二甲雙胍對2型糖尿病患者骨代謝影響的機制研究

翟婧秀，李駿然，邢磊

骨質(zhì)疏松癥(osteooporsis，OP)是一種以骨組織微結(jié)構(gòu)損壞，導(dǎo)致骨骼脆性增加為特征的全身性骨病[1]，我國60歲以上人群OP患病率為36%[2]，而60歲以上2型糖尿病(type 2 diabetes，T2DM)患者合并OP的發(fā)生率卻超過50%[3]，兩者相差懸殊。由于缺乏高齡患者使用二磷酸鹽類藥物的循證學(xué)依據(jù)，故尚不推薦老年患者長期應(yīng)用二磷酸鹽類藥物治療OP[4]。二甲雙胍對T2DM患者的骨代謝有保護作用[5]，這為高OP發(fā)生率的T2DM患者預(yù)防及治療OP提供了新的方向。本文就二甲雙胍對T2DM患者骨代謝影響的相關(guān)機制綜述如下。

1 降糖作用

血糖增高是T2DM最主要的特征，其對成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞增殖及鈣、磷代謝有重要影響[6]。短期血糖增高可增加腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)及巨噬細(xì)胞集落刺激因子(macrophage Colony-stimulating factor，MCSF)等細(xì)胞因子水平，激活骨保護素(osteoprotegerin,OPG)/NF-κB受體活化因子配體(receptor activator nuclear factor-κB ligand，RANKL)/NF-κB受體活化因子(receptor activator nuclear factor-κB,RANK)系統(tǒng)，促進破骨細(xì)胞增殖，增加骨吸收作用[7]。長期血糖增高則會使血糖相關(guān)的晚期糖基終化末產(chǎn)物(advanced glycation end products，AGEs)大量沉積[8]。AGEs不僅可進一步增加體內(nèi)細(xì)胞因子水平，促進破骨細(xì)胞分化[9]，還可激活cAMP/PKA/ERK信號通路抑制成骨細(xì)胞增殖及功能，削弱骨形成作用[10]。另外，由于T2DM患者血糖升高，導(dǎo)致機體滲透壓變化，通過滲透性利尿作用造成鈣、磷等物質(zhì)流失增加，引起體內(nèi)鈣、磷失衡，危害骨微環(huán)境[11]。

二甲雙胍作為T2DM治療的首選藥物，主要通過抑制肝細(xì)胞線粒體功能、激活磷酸腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase,AMPK)等途徑，增加胰島素敏感性[12]。DeFronzo等[13]進行多中心隨機、雙盲、平行對照研究發(fā)現(xiàn)，單獨使用二甲雙胍對T2DM患者進行降糖治療，短期即可使空腹血糖、餐后血糖及糖化血紅蛋白分別降低3.2 mmol/L、4.0 mmol/L及1.8%。因此，二甲雙胍可通過其明顯的降糖作用有效緩解高血糖引起的破骨細(xì)胞功能增強、成骨細(xì)胞功能受抑制及鈣、磷丟失狀況，降低高血糖對骨代謝產(chǎn)生的負(fù)面作用。

2 影響骨髓間充質(zhì)細(xì)胞分化

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchyml stem cell，BMSCs)是具有分化形成骨、軟骨、脂肪等多種分化潛能的細(xì)胞亞群，成骨細(xì)胞及脂肪細(xì)胞均來自BMSCs分化[14]。在模擬T2DM高糖條件下，Barbagallo等[15]通過細(xì)胞實驗發(fā)現(xiàn)，人工BMSCs可抑制成骨細(xì)胞分化，并誘導(dǎo)BMSCs向脂肪細(xì)胞方向分化。王俊成[16]通過動物實驗發(fā)現(xiàn)，雄性C57小鼠的BMSCs可通過刺激其細(xì)胞內(nèi)某種microRNA的水平增加，導(dǎo)致骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(bone morphogenetic protein,BMP-2)水平減少，進而抑制BMSCs向成骨細(xì)胞分化。由此說明，BMSCs在高糖狀態(tài)下向成骨細(xì)胞方向分化的功能受到抑制。二甲雙胍可通過激活A(yù)MPK及抑制過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferators-activated receptorγ，PPARγ)途徑，促進BMSCs向成骨細(xì)胞分化[17]。

AMPK是調(diào)控細(xì)胞代謝能量穩(wěn)態(tài)的重要激酶，負(fù)責(zé)監(jiān)管細(xì)胞輸入和輸出[18]。BMP-2和骨橋蛋白(osteopontin,OPN)是成骨細(xì)胞分化、成熟的重要因子[19]。二甲雙胍通過激活A(yù)MPK代謝途徑，不僅可增強BMP-2及OPN的表達(dá)與分泌[20]，促進成骨細(xì)胞分化及成熟，還能加速核轉(zhuǎn)錄受體相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2與成骨細(xì)胞中小異二聚體伴侶蛋白形成復(fù)合物，調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞相關(guān)靶基因表達(dá)水平，誘導(dǎo)BMSCs向成骨細(xì)胞方向分化，增強骨形成作用[20-21]。Budoff等[22]還發(fā)現(xiàn)，激活A(yù)MPK途徑可減少同型半胱氨酸誘導(dǎo)的骨細(xì)胞凋亡。因此，二甲雙胍在激活A(yù)MPK途徑后，一方面可增加BMSCs向成骨細(xì)胞分化，促進成骨細(xì)胞增殖，另一方面還可抑制骨細(xì)胞凋亡，改善骨代謝。

PPARγ是一種核激素受體，與觸發(fā)OP的關(guān)鍵因子有關(guān)[23]。Akune等[24]發(fā)現(xiàn)，純合子PPARγ缺陷的胚胎干細(xì)胞不能分化為脂肪細(xì)胞，但可自發(fā)分化成骨細(xì)胞，且這些缺陷可通過重新引入PPARγ基因恢復(fù)。動物實驗表明，當(dāng)PPARγ在成骨細(xì)胞中特異性表達(dá)時，激活PPARγ會降低雄性小鼠的骨形成和骨密度，并加速雌性小鼠雌激素缺乏相關(guān)性的骨丟失[25]；當(dāng)PPARγ在成骨細(xì)胞缺失時，小鼠破骨細(xì)胞分化受損，發(fā)生以骨量增加為特征的骨硬化[26]。這些實驗結(jié)果說明抑制PPARγ介導(dǎo)的信號通路可減少BMSCs向脂肪細(xì)胞分化，增加成骨細(xì)胞功能，減少骨丟失。蘭天等[27]研究指出，二甲雙胍可通過抑制脂肪代謝基因Galectin-3的mRNA及其蛋白表達(dá)，從而抑制PPARγ基因的mRNA及蛋白表達(dá)。因此，通過對PPARγ的抑制，二甲雙胍同樣可以誘導(dǎo)BMSCs向成骨細(xì)胞分化，改善骨代謝狀況，增加骨量。

總之，二甲雙胍對BMSCs分化方向可產(chǎn)生影響，進而促進成骨細(xì)胞增殖，增強骨形成作用，減少骨密度下降，改善T2DM患者骨代謝。

3 減少血糖相關(guān)晚期糖基終化末產(chǎn)物

AGEs是過量的糖和蛋白質(zhì)結(jié)合的產(chǎn)物，在長期高血糖狀態(tài)下，骨膠原中的高糖可以產(chǎn)生高濃度的AGEs，如戊糖苷等[8]。AGEs及其受體一方面可直接抑制成骨細(xì)胞功能[28]，還可通過修飾骨周膠原物質(zhì)令骨組織喪失柔韌性和彈性，增加骨骼脆性[29]。Sanguineti等[30]證實，成骨細(xì)胞內(nèi)戊糖苷含量增高可致骨轉(zhuǎn)換標(biāo)志物顯著減少。Schwartz等[31]發(fā)現(xiàn)，尿液中較高的戊糖苷水平是成年T2DM患者骨折的危險因素。這些說明戊糖苷會抑制成骨細(xì)胞功能，阻礙骨生成，同時增加骨骼脆性。同時，這些結(jié)論在糖尿病動物模型分離的骨骼中也得到印證。張燕等[32]發(fā)現(xiàn)，AGEs可通過干擾模型小鼠Wnt/LRP5/β-catenin通路阻礙BMSCs向成骨細(xì)胞分化。Saito等[33]研究結(jié)果指出，戊糖苷含量增加與模型小鼠骨骼力學(xué)性能受損一致。以上均說明T2DM患者體內(nèi)過量的AGEs，可通過多種途徑抑制成骨細(xì)胞增殖及功能，損傷骨膠原，降低骨強度，增加骨骼脆性。

二甲雙胍可削弱AGEs及其受體對骨骼的影響。除經(jīng)發(fā)揮降糖作用減少體內(nèi)AGEs生成及沉積外，二甲雙胍還可抑制AGEs受體的表達(dá)，即二甲雙胍在減少AGEs的沉積的同時，還能解除AGEs及其受體對成骨細(xì)胞的抑制作用，逆轉(zhuǎn)骨損害[34]。Schurman等[35]還發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍也通過抑制RAGE蛋白表達(dá)上調(diào)的途徑，減輕AGEs對原代成骨細(xì)胞外基質(zhì)成熟和礦化的抑制作用，促進原代成骨細(xì)胞的堿性磷酸酶活性及鈣化。由此說明，二甲雙胍可經(jīng)由多種途徑降低體內(nèi)AGEs及其受體水平，減輕骨骼脆性增加程度，減弱成骨細(xì)胞及其細(xì)胞外基質(zhì)的抑制作用，促進成骨細(xì)胞成熟及骨骼礦化。

4 緩解氧化應(yīng)激作用

氧化應(yīng)激作用是指細(xì)胞內(nèi)氧自由基的產(chǎn)生與清除失衡，導(dǎo)致活性氧(reactive oxygen species,ROS)等氧化應(yīng)激指標(biāo)在體內(nèi)或細(xì)胞內(nèi)蓄積而引起的氧化損傷過程[36]。T2DM患者體內(nèi)過多的血糖可通過各種代謝途徑生成ROS族產(chǎn)物，損傷胰島β細(xì)胞功能，發(fā)揮糖毒性[37]。由于氧化應(yīng)激與高血糖互相作用，因此氧化應(yīng)激作用既是T2DM的病因，也是其結(jié)果[37-39]，故T2DM患者體內(nèi)氧化應(yīng)激水平較高。Manolagas等[40]發(fā)現(xiàn)，ROS在骨細(xì)胞內(nèi)可抑制骨細(xì)胞的生成及存活，在成骨細(xì)胞內(nèi)可抑制成骨細(xì)胞的發(fā)生并刺激成骨細(xì)胞凋亡。姚娜等[41]發(fā)現(xiàn)，氧化應(yīng)激作用產(chǎn)生的TNF-α可作為刺激破骨細(xì)胞增殖及分化的細(xì)胞因子，通過多種途徑如促進破骨細(xì)胞上V-ATP酶的表達(dá)，增加破骨細(xì)胞活性。值得注意的是，當(dāng)氧化應(yīng)激和糖基化增加與衰老及與生活方式有關(guān)的疾病(如T2DM等)相關(guān)時，骨基質(zhì)中的膠原分子之間的非生理交聯(lián)增加，使骨強度減低[42]。因此，T2DM患者(尤其老年患者)體內(nèi)氧化應(yīng)激水平增高，會抑制機體骨細(xì)胞及成骨細(xì)胞增殖及活性，刺激破骨細(xì)胞功能增強，降低骨強度，即在減少骨生成并增加骨吸收作用的同時，還使骨骼脆性增加。以上也說明，T2DM與OP在發(fā)生機制上存在一定聯(lián)系，能夠部分解釋T2DM患者合并OP發(fā)生率較高的原因。

二甲雙胍能夠在多種組織發(fā)揮抗氧化特性[43]。除利用降糖作用減少氧化應(yīng)激產(chǎn)物生成外，Venu等[44]最新研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍還可通過影響小鼠Nr4a1脯氨酸P505/P549序列(對應(yīng)于人類P501/P546)激活A(yù)MKP信號途徑，降低機體ROS水平。此外，甄東戶等[45]還指出，二甲雙胍可通過降低AGEs含量，減少AGEs誘導(dǎo)下成骨細(xì)胞內(nèi)ROS的形成。即二甲雙胍可通過降低體內(nèi)氧化應(yīng)激指標(biāo)ROS的水平，減弱機體氧化應(yīng)激作用，從而增加骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞生成及存活，抑制破骨細(xì)胞活性，改善骨質(zhì)及骨質(zhì)量。

5 影響OPG/RANKL/RANK系統(tǒng)

OPG/RANKL/RANK系統(tǒng)作為維持骨重建的核心系統(tǒng)，在維持骨代謝平衡及骨免疫應(yīng)答調(diào)控中扮演極其重要的角色[46]。OPG可競爭性抑制RANK與RANKL的結(jié)合，若OPG/RANKL/RANK系統(tǒng)失衡，則可形成以破骨細(xì)胞介導(dǎo)為主的負(fù)性骨重建失衡狀態(tài)，此時MCSF與RANKL發(fā)生協(xié)同作用，誘發(fā)OP級聯(lián)的發(fā)生[46-47]。OPG與RANKL的比例是調(diào)節(jié)骨吸收和骨形成平衡的重要因素，當(dāng)OPG/RANKL比例上調(diào)時，成骨活性增強，骨代謝為正向骨平衡，反之則處于破骨活性效應(yīng)增強下的負(fù)性骨平衡[48]。二甲雙胍是RANKL的抑制劑。Lee等[49]研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍可通過影響AMPK的上游激酶CaMKK和TAK1，使AMPKα亞基172位蘇氨酸磷酸化，從而負(fù)調(diào)控RANKL水平。Mai等[50]研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍激活A(yù)MPK途徑后可影響OPG/RANKL mRNA和蛋白表達(dá)，使成骨細(xì)胞OPG上調(diào)并下調(diào)RANKL水平，增加OPG/RANKL比例。即二甲雙胍可通過對AMPK信號通路的影響，引起RANKL水平下降，這有助于提高OPG/RANKL比例，實現(xiàn)骨代謝的正向調(diào)節(jié)。

6 影響去乙?；?表達(dá)及B細(xì)胞核因子κ-輕鏈增強子水平

B細(xì)胞核因子κ-輕鏈增強子(B Nuclear factor kappa - light chain enhancer，NF-κB)是一個關(guān)鍵點轉(zhuǎn)錄因子[51]，其作用較多，其中之一是限制骨祖細(xì)胞向成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞、骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞的分化[52]。去乙酰化酶(sirtuin，SIRT 6)是沉默配型信息調(diào)節(jié)因子家族的成員，主要在細(xì)胞核中表達(dá)[53]。SIRT 6與NF-κB在骨代謝中有相互作用，類似OPG/RANKL的相互作用[54-56]，即SIRT 6表達(dá)增加，促進正向骨代謝，NK-κB水平增高則出現(xiàn)負(fù)向骨代謝。D′Onofrio等[54]研究結(jié)果顯示，SIRT6參與了肥胖糖尿病前期患者腹部皮下脂肪的炎癥通路，但肥胖糖尿病前期患者接受二甲雙胍治療后，其腹部脂肪組織SIRT6表達(dá)水平升高，而NF-κB表達(dá)水平降低。Mu等[56]通過動物實驗證實，二甲雙胍可通過調(diào)節(jié)AMPK-mTORC2和AKT-mTORC1信號軸促進SIRT6的表達(dá)，抑制NF-κB[56]。Sardu等[57]指出，二甲雙胍也可通過降低炎癥參數(shù)、瘦素水平等途徑增加體內(nèi)SIRT6水平。由此可見，二甲雙胍可通過多種途徑增加體內(nèi)SIRT6表達(dá)，減弱NK-κB的作用，改善骨代謝狀態(tài)。

綜上所述，雖然研究者已在二甲雙胍對T2DM患者骨代謝產(chǎn)生影響的相關(guān)機制領(lǐng)域方面取得了諸多進展，但T2DM對骨代謝負(fù)面影響的機制仍未完全了解，仍需要在許多領(lǐng)域進行深入研究，如從細(xì)胞培養(yǎng)和動物模型中獲得的知識需要在人體中得到驗證，而且骨骼中數(shù)量最豐富的骨細(xì)胞在糖尿病條件下對骨健康的貢獻(xiàn)仍不明確。另外，臨床還需要更可靠和敏感的骨質(zhì)量生物標(biāo)記物對骨骼疾病進行早期檢測。臨床試驗證實，運動可改善高危人群的胰島素作用[58]。盡管藥物干預(yù)也有效，但包括運動和飲食在內(nèi)的生活方式管理似乎是防止發(fā)展為T2DM等代謝性疾病的最有效策略[59-60]。有報道稱，在骨質(zhì)疏松高危人群中，一定的運動方案可有效改善骨密度[61-62]。因此，對高?；颊卟扇∵\動、飲食和藥物干預(yù)相結(jié)合的預(yù)防計劃很有可能產(chǎn)生有益效果，這方面研究也值得進一步深入研究。

利益沖突：所有作者聲明無利益沖突。