骨骼內分泌激素與糖尿病代謝相關性研究進展

楊倩 顧朋穎 白婷婷

1.安徽醫(yī)科大學附屬省立醫(yī)院老年醫(yī)學科，安徽 合肥 230032 2.安徽醫(yī)科大學附屬省立醫(yī)院南區(qū)干部病房，安徽 合肥 230036 3.安徽醫(yī)科大學附屬省立醫(yī)院老年醫(yī)學科，安徽 合肥 230032

近來研究發(fā)現(xiàn)，骨骼分泌的激素與糖尿病關系密切。2007年Lee等[1]發(fā)現(xiàn)小鼠成骨細胞分泌的骨鈣素(osteocalcin，OC)參與能量代謝的調節(jié)，骨鈣素基因敲除(OC-/-)小鼠可出現(xiàn)胰島素抵抗、胰島素分泌下降、內臟脂肪增加，而輸注外源性骨鈣素后以上代謝異常均得到改善，這提示OC對糖尿病的發(fā)生具有一定預測作用。2017年3月，哥倫比亞大學醫(yī)學中心(Columbia University Medical Center，CUMC)研究員發(fā)現(xiàn)脂質運載蛋白-2(lipocalin 2，LCN2)可在骨骼中分泌，并通過抑制食欲來調節(jié)能量代謝[2]，該發(fā)現(xiàn)揭示了LCN2有可能成為糖尿病發(fā)生風險的預測因子及治療新靶點。本文探討骨骼內分泌激素在糖尿病發(fā)病機制中的作用。

1 骨骼分泌激素

既往至今，骨骼一直被認為是具有動態(tài)平衡的結締組織，發(fā)揮支持機體基本結構及重塑的功能，并參與維持鈣磷代謝穩(wěn)態(tài)，如骨骼自身分泌的骨唾液酸蛋白(bone sialo protein，BSP)、成纖維細胞生長因子23(fibroblast growth factor 23，F(xiàn)GF23)、1,25-(OH)2-VD及成骨樣細胞系中檢測的甲狀旁腺素相關肽(parathyroid hormone-related peptide，PTHrP)等活性物質具有調節(jié)機體鈣磷穩(wěn)態(tài)作用[3]。近年來研究發(fā)現(xiàn)，骨骼還表現(xiàn)出內分泌器官的特點，其本身分泌多種激素參與全身內分泌循環(huán)，如成骨細胞分泌的骨橋蛋白(osteopontin，OPN)、血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、C型鈉尿肽(C-type natriuretic peptide，CNP)等具有抗動脈粥樣硬化、抑制慢性心力衰竭等廣泛的心血管保護作用[3]。另外，骨骼還分泌雌激素、雄激素、卵泡抑素等性激素來參與生殖過程、細胞衰老及骨質疏松，而成骨細胞分泌的OC與LCN2是最新發(fā)現(xiàn)對能量代謝產生重要調節(jié)功能的激素。由骨髓基質干細胞(bone mesenchymal stem cells，BMSCs)分化而來的成骨細胞，其表面含有胰島素受體，成骨細胞通過受體與胰島素結合后可產生OC。動物研究顯示OC能夠增加脂肪細胞對胰島素的敏感性，從而起到降糖的作用[4]；另外，CUMC研究員發(fā)現(xiàn)成骨細還分泌LCN2，其能夠通過血腦屏障，激活下丘腦的黑皮質素4受體(melanocortin 4 receptor，MC4R)神經(jīng)元，繼而抑制食欲來影響糖脂代謝[3]。以上研究結果提示骨骼與糖尿病、肥胖癥等代謝性疾病密切關聯(lián)。因此，深入研究骨骼的內分泌功能，對于揭示骨骼參與糖尿病發(fā)病機制意義重大。

2 骨骼內分泌激素與能量代謝

既往認為，骨骼肌在人體能量代謝平衡和胰島素抵抗過程中扮演重要角色，葡萄糖的攝取和消耗80%以上通過骨骼肌。但近期研究發(fā)現(xiàn)，股骨、腓骨、脛骨甚至是顱骨的糖吸收量都高于傳統(tǒng)認為的肌肉脂肪組織，且隨著肥胖的產生及年齡的增加，骨骼對于糖類的吸收也有所下降[5]。另外，動物實驗顯示小鼠的成骨細胞中β-連環(huán)蛋白(β-catenin)基因被敲除后，小鼠胰島素分泌減少、血糖升高及糖耐量受損[6]。由此推斷，成骨細胞受損后，機體的糖代謝受到很大影響，而OC與LCN2均由成骨細胞分泌，并發(fā)現(xiàn)其與能量代謝關系密切，二者在骨骼與能量平衡之間起著不可替代的作用。

2.1 OC、LCN2的功能

OC是由成骨細胞特異性分泌的一種非膠原蛋白，是成骨細胞分化和成熟的標志，也是骨形成以及骨轉換的重要標志。OC合成后，在體內有兩種去處，一是沉積于骨基質以維持骨的正常礦化，二是直接分泌入血循環(huán)發(fā)揮激素樣作用。進入人體循環(huán)的OC多數(shù)以羧化不全OC(uncarboxylated osteocalcin，uc OC)形式發(fā)揮內分泌功能，并通過作用于胰腺、骨骼肌、脂肪組織等來調節(jié)全身代謝功能[7]。而LCN2是由Kjeldsen等[8]于1993年在研究中性粒細胞基質金屬蛋白酶9(MMP-9)時首次發(fā)現(xiàn)并分離的一種分泌型糖蛋白，又稱為中性粒細胞明膠酶相關脂質運載蛋白(neutrophil gelatinase-associated lipocalin，NGA)。最初發(fā)現(xiàn)LCN2在脂肪組織中的巨噬細胞和脂肪細胞表達豐富，并且LCN2在炎性損傷的情況下可由上皮細胞、腎小管細胞和肝細胞等合成、釋放，從而參與體內炎癥反應。然而，隨著研究的深入，CUMC研究員發(fā)現(xiàn)LCN2在成骨細胞含量更豐富，且在其設計的動物實驗中發(fā)現(xiàn)，小鼠成骨細胞分泌的LCN2通過誘導胰島素分泌和改善糖耐量、胰島素敏感性來維持血糖穩(wěn)態(tài)[2]。這些研究提示，OC、LCN2和肥胖、血糖調節(jié)異常等代謝綜合征關系密切，因此建立了骨骼與能量代謝之間的聯(lián)系，或許能夠成為預測糖尿病發(fā)生風險的因子。

2.2 OC、LCN2與糖代謝

成骨細胞表面有胰島素受體，體內胰島素增加時，可直接刺激成骨細胞，促進骨膠原及骨基質的合成與分泌，而胰島素缺乏可使成骨細胞數(shù)目減少，活性降低，影響骨的形成與轉換，據(jù)此，有學者提出骨骼-胰腺內分泌反饋循環(huán)學說[9-10]，在骨骼與胰腺之間的反饋路徑中，OC通過正反饋胰腺促進胰島β細胞的增殖，刺激胰島素的分泌，進而增加胰島素的敏感性；反過來，胰島素的分泌也正反饋骨骼，胰島素可以促進成骨細胞分化，刺激OC合成及分泌。CUMC研究[2]表明成骨細胞可高表達LCN2，對實驗小鼠進行LCN2基因敲除，發(fā)現(xiàn)其胰島數(shù)量、β細胞功能和β細胞增殖均下降，最終引起糖耐量和胰島素敏感性降低，導致糖尿病的發(fā)生，LCN2改善葡萄糖耐受能力可能反映了它對胰島細胞的直接作用。這些基礎研究表明OC、LCN2均由成骨細胞分泌，在糖尿病發(fā)病過程中可能通過胰島素抵抗機制參與糖代謝調節(jié)過程，但彼此之間的相互作用，目前暫無研究發(fā)現(xiàn)。

臨床研究發(fā)現(xiàn)OC水平與胰島素分泌呈正相關，在2型糖尿病及糖耐量受損患者中，空腹OC水平顯著低于正常對照組(P<0.01)[11]，且OC與胰島素抵抗指數(shù)(HOMA-IR)、空腹血糖(fasting plasma glucose，F(xiàn)PG)、餐后2 h血糖呈負相關，與脂聯(lián)素(adiponectin，APN)呈正相關[12]。同時，臨床報道胰島素增敏劑羅格列酮可以降低糖尿病患者中血漿LCN2的濃度[13]，而CUMC與我國學者臨床研究中發(fā)現(xiàn)血清LCN2水平與2型糖尿病患者FPG、糖化血紅蛋白(HbA1c)和體重呈負相關[2，14]，這表明LCN2可能為糖尿病的保護因素。這些臨床研究結果提示OC、LCN2與胰島素抵抗及糖代謝關系密切，因此，成骨細胞分泌的OC和LCN2或許能夠成為糖尿病患者治療新靶點。

2.3 OC、LCN2與脂代謝

基礎實驗表明，OC可通過抑制胰島素抵抗、降低血糖、增加胰島素分泌來調節(jié)體內脂肪含量[15]，且在動物實驗中發(fā)現(xiàn)，皮下注射OC可使肥胖小鼠體重明顯降低[16]。有研究發(fā)現(xiàn)OC可通過誘導APN在脂肪細胞的表達來提高胰島素的敏感性，與骨骼肌、脂肪組織和肝臟等的APN受體結合，通過促進肌肉組織和肝臟對脂肪的消耗和燃燒，進而降低游離脂肪酸和甘油三脂水平，達到降低體重的作用[17]。最新研究表明，LCN2與肥胖、高血糖、胰島素抵抗等代謝紊亂密切相關，Wang等[18]研究發(fā)現(xiàn)，無論是高脂飲食誘導的肥胖小鼠還是遺傳性的肥胖小鼠，與正常野生小鼠相比較，血清LCN2水平均明顯上升。但CUMC研究結果與其相反，在其設計的動物實驗中，發(fā)現(xiàn)LCN2通過抑制食欲的功能來影響胰島素的敏感性，進而控制脂肪量和體重[2]。以上基礎研究表明OC和LCN2與肥胖等代謝綜合征密切相關，且可能通過胰島素抵抗參與肥胖形成機制。

在人群中研究發(fā)現(xiàn)血清OC水平與肥胖相關[19]，且OC在不同脂肪分布的狀態(tài)下，差異顯著，OC與腹型肥胖的危險因素如空腹胰島素、FBG、HOMA-IR呈負相關，與APN呈正相關[12,20]。另外，隨著肥胖程度的增加，血清中LCN2水平明顯增加[21]。我國學者研究發(fā)現(xiàn)，血清LCN2水平與體質量指數(shù)、腰圍、 腰臀比、體脂含量顯著正相關，與HDL-C水平負相關[22]，這表明LCN2水平的升高與脂肪量的增加密切相關。上述臨床研究提示血清OC、LCN2可能是胰島素抵抗和人類肥胖的一個新標志物。

3 OC、LCN2與攝食中樞

下丘腦是人體的攝食中樞，主要包括下丘腦外側區(qū)(lateral hypothalamic area，LHA)和下丘腦腹內側核(ventromedial hypothalamic nucleus，VMN)，其中LHA為攝食中樞，起發(fā)動攝食作用，而VMN為飽中樞，具有抑制攝食作用。研究顯示，神經(jīng)遞質5-羥色胺還可與下丘腦弓狀核(Arc)中的受體結合來調控食欲[23]。近期研究表明骨骼分泌的激素能夠控制食欲，成骨細胞分泌的OC作用于脂肪組織，促進脂肪細胞分泌APN和瘦素，而瘦素能夠與腦干神經(jīng)元表達的受體相結合，抑制中縫核合成和釋放5-羥色胺，一方面正調控或者負調控OC的活性，另一方面OC通過瘦素與5-羥色胺相互作用對攝食中樞發(fā)出飽和信號，從而抑制食欲[23-24]，這表明骨骼分泌的OC對攝食產生重要影響。

MC4R主要是由下丘腦室旁核(paraventricular hypothalamus，PVH)表達，能夠調節(jié)食物攝入量，以此來控制體重。MC4R抑制食欲信號傳導通路是通過MC4R結合下丘腦弓狀核神經(jīng)元釋放的α-促黑素細胞激素(α-MSH，具有抑制食欲作用)和重組刺豚鼠相關蛋白(AGRP，有促進食欲作用)來調節(jié)的。最新動物實驗表明，成骨細胞LCN2基因敲除后小鼠的性腺脂肪含量、總脂肪量和體重較正常對照組分別增加了16.5%、19.6%、5%，且3周齡實驗小鼠的食物攝入量增加了23.7%，而給予野生型小鼠腹腔內注射LCN2后，小鼠的食物攝入量減少了18%，該團隊為解釋此現(xiàn)象，進一步研究發(fā)現(xiàn)成骨細胞分泌的LCN2可穿過血腦屏障，與下丘腦MC4R結合并激活MC4R食欲抑制通路，從而抑制食欲[2]。這一結果拓寬了人們對骨骼通過內分泌功能來控制食欲的認識，也證實了成骨細胞來源的LCN2作為一種激素通過MC4R激活抑制旁路。

以上研究提示OC、LCN2均通過作用于中樞神經(jīng)元來抑制攝食中樞，OC主要通過抑制5羥色胺的分泌來間接調節(jié)糖代謝，LCN2則通過作用于大腦神經(jīng)元MC4R來影響食欲。以上揭示了骨骼與糖尿病之間新的能量平衡調節(jié)機制，這些對糖尿病、肥胖等的預防和治療開辟了全新的探索領域。

4 總結

從內分泌功能視角探究骨骼系統(tǒng)的生理功能，其功能不再局限于造血、保護器官及維持鈣磷穩(wěn)態(tài)，還作為內分泌器官分泌OC和LCN2，這兩者與肥胖、糖尿病等代謝疾病密切相關。OC與LCN2均具有調節(jié)糖代謝作用，能夠促進胰島素分泌，改善胰島素敏感性，參與肥胖機制的形成。未來深入研究骨骼的內分泌功能，尤其是OC、LCN2在糖尿病發(fā)病過程的具體機制，可為糖尿病防治提供新的作用靶點。