骨鈣素與認(rèn)知功能障礙關(guān)系的研究進(jìn)展

楊倩 顧朋穎

1. 安徽醫(yī)科大學(xué)附屬省立醫(yī)院老年醫(yī)學(xué)科，安徽 合肥 230032 2. 安徽醫(yī)科大學(xué)附屬省立醫(yī)院南區(qū)干部病房，安徽 合肥 230036

認(rèn)知功能障礙是一種普遍的公共健康問題，主要分為輕度認(rèn)知功能障礙和癡呆兩大類。全球每年大約有460萬人被診斷為癡呆，每20年增加2倍，到2050年癡呆患者將達(dá)到1.315億。在老年人群中，認(rèn)知功能障礙已帶來嚴(yán)重后果，癡呆對健康看護(hù)和社會花費負(fù)擔(dān)巨大[1]。骨鈣素(osteocalcin，OC)不僅參與骨代謝，影響骨密度，而且參與糖脂代謝，改善動脈硬化，影響神經(jīng)遞質(zhì)的合成。最近許多研究表明糖尿病、動脈硬化、骨質(zhì)疏松與認(rèn)知功能障礙關(guān)系密切[2-4]，而OC作為代謝調(diào)節(jié)因子，可能通過不同方式影響認(rèn)知功能，本文就二者關(guān)系的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 OC的結(jié)構(gòu)和功能

OC是由1號染色體(1q25-q31)上的BGLAP(bone gamma-carboxyglutamate protein)基因編碼，由成骨細(xì)胞特異分泌的，一種維生素K依賴性的非膠原蛋白，OC含有γ-氨基蛋白，又稱γ-羧基谷氨酸蛋白，完整的OC分子是由49個氨基酸組成的多肽，可以用胰蛋白酶水解成3個片段，即N末端、中端和C末端[5]。OC含有3個(17、21和24位)依賴于維生素K的γ-羧基谷氨酸，這3個殘基是依賴維生素K和CO2羧化酶復(fù)合物作用下由谷氨酸轉(zhuǎn)變而來的，根據(jù)這3個殘基是否被完全羧化，分為羧化不全骨鈣素(uncarboxylated osteocalcin，ucOC)和完全羧化骨鈣素(carboxylated osteocalcin，cOC)[6]。成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞分泌OC并將之存儲于骨基質(zhì)中，在生理情況下通過骨吸收脫羧后以uc OC形式釋放入血，研究表明uc OC為OC的活性形式，而c OC無活性[7]。既往研究表明OC參與骨代謝，具有維持骨的正常曠化并抑制異常羥基磷灰石形成的生理功能，通過促進(jìn)造骨細(xì)胞鈣化為成骨細(xì)胞而參與骨骼發(fā)育。但近年來不斷發(fā)現(xiàn)骨骼也是一種內(nèi)分泌器官，OC作為一種激素，具有旁分泌、自分泌和循環(huán)分泌的作用，OC和靶器官形成的骨-靶器官內(nèi)分泌循環(huán)如圖1(圖片引自文獻(xiàn)[8])所示。OC和靶器官之間存在反饋調(diào)節(jié)，如胰島細(xì)胞產(chǎn)生胰島素刺激成骨細(xì)胞分泌OC，反過來OC不僅可以增加胰島素敏感性，刺激β-細(xì)胞增殖，還可作用于骨骼肌、脂肪組織、睪丸等來調(diào)節(jié)全身代謝功能，而OC作用于大腦調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的合成并影響認(rèn)知功能，開啟了人們對OC的重新認(rèn)識。

圖1 骨-靶器官內(nèi)分泌循環(huán)Fig.1 Endocrine cycle in bone-target organs

2 OC對認(rèn)知功能的直接作用

在動物模型中，Oury等[9]發(fā)現(xiàn)體內(nèi)不含OC的小鼠其行為異常主要表現(xiàn)為與焦慮和抑郁有關(guān)的認(rèn)知功能損害。有研究表明OC在大腦中生成并作為一種神經(jīng)肽參與緊張感覺刺激的信息傳輸[10]。OC可以穿過血腦屏障作用于腦干、中腦和海馬來影響幾種與學(xué)習(xí)和記憶形成有關(guān)的神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)的合成，已證實OC通過以下途徑直接作用于大腦[9]：OC誘導(dǎo)神經(jīng)元中鈣離子聚集，激活腦干和藍(lán)斑中神經(jīng)元的動作電位，同時抑制腦干γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid，GABA)中間神經(jīng)元動作電位頻率，進(jìn)而刺激5 -羥色胺、兒茶酚胺合成的基因表達(dá)，抑制GABA生物合成相關(guān)基因的表達(dá)，因此影響相應(yīng)神經(jīng)遞質(zhì)的合成。另外，OC還可直接阻止海馬中神經(jīng)元凋亡，從而保護(hù)與空間學(xué)習(xí)和記憶相關(guān)的認(rèn)知功能。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，孕鼠體內(nèi)OC對正常胎兒的大腦發(fā)育有潛在影響，在胎兒骨發(fā)育之前，OC即存在于胎兒血中；去除OC的母鼠可以增加其幼兒海馬體中神經(jīng)細(xì)胞的凋亡[9]。這些研究表明OC對大腦發(fā)育和認(rèn)知功能有直接影響，但具體機(jī)制還需更深一步研究。

衰老導(dǎo)致人體骨密度及ucOC水平降低[11]。低骨密度和認(rèn)知功能損害共存，骨質(zhì)疏松增加了輕度認(rèn)知功能損害到阿爾茨海默病的進(jìn)展速度，甚至阿爾茲海默病的發(fā)生[4]。調(diào)節(jié)OC表達(dá)的主要基因是Runx2，該基因突變導(dǎo)致鎖骨顱骨發(fā)育不全，日本學(xué)者[12]觀察到，鎖骨顱骨發(fā)育不全患者常出現(xiàn)認(rèn)知功能缺陷。我國學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)抑郁癥的患者其體內(nèi)有較低水平的ucOC，并且ucOC與抑郁呈負(fù)相關(guān)，另外該團(tuán)隊在2型糖尿病患者中經(jīng)多元逐步回歸校正分析發(fā)現(xiàn)血清ucOC水平降低，其認(rèn)知功能也下降[13]。Josep等[14]利用核磁共振成像液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)(fluid-attenuated inversion recovery，F(xiàn)LAIR)技術(shù)研究OC對大腦及認(rèn)知功能的影響發(fā)現(xiàn)，低OC水平的患者在其尾狀核及殼核區(qū)有較低的FLAIR強度，而FLAIR技術(shù)對認(rèn)知功能的預(yù)測敏感性較高，經(jīng)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)低OC是認(rèn)知損害的獨立危險因素(F=3.551，P=0.01343；R2=0.103)，其研究數(shù)據(jù)表明OC可能通過作用于基底節(jié)的微觀結(jié)構(gòu)來影響認(rèn)知功能。目前國內(nèi)外對OC與認(rèn)知關(guān)系的研究仍較少，還有大量未知領(lǐng)域有待進(jìn)一步探索。

3 OC與認(rèn)知功能障礙的危險因素

3.1 OC與糖代謝

骨骼作為一個內(nèi)分泌器官，其分泌的OC對機(jī)體能量代謝平衡起著重要的調(diào)控作用。Ferron等[15]給予小鼠皮下持續(xù)泵入ucOC 4周后，發(fā)現(xiàn)小鼠體內(nèi)血糖降低、胰島素分泌增加及胰島素敏感性提高。Lee等[7]研究OC基因敲除(Ocn-/-)小鼠顯示β-細(xì)胞增殖降低，葡萄糖耐受不良和胰島素抵抗。臨床研究[16]也發(fā)現(xiàn)OC通過刺激胰島素的分泌和胰島素的敏感性來加強機(jī)體對葡萄糖的作用，它的水平與血糖和糖化血紅蛋白(hemoglobin A1c，HbA1c)呈負(fù)相關(guān)，高血糖可影響OC的合成，在高血糖狀態(tài)下由于胰島素分泌及作用缺陷，成骨細(xì)胞上表達(dá)的胰島素受體數(shù)量減少，成骨細(xì)胞功能被抑制，從而導(dǎo)致OC合成減少。

長期高血糖可引起慢性糖尿病性腦病，即通過氧化應(yīng)激、微血管病變等機(jī)制使大腦神經(jīng)元數(shù)量減少、形態(tài)異常或功能失調(diào)，導(dǎo)致相關(guān)學(xué)習(xí)和記憶功能障礙[2]；而長期應(yīng)用胰島素的糖尿病患者血糖波動較大，易引起低血糖，造成海馬萎縮，引起認(rèn)知損害。OC對血糖具有調(diào)節(jié)作用，推測OC可以通過血糖的變化來影響認(rèn)知功能。

3.2 OC與脂代謝

Lee等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在食欲不受影響的情況下，胚胎干細(xì)胞磷酸酶敲除(Esp-/-)小鼠體內(nèi)OC活性增加，其能量消耗也增加，脂肪含量及甘油三酯水平低于對照組野生型小鼠，而向野生型小鼠中持續(xù)輸注OC，其甘油三酯水平明顯降低，同樣OC基因敲除(Ocn-/-)小鼠則表現(xiàn)為肥胖及高脂血癥。另外，F(xiàn)ernand ez-Real等[17]對健康人群的研究以及我國學(xué)者[18]對骨質(zhì)疏松患者的觀察均發(fā)現(xiàn)，OC水平與血漿甘油三酯水平呈負(fù)相關(guān)(r=-0.54，P=0.01[17]；r=-0.499，P=0.03[18])。

脂代謝紊亂可加重動脈粥樣硬化的進(jìn)展，而動脈硬化是血管性認(rèn)知障礙的重要危險因素之一。我國學(xué)者[19]研究發(fā)現(xiàn)高脂飲食可引起血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷，導(dǎo)致炎癥因子增加，加速動脈粥樣硬化過程，而向高脂飲食組小鼠體內(nèi)注射OC后，其體內(nèi)各種炎癥因子如腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白介素-1(IL-1)和白介素-12(IL-12)水平明顯降低，表明OC對高脂血癥引起的動脈硬化具有保護(hù)作用。高血脂還可通過載脂蛋白來調(diào)節(jié)β淀粉樣蛋白(amyloid-β，Aβ)的形成并妨礙神經(jīng)突觸的完整性，因此導(dǎo)致阿爾茲海默病的病理改變[20]。OC對脂代謝的影響與動脈硬化及阿爾茲海默病相關(guān)，推測OC可能通過血脂水平的調(diào)節(jié)間接參與認(rèn)知功能的改變。

4 OC與認(rèn)知功能障礙的保護(hù)因素

4.1 OC與瘦素

瘦素是由脂肪組織特異分泌的一種小分子多肽類激素，其受體LRb除分布于下丘腦多個核團(tuán)區(qū)表達(dá)神經(jīng)肽Y的細(xì)胞膜上外，還分布于調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)與記憶的海馬等其他腦區(qū)[21]。研究表明瘦素參與神經(jīng)突觸的形成和軸突生長，增加海馬區(qū)腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子的表達(dá)，具有神經(jīng)保護(hù)作用；基礎(chǔ)實驗及臨床研究均發(fā)現(xiàn)瘦素不僅能夠減少磷酸化的tau蛋白，減輕神經(jīng)纖維纏結(jié)，而且可以減少Aβ含量，進(jìn)而能夠改善阿爾茲海默癥患者的記憶功能[22]。

瘦素可通過外周及中樞雙重作用實現(xiàn)其對OC的功能調(diào)節(jié)。在外周通路中，瘦素作用于成骨細(xì)胞，激活轉(zhuǎn)錄激活因子4(ATF4)，而ATF4可誘導(dǎo)成骨細(xì)胞中胚胎干細(xì)胞磷酸酶(embryonicstem cell phosphatase，Esp)基因表達(dá)增加，進(jìn)而骨細(xì)胞中Esp基因編碼的蛋白酪氨酸磷酸酶(osteotesticular protein tyrosine phosphatase，OST-PTP)含量升高，最終大量OC轉(zhuǎn)化為ucOC，促進(jìn)骨骼發(fā)育[23]。在中樞性通路中，瘦素通過向腦干神經(jīng)元發(fā)出信號來阻止5-羥色胺的合成，該神經(jīng)物質(zhì)減少了交感神經(jīng)活動，反過來抑制骨形成及增加骨吸收，進(jìn)而影響OC的合成[21]。相反ucOC可以作用于脂肪組織，促進(jìn)脂肪細(xì)胞分泌瘦素。以上表明OC與瘦素之間通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)形成反饋調(diào)節(jié)(見圖2，圖片引自文獻(xiàn)[24])，瘦素影響5-羥色胺的合成并改善阿爾茲海默病病理結(jié)構(gòu)，猜測OC可能通過瘦素對認(rèn)知功能起保護(hù)作用。

圖2 瘦素和骨鈣素間的反饋調(diào)節(jié)Fig.2 Feedback regulation between leptin and osteocalcin注：OCN：骨鈣素；VMH：腹內(nèi)側(cè)下丘腦；Arc：下丘腦弓狀核；SNS：交感神經(jīng)系統(tǒng)

4.2 OC與脂聯(lián)素

脂聯(lián)素是由脂肪細(xì)胞分泌的一種內(nèi)源性生物活性多肽，在血漿中含量極其豐富。脂聯(lián)素通過與脂聯(lián)素受體1和脂聯(lián)素受體2結(jié)合, 既調(diào)節(jié)脂肪代謝，又參與骨代謝[25]，影響OC的合成。相反，Lee等[7]研究顯示去除OC的小鼠較對照組野生小鼠血脂聯(lián)素水平降低，臨床研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)血液中ucOC可作用于脂肪細(xì)胞，促進(jìn)脂聯(lián)素的分泌[26]。

脂聯(lián)素受體除分布于成骨細(xì)胞外，還分布于大腦組織中，高脂聯(lián)素水平對大腦具有保護(hù)作用[27]。Sakr[28]在患有糖尿病的大鼠中應(yīng)用西格列汀治療后，其體內(nèi)脂聯(lián)素水平及下丘腦脂聯(lián)素受體1信使RNA的表達(dá)均增加，進(jìn)而使小鼠的記憶及認(rèn)知功能提高。脂聯(lián)素可有效降低阿爾茲海默病患者體內(nèi)促炎細(xì)胞因子水平，并預(yù)防Aβ的神經(jīng)毒性作用[29]。另外，脂聯(lián)素增加胰島素敏感性，并通過調(diào)控胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)來維持大腦葡萄糖水平，進(jìn)而影響海馬中神經(jīng)元膽堿能受體功能和GABA的合成，最終改善空間學(xué)習(xí)和記憶行為有關(guān)的認(rèn)知障礙和記憶障礙[30-31]。以上研究表明脂聯(lián)素參與認(rèn)知功能的調(diào)節(jié)，而OC與脂聯(lián)素合成與分泌相互影響，推測脂聯(lián)素作為OC與認(rèn)知障礙之間的保護(hù)因子起作用。

5 展望

骨代謝的標(biāo)志物OC以低羧化活化形式進(jìn)入血液循環(huán)，作用于骨以外的靶器官，如胰腺、脂肪組織和大腦，并通過不同途徑直接或間接影響認(rèn)知功能。目前國內(nèi)外對骨鈣素與糖脂代謝，糖尿病、動脈硬化、骨質(zhì)疏松與認(rèn)知障礙之間的研究較多，而骨鈣素與認(rèn)知功能之間的直接作用研究較少，如果能夠從分子和基因方面深入了解OC在大腦中的功能，將有助于探索認(rèn)知干預(yù)的新方法。