糖尿病患者骨密度變化的相關(guān)因素研究進展

王 鵬，周延民*，于維先

(1.吉林大學(xué)口腔醫(yī)院 種植科，吉林 長春130021；2.吉林大學(xué)口腔醫(yī)院吉林省牙發(fā)育及頜骨重塑與再生重點實驗室，吉林 長春130021)

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis,OP)是以骨密度和骨質(zhì)量不斷減少為特征，骨組織顯微結(jié)構(gòu)受損，導(dǎo)致骨脆性增加及骨折危險性升高的一種全身性骨代謝障礙的疾病[1]。臨床上表現(xiàn)為骨量減少、骨質(zhì)變薄、骨小梁數(shù)量減少及脊柱壓縮性骨折等。根據(jù)骨質(zhì)疏松發(fā)生的病因不同可分為三大類：原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥、繼發(fā)性骨質(zhì)疏松癥以及原因不明的特發(fā)性骨質(zhì)疏松癥。原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥包括絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥以及老年性骨質(zhì)疏松癥[2-4]。繼發(fā)性骨質(zhì)疏松癥主要包括甲亢性骨質(zhì)疏松癥以及糖尿病性骨質(zhì)疏松。原因不明的特發(fā)性骨質(zhì)疏松癥主要是遺傳性骨質(zhì)疏松癥。本文主要探討繼發(fā)性骨質(zhì)疏松癥中的糖尿病性骨質(zhì)疏松(diabetic osteoporosis，DOP)，是指糖尿病患者體內(nèi)代謝因素的變化所致骨組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而致骨量減少，易于骨折的一種全身代謝性疾病，是糖尿病在骨骼系統(tǒng)的重要并發(fā)癥之一，是糖尿病并發(fā)癥中發(fā)病率較高的代謝性疾病[5，6]。本文就糖尿病骨質(zhì)疏松的病因，高血糖對骨形成、骨吸收和骨密度的影響，及與eph-ephrin信號通路關(guān)系等方面加以闡釋。

1 糖尿病引發(fā)骨質(zhì)疏松的原因

1.1 成骨細胞與DOP

成骨細胞通過合成骨基質(zhì)，在骨形成過程中發(fā)揮著重要的作用。糖尿病性骨質(zhì)疏松的基本特點是骨形成缺陷，主要表現(xiàn)為成骨細胞分化與增殖功能降低、骨礦化速度減慢、骨質(zhì)形成不足、骨吸收相對大于骨形成。Hua等[7]對糖尿病小鼠和非糖尿病小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，高糖條件下成骨細胞分化、增殖及分泌骨鈣素和堿性磷酸酶的功能下降；骨鈣素、I型膠原及轉(zhuǎn)錄因子Runx-2表達程度降低；骨形成減少。高糖導(dǎo)致成骨細胞功能下降的機制尚不十分明確，體外及體內(nèi)實驗研究表明[8，9]，高糖可通過氧化應(yīng)激、糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycation endpmducts，AGEs)的形成、蛋白激酶c活化等途徑誘導(dǎo)成骨細胞凋亡，從而抑制成骨細胞的分化，最終導(dǎo)致成骨細胞功能下降。AGEs形成引發(fā)的糖尿病神經(jīng)病變可以隔絕成骨細胞生長所必須的維生素D和相關(guān)神經(jīng)遞質(zhì)的表達，從而影響成骨細胞的功能[10，11]。高糖條件下成骨細胞骨形成能力下降還與胰島素缺乏有關(guān)：胰島素通過與成骨細胞表面的胰島素受體結(jié)合直接刺激成骨細胞，促進細胞內(nèi)氨基酸蓄積、I型膠原及骨基質(zhì)的合成與分泌；骨鈣素是

一種促進骨形成的多肽，主要與維持骨礦化速率，促進骨形成相關(guān)，胰島素缺乏時，成骨細胞合成分泌骨鈣素減少，骨鈣素減少可使骨的礦化速率降低，骨吸收大于骨形成[12]。近年研究證實，高血糖可以激活細胞內(nèi)的cAMP/PKA/ERK信號通路，刺激骨髓間充質(zhì)干細胞的生脂標(biāo)記物如過氧化物酶體增值激活受體(peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR)的表達，從而抑制成骨細胞的增殖、分化，導(dǎo)致成骨細胞功能下降[13，14]。

1.2 破骨細胞與DOP

破骨細胞主要來自于單核-巨噬細胞系。一般而言，破骨細胞主要通過以下三種可能的通路發(fā)揮其功能：核因子κB受體活化因子配體(Receptor activator of nuclearfactr κB 1igand，RANKL)通路；人巨噬細胞集落刺激因子(M-CSF) 通路；免疫受體酪氨酸活化基序(immunoreceptor tyrosine-based activation motif,ITAM)通路。RANKL主要由成骨細胞和基質(zhì)細胞分泌，通過與其在單核-巨噬細胞系表面的受體結(jié)合激活NF-κB、NFATc1從而使破骨細胞前體向破骨細胞分化[15，16]；RANKL通過誘導(dǎo)反凋亡酶中的蛋白激酶B(proteinkinase B，PKB)抑制破骨細胞的凋亡；RANKL同樣與自由基、氧離子、過氧化氫等活性氧(reactive oxygen species，ROS)的產(chǎn)生有關(guān)，而活性氧又被認為是破骨細胞生成的強力誘導(dǎo)物[17，18]。Hodge等[19]發(fā)現(xiàn)，加入M-CSF后糖尿病小鼠骨吸收速度快于單純加入RANKL的對照組，表明M-CSF可以促進RANKL的活化。動物實驗發(fā)現(xiàn)，糖尿病小鼠體內(nèi)可以自發(fā)地產(chǎn)生抗IgG抗體[20]，因此糖尿病被認為對IgG的產(chǎn)生有很強的誘導(dǎo)作用。IgG與其受體FcγR結(jié)合形成ITAMs，激活脾酪氨酸激酶(spleen tyrosine kinase，SYK),進而誘導(dǎo)NFATc1的產(chǎn)生，從而促進破骨細胞的增殖和分化。同時體外實驗發(fā)現(xiàn)，長期高糖條件下AGEs對破骨細胞的功能產(chǎn)生重要影響，AGEs通過與AGEs受體(Receptor for advanced glycation end products，RAGE)結(jié)合，誘導(dǎo)破骨細胞的NF-κB通路活化，使骨吸收因子IL-6、TNF-α等的合成分泌增加，從而促進破骨細胞前體轉(zhuǎn)化為成熟的破骨細胞，導(dǎo)致骨吸收增加[21]。Santana等[22]對小鼠顱骨愈合程度的研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病組為非糖尿病組的40%；用AGEs預(yù)處理非糖尿病組，顱骨愈合程度明顯低于未處理組。說明AGEs參與骨重建過程，其可導(dǎo)致骨吸收增加，骨形成減少。

2 Eph-ephrin信號通路

2.1 Eph-ephrin信號通路及其雙向信號傳導(dǎo)模式

促紅細胞生成素的肝細胞受體(Eph)是細胞表面型酪氨酸蛋白激酶受體中的成員之一，也是目前已知最大的酪氨酸蛋白激酶受體家族中的成員。Eph受體分為2個亞類，即EphA(EphA1-A8)與EphB(EphB1-B6)共14個成員；ephrin配體同樣分為2個亞類，即ephrinA(ephrinA1-A5)與ephrinB(ephrinB1-B3)共8個成員。Eph受體包括3個區(qū)，分別為胞外配體結(jié)合區(qū)、胞內(nèi)區(qū)(具有酪氨酸激酶活性)及跨膜區(qū)(疏水鍵連接胞外配體結(jié)合區(qū)和胞內(nèi)區(qū))。Eph胞內(nèi)區(qū)包括1個具有酪氨酸激酶活性的高度保守的結(jié)構(gòu)域(TK)，SAM( sterile alpha motif) 結(jié)構(gòu)域和C端的PDZ結(jié)合序列。Eph的胞外配體結(jié)合區(qū)主要包含1個配體結(jié)合域( ligand binding domain，LBD) 、1個富含半胱氨酸區(qū)(cysteine-rich domain，CRD) 以及2個纖維連接蛋白重復(fù)區(qū)[23]。其中CRD在Eph-ephrin信號復(fù)合體的形成過程中起到關(guān)鍵作用。Ephrin配體中ephrinA通過糖基磷脂酰肌醇(glycosylphosphatidylinositol，GPI)錨定在細胞膜上；ephrinB有一個跨膜結(jié)構(gòu)域和一個很短的胞內(nèi)區(qū)[23]。

當(dāng)Eph受體和ephrin配體結(jié)合后，形成聚合體，構(gòu)象發(fā)生變化后，激活一系列的信號分子傳遞產(chǎn)生效應(yīng)功能。Eph與ephrin結(jié)合可以產(chǎn)生雙向信號傳導(dǎo)作用，既可激活受體表達細胞，也可激活配體表達細胞，因此以ephrin為配體，激活Eph受體向細胞內(nèi)傳遞信號被稱為正向信號傳導(dǎo)；而以Eph為配體，激活ephrin配體向細胞內(nèi)傳遞信號被稱為反向信號傳導(dǎo)[24，25]。Eph-ephrin兩者之間這種獨特的接觸后所產(chǎn)生的生物學(xué)功能，參與體內(nèi)多種生物進程，包括血管生成、干細胞分化、細胞遷移及骨穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)等[26]。

2.2 Eph-ephrin與骨穩(wěn)態(tài)

Zhao等[25]研究發(fā)現(xiàn)，表達于破骨細胞與成骨細胞間的EphB4-ephrinB2具有雙向調(diào)控作用：正向信號通過降低成骨細胞內(nèi)RhoA的活性，使成骨細胞分化標(biāo)志物表達增強，促進了成骨細胞的分化；反向信號通過ephrinB2胞內(nèi)區(qū)的PDZ結(jié)合模序和胞內(nèi)含PDZ結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)相互作用，抑制c-Fos-NFATc1，從而抑制破骨細胞的分化；其對骨穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)表現(xiàn)為促進骨形成，抑制骨吸收。Irie[27]等研究發(fā)現(xiàn)在骨重建的起始階段，EphA2-ephrinA2間的相互作用促進骨吸收，抑制骨形成。其中正向信號通過促進RhoA的活性，抑制成骨細胞的分化，反向信號通過上調(diào)磷脂酶Cγ2(phospholipase Cγ2，PLCγ2)的表達，促進破骨細胞的分化。此外，Kuroda等[28]研究表明，在骨形成末期，EphA4對成骨細胞及肥大軟骨細胞均有重要作用。Allan等[29]發(fā)現(xiàn)，甲狀旁腺激素(parathyroid hormone，PTH)可以使成骨細胞上的ephrinB2表達增加，從而以自分泌或旁分泌的形式影響成骨細胞上的ephrinB2或破骨細胞上的EphB4。同時抑制成骨細胞的IGF-1受體，可以拮抗PTH對ephrinB2表達的上調(diào)作用，提示IGF-1受體可以調(diào)節(jié)PTH對ephrinB2的作用[30]。

2.3 Eph-ephrin與胰島素調(diào)節(jié)

胰島β細胞通過對血糖水平的反應(yīng)調(diào)節(jié)胰島素的分泌，控制葡萄糖的體內(nèi)平衡，從而間接參與骨穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)。但其潛在的分子機制尚不明確。Konstantinova等[31]通過動物實驗及細胞培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)胰島β細胞通過EphA-ephrinA調(diào)節(jié)胰島素的分泌。EphA正向信號可以促進胰島素分泌，ephrinA反向信號可以抑制胰島素分泌。當(dāng)血糖水平較低時，EphA正向信號占據(jù)優(yōu)勢，胰島素分泌減少。葡萄糖可引起EphA受體去磷酸化，導(dǎo)致EphA正向信號的下調(diào)，此時ephrinA反向信號未受抑制。同時當(dāng)葡萄糖水平較高時，反向信號占優(yōu)勢，胰島素分泌增加。由于ephrinA配體主要存在于細胞膜上，EphA受體存在于細胞膜及胞內(nèi)胰島素分泌顆粒上，當(dāng)胰島素分泌時，細胞膜上EphA受體及EphA-ephrinA復(fù)合體的水平升高。因此產(chǎn)生了一個負反饋回路，即可以通過在血糖較低時升高EphA正向信號限制胰島素分泌；及一個正反饋回路，即在血糖較高時通過升高的ephrinA水平促進胰島素的分泌。

胰島素是由胰島β細胞根據(jù)血糖升高程度分泌的。更具體的說，葡萄糖是通過胰島β細胞中的葡萄糖轉(zhuǎn)運體轉(zhuǎn)運的，同時葡萄糖的代謝可以提高ATP/ADP比率[32-34]。從而關(guān)閉ATP敏感的鉀離子通道，導(dǎo)致細胞膜去極化以及電壓門控鈣離子通道的開啟。匯集的鈣離子最終引起胰島素的分泌。生理性的胰島素分泌還受到許多其他因素的影響，比如胰島內(nèi)胰島β細胞間通信[35]。Konstantinova等[36，37]發(fā)現(xiàn)這種細胞間通信一部分通過EphA正向信號和ephrinA反向信號提高了葡萄糖興奮后胰島素分泌(GSIS)。他們一起參與了EphA-ephrinA雙向信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路[38-40]。

最近的研究表明Eph受體和ephrin配體之間的相互作用在體內(nèi)多種進程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，對成骨細胞和破骨細胞的分化有著十分重要的影響，導(dǎo)致骨吸收和骨形成發(fā)生偶聯(lián)。這些發(fā)現(xiàn)表明，通過的Eph-ephrin雙向信號轉(zhuǎn)導(dǎo)進行針對性的干預(yù)，從而抑制破骨細胞的功能，促進成骨細胞的分化，可用于預(yù)防骨質(zhì)疏松癥，在不久的將來是一種很有前途的治療方法。

3 小結(jié)

本文從糖尿病對成骨細胞和破骨細胞功能影響并進一步導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的原因，以及糖尿病骨質(zhì)疏松與eph/ephrin信號通路關(guān)系等方面加以闡釋。其中Eph-ephrin信號分子在糖尿病性骨質(zhì)疏松癥中的發(fā)生機制的研究剛剛起步，很多領(lǐng)域尚屬空白。Eph-Ephrin介導(dǎo)的雙向信號傳遞作為細胞間通訊領(lǐng)域中新近闡明的機制，也為研究糖尿病患者骨穩(wěn)態(tài)及骨密度的變化提供了新的思路。

作者簡介：王鵬(1989-)，男，河北人，碩士，主要從事糖尿病與牙種植方面的研究。

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