《Frontiers in Chemistry》：Progress on novel compounds for the treatment of bone metabolism-related disorders: focus on osteoporosis and beyond
骨代谢相关疾病（bone metabolism-related disorders）由于高患病率和巨大的社会经济成本，构成了重大的全球健康负担，尤其是骨质疏松症（osteoporosis）。传统的抗骨吸收剂（antiresorptive agents）和合成代谢剂（anabolic agents）具有明确的临床效用，例如双膦酸盐（bisphosphonates）、地舒单抗（denosumab）、特立帕肽（teriparatide）和罗莫索单抗（romosozumab）。然而，其长期临床使用仍受限于安全问题和部分患者疗效不足。在这篇综述中，研究人员重点介绍了旨在机制性地重编程骨骼微环境（skeletal microenvironment）并克服这些长期障碍的最新化学创新。研究人员还分析了代谢耦合信号（metabolic coupling signals）如何控制骨生物能量学（bone bioenergetics），特别是在Wnt和RANKL轴（axes）内。研究人员特别关注三种新兴的变革性策略：蛋白水解靶向嵌合体（proteolysis-targeting chimeras, PROTACs）、骨靶向衰老细胞清除剂（bone-targeted senolytics）和直接代谢调节剂（direct metabolic modulators）。最终，研究人员提供了一个多学科路线图，用于开发下一代疗法，以实现骨代谢疾病（bone metabolic disorders）患者的持久骨骼恢复。
1 引言
骨骼完整性依赖于骨吸收破骨细胞（osteoclasts）和骨形成成骨细胞（osteoblasts）的精确时空耦合。生理重塑过程中，破骨细胞吸收老化基质，释放基质衍生耦合因子（如TGF-β1和IGF-1），其中TGF-β1招募骨髓间充质干细胞（BMSCs）至重塑位点，IGF-1促进成骨分化和新骨形成。这种耦合维持矿物质稳态，而病理破坏则导致系统性骨丢失和结构衰竭。原发性骨质疏松症影响超过2亿人，骨折后死亡率高达30%。此外，高负担骨骼疾病如糖皮质激素诱导的骨质疏松症（GIOP）、骨关节炎和肿瘤诱导的骨破坏（TIBD）均由骨重塑的病理性解耦驱动。当前抗骨吸收和合成代谢疗法（如双膦酸盐、地舒单抗、特立帕肽、罗莫索单抗）在临床中已确立，但长期使用受限于累积性脱靶毒性，且无法纠正上游代谢和表观遗传缺陷。为此，药物化学聚焦于骨靶向再生策略，包括蛋白水解靶向嵌合体（PROTACs）和骨寻靶配体（如双膦酸盐偶联物或酸性肽）。本综述检查了骨骼微环境重编程的新兴疗法，重点关注三种变革性模式，并提出整合人工智能驱动发现和生物标志物指导精准方案的多学科路线图。
2 骨骼治疗中的概念转变
2.1 骨健康的生物能量学基础
骨骼稳态与细胞代谢活动紧密耦合。成骨细胞合成骨基质是高度耗能过程，近80%的ATP来自有氧糖酵解。这种糖酵解由Wnt信号主动协调，后者将成骨谱系进展与葡萄糖转运蛋白和限速糖酵解酶的转录上调联系起来。经典Wnt配体结合Frizzled和LRP5/6共受体，稳定β-catenin（β-catenin）并激活成骨转录程序。但在老年性骨质疏松症和糖皮质激素诱导模型（GIOP）中，这一信号-代谢轴崩溃，衰老成骨细胞表现为糖酵解能力显著下降，导致基质矿化和骨形成受损。
2.2 表观遗传生态位：乳酸积累与组蛋白乳酰化
破骨细胞向超糖酵解代谢重编程，产生大量乳酸以酸化吸收陷窝。最新发现乳酸不仅是代谢废物，更是强效表观遗传驱动因子。通过组蛋白乳酰化（Kla）这一新型翻译后修饰，乳酸通过赖氨酸乳酰化相关染色质调控参与转录重编程。研究证实氨酰-tRNA合成酶（AARS1和AARS2）可直接将乳酸转移至底物蛋白，绕过传统乳酰辅酶A中间体，发挥乳酰转移酶功能。尽管早期主要发现非组蛋白靶点（如cGAS和p53），近期证据扩展至直接组蛋白修饰，如糖尿病肾病中AARS1介导的H3K18乳酰化。这一范式为骨骼微环境中组蛋白乳酰化的研究提供了机制通路，提示AARS酶可作为骨代谢的新型表观遗传药物靶点。在骨质疏松性微环境中，代谢崩溃延伸至细胞间代谢串扰失败：邻近骨骼内皮细胞糖酵解受损限制其旁分泌乳酸，导致BMSCs缺乏外源性乳酰化底物，表观遗传沉默其成骨分化潜能。同时，破骨细胞产生的细胞外乳酸因单羧酸转运体（MCT1）的热力学限制（严格依赖质子梯度）而难以被成熟成骨细胞有效利用。局部极端酸中毒损害成骨细胞功能并阻止基质矿化。相反，异常乳酸积累在骨关节炎中触发软骨细胞病理性组蛋白乳酰化，驱动软骨退变。
2.3 药理学瓶颈
当前骨抗吸收药物的长期应用受限于基本化学计量学：传统抑制剂依赖持续靶点占据，仅在高系统药物水平时抑制病理过程。地舒单抗是典型例子，其中和细胞外RANKL相当于暂时死锁，一旦清除即引发剧烈临床反弹，表现为同步破骨细胞生成浪潮。摆脱这一化学计量陷阱需转向“事件驱动”药理学，即催化性地永久改变靶点状态，使长期疗效与持续系统暴露脱钩。当与骨归巢基团（如双膦酸盐）连接时，这种催化方法可将靶点清除严格限制在活跃重塑表面，提供传统药物局限的确定性结构解决方案。
2.4 机制重编程：根除致病生态位
基于事件驱动药理学原理，研究领域正从可逆信号抑制转向物理清除疾病驱动因子。分子层面通过利用泛素-蛋白酶体系统：分子胶或PROTACs招募E3连接酶强制降解传统“不可成药”骨骼靶点。细胞层面通过衰老细胞清除剂（senolytics）直接靶向SASP分泌细胞凋亡。早期泛衰老细胞清除剂（如navitoclax）的严重骨小梁毒性凸显了系统性清除风险，但骨归巢前药和纳米递送系统的整合可解决这一障碍。从暂时抑制转向靶向清除致病元素，为骨骼生态位修复提供了更持久的框架。
3 新兴治疗靶点与新型化合物
当前骨骼微环境重编程策略包括增强Wnt信号、靶向降解和直接调节细胞代谢等多个方向。本综述总结了代表性治疗药物、靶点、药理学逻辑和转化状态（见表1），图2总结了解耦骨重塑微环境重编程的关键小分子策略。
3.1 Wnt/β-catenin通路调节剂
经典Wnt/β-catenin通路是成骨分化的主调控因子，也是耦合成骨与有氧糖酵解的核心代谢开关。抗硬化蛋白单克隆抗体罗莫索单抗临床验证了Wnt通路激活的疗效，但其使用限于12个月疗程，且心血管安全性担忧促使开发下一代小分子调节剂。这些药物旨在实现细胞内精准作用，克服系统瓶颈，并将Wnt靶向治疗扩展至更广泛的骨病理学，解决传统大分子生物药的化学计量学局限。
3.1.1 临床验证的Wnt调节剂
特立帕肽作为首个用于严重骨质疏松症的合成代谢疗法，是甲状旁腺激素受体1（PTH1R）肽激动剂，但受限于每日皮下注射、骨形成与吸收的必然耦合以及长期安全性约束。罗莫索单抗作为FDA批准的抗硬化蛋白单抗，能刺激骨形成并降低成骨细胞来源RANKL表达，但长期使用受限于12个月治疗期限和心血管风险黑框警告。作为细胞外单抗，罗莫索单抗不易跨膜，无法直接纠正衰老骨髓生态位的代谢缺陷，凸显了对细胞内活性小分子Wnt调节剂的迫切需求。
3.1.2 小分子Wnt调节剂
小分子Wnt激活剂分为两类：间接通路调节剂（抑制内源性负调控因子）和直接通路激动剂（结合核心正性信号组分）。与单抗相比，小分子Wnt药物具有变革性优势。
3.1.2.1 细胞外拮抗剂（DKK1/NOTUM）
DKK1是分泌型细胞外抑制剂，通过竞争性结合LRP5/6减弱Wnt信号。WAY-262611选择性阻断DKK1功能，促进β-catenin核转位，增加骨小梁形成和局部成骨。在GIOP模型中，高剂量糖皮质激素显著诱导DKK1表达，WAY-262611可合理挽救严重成骨缺陷。NOTUM是内源性分泌羧酸酯酶，通过去除棕榈油酰修饰使Wnt配体失活。LP-922056是首类口服可用NOTUM抑制剂，结构优化后恢复Wnt信号，增加皮质骨厚度和强度。这些细胞外靶向小分子克服了单抗的免疫原性和给药负担，但仍依赖持续靶点占据，未完全超越占据驱动药理的化学计量学局限。
3.1.2.2 直接Wnt/β-catenin激动剂与Wnt替代物
直接Wnt激动剂通过结合Frizzled（FZD）和LRP5/6受体启动经典通路，独立于内源性配体活性。传统小分子激动剂开发困难，因内源性Wnt配体依赖翻译后脂质修饰（棕榈油酰化）结合FZD的疏水口袋。为绕过这一“不可成药”脂质依赖性，领域转向蛋白质工程，特别是双特异性Wnt替代物——水溶性异源二聚体融合蛋白，通过独立结合域桥接FZD和LRP受体，成功模拟经典Wnt信号。Wnt替代物可模块化工程以结合特定FZD亚型，实现组织限制性Wnt激活，减轻全身毒性和致癌风险。但临床转化仍受限于免疫原性、高制造成本和骨基质靶向递送不足。
3.1.2.3 GSK-3β抑制剂
合成小分子和天然产物衍生物已作为GSK-3β抑制剂探索。CHIR-99021是体外金标准工具化合物，但代谢稳定性差、口服生物利用度低。IM-12在卵巢切除（OVX）小鼠模型中维持体内成骨功效而不引发全身毒性。Tideglusib是非ATP竞争性不可逆抑制剂，在非骨骼临床环境中评估，其骨骼和牙科修复潜力主要基于临床前证据。淫羊藿苷（icariin）及其代谢物淫羊藿次苷（icaritin）通过GSK-3β抑制和硬化蛋白抑制发挥双重合成代谢和抗骨吸收作用，但天然口服生物利用度极低，骨靶向纳米制剂正在优化中。非选择性Wnt系统调节存在严重骨骼安全风险，如PORCN抑制剂（ETC-159）临床试验中导致剂量依赖性骨丢失和骨折风险增加，强调了骨靶向、亚型选择性Wnt调节剂设计的必要性。
3.1.2.4 细胞内通路调节剂：SIK抑制与β-catenin稳定化
盐诱导激酶（SIK2/SIK3）是调节骨细胞对甲状旁腺激素（PTH）反应的关键细胞内枢纽。YKL-05-099是多激酶SIK抑制剂，作为小分子PTH模拟物，诱导HDAC4/5核积累抑制硬化蛋白（SOST）表达，同时通过脱靶CSF1R阻断抑制骨吸收。SKL2001通过直接结合β-catenin的Armadillo重复结构域，竞争性置换Axin，稳定β-catenin而不影响GSK-3β激酶活性，促进MSC成骨分化和骨缺损修复，但仍为经典占据驱动型药物。
3.1.3 骨关节炎的临床转化：lorecivivint（SM04690）
Lorecivivint是CLK2和DYRK1A小分子抑制剂，通过核内激酶抑制调节Wnt通路活性，经局部关节内注射给药，限制全身暴露。两项关键单剂量III期试验（OA-10和OA-11）未达到主要疼痛缓解终点，但3年重复剂量III期扩展研究（OA-07）提示内侧关节间隙宽度保留，部分患者亚组中观察到结构性获益。
3.2 RANKL/RANK/OPG轴抑制剂
RANKL/RANK/OPG信号网络紧密协调骨重塑吸收阶段。抗RANKL单抗地舒单抗临床验证了NF-κB/NFATc1激活级联的治疗相关性，但其严格依赖占据驱动药理学产生显著长期局限。除连续注射负担外，突然停药会引发灾难性破骨细胞活性反弹，常导致椎体骨折。为克服这些生物制剂特异性局限，领域优先开发靶向RANKL界面的可滴定小分子调节剂。
3.2.1 RANKL/RANK复合物小分子PPI阻断剂
小分子蛋白-蛋白相互作用（PPI）阻断剂具有口服给药、无免疫原性风险、可调节药代动力学等优势。S3-15通过二苄胺核心锚定于可溶性RANKL（sRANKL）独有结合口袋，将骨吸收与系统免疫调节脱钩，选择性抑制OVX诱导的骨丢失而完全保留膜结合RANKL介导的T/B细胞功能。Y1693是β-咔啉衍生物，与RANKL三聚体上RANK相互作用界面高亲和力结合，口服生物利用度和抗骨吸收功效与阿仑膦酸钠相当。化合物34靶向RANK结合口袋，提供强效骨保护。这些PPI阻断剂仍依赖持续靶点占据，未完全解决反弹风险。
3.2.2 RANKL的转录调控
维拉帕米（verapamil）作为L型钙通道阻滞剂，在局部充分浓度时通过下调硫氧还蛋白相互作用蛋白（TXNIP），抑制MAPK和NF-κB级联，间接抑制破骨细胞生成。回顾性队列数据提示长期维拉帕米暴露与绝经后女性骨密度保留相关。植物甾醇β-谷固醇通过减弱cAMP/PKA和NF-κB信号发挥间接抗骨吸收作用。
3.3 微环境重编程：衰老细胞清除剂与SASP中和剂
细胞衰老是微环境退化的核心。积累的衰老细胞通过释放衰老相关分泌表型（SASP）破坏骨重塑，促进破骨细胞介导的吸收并抑制成骨分化。两种主要策略：事件驱动型衰老细胞清除剂（senolytics）和占据驱动型SASP中和剂（senomorphics）。
3.3.1 衰老细胞清除剂与天然黄酮类
达沙替尼+槲皮素（D+Q）组合建立了骨骼衰老细胞清除的概念验证。达沙替尼靶向依赖ephrin的间充质细胞，槲皮素拆解内皮和免疫区室的PI3K/Bcl-2通路。临床前小鼠模型中观察到的骨骼再生在人体试验中未再现：近期II期试验显示绝经后骨质疏松症女性全队列骨骼获益有限，仅1个月时CTx无显著降低，P1NP呈短暂边界性升高。非瑟酮（fisetin）缺乏槲皮素的A环5-羟基，脂溶性更高，对成骨谱系细胞衰老清除活性更强。PLGA纳米制剂可改善非瑟酮口服生物利用度，并主动促进MSCs向成骨谱系分化和矿化。
3.3.2 Bcl-2家族抑制剂与骨靶向前药
Navitoclax（ABT-263）直接消耗成骨祖细胞并加速骨小梁丢失，且伴有剂量限制性血小板减少症。SSK1是利用衰老相关β-半乳糖苷酶（SA-β-gal）激活的前药，将半乳糖基团与细胞毒性药物吉西他滨偶联，系统性无活性，仅在衰老细胞中高SA-β-gal浓度下被酶解释放，驱动靶向凋亡，避免Navitoclax的脱靶毒性。
3.3.3 SASP中和剂
合成三萜类化合物bardoxolone methyl（CDDO-Me）抑制NF-κB并激活Nrf2。JAK1/2抑制剂（吡咯并嘧啶骨架）限制IL-6和TNF-α局部积累，在年龄相关骨丢失、肿瘤溶骨和类风湿关节炎模型中有效。SRT2104作为SIRT1激活剂，维持老年小鼠骨量和皮质生物力学特性。
3.3.4 挑战与向靶向蛋白降解的过渡
细胞衰老的异质性（不同SCAPs）使单一药物难以实现广谱衰老细胞清除。领域正转向靶向蛋白降解（TPD）的事件驱动框架，PROTACs通过招募E3连接酶永久消除经典小分子无法有效靶向的致病蛋白。
3.4 PROTACs在骨药理学中的应用
PROTACs通过异双功能结构连接靶蛋白配体和E3连接酶招募剂（如CRBN或VHL），诱导三元复合物形成，导致靶蛋白泛素化和蛋白酶体降解。这种催化消除可同时消除靶蛋白的催化激酶和支架功能，克服耐药性，并在药物清除后维持靶点耗竭。
3.4.1 BTK-PROTACs：验证的炎症性骨丢失降解剂
布鲁顿酪氨酸激酶（BTK）是RANKL-RANK轴的关键细胞内下游效应子。以spebrutinib衍生物为配体的化合物23是首类高效BTK降解剂，通过CRBN依赖机制实现DC50=1.29 nM（4小时）和快速清除动力学。在牙周炎小鼠模型中，化合物23治疗有效抑制破骨细胞生成并防止牙槽骨丢失。BTK降解剂正进入类风湿关节炎等自身免疫病临床试验。
3.4.2 衰老细胞清除PROTACs：精准微环境重编程
PZ-15227通过招募CRBN（血小板中丰度较低）实现Bcl-xL降解，增强衰老细胞清除活性并减少血小板毒性。但尚需证明其能否选择性清除骨髓微环境中衰老细胞并改善骨骼结局，应视为具有血小板保护作用的衰老细胞清除PROTAC，而非骨骼验证治疗策略。
3.4.3 扩展靶点空间
针对膜蛋白RANK的降解，传统细胞质PROTACs无效。化学领域正开发溶酶体靶向嵌合体（LYTACs），通过细胞表面受体介导内吞将细胞外或膜蛋白递送至溶酶体降解。RANK靶向LYTACs尚未在骨代谢模型中报道，应视为前瞻性化学生物学概念。此外，功能性糖皮质激素受体PROTACs（如KH-103）在非骨骼神经元模型中开发，但骨骼递送、细胞类型选择性和GIOP疗效尚未建立。
3.4.4 降解剂在骨骼中的挑战与未来方向
3.4.4.1 通过骨靶向化学设计与连接子优化实现骨骼选择性
将双膦酸盐功能基团直接偶联至PROTAC连接子，实现羟基磷灰石高亲和力富集。BT-Amide作为双膦酸盐偶联的Pyk2抑制剂，验证了此原理。连接子结构拓扑决定催化效率：柔性PEG链减轻位阻，但过长增加构象熵；刚性基团可预组织复合物，但过短导致位阻。PROTACs存在“钩状效应”（高浓度时独立饱和靶点和E3连接酶），需精细SAR优化。骨靶向PROTACs因局部极端富集更易诱发钩状效应，需严格优化连接子结构和剂量策略。
3.4.4.2 口服生物利用度优化
PROTACs分子量高，严重违反Lipinski五规则。优化亲脂性、分子内氢键和连接子刚性可显著改善口服生物利用度，包括双膦酸盐偶联的骨靶向衍生物。对于慢性进行性疾病（如老年性和糖皮质激素诱导骨质疏松症），成功优化口服给药是长期临床转化的必经里程碑。
3.4.4.3 骨骼组织特异性的E3连接酶选择
PROTACs催化效率严格依赖靶细胞中E3连接酶（如CRBN或VHL）的基础表达水平。开发劫持组织限制性表达E3连接酶的降解剂是克服脱靶毒性的终极策略。全面绘制成骨细胞和破骨细胞分化过程中E3连接酶表达动态，对定制精准骨骼病理的PROTACs至关重要。
3.5 直接代谢调节剂：靶向乳酸-表观遗传轴
3.5.1 亚型选择性破坏乳酸通量
MCT4选择性抑制剂（如VB124）可限制破骨细胞相关乳酸外排，同时可能保留成骨细胞谱系中MCT1依赖的乳酸处理。通过驱动破骨细胞末端细胞内乳酸酸中毒，限制其吸收活性。该机制吸引人，但骨质疏松症特异性模型直接验证仍有限。
3.5.2 表观遗传再生：从p300到AARS1/2前沿
3.5.2.1 p300/CBP：具有翻译风险的双功能变阻器
p300/CBP是组蛋白乳酰化最具特征但高度多效的“写入者”。催化抑制剂A-485在骨关节炎模型中有效消除病理性乳酰化特征，但系统性应用有致癌风险。领域正转向“事件驱动”p300-PROTACs（如dCBP-1），选择性消除与SASP相关的功能失调p300亚群而不废除基础酶功能。
3.5.2.2 AARS1/2：精准骨治疗的逻辑闭环
AARS1和AARS2作为非经典赖氨酸乳酰转移酶，将局部乳酸波动直接连接至下游靶点修饰（包括H3K18la）。现有工具化合物主要作为氨酰化位点竞争性抑制剂，会干扰必需蛋白质合成。实现慢性骨病治疗指数需要设计变构调节剂，将乳酰转移酶活性与规范翻译功能解耦。目前尚无骨优化AARS1/2抑制剂或降解剂建立。未来需先确定AARS1/2的非经典乳酰转移酶活性能否与必需氨酰化功能药理学分离，再探索骨靶向递送。
4 临床转化与递送挑战
4.1 临床转化
新型骨骼治疗药物的转化管线正从占据驱动生物制剂向合理设计小分子深刻转变。lorecivivint通过局部关节内递送限制全身暴露，其重复剂量III期扩展研究提示结构性获益。DKK1抑制剂WAY-262611从骨质疏松症候选扩展至临床前抗转移策略。衰老细胞清除剂D+Q方案在骨质疏松症中提供了早期临床测试。
4.2 骨骼递送的化学策略
4.2.1 多样化骨靶向化学
双膦酸偶联是金标准，但永久骨骼滞留带来长期风险（如无动力骨病和颌骨坏死）。酸性寡肽（如Asp8）提供可生物降解替代物，通过钙离子多齿配位结合羟基磷灰石，被内源性蛋白酶裂解清除。核酸适配体（如CH6）可主动靶向活性成骨细胞表面生物标志物，实现细胞特异性富集。
4.2.2 纳米制剂优化
脂质纳米颗粒和聚合物胶束可改善难溶性天然调节剂（如淫羊藿苷、白藜芦醇）的药代动力学，利用肠淋巴转运途径避免肝脏首过代谢。局部保留或植入整合纳米材料（如MgO纳米颗粒、Cu
2+螯合表没食子儿茶素没食子酸酯纳米颗粒、纳米羟基磷灰石）可直接重编程病变骨软骨和种植体周围微环境，抑制铁死亡，促进血管化骨再生。二氧化铈纳米酶工程化超高分子量聚乙烯衬垫同时减少磨损颗粒生成和巨噬细胞炎症。
5 未来展望
5.1 生物标志物指导的精准治疗
事件驱动疗法需要稳健生物标志物进行患者分层和治疗反应监测。传统骨转换标志物（P1NP、CTX）仍有用，但循环衰老相关生物标志物（SA-β-gal阳性细胞外囊泡、SASP因子、p16
INK4a和p21
CIP1）指导衰老细胞清除疗法更具前景。主要障碍是缺乏骨骼细胞特异性衰老生物标志物。
5.2 AI驱动的化学发现与合理设计
AI驱动的结构预测平台（如AlphaFold 3）可描绘RANK等柔性细胞外结构域的隐秘变构位点，用于“不可成药”靶点的小分子设计。生成图神经网络和全原子分子动力学模拟用于定量建模PROTACs的“钩状效应”并预测连接
