系，及其在骨质疏松症进展中具体作用的相关研究较为缺乏，且已有研究难以形成普遍的基础共识，这将是未来研究中的重要方向。克服这些局限性，将有助于未来更全面、准确地评估慢性砷暴露的骨骼健康风险，并为制定有效的预防和干预策略提供坚实依据。