葡萄糖依賴(lài)的腸促胰島素對(duì)關(guān)節(jié)軟骨損傷保護(hù)機(jī)制的研究進(jìn)展

王世川，王小健，楊烜，王宇澤*

(1.山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院骨科，山西 太原 030001；2.山西省人民醫(yī)院骨科，山西 太原 030001)

骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis，OA)是當(dāng)今世界上最常見(jiàn)的慢性病之一，也是導(dǎo)致疼痛、致畸、致殘的主要原因之一。其特點(diǎn)是關(guān)節(jié)軟骨的逐漸破壞、滑膜炎癥、軟骨下骨退行改變、關(guān)節(jié)周?chē)∪忭g帶的改變以及關(guān)節(jié)疼痛。導(dǎo)致OA的危險(xiǎn)因素包括年齡、性別、社會(huì)經(jīng)濟(jì)地位、家族史和肥胖等。OA的主要病理改變是關(guān)節(jié)軟骨損傷，成人的關(guān)節(jié)軟骨無(wú)血管、淋巴和神經(jīng)支配，且關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞增殖能力很弱，一旦關(guān)節(jié)軟骨發(fā)生損傷，難以自身修復(fù)，必須進(jìn)行人為治療。這是骨關(guān)節(jié)炎臨床治療中的難點(diǎn)，也是當(dāng)前OA藥物治療研究中的熱點(diǎn)。流行病研究發(fā)現(xiàn)，Ⅱ型糖尿病(type Ⅱ diabetes mellitus，T2DM)與骨代謝具有密切相關(guān)性[1]。Piva等學(xué)者也通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，體內(nèi)高血糖的改變可能直接影響軟骨和軟骨下骨的健康，并且軟骨下骨的損傷加速OA的發(fā)生與發(fā)展[2]。運(yùn)用轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)模式，將治療T2DM的藥物用于骨性疾病的治療成為熱點(diǎn)。葡萄糖依賴(lài)的腸促胰島素(glucose-dependent insulinotropic polypepide，GIP)是一種新型的治療糖尿病的藥物，研究表明，GIP也可作用成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞，導(dǎo)致I型膠原表達(dá)、提高膠原之間的交聯(lián)水平；Mieczkowska等[3]發(fā)現(xiàn)在葡萄糖依賴(lài)的腸促胰島素受體(glucose-dependent insulinotropic polypepide receptor，GIPR)敲除的小鼠中出現(xiàn)關(guān)節(jié)組織的損傷。 Xie等[4-5]學(xué)者發(fā)現(xiàn)GIPR在全身多種組織都有表達(dá)，包括軟骨細(xì)胞，這成為GIP應(yīng)用到骨關(guān)節(jié)炎的基礎(chǔ)。本文就骨關(guān)節(jié)炎治療現(xiàn)狀、葡萄糖依賴(lài)的腸促胰島素的概述、Ⅱ型糖尿病與骨關(guān)節(jié)炎的關(guān)系及GIP對(duì)關(guān)節(jié)軟骨損傷的保護(hù)機(jī)制等方面展開(kāi)綜述。

1 骨關(guān)節(jié)炎藥物治療現(xiàn)狀與葡萄糖依賴(lài)的腸促胰島素

1.1 現(xiàn)階段治療骨關(guān)節(jié)炎藥物分類(lèi) 當(dāng)前治療OA的藥物大致可分為非甾體類(lèi)、阿片類(lèi)鎮(zhèn)痛藥及關(guān)節(jié)軟骨營(yíng)養(yǎng)藥物等。非甾體類(lèi)藥物具有解熱、鎮(zhèn)痛、抗炎的作用，在OA的應(yīng)用中此類(lèi)藥物主要是通過(guò)其抗炎作用緩解OA癥狀，對(duì)輕中度的OA有效，此類(lèi)藥物包含布洛芬、塞來(lái)昔布等[6]。當(dāng)非甾體類(lèi)藥物在一些嚴(yán)重OA患者中治療效果不好時(shí)，可考慮使用阿片類(lèi)鎮(zhèn)痛藥，如曲馬多、芬太尼，效果明顯，但是其易成癮性、依賴(lài)性限制了其在臨床中的使用[6]。關(guān)節(jié)軟骨營(yíng)養(yǎng)類(lèi)藥物有效成分大多為軟骨基質(zhì)或關(guān)節(jié)液成分，能夠改善軟骨營(yíng)養(yǎng)，減緩和修復(fù)軟骨退變，但是此類(lèi)常無(wú)明顯的止痛作用，常需與阿片類(lèi)鎮(zhèn)痛藥物或非甾體類(lèi)藥物聯(lián)合使用。

以現(xiàn)有證據(jù)為基礎(chǔ)的治療方法通常對(duì)癥狀較輕的早期OA患者有效，對(duì)具有晚期放射學(xué)表現(xiàn)的OA患者效果不佳。OA雖然是一種最常見(jiàn)的關(guān)節(jié)炎，但在藥物開(kāi)發(fā)方面一直遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他類(lèi)型的關(guān)節(jié)炎，因此研發(fā)OA的新型治療藥物是當(dāng)下科研工作人員的重要任務(wù)。

1.2 葡萄糖依賴(lài)的腸促胰島素 在20世紀(jì)初，人們發(fā)現(xiàn)相較于靜脈注射葡萄糖，口服葡萄糖可以刺激胰島細(xì)胞產(chǎn)生更多的胰島素，此種效應(yīng)被稱(chēng)為腸促胰島素效應(yīng)[7]。

葡萄糖依賴(lài)的腸促胰島素(glucose-dependent insulinotropic polypepide，GIP)又稱(chēng)腸抑胃肽，是一種腸道激素。人類(lèi)的GIP基因位于17號(hào)染色體，含有6個(gè)外顯子，其mRNA約為800個(gè)堿基對(duì)。GIP的基因表達(dá)有可能受到營(yíng)養(yǎng)素的調(diào)控，糖類(lèi)和脂肪的攝入可以刺激GIP的釋放。GIP由小腸上段的K細(xì)胞分泌[8]，在小腸K細(xì)胞中先合成無(wú)活性的GIP前體proGIP，而后由無(wú)活性的proGIP分解產(chǎn)生有活性的GIP[9]。

GIP在人體內(nèi)需與葡萄糖依賴(lài)的腸促胰島素受體(glucose-dependent insulinotropic polypepide receptor，GIPR)結(jié)合，才發(fā)揮作用。研究表明，GIPR在胰腺細(xì)胞、胃、小腸、脂肪組織、肺、心臟、骨、軟骨、血管內(nèi)皮等區(qū)域都廣泛表達(dá)。GIPR為G蛋白偶聯(lián)受體，與GIP具有極高的特異性。Bollag等研究證實(shí)GIP與受體結(jié)合將導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)腺苷酸環(huán)化酶的激活、細(xì)胞內(nèi)鈣離子的濃度增加[10-11]，繼而細(xì)胞內(nèi)cAMP和鈣離子作為第二信使激活下游ERK1/2/MAPK通路，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞存活或增殖[12]。

內(nèi)源性GIP很不穩(wěn)定，易被血漿和細(xì)胞表面的二肽基肽酶Ⅳ(Dipeptidyl peptidase-Ⅳ，DPP-Ⅳ)迅速降解，生物半衰期僅有2 min左右。為避免該肽的潛在治療用途受到多次重復(fù)給藥的限制[13]，我們用右旋丙氨酸取代了GIP的第2位丙氨酸，形成DAla2GIP增加了GIP對(duì)DPP-Ⅳ裂解的抵抗性，使其半衰期明顯延長(zhǎng)至5～6 h。

GIP在調(diào)節(jié)葡萄糖代謝中發(fā)揮重要的作用，而腸促胰島素功能受損在糖尿病發(fā)病機(jī)制中也是一個(gè)重要因素。Ⅱ型糖尿病(T2DM)患者GIP的分泌功能無(wú)缺陷，但是卻存在嚴(yán)重的GIP抵抗。GIP功能的恢復(fù)有助于改善胰島素分泌功能和葡萄糖耐量。針對(duì)GIP及其受體的藥物通過(guò)改善胰島功能或胰島素敏感性成為T(mén)2DM的一種新的治療手段。

2 Ⅱ型糖尿病與骨關(guān)節(jié)炎的關(guān)系

傳統(tǒng)上，OA和T2DM之間的聯(lián)系歸因于年齡和肥胖等潛在的共同風(fēng)險(xiǎn)因素。Piva等學(xué)者通過(guò)新的證據(jù)表明，高血糖的改變可能直接影響軟骨和軟骨下骨的健康，并且軟骨下骨的損傷有助于OA的發(fā)生與發(fā)展[2]。

眾所周知，軟骨細(xì)胞吸收和利用葡萄糖作為其主要的能量來(lái)源、保持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)以及合成細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)[2]。Rosa等[14]學(xué)者發(fā)現(xiàn)人關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞表達(dá)幾種促葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的亞型，其中葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(glucose transporter-1，GLUT-1)與此過(guò)程尤為相關(guān)，因?yàn)槠咸烟寝D(zhuǎn)運(yùn)蛋白1受到軟骨合成代謝與分解代謝刺激的調(diào)控。體外研究表明，在低濃度的葡萄糖培養(yǎng)條件下，正常軟骨細(xì)胞和OA軟骨細(xì)胞將增加葡萄糖的攝取和GLUT-1蛋白表達(dá)；而暴露于高葡萄糖培養(yǎng)條件下，正常軟骨細(xì)胞將減少葡萄糖攝取和GLUT-1蛋白表達(dá)，但OA軟骨細(xì)胞并未出現(xiàn)相應(yīng)改變。此外，高糖可誘導(dǎo)活性氧(reactive oxygen species，ROS)生成，這種效應(yīng)在OA軟骨細(xì)胞中比在正常軟骨細(xì)胞中持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。這些提示OA軟骨細(xì)胞與正常軟骨細(xì)胞不同，暴露于高葡萄糖環(huán)境時(shí)，OA軟骨細(xì)胞下調(diào)GLUT-1含量和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的能力受損，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)葡萄糖積累，氧化應(yīng)激增加。此外，持續(xù)高血糖誘導(dǎo)的晚期糖基化終產(chǎn)物可刺激軟骨細(xì)胞表達(dá)促炎和促退變蛋白。

高血糖及高血糖導(dǎo)致的活性氧的水平增高、糖化終產(chǎn)物增多、炎癥介質(zhì)等將對(duì)軟骨下骨中的間充質(zhì)基質(zhì)干細(xì)胞產(chǎn)生抑制作用。軟骨下骨中的成骨細(xì)胞功能在高血糖條件下也被損害，產(chǎn)生骨蛋白基質(zhì)異常修飾，誘發(fā)慢性炎癥狀態(tài)，引發(fā)糖尿病并發(fā)癥，增加骨折的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)破骨細(xì)胞被激活，進(jìn)一步導(dǎo)致骨重塑異常。這些變化導(dǎo)致軟骨下骨微結(jié)構(gòu)和機(jī)械強(qiáng)度的損傷，從而對(duì)覆于其上的軟骨細(xì)胞產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致OA的發(fā)生。同時(shí)，糖尿病患者體內(nèi)存在鈣平衡紊亂及維生素D代謝異常。高血糖可增加尿鈣排泄，并與甲狀旁腺激素/維生素D產(chǎn)生多種相互作用。大量研究表明，T2DM患者的維生素D狀態(tài)受損。一項(xiàng)對(duì)5 677名T2DM和糖耐量受損患者的橫斷面研究顯示，與對(duì)照組相比，25-OH維生素D(25-OHD)水平顯著降低[15]。

可見(jiàn)葡萄糖代謝的改變將直接影響骨與關(guān)節(jié)的完整性[16]，造成軟骨細(xì)胞損傷、軟骨下骨異常重塑和顯微結(jié)構(gòu)損傷，導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨的退化與損傷。

3 葡萄糖依賴(lài)的腸促胰島素對(duì)關(guān)節(jié)軟骨損傷的保護(hù)機(jī)制

Xie等[4]學(xué)者發(fā)現(xiàn)軟骨細(xì)胞中也有GIPR的表達(dá)，這是GIP作用于軟骨細(xì)胞的基礎(chǔ)。吳松等通過(guò)在淀粉樣前體蛋白/早老素1轉(zhuǎn)基因小鼠實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，GIP與軟骨細(xì)胞表面的GIPR結(jié)合，可以減少TNF-α、MMP-9和MMP-13對(duì)軟骨細(xì)胞的損傷，抑制軟骨纖維化程度及減少Ⅱ型膠原(ColⅡ)的降解，從而達(dá)到保護(hù)軟骨細(xì)胞的目的[17]。

同樣，GIP也可作用于軟骨下骨。GIPR也存在于軟骨下骨中的成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞。有文獻(xiàn)報(bào)道，GIP以?xún)煞N方式提高骨骼質(zhì)量：它有促進(jìn)骨合成代謝和抑制骨分解代謝的作用。Mieczkowska等在小鼠實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，GIP可導(dǎo)致成骨細(xì)胞內(nèi)鈣和cAMP的增加，導(dǎo)致I型膠原表達(dá)、堿性磷酸酶和賴(lài)氨酸氧化酶活性增強(qiáng)，以及更高的酶促膠原交聯(lián)[18]。Nissen[19]也在人體實(shí)驗(yàn)研究中表明，GIP可顯著降低正常和高血糖狀態(tài)下骨吸收標(biāo)志物。大鼠研究表明，GIP可直接或間接地抑制骨吸收。GIP通過(guò)直接作用于破骨細(xì)胞以劑量依賴(lài)性的方式減少破骨小坑面積。

通過(guò)對(duì)GIPR研究發(fā)現(xiàn)，在GIPR敲除小鼠中，骨密度較正常小鼠下降，骨組織形態(tài)學(xué)也顯示骨形成減少，破骨細(xì)胞增多。此外，Tsukiyama等[20]報(bào)道在GIPR敲除小鼠中餐后血漿鈣含量較高，提示GIP可能在骨鈣沉積中發(fā)揮作用。GIPR敲除模型也表明GIP與骨皮質(zhì)厚度、骨承載能力和骨基質(zhì)礦化有關(guān)。在GIPR敲除小鼠實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)盡管小鼠總骨容積和小梁骨量增加，但其骨力學(xué)性能下降。進(jìn)一步確認(rèn)骨量的變化是與GIP有關(guān)。另外，Aleksandra等發(fā)現(xiàn)，GIPR敲除后，小鼠出現(xiàn)關(guān)節(jié)組織的損傷[21]。

4 總結(jié)與展望

人體內(nèi)天然的GIP很不穩(wěn)定，易被二肽基肽酶Ⅳ(DPP-Ⅳ)迅速降解，生物半衰期短。用右旋丙氨酸取代了GIP的第2位丙氨酸，形成DAla2GIP增加了GIP對(duì)DPP-Ⅳ裂解的抵抗性，延長(zhǎng)半衰期，避免了GIP在臨床應(yīng)用的限制。有文獻(xiàn)報(bào)道軟骨細(xì)胞表面存在GIPR[4]，這是GIP應(yīng)用于骨關(guān)節(jié)炎治療的基礎(chǔ)?；诂F(xiàn)有GIP作用于軟骨細(xì)胞、骨細(xì)胞的證據(jù)，我們有理由認(rèn)為，GIP在骨關(guān)節(jié)炎的藥物治療方面具有可觀潛力。但GIP骨關(guān)節(jié)炎中應(yīng)用文獻(xiàn)報(bào)道較少，GIP在關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞中的具體作用及機(jī)制也尚不明確，這是今后我們繼續(xù)研究的重點(diǎn)。