锌在骨组织健康和再生中的作用综述

　　

　　

　　锌是一种对人体健康至关重要的微量营养素。越来越多的研究表明，锌在骨组织的正常发育和维持体内平衡中起着重要作用。锌不仅是骨组织的组成部分，而且还参与胶原基质的合成、矿化和骨转换。锌可以刺激runt相关转录因子2 (Runx2)，促进成骨细胞的分化。另一方面，锌已被发现通过刺激破骨细胞凋亡来抑制破骨细胞样细胞的形成并减少骨吸收。此外，锌调节RANKL/RANK/OPG通路，从而促进骨重塑。迄今为止，并不是所有的机制锌对骨组织的活性被很好地理解和记录。本文就锌在骨组织中的作用、锌的有益特性及其对骨再生的影响等方面的研究现状进行综述。由于磷酸钙作为骨替代材料的锌离子含量越来越高，本文综述了磷酸钙在骨填充和再生中的潜在作用。

　　锌是最广泛存在的微量营养素之一。它被认为是对人体健康最重要的微量元素[1,2]。它不仅具有催化或调节功能，而且具有结构功能。在一个体重70公斤的成年人体内，锌的储存量为2 ~ 2.5 g，主要以金属硫蛋白的化合物形式存在[2,3]。这种元素的50%存在于肌肉中，30%存在于骨组织中，20%存在于其他组织(包括睾丸、肝脏、大脑和血浆)中[3,4,5]。锌被认为是对人类低毒的元素。美国食品和营养研究所(American Food and Nutrition Institute)将成人锌的最大耐受上限(UL)设定为40毫克/天[6]。

　　锌的吸收主要发生在小肠中，从液体中吸收效率更高(可达约100毫克)。70%)，而固体食物(约30%)[7]。根据锌的浓度不同，锌的转运有两种机制:高浓度和低浓度时的被动转运和促进转运。重要的是，部分锌与胰液和胆汁一起分泌到肠道中。食物对锌的吸收也取决于锌在体内的地位——锌含量低，吸收效率更高[7]。在细胞外和细胞内空间维持相对恒定的锌浓度是可能的，因为存在特定的蛋白质作为锌元素的输入和输出，调节离子进出细胞的流动:来自ZnT家族的转运蛋白(促进阳离子的扩散，SLC30)和ZIP (ZRT或irk样蛋白，SLC39)[8]。ZnT蛋白降低细胞质中锌的浓度，要么将锌运送到细胞外，要么将其转移到细胞外液中，而ZIP蛋白具有相反的作用——它们允许锌从血管流入细胞。锌可以通过非特异性二价金属转运体(DMT1)从肠腔转运到肠细胞[7,9,10]。

　　锌是大约300种酶或其异构体的组分或激活剂，因此对人体各部位的功能有显著影响。它是唯一一种构成所有六类酶的金属[11]。研究表明，锌与人体约10%的蛋白质活性有关[3]。例如，作为锌依赖酶，即DNA聚合酶和胸苷激酶的组成部分，锌确保了DNA和蛋白质的正确合成。此外，锌参与了许多调节蛋白和激素受体正确的四级结构的形成，使其能够与DNA、RNA或蛋白质结合[3,12]。它产生所谓的锌指，其中氨基酸链形成一个结构域(手指形状)，其中心位置为二价锌阳离子，连接半胱氨酸和组氨酸残基[13,14,15]。

　　锌是最有效的抗氧化剂之一，它保护蛋白质的巯基不被氧化[16,17]，在生理条件下，它诱导金属硫蛋白的抗氧化能力是胞质溶胶中最重要的抗氧化剂谷胱甘肽捕获羟基自由基的能力的300倍[17]。

　　同样重要的是，锌可以防止环氧合酶-2 (COX-2)的过量产生，从而控制花生四烯酸生成前列腺素的过程。过量的COX-2可导致细胞增殖增强、细胞凋亡阻断、细胞粘附过程和血管生成发生改变，并增加肿瘤细胞的转移能力，从而促进癌变[18,19]。

　　锌的一个重要作用是直接抑制一些凋亡酶，主要是半胱天冬酶。锌可以降低氧化应激标志物的水平，抑制c反应蛋白的产生，阻断分子在巨噬细胞和单核细胞上的粘附，保护机体免受炎症过程的影响[1,4]。

　　因此，缺锌是世界发展中地区发病率和死亡率的主要危险因素之一(世界卫生组织排名第11位)，对婴儿和儿童最为危险[20,21]。锌缺乏对选定器官功能的基本影响见表1。

　　表1锌活性和缺锌对人体器官的影响

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　　骨组织是人体矿化组织之一。它由约30wt .%的蛋白质(主要是I型胶原)，60wt .%的无机化合物(主要是骨磷灰石)组成，其余的是水(约10wt .%)[44]。骨组织通过耦合骨更新过程不断重塑:简单地说，破骨细胞(破骨细胞)吸收骨组织，然后成骨细胞用新组织填充吸收部位[45]。

　　除了构成骨磷灰石的基本元素钙和磷之外，许多其他宏量和微量营养素通过参与形成或吸收的过程，包括与其中涉及的许多酶的相互作用，影响骨骼健康。锌是骨组织代谢和骨骼系统正常运作中最重要的营养素[46]。

　　锌补充剂对骨骼发育的影响早在60多年前就被发现了。Prasad等人注意到患有侏儒症、性腺功能减退和贫血的小男孩的血浆、红细胞和头发中的锌含量下降。所进行的研究表明，在饮食中补充锌的男孩的生长速度明显高于没有额外补充这种微量营养素的男孩。随后发现营养锌可能在骨骼发育和生长中起关键作用[47]。

　　骨中的锌和其他组织中的锌一样，是许多酶的组成部分，但它也存在于矿物质部分，主要存在于骨磷灰石中[48]。对骨质疏松症女性的研究表明，她们骨骼中的锌含量低于健康女性[49]。此外，在对绝经后妇女的研究中，人们注意到尿液中的锌含量可能是骨骼健康的一种有效的大量营养素(骨质疏松症妇女每1克肌酐排泄超过800微克锌[49]。

　　反过来，对大鼠进行的研究表明，连续3天给予不同剂量的锌(以硫酸锌的形式，5-50 mg Zn /kg体重)，不仅可以增加股骨中锌的含量，还可以增加DNA、钙、胶原蛋白和碱性磷酸酶(ALP)的含量[50]。

　　锌离子作为ALP和胶原酶的辅助因子，参与骨组织代谢[51]。ALP属于金属酶，活性中心含有1个镁离子和2个锌离子[52]。其作用是裂解焦磷酸盐、磷酸乙醇胺和磷酸吡哆醛等化合物中的磷酸酯键，从而将磷酸盐离子释放到骨基质中，并刺激其矿化[52]。

　　人体研究表明，口服剂量为3060μmol/kg的锌可增加干骺端组织ALP活性和DNA含量[53]。

　　值得注意的是，骨中的DNA含量是骨细胞数量的标志:成骨细胞、破骨细胞和骨细胞[53,54]。

　　锌与IGF-I或TGF-β协同作用，在刺激骨生长方面发挥生理作用[53,55]。它可能部分与酪氨酸激酶和酪氨酸磷酸酶相互作用，参与细胞中IGF-I信号传导机制[56,57]。1,25-二羟基维生素D3(骨化三醇)受体也显示在DNA结合位点有两个锌指。因此，锌的可用性可能调节骨化三醇对骨生长和矿化的影响[58]。

　　体外对成骨细胞的研究表明，锌在骨组织形成过程中起着重要作用[59,60,61]。Seo等研究表明，锌处理成骨细胞MC3T3-E1会影响其增殖、胶原合成和骨标记蛋白ALP活性[59]。

　　体外研究已在动物模型中得到证实。在口服锌与β -丙烯酰- l-组氨酸(β -丙烯酰- l-组氨酸-锌，AHZ)配合的研究中，大鼠长期大剂量给药AHZ可刺激细胞中Runx2/Cbfa1(核心结合因子alpha1)、I型胶原、碱性磷酸酶和骨钙素(一种非胶原蛋白)的表达[62,63,64,65,66]。

　　Runx2/Cbfa1是一种转录因子，对成骨细胞分化和骨形成至关重要。研究发现它是一种激活成骨细胞形成的调控基因。反过来，Runx2/Cbfa1的表达是由BMP-2信号的激活诱导的。锌可以诱导BMP-2信号通路，从而影响成骨细胞分化[67,68]。Osterix(成骨细胞特异性转录因子)也是骨形成的关键调节因子，负责成骨细胞前分化。此外，Osterix可增强ZIP1的表达，从而产生一系列反馈回路，诱导锌内流、成骨分化和骨磷灰石形成[69,70]。

　　最近的研究表明锌离子还有另一种成骨活性[63]。结果表明，锌离子影响骨磷灰石中柠檬酸盐的沉淀和沉积。应该指出的是，柠檬酸盐是骨性磷灰石的组成部分。柠檬酸盐可能通过稳定磷酸钙的液体前体并增强其向胶原原纤维的浸润来促进骨矿化[63,70]。

　　在对去卵巢大鼠的研究中发现，补充锌可以显著提高ALP活性和骨钙素含量。本工作的结果证实了锌对成骨细胞的形成具有明确的作用，可以促进成骨细胞的分化和增殖[71]。就ALP通常是未成熟成骨细胞的标志而言，骨钙素影响成骨细胞分化的下一阶段[70,72,73]。

　　锌在骨形成过程中的关键作用已被锌-碳点配合物体外培养MC3T3-E1成骨前细胞的研究证实[66]。双功能掺杂的Zn2+碳点与未掺杂的碳点相比，具有更高的成骨活性[66]。下一步，在大鼠颅骨上继续进行体内实验，其中掺杂锌的碳点被用作潜在的成骨剂。为了进行比较，采用葡萄糖酸锌。所获得的结果表明，骨形成，ALP激活和长期刺激的高能力。

　　也有研究表明，锌可以通过触发一系列酶级联，导致细胞氧化减少，抑制细胞色素c释放，减少参与细胞死亡信号的P38和JNK的磷酸化，从而保护成骨细胞免受氧化应激诱导的凋亡。锌的这种作用可能用于预防氧化应激诱导的骨质疾病，如骨质疏松症[54,70](图1)。

　　图1

　　

　　锌在骨形成中的活性方案

　　多年来对锌在骨组织代谢和生长中的作用的研究表明，锌在抑制骨吸收方面也起着关键作用[54,62,74,75,76,77,78,79,80,81,82]。

　　Moonga和Dempster在离体大鼠破骨细胞上进行了实验。所研究的细胞对锌极其敏感，即使在极低浓度的锌离子(10?14 M)下也是如此。此外，骨吸收显著减少的影响是锌所特有的，在其他金属离子的测试中没有观察到[77]。

　　在类似的实验中，研究了锌对骨吸收的抑制作用。取出大鼠颅骨，在Dulbecco改良Eagle培养基中培养48小时。实验组用不同浓度的AHZ(10?4-10?7 M)处理。在PTH对照组中，前列腺素E2和白细胞介素1α(骨吸收因子)显著降低了所检查骨中的钙含量。有趣的是，在实验组中没有观察到这种效果。因此，有人认为锌可能对骨吸收有抑制作用[76]。

　　[74]中发现锌抑制Ca2+依赖性蛋白激酶c介导的PTH刺激的破骨细胞样细胞形成，锌化合物完全抑制PTH或il -1α-诱导的骨组织葡萄糖消耗和乳酸生成的增加。

　　在动物模型中进行的其他研究表明，喂食不含锌食物的动物与对照组相比，股骨骺板中的破骨细胞增加了50%。Zn2+通过降低钙调磷酸酶活性抑制破骨细胞生成[79,81]。

　　锌调节RANKL/RANK/OPG通路，从而促进骨重塑[62,77,78,79,80]。RANKL/RANK/OPG系统是成骨细胞和破骨细胞之间沟通的重要途径。它包括三个因素:(1)核因子κB (NF-κB)受体激活因子RANK表达于破骨细胞前体细胞;(2)成骨细胞表面发现RANK配体(RANKL);(3)成骨细胞释放的骨保护素(OPG)。锌被发现可以抑制破骨前细胞中RANKL的刺激以及与之相关的信号通路[77,78,79,80](见图2)。

　　图2

　　

　　锌在骨吸收中的活性测定方案

　　此外，已有的文献中有很多关于Zn通过抑制破骨前体细胞中RANKL的刺激来抑制tnf α诱导的破骨细胞生成的文献[80,81,82]。

　　摘要。

　　介绍

　　锌及其在骨骼中的作用

　　tabolism

　　Zinc-Antibacterial活动

　　补骨剂中的锌

　　元素疗法-磷酸钙生物材料有限公司

　　含锌离子

　　结论

　　数据可用性

　　参考文献。

　　作者信息

　　道德声明

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　　锌，除了在人体中的生理作用外，以离子和纳米颗粒形式(特别是氧化锌和硫化锌形式)具有显著的抗菌活性。研究表明，它对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均表现出选择性毒性，对人体细胞的影响可以忽略不计[83,84]。

　　氧化锌纳米颗粒(ZnO NP)是目前应用最广泛的具有杀菌活性的无机材料之一[85]。由于使用安全性高，它们可以在消毒剂，牙科材料，化妆品和药物制剂中找到。然而，值得注意的是，它们的作用机制尚不完全清楚。研究表明，抗菌活性取决于纳米颗粒的剂量和大小——纳米颗粒越小，对微生物的毒性作用就越大[86,87,88]。ZnO和ZnS纳米颗粒在pH变化和生长因子的影响下，向细菌细胞或肿瘤病变移动并聚集[89]。由于与细菌细胞壁直接接触，细胞膜的完整性被破坏，纳米颗粒穿透细胞并释放Zn2+离子，形成活性氧(ROS)，在细菌细胞中诱导氧化应激，最初导致细胞生长抑制，然后导致细胞死亡[83,84,90,91](见图3)。

　　图3

　　

　　纳米锌化合物抗菌作用机理研究

　　由于其广泛的生理效应,生物相容性,生物降解能力,最近pro-regenerative和抗菌性能,金属生物材料由锌或富含锌离子的形式(或纳米粒子)被许多研究者研究的主题(83,85,87,92,93,94,95,96,97,98,99100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132133134]。特别感兴趣的是基于生物陶瓷磷酸钙和磷灰石/聚合物复合材料的生物材料，用于治疗骨科和牙科中的骨缺陷[100,101,102,103,104,106,107,108,109,110,111,112,114,115,116,117,118,119,120,121,122,123,124,125,126,127,128,129,130,131,132,133,134]。

　　锌合金基植入材料由于其逐渐且无h2排放的生物降解时间合适，足以使局部组织完全再生，因此获得了相当大的普及[93,94,95]。锌合金具有中等腐蚀程度和良好的生物相容性的特点。同时，它们的降解产物(主要是ZnO、Zn(OH)2、Zn3(PO4) 24h2o)是完全可被生物吸收的[94]。例如，体液中存在的Ca2+离子可能与磷酸锌反应并沉淀磷酸钙(纯的或与锌的混合物)-在水环境中溶解度较低的化合物[93]。然后，它们可以与基质颗粒一起从植入物中分离出来，并在生理环境中溶解或降解。

　　然而，锌合金也有其缺点，包括机械强度低，需要通过时效硬化来生产。因此，它们仅被用作骨科固定物(缝合线、螺钉、针和钢板)[94]。

　　含锌化合物(以纳米颗粒或离子的形式)可用作传统金属植入物的涂层[95]。释放的锌离子可以改变局部pH值，增加细胞微环境的碱度，改变细胞跨膜蛋白的结构，使细胞更容易与吸附在生物材料表面的蛋白质结合并促进粘附，从而确保骨整合和新骨形成[99]。使用含锌生物材料加速愈合过程[92,93]。研究表明，释放的Zn离子可诱导巨噬细胞极化为促愈合表型，促进成骨分化和骨再生[94,95]。

　　金属和陶瓷材料以及含锌的有机mof已经在综述文章中进行了描述[85]，因此本研究的重点是富含锌离子的磷酸钙在骨替代治疗中的潜在应用。

　　根据现有文献，各种应用于骨替代治疗的磷酸钙已知已成功地结合锌离子:β-结晶形式的磷酸三钙(β-TCP， β-Ca3(PO4)2)，毛石(二水磷酸二钙，DCPD, CaHPO4?2H2O)，铁铁矿(无水磷酸二钙，DCPA, CaHPO4)和羟基磷灰石(HA, Ca10(PO4)6(OH)2)[87,104,110,111]。

　　由于羟基磷灰石与骨组织的矿物成分在化学上最相似，因此是最有趣的。透明质酸的特点是具有很高的离子取代能力，无论是阳离子还是阴离子[105,106]。钙离子可部分被其他二价离子(如锶、镁、锰离子)和其他价离子(如钠、钾、镓、铁离子)所取代[105]。对取代的亲和力取决于引入的阳离子的价及其半径:相同价和相似离子半径的阳离子可以取代钙离子。

　　离子半径小于钙离子(74 pm vs 100 pm)的锌离子可以通过部分取代钙离子或通过插入OH基团柱中的两个氧原子之间来引入[104]。

　　对羟基磷灰石的大量研究表明，锌的引入限制相对较大，根据合成方法的不同，可以在20到25摩尔%之间[113,115,118]。值得注意的是，在此值以上，会形成其他相，如无定形磷酸钙与磷酸锌(见图4)。重要的是，锌离子的引入改变了透明质酸的物理化学性质。随着Zn浓度的增加，晶粒尺寸和结晶度指数显著降低[108]。

　　图4

　　

　　锌含量大于20mol . %样品的XRD图谱。a Zn40, b Zn60, c Zn80, d Zn100，根据[108]，经许可

　　锌离子通过改变HA元素电池的晶格参数来抑制结晶过程，并降低材料的热稳定性[117,127,130]。

　　结果表明，在羟基磷灰石中锌含量最高时，在700℃左右的温度下，羟基磷灰石是相均的，超过700℃时，羟基磷灰石分解生成三磷酸钙和氧化钙。

　　然而，在透明质酸中如此高浓度的锌并不是诱导生物反应所必需的。Thian等人[114]的一项体外研究表明，Zn:(Zn + Ca)比例为2.5 mol%的锌ha具有增强的生物活性，其组成包括形成磷灰石的能力。观察到人脂肪组织来源的间充质干细胞的生长显著增加，以及骨细胞分化的标志物。此外，对该材料进行的细菌活性测试显示，与锌ha接触后，金黄色葡萄球菌的活菌数量大幅下降[114]。

　　血凝素中少量的锌没有细胞毒性[128,133]。透明质酸可通过核内体进入细胞质，分解为钙离子和磷酸离子。ZnHA刺激HMSCs可增加转录因子CREB (cAMP反应元件结合蛋白)的活性。CREB将CRE结合到成骨基因的启动子上，如Id1、骨唾液蛋白和骨钙素，刺激它们的转录。CAMP也被发现可以增加造血干细胞和祖细胞(HSPCs)的数量。

　　值得注意的是，锌离子的引入提高了羟基磷灰石的溶解度和生物活性。[112,118,123]的研究表明，这对成骨细胞增殖有有益的影响。

　　在将锌-透明质酸用作金属涂层的众多研究中，其有益特性如生物活性和缺乏细胞毒性已被证明[99,110,115]。例如，在一项钛植入物的研究中，氧化锌被用作HA的掺杂剂[99]。该材料具有促进成骨细胞增殖和抑制破骨细胞生长的有益作用。另一项研究关注的是由含有Zn、Sr或Mg离子的各种羟基磷灰石形成的涂层[110,115]。研究表明，包括锌- ha在内的所有材料都可以改善和加速骨整合。羟基磷灰石中添加锌离子的作用也在动物模型中进行了研究。Calasans-Maia等人将含有5.0 mol%锌的锌- ha(以粉末或陶瓷圆柱体的形式)引入大鼠颅骨和家兔胫骨中[132]。在这两种模型中，我们都发现添加锌对缺损部位骨组织的修复有有益的作用。相比之下，另一项研究[128]考察了将磷灰石/海藻酸盐微球引入受损大鼠骨组织中的锌ha的作用。体内研究表明:缺陷中钙和锌的大量积累在抑制骨传导中起关键作用，从而损害骨修复。

　　在现有文献中，也可以找到其他含锌离子的非磷灰石磷酸钙的研究。这包括含锌磷酸钙。β-TCP与羟基磷灰石一样，长期以来在医学上被用作骨替代生物材料。由于其明显更好的溶解度，它经常与透明质酸结合，以提高植入材料的生物活性。

　　锌离子富集β-TCP的研究最早出现在20世纪90年代。Bigi等人[123]在高温(> 1000℃)下获得了高达20 mol%的含锌tcp。锌离子作为离子半径小于钙离子的离子，在影响TCP单质电池晶格参数变化的同时取代了钙离子的位置。

　　锌通过增加β-TCP的体积密度来影响其形貌和力学性能。在小鼠成骨细胞的研究中，Zn-βTCP被证明可以刺激它们的活性和ALP[125]。

　　Kawamura等人对含Zn-β tcp的材料进行的体内研究一致表明，早在植入后4周，磷酸钙中即使含有少量的锌离子(5.0 mol%)，也能促进兔骨组织再生[124]。另一方面，文献[111]对犬模型的研究表明，在Zn-βTCP中所含锌离子的影响下，骨诱导作用增加。锌β tcp具有良好的溶解性，可以在较短的时间内显示锌离子的抗菌性能。有趣的是，迄今为止很少进行这样的研究。

　　含有锌离子的磷酸钙材料也叫二水磷酸二钙。在现有文献中，探索其性质和潜在应用的工作并不多。

　　在Laskus-Zakrzewska等人[104]的工作中，通过标准湿法获得了含有不同锌量(5 - 20 mol%)的Zn-DCPD，并对其理化性质进行了详细研究。结果表明，较高浓度的锌离子可形成额外的晶相-αZn3 (PO4)2——希望矿。同时，研究表明，所有材料对小鼠成纤维细胞都是无毒的，这为进一步研究它们的潜在用途提供了希望，例如，用于生产对接水泥。

　　Zhao等人提出了一项有趣的研究[121]。在这项研究中，他们证明了含锌dcpd涂层具有很强的抗菌作用。同时，他们指出了这种涂层在镁植入物上的防腐性能。

　　所提出的含锌磷酸钙材料的例子并没有穷尽所有可能的应用。值得一提的是，替代骨组织的复合材料，以及额外用作直接递送到骨骼的药物载体的多功能生物材料，在那里释放的锌离子随后支持再生过程。

　　上述研究表明，锌在骨重塑、再生和体内平衡中起着关键作用。体外和体内研究表明，锌具有多向作用:一方面，促进成骨细胞增殖和分化，保护成骨细胞免受氧化应激诱导的凋亡;另一方面，通过抑制破骨细胞生成，影响破骨细胞凋亡。由于其促进再生的特性以及抗菌活性，它已经有可能用于骨替代品和植入生物材料，并取得了成功的结果。根据目前的研究结果，锌掺入各种磷酸钙(羟基磷灰石、β-TCP、刷石或铁云母)中可能作为骨修复的有益剂。

　　当然，还有许多方面尚不清楚:磷酸钙中引入锌的最佳量，以这种方式改性磷酸钙的降解时间，或其长期的生物学特性。然而，迄今为止进行的研究结果是有希望的，并表明了钙-磷酸材料再生性能的潜在改进。

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