基于“骨肉不相親”理論骨與骨骼肌關系的探討

戚曉楠 姚嘯生 鄭洪新 任璐

1.遼寧中醫(yī)藥大學，遼寧 沈陽 110847 2.遼寧中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院，遼寧 沈陽110032

骨質疏松癥(osteoporosis，OP)和肌肉減少癥(sarcopenia)是常見的增齡性肌骨疾病。隨著全球人口的老齡化，其患病率越來越高，給醫(yī)療工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)?，F代研究表明[1]，骨與骨骼肌作為共同的功能單位參與此類疾病的病理過程。對肌骨關系的探索已成為此類疾病現代研究的熱點。

中醫(yī)對骨與骨骼肌的關系早有論述，《靈樞經·經脈》云：“少陰者，冬脈也，伏行而濡骨髓者也，故骨不濡，則肉不能著也；骨肉不相親，則肉軟卻；肉軟卻……骨先死?！薄肮侨獠幌嘤H”理論是中醫(yī)對肌骨關系的高度概括。

肌骨關系，雖表述骨肉之親疏濡著，實乃論脾腎五行的生克制化、臟腑的功能盛衰。腎屬水，藏精，生髓，主骨，為先天之本；脾屬土，主運化，合肉，主四肢，為后天之本。脾腎二臟相輔相成，密不可分：腎精充盈，骨髓生化有源，髓以養(yǎng)骨，則骨骼堅固有力；脾主運化，水谷之精充盛，氣血化生有源，肌肉豐滿，四肢有力。腎藏精氣，受五臟六腑之精而藏，可助脾之運化；脾氣散精，氣血充盈，滋養(yǎng)腎中精氣。先天之本與后天之本，相資相助，互相為用，使人體骨骼肌肉強健有力，反之則骨枯肉痿。

雖然目前“骨肉不相親”現代醫(yī)學機制仍不明確，但骨應力生物力學機制已成為現代研究的熱點，意識到肌肉、骨密度和OP之間的關系密切。增強肌肉力量具有促進骨重建，提高骨密度，提高防跌倒能力，預防骨折的作用?；谥嗅t(yī)學“骨肉不相親”理論和肌骨關系的現代研究成果，本文從生物力學、內分泌、能量代謝、基因和信號通路等機制討論肌骨關系，為OP和肌肉減少癥(簡稱肌少癥)的研究提供新思路。

1 生物力學機制

骨與骨骼肌作為運動系統(tǒng)的兩大重要組成部分，解剖上毗鄰，功能上相互影響。使骨骼形變的應力主要是由骨骼肌收縮產生的[2]?？刂啤皬U用性”骨重建過程和“保留性”骨重建過程相互轉換的最小有效應變值稱為骨重建閾值(minimum effective strain of remodeling，MESr)。骨應變超過骨重建閾值時，骨就會進入保留模式，使骨吸收和骨形成達到平衡；但當其低于骨重建閾值時，如肌少癥，骨就會進入廢用模式，吸收多于形成，使骨量減少。適當頻率和強度的機械刺激可有效改善肌量和骨質量[3]，甚至逆轉骨骼肌的年齡依賴性衰退[4]，但增齡后的低機械應力刺激異常則會產生OP和肌少癥[5]。骨骼細胞包含骨細胞(osteocytes)、成骨細胞(osteoblast)和破骨細胞(osteoclast)。最新研究發(fā)現[6]，骨組織內的骨細胞是感受骨骼肌應力的主要力學敏感細胞，骨細胞通過產生如Wnt、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)、一氧化氮(NO)和前列腺素E2(PGE2)、骨鈣素(OCN)等信號因子的方式[7]，將機械應力轉換為生物信號，進而調節(jié)成骨和破骨細胞的分化、集聚及功能，影響骨形成。同時，骨骼細胞產生的部分因子還對骨骼肌有調節(jié)作用，如PGE2、OCN是原發(fā)性成肌細胞、肌管中肌源性分化的有效刺激物，可以顯著增強骨骼肌強度[8]，其中骨細胞分泌的PGE2是骨骼肌細胞的100倍以上[9]。但骨細胞是如何感知機械應力的？一種觀點認為是應力引起骨基質形變，在骨小管內產生間質流(interstitial fluid flow)[10]，增大組織壓力，促使骨細胞分泌信號因子。另一觀點認為負荷是通過產生液壓來激活骨細胞的。實驗表明，低至13 kpa的循環(huán)壓力就可成功激活雞小腿原始骨細胞產生PGE2[11]。第三種觀點認為是基質壓力直接作用的結果[12]。然而，具體的機制尚未徹底闡明[13]。作為提高骨密度、維持骨礦含量最有效的刺激，骨骼肌產生的機械應力不僅能改善骨質疏松，還可增強骨骼肌力量，進而提高身體的平衡性和穩(wěn)定性，最終降低骨質疏松性骨折的發(fā)生率[14]。

2 內分泌機制

2.1 骨骼肌作為內分泌器官對肌骨的作用

骨骼肌早在2010年就被作為內分泌器官提及[15]，通過分泌肌動因子(myokines)和代謝產物參與內分泌調節(jié)。已知的肌動因子包括肌肉生長抑制素(myostatin，MSTN/GDF-8)、白血病抑制因子(LIF)、IGF-1、成纖維細胞生長因子2(FGF2)、卵泡抑素樣蛋白1、腦源性中性粒細胞因子(BDNF)、鳶尾素(Irisin)、IL-8、IL-5、IL-6。代謝產物如β-氨基異丁酸(BAIBA)。

2.1.1肌肉生長抑制素：肌肉生長抑制素簡稱肌抑素，主要由骨骼肌分泌，是骨骼肌與骨生長的強力負調節(jié)因子[16]。其上調細胞周期依賴性蛋白激酶抑制劑(p21)表達水平，從而抑制成肌細胞增殖。同時激活Smad3，通過Smad3與MyoD結合，抑制MyoD的活性和表達，實現對成肌細胞分化的抑制[17]。肌抑素通過激活T細胞核因子(NFATc1)的轉錄因子Smad2，從而明顯增強介導破骨細胞形成的RANKL受體活性[18]。對肌抑素的抑制可有效增加骨骼肌質量，改善成骨不全，提高骨密度[19]。作為肌抑素的抑制劑，肌抑素誘餌受體(ACVR2B/FC)作用于肌營養(yǎng)不良模型鼠，可有效阻止骨骼肌和骨量的丟失[20]。由于作用顯著，肌抑素常作為骨骼肌與OP之間直接生化通訊存在的標志性因子[21]，并且作為新的藥物靶標納入研究。

2.1.2鳶尾素：鳶尾素是新發(fā)現的主要由運動介導調節(jié)的骨骼肌因子[22]，由肌跨膜蛋白FNDC5水解后進入血循環(huán)。鳶尾素可以通過自分泌方式提高肌細胞PGC-1a、核呼吸因子1(NRF-1)、線粒體轉錄因子A(TFAM)、葡萄糖轉運蛋白4(GLUT4)、UCP-3和鳶尾素的表達，提高肌細胞能量消耗和氧化代謝水平[23]。鳶尾素還可以通過內分泌方式作用于成骨細胞。一方面，上調體內骨組織中成骨基因如骨橋蛋白(OPN)和硬化蛋白(SOST)的表達。另一方面，鳶尾素在體外通過激活P38絲裂原活化蛋白激酶和細胞外信號調節(jié)激酶，增強成骨細胞的增殖、分化及礦化[24]，通過抑制RAW264.7細胞中的RANKL/NFATC1來抑制破骨細胞形成[25]。多項研究提示[26-27]，鳶尾素與骨質疏松性骨折的發(fā)生率呈負相關，可作為評估骨骼肌與OP系統(tǒng)紊亂的重要骨骼肌因子。實驗表明，補腎健脾類中藥可以通過上調FNDC5的表達促進骨髓間充質干細胞的成骨化[28-29]。

2.1.3IGF-1與FGF2：IGF-1與FGF2是兩個重要的成骨因子[30]，由肌管分泌，并在肌組織中大量存在。IGF-1通過激活PI3K/Akt/mTOR和PI3K/Akt/GSK3通路參與骨骼肌質量調節(jié)，并通過與IGF結合蛋白(IGF bonding protein，IGFBPs)結合調節(jié)成骨[31]。通過調節(jié)Wnt通路，使骨組織適應逐步增加的機械負荷[32]。除此之外，IGF-1也能夠以旁分泌形式直接作用于骨骼，在機體生長旺盛期間作用十分明顯。FGF-2是廣泛存在于機體組織的一種多聚肽，為強烈的有絲分裂劑。FGF-2/FGF-2R通過激活BMP2和Runx2通路調控骨組織合成代謝，增強骨再生能力[33]。通過活化蛋白激酶MAPK/ERK通路促進肌細胞增殖，對骨和骨骼肌的生長均有積極作用。

2.1.4其他：近來發(fā)現，BDNF通過快速激活TrkB/ERK1/2通路調整成骨細胞分泌VEGF，參與調節(jié)骨折愈合的過程[34]。BAIBA可防止肢體長期無應力刺激導致的骨丟失[35]。

2.2 骨骼作為內分泌器官對肌骨的作用

骨骼作為內分泌器官在2006年被首次提出，其可通過分泌骨因子(osteokines)來行使內分泌功能[36]。與骨骼肌及OP相關的骨因子包括OCN、TGF-β、RANKL、硬化(sclerostin)、DKK1(Dickkopf-1)、骨保護素(osteoprotegerin，OPG)、PGE2、ATP、NO等。

2.2.1骨鈣素：OCN主要由成骨細胞合成分泌，大部分與羥基磷灰石結合，沉積于骨基質中。在酸性環(huán)境中，約20%的OCN羧基化，并與Gprc6a結合，進入血循環(huán)，影響機體多種代謝[37]。OCN對骨骼肌質量和功能有重要影響。實驗表明，外源性OCN通過激活骨-骨骼肌的前饋內分泌軸，修復小鼠受損的運動能力，并使15個月月齡的小鼠恢復3個月月齡的運動能力，扭轉增齡引起的運動能力下降。同時有氧運動增加循環(huán)中活性OCN的水平，促進骨骼肌中OCN信號傳導，誘導肌動因子IL-6的產生，影響骨代謝[38]。

2.2.2TGF-β：轉化生長因子β(TGF-β)主要由成骨細胞合成并貯存于骨基質中。TGF-β通過較低的酸堿度環(huán)境和骨骼的機械拉伸來實現激活，活化后的TGF-β不僅可以促進成骨細胞的增殖與分化，刺激骨形成，還可以促進基質非膠原蛋白的沉積[39]。這些蛋白促進細胞外基質的形成，在調控骨礦化及礦物質成熟中起十分重要的作用，其含量不足將使骨脆性增加[40]。TGF-β在骨與骨骼肌的信息傳遞中起作用。一項乳腺癌骨轉移小鼠體內實驗發(fā)現，過量的TGF-β可導致骨骼肌的萎縮[41]。補腎類中藥治療OP的機制之一可能就是通過調節(jié)TGF-β，促進I型膠原的表達來實現的[42]。

3 能量代謝機制

Ca2+-Mg2+-ATP酶與骨骼肌收縮及能量代謝密切相關，Na+-K+-ATP酶是骨骼肌產生動作電位的能量基礎，異檸檬酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶都是三羧酸循環(huán)重要的調節(jié)酶，其活性對線粒體的能量代謝和活性氧生成有重要作用。以上4種酶活性的下降均影響骨骼肌的收縮和能量代謝水平，減少對骨的應力刺激，間接促進OP的進程。實驗表明，補腎和健脾中藥能提高OPG基因敲除小鼠骨和骨骼肌Ca2+-Mg2+-ATP酶[43]、Na+-K+-ATP酶[44]、α-酮戊二酸脫氫酶[45]和異檸檬酸脫氫酶[46]的含量。顯著提高骨骼肌的能量代謝，增強其收縮力，促進骨形成。

4 基因機制

在胚胎發(fā)育早期，骨與骨骼肌細胞共同起源于間充質細胞，有共同的風險因素和生物學途徑，其中60%的風險因素與遺傳有關[47]。Wnt16基因被認為與皮質骨厚度[48]和骨小梁質量[49]顯著相關，該基因的發(fā)現被認為是OP基因研究的巨大成功。英國生物銀行及其他全基因組關聯研究GWAS發(fā)現了基因雙向性作用于骨與骨骼肌的證據[50]，所涉及的基因包括AHNAK、AQPI、BCKDHB、DAAM2、DLEUI、MPP7等。多變量GWAS鑒定了同時與骨和骨骼肌代謝相關的性狀基因，這些基因包括：①在3844名歐洲人中發(fā)現的PRKCH和SCNNIB[51]；②在1 627名獨立的中國成人中發(fā)現的HK2、UMOD、MIR873、MIR876[52]、HTR1E、COL4A2、AKAP6、SLC2A11、RYR3、MEF2C[53]；③在1 627名中國成人中發(fā)現的GLYAT[54]。但這些基因仍有待于進一步的生物學驗證。其中METTL21C是已被確認的雙向基因，其通過調節(jié)NF-κB通路與骨和骨骼肌相關聯[55]，有助于中國男性的骨量峰值[56]，與年輕健康的老人相比，虛弱者該基因表達水平升高[57]，其同源物METTL21D被發(fā)現與VCP/97結合，在肌少癥中發(fā)揮作用[58]。

5 細胞信號通路機制

5.1 Ihh信號通路

Ihh通路主要參與細胞的生長、分化、調節(jié)和骨骼的生長發(fā)育。Ihh/PTHrP通過調節(jié)TGF-β、BMP6、Sox等來調節(jié)其反饋環(huán)，調控骨代謝。骨與骨骼肌協調性下降可能與Ihh/PTHrP通路表達異常有關。而補腎和健脾中藥可以提高絕經后OP大鼠骨和骨骼肌PTHrP的含量[59]。還可分別提高絕經后OP和OPG基因敲除大鼠骨和骨骼肌Ihh的含量[60-61]，從而起到防治OP的作用。

5.2 NF-κB信號通路

NF-κB通路在成骨細胞的增殖、分化和凋亡中都有重要作用。RANKL主要由骨細胞分泌，促進破骨細胞的分化與活化[13,36]，其受體RANK在破骨細胞與骨骼肌中表達[62]，骨骼肌中RANKL可以調節(jié)Ca2+的儲存和肌內質漿網Ca2+-ATP酶的活性，RANK的表達會抑制骨骼肌量及功能[63]，導致營養(yǎng)不良小鼠的虛弱。補腎健脾中藥通過提高骨的IкBα含量，抑制NF-κB 異?；罨瑴p緩成骨細胞的凋亡，使骨形成多于骨吸收，有效地防治OP。補腎和健脾方法也可以通過提高骨骼肌的IкBα含量，抑制NF-κB表達，提高骨骼肌的能量[64]。

5.3 Notch信號通路

Notch通路的活化與阻斷影響著間充質干細胞向骨細胞的分化，對成骨和破骨細胞的分化和平衡也起著重要作用[65]。補腎中藥可以增加絕經后OP模型大鼠骨密度，提高OPG表達，降低RANKL表達，同時提高Notch1、JAG1和HES1在骨及骨骼肌中的蛋白表達，提示補腎中藥通過激活Notch通路，促進成骨細胞分化，調節(jié)RANKL/OPG比值，抑制骨吸收，起到防治OP的作用[65]。

5.4 Wnt/β-catenin信號通路

Wnt/β-catenin通路在骨細胞中與機械載荷信號向骨表面細胞的傳遞緊密相關[66]，是通過與前列腺素途徑的crosstalk來響應負載而觸發(fā)的，其減少骨形成負調節(jié)因子Sclerostin及DKK1，增加骨形成調節(jié)因子(如Wnt)。研究發(fā)現[13]，Sclerostin在骨細胞中高度表達，抑制成骨細胞的功能。DKK1主要由成骨細胞分泌，也可抑制成骨。目前尚無直接證據證明這些β-catenin信號傳導抑制劑是否對骨骼肌有影響，但由于Wnt可通過支持肌生成和肌功能影響骨骼肌，因此判斷Sclerostin及DKK1也會對骨骼肌具有負效應。研究發(fā)現[67-68]，Wnt1在骨細胞中高度表達，Wnt3a在剪切力作用下由骨細胞產生，Wnt1和Wnt3a支持骨骼肌的生長和功能。

6 維生素D機制

維生素D是治療OP的常用藥，但近年研究發(fā)現，補充維生素D能提高肌力和平衡能力，65歲者以上者效果更好[69]。直接作用體現在：1,25(OH)2D可以通過與維生素D受體(VDR)結合，調節(jié)鈣結合蛋白、細胞內生肌調節(jié)因子(MRFs)、IGF-Ⅰ、IGF-Ⅱ、Myostatin、FGF-Ⅰ的靶基因轉錄，或促進肌細胞發(fā)育；還可以通過快速跨膜信號通路，促進Ca2+內流，增強骨骼肌的收縮功能。維生素D還可能通過維持正常的血鈣和血磷水平間接維持正常的骨骼肌功能。

另外也有研究[70]發(fā)現，相比骨骼肌前體細胞，成熟骨骼肌細胞表達較低水平的VDR和CYP27B1，不具備產生1,25(OH)2D的能力，同時，1,25(OH)2D抑制原代骨骼肌前體細胞增生和分化。這項研究提示，維生素D的基因組效應可能只是通過抑制骨骼肌前體細胞的增生和分化而起作用。前體細胞的增生和分化受抑制后，可能有利于骨骼肌前體細胞的儲備，從而促進骨骼肌的再生。

7 小結與展望

遵循整體觀念，中醫(yī)學經典著作《黃帝內經》對骨-骨骼肌疾病的病機進行了論述?！肮侨獠幌嘤H”理論高度概括了肌骨在病理狀態(tài)下的內在關系，為增齡性肌骨疾病的機制研究指明了方向。補益脾腎及其指導下的中藥方劑是治療OP的常見治則與方藥[71]。今后，以中醫(yī)學“骨肉不相親”理論為指導，以現代先進的生命科學技術為研究方法，繼續(xù)從整體、器官、組織、細胞和分子水平開展系統(tǒng)、深入研究，將會對臨床增齡性肌骨疾病的精準防治提供新的思路和有效藥物。