1型糖尿病對(duì)骨折愈合影響的研究進(jìn)展

蔡龍，向川

(山西醫(yī)科大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院骨科，太原 030001)

骨折是骨科十分常見(jiàn)的一種創(chuàng)傷。然而骨折愈合是一個(gè)極為復(fù)雜的過(guò)程：由起始炎癥反應(yīng)、原始骨痂形成、內(nèi)外骨痂與橋梁骨痂融合及骨重塑4個(gè)過(guò)程共同協(xié)調(diào)完成[1]。研究表明，影響骨折愈合的因素有很多，其中糖尿病(diabetes mellitus,DM)對(duì)骨折愈合過(guò)程的影響較大，合并DM的骨折患者骨折斷端發(fā)生骨延遲愈合、骨不連的概率較正常人群顯著增加[2]。1型糖尿病(type 1 diabetes mellitus, T1DM)以往被稱(chēng)為胰島素依賴(lài)性糖尿病，主要是因胰島B細(xì)胞破壞導(dǎo)致的胰島素分泌絕對(duì)不足，并以高血糖為特征，是一種慢性代謝性紊亂性疾病，可引起多系統(tǒng)的功能損害。有研究表明，T1DM患者血液中晚期糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycation end products,AGEs)累積量較多，血清骨鈣素水平和甲狀旁腺激素(parathyroid hormone,PTH)水平明顯降低，骨折風(fēng)險(xiǎn)顯著增加[3,4]。亦有研究指出，DM患者的許多病理生理過(guò)程可能影響著骨愈合過(guò)程[5]。本文擬從多角度就T1DM對(duì)骨折愈合過(guò)程的影響作以下綜述。

1 T1DM對(duì)骨組織局部微循環(huán)影響

骨折愈合過(guò)程需依賴(lài)血液供應(yīng)，當(dāng)骨組織血液供應(yīng)明顯減少時(shí)，骨不愈合的概率達(dá)到46%，這可能與血管的機(jī)械性損傷、骨折部位血管的解剖結(jié)構(gòu)及患者的生理疾病相關(guān)[6]。在骨膜反應(yīng)期和骨痂形成期，血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)表達(dá)量增加，新生血管增多，從而促進(jìn)骨膜的生長(zhǎng)[7]。受傷局部新生血管具有轉(zhuǎn)運(yùn)功能，將骨母細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)至受傷部位，并表達(dá)骨鈣蛋白、骨橋蛋白及堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)來(lái)促進(jìn)新生骨的形成。此外，局部新生血管還能通過(guò)調(diào)節(jié)氧張力和提供生長(zhǎng)因子促進(jìn)骨折愈合[6]。然而T1DM在很大程度上會(huì)對(duì)血管生長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較不利的影響[8]。DM引起的高血糖狀態(tài)能激活A(yù)LP，提升還原型輔酶Ⅱ/輔酶Ⅰ(nicotina-mide adenine dinucleotide phosphate/nicotinamide adenine dinucleotide,NADPH/NAD+)比值，導(dǎo)致氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)的發(fā)生，從而使炎癥因子如白細(xì)胞介素-6(interleukin-6,IL-6)及腫瘤壞死生長(zhǎng)因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)表達(dá)增加，使血管內(nèi)皮細(xì)胞功能發(fā)生紊亂，VEGF表達(dá)降低，最終影響微血管的形成，不能為局部組織提供必需物質(zhì)，影響骨折愈合[9]。

另一方面，有研究認(rèn)為T(mén)1DM可通過(guò)磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/IκB激酶復(fù)合體途徑或者Ras/有絲分裂原活化蛋白激酶(Ras/mitogen-activated protein kinase,RAS/MAPK)途徑抑制叉頭框O(Fork head box O,FOXO)發(fā)生磷酸化，降低FOXO1表達(dá)，加速微血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡，從而影響到局部受損骨組織微血管的形成[10,11]。亦有研究通過(guò)對(duì)DM大鼠股骨干骨折1～3周內(nèi)骨折愈合情況的觀察發(fā)現(xiàn)，與正常對(duì)照組比較，DM組大鼠VEGF-C的表達(dá)明顯下降，新生血管形成明顯減少[12]。還有研究通過(guò)實(shí)時(shí)熒光定量PCR分析發(fā)現(xiàn)，DM患者血清中晚期糖基化終產(chǎn)物受體(recepter of advanced glycation end products,RAGE)mRNA表達(dá)增加，而RAGE可通過(guò)由乙二醛酶介導(dǎo)的核因子-κB(nuclear factor κB，NF-κB)途徑上調(diào)AGEs水平，從而促進(jìn)氧化應(yīng)激反應(yīng)的發(fā)生，并通過(guò)c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)-(Dickopff-1)-糖原合成酶激酶(glycogen synthase kinase,GSK)3β-tau途徑[13-15]，最終影響局部微血管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2 T1DM對(duì)骨細(xì)胞活性影響

炎癥因子參與骨折愈合過(guò)程的各個(gè)階段，能夠調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞活性，影響骨痂的形成及重塑。有研究認(rèn)為，正常機(jī)體內(nèi)NF-κB受體活化因子配基(receptor activator of NF-KB ligand,RANKL)、巨噬細(xì)胞集落刺激因子(macrophage colony stimulating factor,MCSF)以及轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)的表達(dá)量在骨重塑階段出現(xiàn)了下降，這可能為骨髓的形成創(chuàng)造有利條件。

有研究通過(guò)對(duì)大鼠骨折后第4周骨組織形態(tài)學(xué)的分析發(fā)現(xiàn)，T1DM慢性炎性狀態(tài)會(huì)使骨髓干細(xì)胞分化延遲，隨之骨細(xì)胞生成延遲[16]。Coe等[17,18]發(fā)現(xiàn)在T1DM大鼠骨折愈合初始階段，高血糖狀態(tài)會(huì)加重局部炎癥反應(yīng)，使TNF-α分泌量增多，并通過(guò)調(diào)控胱天蛋白酶-3(Caspase 3, Casp-3)活性使Bax/Bcl-2比值增加，使骨髓微環(huán)境隨之發(fā)生改變，最終加快成骨細(xì)胞凋亡。且T1DM大鼠血糖水平與成骨細(xì)胞凋亡程度呈正相關(guān)[19,20]，提示糖尿病骨折愈合早期就有較多的成骨細(xì)胞發(fā)生凋亡，造成骨愈合能力下降，而這可能由于低胰島素血癥抑制了骨細(xì)胞增殖、分化及成骨細(xì)胞骨形成能力。Wu等[21]通過(guò)對(duì)大鼠原代成骨細(xì)胞進(jìn)行體外培養(yǎng)、Western blotting技術(shù)分析胰島素受體(insulin receptor,IR)及羧化不全骨鈣素(under-carboxylated osteocalcin, ucOC)水平發(fā)現(xiàn)，高血糖狀態(tài)會(huì)降低胰島素敏感性，且ucOC表達(dá)水平下降，成骨細(xì)胞增殖被抑制。補(bǔ)充研究發(fā)現(xiàn)，胰島素和維生素D聯(lián)合治療能抑制高糖對(duì)成骨細(xì)胞產(chǎn)生的有害影響，使 ucOC的百分比提高了40%左右[12]，這可能與胰島素通過(guò)IR直接調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞基因的表達(dá)、增強(qiáng)成骨細(xì)胞活性、促進(jìn)局部骨痂組織形成有關(guān)。在缺乏TNF-α受體基因的(p55-/p75-)小鼠骨折修復(fù)過(guò)程中，骨髓干細(xì)胞分化明顯減少，軟骨內(nèi)組織的修復(fù)延遲了2～3周[22]，表明適度的TNF-α對(duì)調(diào)節(jié)骨髓干細(xì)胞具有重要作用。另外，DM的高血糖狀態(tài)能夠激活Casp活性，使TNF-α表達(dá)量過(guò)度增加，從而引起骨細(xì)胞的凋亡，出現(xiàn)骨缺損部位修復(fù)的延遲，而通過(guò)抑制Casp-3表達(dá)后，炎癥反應(yīng)明顯減少，骨內(nèi)膜骨痂形成增加，成骨細(xì)胞活性及骨耦合亦增加[18, 23]。另有證實(shí)在一些DM或DM并發(fā)癥中，通過(guò)限制FOXOs活性，亦可促進(jìn)骨折愈合的發(fā)展[11]。

3 T1DM對(duì)膠原蛋白功能的影響

在骨折愈合初期階段，局部骨痂形成需要大量的膠原蛋白來(lái)維持骨痂結(jié)構(gòu)和骨強(qiáng)度。目前發(fā)現(xiàn)，Ⅰ～Ⅲ、Ⅴ、Ⅸ、Ⅺ、Ⅻ、Ⅹ、Ⅳ型等膠原蛋白可直接參與骨修復(fù)過(guò)程。在骨折愈合過(guò)程中，膠原蛋白的基因表達(dá)和生成有一定規(guī)律性，且受到DM的影響。

有研究通過(guò)制作T1DM大鼠脛骨斜型骨折模型，于傷后第1,2,4,6周取骨痂組織進(jìn)行檢測(cè)，觀察Ⅰ型膠原蛋白在正常組和觀察組骨愈合過(guò)程早期骨痂形成中表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)正常組Ⅰ型膠原蛋白表達(dá)高峰在第2周出現(xiàn)，而觀察組高峰在第3周出現(xiàn)，且觀察組大鼠Ⅰ型膠原蛋白表達(dá)量明顯降低[24]。另外，DM能夠下調(diào)Ⅰ型膠原蛋白的多態(tài)性，改變血清鈣水平，影響PTH/維生素D的比率，從而導(dǎo)致骨礦化功能障礙、骨強(qiáng)度降低及骨脆性增加等，使骨愈合處二次骨折風(fēng)險(xiǎn)增加。亦有研究通過(guò)原子力學(xué)光譜法檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，DM能使骨的有機(jī)基質(zhì)(主要是Ⅰ型膠原蛋白)發(fā)生非酶類(lèi)糖基化反應(yīng)，出現(xiàn)AGEs累積，使Ⅰ型膠原蛋白功能下降，從而降低骨的延展性和韌性，進(jìn)而改變生物力學(xué)活性，這可能由于DM改變膠原纖維之間的相互作用引起[25,26]。最近Saito等[27]研究發(fā)現(xiàn)，DM引起的高糖血癥和氧化應(yīng)激會(huì)使AGEs增加，通過(guò)RANKs途徑使膠原蛋白功能紊亂；且由于糖異生過(guò)程的紊亂，賴(lài)氨酸氧化酶基因表達(dá)下降，酶鉸鏈反應(yīng)降低，導(dǎo)致膠原蛋白功能降低，最終影響骨的質(zhì)量和強(qiáng)度。

總之，T1DM可影響骨痂形成過(guò)程中的膠原代謝，減少膠原蛋白合成，抑制骨組織修復(fù)，但其機(jī)制尚未研究清楚，還需要進(jìn)一步的考究。

4 T1DM對(duì)生物力學(xué)作用的影響

骨折愈合過(guò)程的骨生物力學(xué)可分為一期骨愈合和二期骨愈合，生物力學(xué)的建立會(huì)受到膠原蛋白、礦物質(zhì)量、骨結(jié)構(gòu)、骨密度等諸多因素的共同影響。在原始骨痂形成期，TNF-α能夠促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞誘導(dǎo)的肥大性軟骨細(xì)胞的凋亡和軟骨礦化的吸收，這個(gè)過(guò)程RANKL和MCSF亦參與其中[22]。骨形態(tài)發(fā)生蛋白-5/-6(bone morphogenetic protein-5/-6,BMP-5/-6)的表達(dá)在原始骨痂形成期增多，使膜內(nèi)和軟骨內(nèi)發(fā)生骨化，為加強(qiáng)骨折愈合后期骨的機(jī)械強(qiáng)度做充分準(zhǔn)備[7]。

T1DM能改變骨組織生物力學(xué)特性，因此不利于骨折愈合過(guò)程的發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，在T1DM大鼠模型中，DM會(huì)影響骨皮質(zhì)骨結(jié)構(gòu)，使骨小梁體積縮小并降低組織礦物質(zhì)密度(tissue mineral density, TMD)值，增加骨脆性，擾亂骨強(qiáng)度-結(jié)構(gòu)關(guān)系，而這些改變均不利于骨折愈合過(guò)程中生物力學(xué)強(qiáng)度的建立[28,29]。Follak等[16]通過(guò)對(duì)DM大鼠模型股骨干骨折局部礦物化組織熒光染色以及三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，與正常組相比，模型組骨愈合過(guò)程中破壞骨痂所需的能量、失效負(fù)載量的峰值、剛硬度以及抗壓值均下降了2～3倍，提示DM不僅能顯著減少骨礦化并且能夠使骨礦化發(fā)生延遲。然而，一些研究卻表明DM會(huì)增加骨礦化(但骨礦化的質(zhì)量是降低的)，還會(huì)影響鈣的沉積量，改變骨生物力學(xué)，這可能與高血糖癥導(dǎo)致的持續(xù)性炎癥反應(yīng)增加了前炎性細(xì)胞激素有關(guān)[4,30]。Farlay等[4]通過(guò)對(duì)臨床病例研究得出了同樣的結(jié)論。另外，有研究通過(guò)實(shí)時(shí)定量PCR及免疫組織化學(xué)技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，DM合并骨折的大鼠模型早期成骨標(biāo)記物(Colla2，骨橋蛋白)的表達(dá)受到了抑制，這亦會(huì)導(dǎo)致骨膜下區(qū)域礦化組織比率和機(jī)械強(qiáng)度降低[12]。

綜上，T1DM會(huì)影響骨愈合過(guò)程中骨礦化的質(zhì)量、骨結(jié)構(gòu)以及骨密度的正常建立，而這些均不利于骨折愈合生物力學(xué)穩(wěn)定性的形成，原因可能與高血糖癥狀導(dǎo)致的持續(xù)性炎癥反應(yīng)密切相關(guān)。

5 總結(jié)

T1DM可激活炎癥反應(yīng)通路，促進(jìn)氧化應(yīng)激的發(fā)生，產(chǎn)生大量的AGEs和炎癥因子(如TNF-α)，通過(guò)復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制降低骨折愈合過(guò)程中主要膠原蛋白的功能、減少局部微血管的生成、加劇骨細(xì)胞凋亡的發(fā)生和增加局部骨痂脆性，最終影響了骨折愈合過(guò)程，而這可能與T1DM的高血糖癥產(chǎn)生的慢性持續(xù)性炎癥狀態(tài)密切相關(guān)。