脑性瘫痪的骨代谢生化指标研究进展

Research Progress on Biochemical Indicators of Bone Metabolism in Cerebral Palsy

摘要: 脑性瘫痪(cerebral palsy, CP)被定义为是一组持续存在的中枢性运动和姿势发育障碍、活动受限症候群，这种症候群是由于发育中的胎儿或婴幼儿脑部非进行性损伤所致。CP的活动受限会引起继发性肌肉萎缩和骨骼损害，骨代谢的生化标记物可以实时地评估骨骼损害的进展，为评估CP的治疗效果及预后提供理论依据。本文对CP的骨代谢生化指标研究进展作一综述，阐述各骨代谢生化指标的意义及CP骨代谢生化指标的特点，为CP的骨骼研究提供参考。

Abstract: Cerebral palsy (CP) is defined as a persistent central motor and postural developmental disorder, limited mobility syndrome, caused by non progressive brain damage in developing fetuses or in-fants. The limited activity of CP can cause secondary muscle atrophy and bone damage. Biochemical markers of bone metabolism can evaluate the progression of bone damage in real time, providing a theoretical basis for evaluating the therapeutic effect and prognosis of CP. This article provides a review of the research progress on CP bone metabolism biochemical indicators, explaining the sig-nificance of each bone metabolism biochemical indicator and the characteristics of CP bone metabo-lism biochemical indicators, providing reference for CP bone research.

1. 引言

脑性瘫痪(Cerebral palsy, CP)被定义为是一组持续存在的中枢性运动和姿势发育障碍、活动受限症候群，这种症候群是由于发育中的胎儿或婴幼儿脑部非进行性损伤所致 [1] 。CP可同时伴有一种或多种其他功能障碍或合并症，常见的功能障碍包括智力障碍、感觉障碍、运动障碍，常见的合并症包括癫痫及由运动障碍引起的继发性肌肉萎缩和骨骼变形及脱位 [2] 。近年的研究发现无论CP患儿是否能够充分活动都有可能发生骨密度的减低 [3] 。这一情况在中重度的CP患儿中更加明显，他们发生骨密度减低的可能性为77%，随着年龄的上升，这一情况继续加重，患儿9岁时可以达到86%的发病率 [4] 。骨密度的减低意味着骨折发生的增多。研究发现CP患儿的骨折发生率每年接近4%，高于健康儿童的骨折率(2.5%) [5] 。骨代谢的生化标记物可以实时地评估骨骼损害的进展，通过对骨代谢标记物的观察来调整治疗方式和评估骨骼发展的预后，从而改善CP患儿的骨密度，降低骨折的发生率。本文对CP骨代谢生化指标的研究进展作一综述，阐述各骨代谢生化指标的意义及CP骨代谢生化指标的特点，为CP的骨骼研究提供参考。

2. CP患儿的分类及分级

2.1. CP患儿的分类

根据CP患儿临床表现的特点，我国将CP分为6型：痉挛型四肢瘫、痉挛型双瘫、痉挛型偏瘫、不随意运动型、共济失调型、混合型 [1] 。

痉挛型表现以骨骼肌的随意运动受损为主，主要为运动皮层的损伤。四肢因为肌张力的增加呈现一种特定的姿势，查体可见深反射亢进、踝阵挛、折刀现象等。根据痉挛型表现的位置特点可进一步分为痉挛型四肢瘫、痉挛型双瘫、痉挛型偏瘫。

不随意运动型表现以骨骼肌的张力异常和不随意运动的发生为主，非随意运动主要出现在头部和四肢，肌张力可高可低，患者静止时或者年纪较小时肌张力减低呈现舞蹈样，随意运动时肌张力增加。

共济失调型表现以平衡障碍为主，行走时呈现醉汉步态，查体可见小脑受损的阳性体征及肌张力改变。

混合型是上述任意型的组合 [1] [3] 。

2.2. CP患儿的分级

CP导致的运动障碍使得患儿的生活受到极大的限制。为评估运动障碍的严重程度，主要以粗大运动功能分级系统(gross motor function classification system, GMFCS)去评估。GMFCS考虑到随着年龄的增加，运动能力也会逐步增加。根据这一特点将CP所引起的运动障碍从5个年龄段去评价，根据损害程度从高到低分为I~V级。与严重程度的分类相比较，发现GMFCS与之有着极好的一致性。轻度损伤相当于GMFCS的I级和II级、中度损伤相当于III级、重度损伤相当于IV级和V级 [6] 。

3. 骨代谢

骨组织较为活跃，呈现为动态。骨组织的有机成分差不多完全由I型胶原蛋白所构成，无机成分以钙和磷酸盐形成矿化结晶的形式沉积 [7] 。

骨代谢是一个动态且连续的过程，通常在旧骨或受损骨的吸收与新骨的形成保持平衡。如果存在骨形成或者骨吸收的缺陷则会破坏骨代谢的平衡，随着时间的推移，使得骨骼的功能受到损害。当出现严重的骨代谢不平衡时，这种功能损害可能会迅速的发生 [8] 。主要由以下三种细胞参与骨代谢的平衡，即破骨细胞、成骨细胞和骨细胞。成骨细胞沉积并矿化新的骨基质，对于骨骼发育、骨折愈合以及旧骨或受损骨组织的重塑至关重要 [8] 。破骨细胞负责骨吸收的过程，这个过程有助于维持血清中钙和磷的水平，允许骨骼重塑和修复，并促进储存在骨基质中的生长因子的释放 [9] 。骨组织的细胞之间会产生激素和信号因子，调节骨细胞的活性，影响骨更新并维持整体骨健康 [10] 。骨代谢的生化标记物可以实时地评估骨吸收和骨形成 [8] 。

3.1. 骨形成标志物

3.1.1. 碱性磷酸酶(Alkaline Phosphatase, ALP)

ALP是一种膜结合酶，几乎存在于所有身体组织中。循环中有四种ALP同工酶，分别对肝脏、骨、胎盘和肠组织都具有相对特异性。在儿童期和青春期，骨特异性碱性磷酸酶(Bone-specific alkaline phosphatase, BALP)占主导地位，而在健康成年人中，肝脏相关碱性磷酸酶和BALP占总ALP的95%，且比例几乎相等。因此，对于肝病患者必须谨慎解释结果。一旦排除肝脏疾病，血清总碱性磷酸酶是最广泛使用的骨代谢标志物 [11] 。但BALP免疫测定通常比总ALP对骨形成具有更高的敏感性和特异性 [12] 。BALP由成骨细胞产生，在骨形成阶段产量极高，因此是整体骨形成活动的极好指标。治疗后BALP浓度的降低和稳定被认为表明骨代谢活性达到了新的稳定状态 [8] 。

3.1.2. I型胶原延长肽

95%以上的骨胶原由I型胶原组成，其余5%由III型和IV型胶原组成。I型胶原是骨骼的主要成分，占其基质的90% [13] 。I型胶原是成骨细胞合成的一种较大的前体蛋白，在I型胶原与骨基质结合之前，I型胶原的羧基末端和氨基末端在细胞外加工过程中被酶“剪裁”。这种切割产生了两个较大的延伸肽，称为I型胶原羧基端延长肽(procollagen type 1 C-terminal propeptide, P1CP)和I型胶原氨基端延长肽(procollagen type 1 N-terminal propeptide, P1NP)。血清中均可检测到P1CP和P1NP [7] 。I型胶原是骨形成阶段产生的基质蛋白的主要成分，因此测定循环中释放的PICP和PINP片段应该是骨形成的良好标志 [8] 。

3.1.3. 骨钙素(Osteocalcin, OC)

OC是一种由成骨细胞合成的小分子非胶原蛋白。产生OC的过程中受到维生素D水平的制约 [14] 。OC在羧化过程中通过蛋白质的构象改变来与羟基磷灰石结合，并在骨基质中进一步发生矿化。但也存在有一些OC非羧化或者低羧化释放到循环当中 [15] 。循环中的有机碳寿命很短(半衰期为5分钟)，并迅速降解为碎片。因此，循环中的OC含有完整的OC、大的N端片段和小的C端片段。OC由肝脏和肾脏代谢。在肾功能衰竭时可观察到较高的浓度 [16] 。由于循环中OC具有异质性，使用不同的检测方法会观察到不同的结果。检测完整OC和OC的大的N端片段的分析是最具重复性的 [17] 。尽管OC测量是骨形成的敏感标记物，但其在临床实践中的应用受到检测变异性、样本不稳定性和高度生物变异性的限制 [7] 。

3.2. 骨吸收标志物

3.2.1. 羟脯氨酸(Hydroxyproline, Hyp)

骨骼中的有机成分主要由I型胶原蛋白(90%)和少量非胶原蛋白组成。Hyp是胶原蛋白中的主要氨基酸，是胶原蛋白的脯氨酸残基翻译后羟基化的产物，占胶原蛋白的13%。一旦胶原蛋白分解，即骨吸收过程的发生，Hyp将不再被重新利用，大约10%以小多肽链的形式存在，这些多肽链足够小，可以通过肾脏过滤和排出，无需进一步代谢。90%被降解为游离氨基酸形式，很容易通过肾小球，并在肾小管中重新吸收。最后经肝脏代谢为尿素和二氧化碳。既往通过测定尿液中的Hyp来判断骨吸收的程度，但因为胶原蛋白不仅存在于骨骼的胶原蛋白中，也存在于软骨和皮肤的胶原蛋白中。循环中的Hyp也可以来自饮食摄入和补体的C1Q成分。此外，在骨形成的过程中也会升高Hyp。所以它的使用已被更敏感和更具体的标记所取代 [7] [8] 。

3.2.2. I型胶原的交联型端肽

I型胶原端肽是因为具有较高的特异性使得它在骨吸收的研究中运用最为普遍。当I型胶原蛋白被破骨细胞降解时，会释放出I型胶原羧基端末肽(C-terminal telopeptide, CTX)和I型胶原氨基端末肽(Nterminal telopeptide, NTX) [18] 。NTX和CTX都是从尿液中排泄出来的，可以在24小时尿样、晨尿和血清中检测到。样本采集的时机至关重要，NTX和CTX存在明显的昼夜变化 [19] 。相比于尿液检测，血清检测的可重复性更高。有人认为NTX和CTX专用于描述骨组织的吸收，因为由I型胶原组成的其他组织，如皮肤，不会被破骨细胞活跃地代谢 [7] [8] 。

3.2.3. 抗酒石酸酸性磷酸酶(Tartrate-Resistant Acid Phosphatase, TRACP)

TRACP是溶酶体酶中的一员。血循环中有两种形式的TRACP：TRACP5a和TRACP5b。TRACP5b源自破骨细胞，TRACP5a存在于活化的巨噬细胞中 [20] [21] 。TRACP5b通过活性氧的方式来吸收来自于骨骼的降解产物。有人认为这是反应破骨细胞的活跃程度和数目大小的指标 [22] 。TRACP5b会在肝脏中通过蛋白水解酶的作用下变成碎片，这些碎片在肾脏中随着尿液排出体外。同时这种排出方式不受肾功能水平或外来摄入的影响 [22] [23] 。它已被广泛研究并证明具有良好的特异性、敏感性以及与其他吸收标记物的良好相关性。

4. CP骨代谢

4.1. 骨形成标志物

正常儿童的发育过程中PINP浓度随着年龄的增长(0~7岁年龄段)逐渐降低 [24] 。0~4岁时，CP患儿的血清P1NP水平高于健康对照，表明骨形成水平较高 [25] 。但是既往研究发现CP患儿的骨密度较低 [26] ，并且骨骼大小、形状或结构存在明显缺陷 [27] [28] [29] 。有人认为，0~4岁CP儿童较高的骨形成是无效的，并且甚至有害，例如异位骨化的产生 [25] 。另一方面，患有CP的儿童因骨密度低和骨脆性高而骨折风险增加 [30] 。骨折愈合是骨重塑的过程，通常伴随着骨形成的显着增强 [31] [32] 。在2.1~4岁儿童中，患有CP的儿童的OC水平高于健康对照，这与骨形成指标P1NP的较高水平一致。国外Rohit Khandelwal等人最近的研究发现，ALP升高在九岁以下患者中更为常见 [33] ，这与我国既往的研究发现相一致 [34] [35] 。他们认为造成这一现象的原因是CP患儿运动功能受限，活动量明显下降，骨应力减弱，因而骨吸收活跃，骨重建旺盛，骨形成也相应活跃 [35] 。

4.2. 骨吸收标志物

健康儿童的骨吸收随着年龄的增加而增加，这可能会促进新骨形成，因为骨吸收是骨形成刺激因子的来源 [36] 。Wen Xing等人发现，不同年龄组CP儿童的骨形成均高于健康儿童。相反在年纪较大的儿童中，尤其是大于2岁，患有CP的儿童的骨吸收低于健康儿童。骨骼生长是骨形成和骨吸收之间动态平衡的结果 [37] [38] 。2.1~7岁CP患儿的CTX水平较低，不利于骨形成。原因可能是由于运动限制和肌肉刺激减少 [39] 。

CP患儿的GMFCS与分型各不相同，骨密度也存在差异，但是目前的研究发现不同程度与不同类型的CP虽然有骨密度的差异但是没有发现骨转换标志物的差异 [40] 。

5. 未来研究方向及展望

CP存在着严重的活动和姿势异常。这种功能损害会对患者本人、患者家庭、社会医疗保障带来极大的经济负担。长期的功能受限会进一步加重骨骼的损害，目前的研究发现，CP患儿与正常儿童的骨代谢标志物确实存在差异，CP患儿的骨形成均高于健康儿童，而CP患儿的骨吸收低于健康儿童，发生这种骨代谢的异常机制尚不清楚，这可能成为我们未来研究的新方向。

同时CP的治疗目前以康复治疗和手术治疗为主，这些治疗方式是否会改善患儿的骨代谢进而避免骨骼发育异常，提高骨密度，降低骨折发生的风险仍值得探讨。