下丘腦介導(dǎo)能量代謝與骨骼反調(diào)節(jié)及其運動干預(yù)機制研究進展

徐 帥，陳祥和，李世昌

骨骼的長長、長粗受多種因素控制，大腦通過多種途徑調(diào)節(jié)骨骼發(fā)育，并證實了大腦作為骨骼穩(wěn)態(tài)的重要調(diào)節(jié)中樞（Chamouni et al.，2015）。在傳統(tǒng)理論體系中，下丘腦（hypothalamus）因神經(jīng)內(nèi)分泌功能而被認(rèn)可，是機體內(nèi)的調(diào)節(jié)區(qū)域之一，具有血腦屏障半滲透功能。長期以來，下丘腦被作為能量平衡、攝食和新陳代謝等功能調(diào)節(jié)器，不僅整合和傳遞來自外周組織的信號，同時傳遞來自大腦本身的信號，下丘腦室旁核（paraventricular nucleus，PVN）可分泌多種激素類物質(zhì)，刺激腦垂體前葉（anterior pituitary），隨后經(jīng)靶器官分泌，最終影響骨形成（bone formation）和骨吸收（bone resorption）水平（Idelevich et al.，2018）。下丘腦損傷后，可引起下丘腦飲食失衡，導(dǎo)致下丘腦性肥胖（Rosiane et al.，2019）。下丘腦弓狀核（arcuate nucleus，ARC）能夠分泌能量代謝調(diào)節(jié)物，形成對骨形成和骨吸收調(diào)控。下丘腦利用內(nèi)分泌機制參與骨骼代謝調(diào)節(jié)，如甲狀腺中促甲狀腺素（thyroid stimulating hormone，TSH）和甲狀腺素（intravenous levothyroxine，T4），性腺中雌激素、雄激素和黃體生成素（luteinizing hormone，LH），腎上腺素中促腎上腺皮質(zhì)激素（adrenocorticotropic hormone，ACTH）和皮質(zhì)醇，生長激素中胰島素樣生長因子1（insulin-like growth factor 1，IGF-1）和生長激素（growth hormone，GH），由此通過靶組織激素的釋放直接或間接地影響能量代謝（圖1）。另一途徑涉及交感神經(jīng)系統(tǒng)（sympathetic nervous system，SNS）和外圍神經(jīng)系統(tǒng)（peripheral nervous system，PNS）調(diào)節(jié)自主神經(jīng)系統(tǒng)的活性，激活位于骨細(xì)胞上的腎上腺素能和/或膽堿能受體，調(diào)節(jié)骨形成和骨吸收以維持骨骼穩(wěn)態(tài)（Idelevich et al.，2018）。

圖1 瘦素調(diào)節(jié)下丘腦內(nèi)飲食攝入和能量代謝（Upadhyay et al.，2015）Figure 1. Leptin Regulates Dietary Intake and Energy Metabolism in the Hypothalamus

在下丘腦攝食方面探索中，ARC中包含兩類攝食信號通路：促食性AgRP/NPY神經(jīng)元和厭食性POMC/CART神經(jīng)元，共同調(diào)節(jié)食物攝入和能量代謝（Bai et al.，2005）。而當(dāng)輔助蛋白1（anciliary protein 1，AP1）阻滯劑靶性指向AgRP/NPY神經(jīng)元或POMC/CART神經(jīng)元，會以甘丙肽依賴性方式增加骨量，而靶向AP1阻滯劑至腹內(nèi)側(cè)下丘腦（ventromedial hypothalamus，VMH）神經(jīng)元類固醇生成因子1（steroidogenic factor-1，SF-1）產(chǎn)生相反的骨質(zhì)減少現(xiàn)象。其中VMH神經(jīng)元會特異性激活內(nèi)分泌垂體和/或神經(jīng)元下游反應(yīng)，維持能量代謝和骨骼穩(wěn)態(tài)，在骨骼生長發(fā)育中，瘦素（leptin）調(diào)節(jié)AgRP/NPY神經(jīng)元和POMC/CART神經(jīng)元并改變基因轉(zhuǎn)錄以協(xié)調(diào)能量穩(wěn)態(tài)（Hill et al.，2010）。此外，骨骼和下丘腦神經(jīng)系統(tǒng)之間的相互作用被證實（Chamouni et al.，2015），骨骼可影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和認(rèn)知功能。在骨骼-下丘腦反調(diào)節(jié)中，骨骼作為新型分泌源分泌骨鈣素（osteocalcin，OCN）和脂質(zhì)蛋白2（lipocalin-2，LCN2），繼而回歸大腦，以刺激下丘腦能量代謝。運動作為干預(yù)機體能量代謝手段之一，對促進下丘腦中神經(jīng)生物學(xué)機制具有重要作用，能夠引起下丘腦激素變化，從而達(dá)到機體能量代謝平衡，引起下游靶組織向良性循環(huán)發(fā)展，同時運動也會明顯改善骨骼質(zhì)量，促進成骨細(xì)胞生成，增強骨代謝效果。本文通過梳理下丘腦對骨骼的調(diào)控機制，以及運動干預(yù)措施的介導(dǎo)，最終形成兩條相互串?dāng)_的生物機制，即運動干預(yù)下丘腦-骨骼信號傳導(dǎo)和運動干預(yù)骨骼-下丘腦信號傳導(dǎo)的雙向通路，闡述運動調(diào)節(jié)能量代謝和骨代謝之間的影響。

1 AgRP/NPY神經(jīng)元調(diào)控能量代謝及骨穩(wěn)態(tài)

刺豚鼠相關(guān)肽（agouti-related peptide，AgRP）和神經(jīng)肽Y（neuropeptide Y，NPY）共表達(dá)促食欲調(diào)節(jié)（Wee et al.，2016）。AgRP/NPY神經(jīng)元中脯氨酰羧肽酶（prolyl carboxypeptidase，PRCP）控制α-MSH降解，調(diào)節(jié)PVN中黑皮質(zhì)素信號，AgRP/NPY神經(jīng)元調(diào)節(jié)厭食性POMC/CART神經(jīng)元刺激（Bruschetta et al.，2018），以調(diào)節(jié)能量代謝和攝食行為滿足營養(yǎng)需求。在飼養(yǎng)至禁食階段，飽食小鼠AgRP/NPY神經(jīng)元調(diào)節(jié)表達(dá)出較高水平的小電導(dǎo)鈣激活鉀通道3（small-conductance calcium-activated potassium channel 3，SK3），而禁食可抑制AgRP/NPY神經(jīng)元中SK3表達(dá)，降低SK3介導(dǎo)電流有助于神經(jīng)元激活。更為特別的是，AgRP/NPY神經(jīng)元中SK3遺傳突變導(dǎo)致飲食誘導(dǎo)的肥胖敏感增強，與慢性飲食過度和能量代謝減少相關(guān)（He et al.，2016）（表1）。

表1 下丘腦中央輸出調(diào)節(jié)骨骼穩(wěn)態(tài)Table 1 Central Output of the Hypothalamus Regulates Bone Homeostasis

1.1 AgRP神經(jīng)元介導(dǎo)能量代謝及骨穩(wěn)態(tài)

AgRP神經(jīng)元位于ARC內(nèi)側(cè)下方，臨近第三腦室，由132個氨基酸的多肽組成，屬于“饑餓敏感神經(jīng)元”，過度表達(dá)可導(dǎo)致肥胖發(fā)生（王夢遠(yuǎn)等，2019）。AgRP神經(jīng)元通過黑皮質(zhì)素信號系統(tǒng)發(fā)揮能量代謝調(diào)節(jié)，通過黑皮質(zhì)素受體1（melanocortin receptor 1，MCR-1）競爭性拮抗作用，以旁分泌方式抑制α-MSH誘導(dǎo)豚鼠優(yōu)黑素沉積，控制飲食并涉及外周組織；通過拮抗大腦中黑皮質(zhì)素受體3（melanocortin receptor 3，MCR-3）和黑皮質(zhì)素受體4（melanocortin receptor 4，MCR-4）信號傳導(dǎo)促進飲食和體重水平（Flier，2006；Morton et al.，2001），下丘腦神經(jīng)元MCR-4接受協(xié)同和拮抗信號，是AgRP和NPY神經(jīng)元共同產(chǎn)生的內(nèi)源性拮抗機制，促進食物攝入和能量平衡，MCR-4會引起分解代謝信號，降低食欲，導(dǎo)致體重減輕；MCR-4減少誘導(dǎo)飲食過多和肥胖。敲除AgRP基因小鼠后，AgRP功能喪失并產(chǎn)生較低能量代謝體征，形成正常水平體重。瘦素敲除（ob/ob）小鼠或瘦素受體敲除（db/db）小鼠存在AgRP水平過表達(dá)，而ob/ob小鼠AgRP表達(dá)在瘦素處理后出現(xiàn)降低現(xiàn)象（Morton et al.，2001）。

AgRP神經(jīng)元還參與骨穩(wěn)態(tài)。3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶-1（3-phosphoinositide-dependentprotein kinase-1，PDK1）作為AgRP神經(jīng)元信號中主要調(diào)節(jié)分子，可針對瘦素和胰島素進行調(diào)節(jié)。在AgRP轉(zhuǎn)基因小鼠研究中，AgRP神經(jīng)元缺失或Sirt1缺失（AgRP-Sirt1-/-）的小鼠骨量隨之減少（Kim et al.，2015；Morton et al.，2001）。與AgRP Cre小鼠相比，6周齡AgRP PDK1-/-雌性小鼠體重?zé)o變化，而小鼠體長和股骨長度變短，股骨中皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨骨密度（bone mineral density，BMD）下降，骨形成過程延遲。此外，下丘腦中IGF-1和GH水平下降，下丘腦ARC中GH和生長激素釋放激素（growth hormone-releasing hormone，GHRH）表達(dá)降低，并抑制成骨細(xì)胞活性，增強破骨細(xì)胞活性。

1.2 NPY神經(jīng)元介導(dǎo)能量代謝及骨穩(wěn)態(tài)

NPY神經(jīng)元由中樞神經(jīng)系統(tǒng)（central nervous system，CNS）和PNS產(chǎn)生，并在下丘腦ARC中高表達(dá)（Sharan et al.，2014）。研究發(fā)現(xiàn)，24 h禁食后，會明顯提高ARC中NPY神經(jīng)元水平，以促進食欲產(chǎn)生，同時減少能量代謝，此類環(huán)境下，皮質(zhì)骨量、松質(zhì)骨量以及骨形成環(huán)境會明顯降低（Baldock et al.，2009）。胰腺β細(xì)胞釋放胰島素可穿過血腦屏障并抑制ARC中NPY神經(jīng)元表達(dá)，從而減少能量攝入。早期研究發(fā)現(xiàn)，骨中NPY神經(jīng)元免疫反應(yīng)纖維最常見于血管，骨膜細(xì)胞和骨襯細(xì)胞中心的NPY神經(jīng)元治療與骨量減少有關(guān)。NPY敲除小鼠成骨細(xì)胞活性增加；WT小鼠腦內(nèi)注射NPY，會明顯導(dǎo)致骨松質(zhì)體積減少（徐帥等，2018）。

依賴于全身性NPY神經(jīng)元耗竭，驗證其NPY對骨骼影響。體外研究發(fā)現(xiàn)，NPY缺陷性骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）顯示出堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）增加，成骨分化、骨涎蛋白（bone sialoprotein）和 OCN 表達(dá)水平升高（Wee et al.，2019）。全身性敲除NPY小鼠，出現(xiàn)軀干及四肢骨量水平升高，且在皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨中有很強成骨細(xì)胞活性；NPY對于Osterix、Runx2、ALP等分子水平提高具有重要調(diào)節(jié)作用（Baldock et al.，2009）。NPY介導(dǎo)的生物學(xué)功能主要與相應(yīng)受體進行結(jié)合，NPY能夠調(diào)節(jié)G蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptors，GPCRs），主要包括：Y1、Y2、Y4、Y5和Y6，當(dāng)NPY持續(xù)減弱或者受體信號丟失時，在皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨中可增加成骨細(xì)胞活動和骨骼質(zhì)量，其中Y1和Y2是調(diào)節(jié)骨穩(wěn)態(tài)關(guān)鍵因素，具有抑制骨形成功能（Shi et al.，2012）。除在下丘腦中進行Y1和Y2表達(dá)，白色脂肪中也存在Y1和Y2表達(dá)，Y1通過下丘腦進行表達(dá)，還可以通過骨細(xì)胞自身分泌NPY和Y1進行骨質(zhì)量調(diào)節(jié)。在骨骼的調(diào)節(jié)中，Y2與海馬中的瘦蛋白受體共定位，Y2的全身缺失會引發(fā)松質(zhì)骨表型增加。NPY神經(jīng)元中的核因子Kβ受體活化 因 子（receptor for activation of nuclear factor kappa β，RANK）信號傳導(dǎo)參與調(diào)節(jié)NPY水平并匹配骨量與體重（Lee et al.，2018）。

1.3 運動干預(yù)AgRP/NPY神經(jīng)元的調(diào)節(jié)機制

生活方式改變導(dǎo)致食物和熱量攝入加劇、能量消耗減少，暴飲暴食增加AgRP/NPY神經(jīng)元表達(dá)，引起下丘腦飲食調(diào)節(jié)紊亂，導(dǎo)致食欲和能量平衡受到破壞，增加T2DM、心血管疾病和代謝綜合征等風(fēng)險。急性運動刺激食欲和攝入能力取決于運動強度、持續(xù)時間和刺激AgRP、NPY蛋白表達(dá)水平（Ghanbari-Niaki et al.，2007）。研究表明，定期進行運動鍛煉會減少體重改善代謝特征，并在攝食行為中起重要作用，而運動方式和時長不同對POMC/α-MSH和AgRP/NPY系統(tǒng)影響不同（Benite-Ribeiro et al.，2016）。運動能夠提高神經(jīng)系統(tǒng)敏感性和下丘腦生理功能，改善AgRP/NPY基因表達(dá)，但是在不同位置，其表達(dá)量并不一致：經(jīng)有氧運動后，大鼠下丘腦ARC中NPY基因表達(dá)和蛋白水平明顯下降；而在大強度跑輪運動中，下丘腦NPY水平上升；經(jīng)一次性運動刺激，肥胖大鼠血清NPY水平下降；中等強度運動會抑制下丘腦NPY分泌；長時間大強度會刺激NPY分泌（徐帥等，2018）。由鏈脲佐菌素（streptozotocin，STZ）誘導(dǎo)的久坐不動糖尿病大鼠，在下丘腦PVN和ARC中均表現(xiàn)出NPY表達(dá)增強效果，在糖尿病運動組中，發(fā)現(xiàn)糖尿病對NPY的誘導(dǎo)作用存在抑制效果（Shin et al.，2003）。MCR-4敲除小鼠出現(xiàn)高胰島素血癥和高瘦素血癥，表現(xiàn)出肥胖、飲食過多、能量代謝紊亂現(xiàn)象；經(jīng)過8周自主運動后，MCR-4-/-小鼠胰島細(xì)胞形態(tài)功能改善，下丘腦AgRP、NPY-Y1R表達(dá)水平得以調(diào)節(jié)（Haskell-Luevano et al.，2009）。

2 POMC/CART神經(jīng)元調(diào)控能量代謝及骨穩(wěn)態(tài)

黑素皮質(zhì)素（proopiomelanocortin，POMC）和可卡因-苯丙胺調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄肽（cocaine and amphetamine regulated transcript，CART）是位于下丘腦ARC中的抑食性神經(jīng)肽（Wee et al.，2016），存在于反射區(qū)（retrochiasmatic area，RCh），經(jīng)下丘腦ARC跨入PVN中。激活POMC/CART神經(jīng)元后，可向下游神經(jīng)元通路發(fā)出信號，抑制攝食并增加能量消耗（Hill，2010；Subhedar et al.，2014）（表1）。

2.1 POMC神經(jīng)元介導(dǎo)能量代謝及骨穩(wěn)態(tài)

POMC屬于多種功能性肽激素，包括ACTH、黑素細(xì)胞刺激激素（α-MSH、β-MSH和γ-MSH）和β-內(nèi)啡肽。源自POMC基因產(chǎn)物α-MSH刺激性激素，抑制攝食并誘導(dǎo)體重減輕（Flier，2006）。POMC神經(jīng)元受到瘦素調(diào)節(jié)。瘦素作為肥胖基因，控制機體成分，增加POMC表達(dá)水平，抑制AgRP/NPY表達(dá)水平進而改善神經(jīng)元活性。瘦素與其瘦素受體（leptin receptor，LepR）結(jié)合，在下丘腦ARC中激活JAK/STAT3信號通路，調(diào)節(jié)POMC神經(jīng)元活性。POMC基因編碼脫乙?；梁谏丶?xì)胞刺激素（desacetyl alpha melanocyte stimulating hormone，DA-αMSH），DA-αMSH分泌α-MSH，作為抑食性神經(jīng)肽，通過結(jié)合和激活黑皮質(zhì)素受體（melanocortin receptors，MCRs）調(diào)節(jié)飲食和能量消耗過程，MCR-4在能量消耗中起主要作用（Balthasar et al.，2004）。

敲除POMC神經(jīng)元時，骨骼質(zhì)量明顯下降，機體患骨質(zhì)疏松癥的幾率增加（Sudo et al.，2005）。研究發(fā)現(xiàn)，下丘腦能夠作用于成骨細(xì)胞的β2-腎上腺素能受體（β2-adrenergic receptors，Adrb2）繼而調(diào)節(jié)骨代謝。瘦素通過2種不同拮抗途徑控制骨吸收。一方面，通過Adrb2交感神經(jīng)信號促進破骨細(xì)胞分化；另一方面，CART的抑制作用，對NF-Kβ受體活化因子配體（receptor for activation of nuclear factor kappa β ligand，RANKL）表達(dá)進行調(diào)節(jié)。Adrb2缺陷小鼠顯示SNS通過增加成骨細(xì)胞中RANKL表達(dá)，提高骨吸收水平，同時伴有活化轉(zhuǎn)錄因子4（activating transcription factor 4，ATF4）磷酸化，ATF4是成骨細(xì)胞分化所必需的細(xì)胞特異性cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白（cAMP response element binding protein，CREB）相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子和特異性CREB/ATF家族成員，并介導(dǎo)成骨細(xì)胞中RANKL交感性調(diào)節(jié)（Elefteriou et al.，2005）。

2.2 CART神經(jīng)元介導(dǎo)能量代謝及骨穩(wěn)態(tài)

下丘腦CART神經(jīng)元在ARC、下丘腦外側(cè)區(qū)（lateral hypothalamic region，LHA）、PVN和背內(nèi)側(cè)核（dorsal medial hypothalamic nucleus，DMN）等區(qū)域高密度表達(dá)，是多種生物能量代謝過程調(diào)節(jié)的主要神經(jīng)肽；并表現(xiàn)出組織和腦區(qū)特異功能，包括攝食控制、體重維持、精神興奮、神經(jīng)內(nèi)分泌功能和能量穩(wěn)態(tài)維持等。直接注射CART到下丘腦ARC或LHA中可引發(fā)促食反應(yīng)，且兩個區(qū)域也顯示出差異化神經(jīng)化學(xué)反應(yīng)，通過禁食顯著降低下丘腦ARC中CART mRNA表達(dá)水平，而在重新進食后得以恢復(fù)；但在下丘腦LHA中未發(fā)現(xiàn)有此類現(xiàn)象。此外，LHA中CART與促食黑色素濃縮激素（melanin-concentrating hormone，MCH）共存，進一步揭示不同下丘腦區(qū)域和神經(jīng)元中CART神經(jīng)元表達(dá)的不同功能（Lau et al.，2018）。特別與飲食相關(guān)的下丘腦區(qū)域中，CART表達(dá)在神經(jīng)內(nèi)分泌神經(jīng)元中具有顯著優(yōu)勢，同時CART神經(jīng)元也是潛在骨吸收調(diào)節(jié)器（Wong et al.，2008）。

下丘腦CART缺失導(dǎo)致骨骼RANKL表達(dá)增加以及骨量減少，RANKL通過血腦屏障并與RANK結(jié)合，RANKL抑制食物攝入，即說明外周RANKL導(dǎo)致攝食行為改變（Zhu et al.，2018）。CART-/-小鼠在不改變成骨細(xì)胞功能前提下，可提高破骨細(xì)胞生成以及骨吸收水平；MCR-4-/-小鼠存在肥胖和高瘦素表達(dá)現(xiàn)象，同時CART水平增加，骨吸收降低，而在骨形成水平中沒有顯著變化（Lau et al.，2018）。MCR-4-/-小鼠中CART水平不足，表現(xiàn)出高骨量變化；當(dāng)增加下丘腦中CART水平后，骨吸收水平降低。除此以外，機體還可通過瘦素介導(dǎo)CART和SNS調(diào)節(jié)骨骼穩(wěn)態(tài)，繼而經(jīng)RANKL表達(dá)抑制骨吸收（Ahmadian-Moghadam et al.，2018）。

2.3 運動干預(yù)POMC/CART神經(jīng)元的調(diào)節(jié)機制

運動能夠有效改善機體內(nèi)環(huán)境已經(jīng)達(dá)成共識，但運動強度、頻率、時長直接決定運動效果，由此所引發(fā)的運動效果，也會直接地表現(xiàn)在攝食水平中。研究發(fā)現(xiàn)，在一次性小強度運動下，攝食活動增強，機體促食欲神經(jīng)肽升高，而隨著運動時間延長或運動強度提高，機體厭食欲神經(jīng)肽水平也會升高，出現(xiàn)運動后攝食活動下降現(xiàn)象（劉媛等，2019）。定期運動后，下丘腦POMC和MCR-4表達(dá)水平升高，經(jīng)7周運動后，再進行急性運動時，下丘腦POMC水平立即升高，甚至運動后3 h仍保持高水平（Benite-Ribeiro et al.，2016）；自主運動大鼠下丘腦中POMC mRNA上調(diào)對體重、肥胖和激素分泌均有良性作用（Carnier et al.，2013）。甚至在進行安樂死前3周內(nèi)沒有進行運動干預(yù)，也可觀察到下丘腦POMC增加。因此，研究認(rèn)為運動對下丘腦POMC影響可以在運動后持續(xù)很長時間。此外，MCR-4-/-小鼠食物攝入調(diào)節(jié)中，安靜組MCR-4-/-小鼠顯示出肥胖、飲食過多，導(dǎo)致高胰島素血癥和高瘦素血癥；運動組MCR-4-/-小鼠呈現(xiàn)瘦體重，其機體代謝類似于WT同窩小鼠。運動干預(yù)下，下丘腦中瘦素與瘦素受體結(jié)合后，刺激CART神經(jīng)元，在通過SNS介導(dǎo)下增強Adrb2的表達(dá)，提高成骨細(xì)胞中ATF4和RANKL表達(dá)水平，抑制破骨細(xì)胞RANKL分泌量，表現(xiàn)出對骨髓巨噬細(xì)胞（bone marrow macrophage，BMM）的不同干預(yù)效果（Elefteriou et al.，2005）（圖2）。

圖2 POMC/CART神經(jīng)元控制骨吸收的模式（Elefteriou et al.，2005）Figure 2.Model of the POMC/CART Neuronal Control of Bone Resorption

3 骨－腦信號傳導(dǎo)的反調(diào)節(jié)新機制及運動干預(yù)

下丘腦AgRP/NPY神經(jīng)元和POMC/CART神經(jīng)元作用于骨骼代謝變化中。反之，骨細(xì)胞應(yīng)對機體體重變化、控制食欲，在不減少食物攝入以及運動來控制體重情況下，或許每天多站會兒，讓骨骼感受生命重量，也可控制體重（Jansson et al.，2018）。研究發(fā)現(xiàn)，骨骼中骨細(xì)胞會感受到機體重量變化，當(dāng)機體體重增加時，骨細(xì)胞會刺激下丘腦抑制食欲、降低脂肪含量以及改善血糖水平（Jansson et al.，2018）。在骨骼的能量代謝調(diào)節(jié)機制中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)OCN、成纖維細(xì)胞生長因子23（fibroblast growth factor 23，F(xiàn)GF23）、LCN2共3種骨內(nèi)分泌源激素（Kuro-O，2018）。其中OCN和LCN2對下丘腦具有反調(diào)節(jié)作用，并使得骨骼反饋能量穩(wěn)態(tài)。簡言之，OCN通過調(diào)節(jié)下丘腦、脂肪細(xì)胞、胰腺和性腺功能水平，改善神經(jīng)遞質(zhì)、瘦素、脂聯(lián)素和睪酮的分泌，最終調(diào)節(jié)腦發(fā)育水平、機體能量代謝功能和雄性生殖能力（Sarah et al.，2018）。LCN2誘導(dǎo)胰島素維持葡萄糖體內(nèi)平衡，同時LCN2還可以穿過血腦屏障，作用于下丘腦，與MCR-4相結(jié)合，進而調(diào)節(jié)機體食物攝入量，改善能量代謝，調(diào)節(jié)飲食水平（Mosialou et al.，2017）。

3.1 OCN介導(dǎo)的能量代謝及運動調(diào)節(jié)

OCN屬于非膠原蛋白，內(nèi)含有3個γ-羧基谷氨酸，在Ca2+的存在下，促進礦物質(zhì)沉積和骨重建；OCN還可作為破骨細(xì)胞及其前體活性的調(diào)節(jié)物。研究OCN在骨礦化中的作用時，發(fā)現(xiàn)OCN在能量代謝中的調(diào)節(jié)機制（Shan et al.，2019）。OCN以2種結(jié)構(gòu)存在——與羥基磷灰石結(jié)合的羧化“GlaOCN”和釋放到循環(huán)中的羧基化“GluOCN”；OCN從無活性“GlaOCN”轉(zhuǎn)化為有活性“GluOCN”，涉及ATF4和人叉頭框蛋白1（forkhead box O1，F(xiàn)oxO1）轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)，以及pH 4.5的酸性破骨細(xì)胞環(huán)境中編碼骨睪蛋白酪氨酸磷酸酶（osteotesticular protein tyrosine phosphatase，OST-PTP）胚胎干細(xì)胞磷酸酶（embryonic stem cell phosphatase，Esp）基因。Esp在成骨細(xì)胞和Sertoli細(xì)胞中編碼信號并影響能量代謝。在下丘腦調(diào)節(jié)中，發(fā)現(xiàn)GluOCN對神經(jīng)元可塑性具有調(diào)節(jié)功能，GluOCN能夠分別作用于腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）和神經(jīng)生長因子（nerve growth factor，NGF），共同改善下丘腦對神經(jīng)功能的影響?；诖耍珺DNF進一步調(diào)節(jié)白色脂肪和棕色脂肪的能量代謝，作用于骨骼內(nèi)穩(wěn)態(tài)；NGF同樣可調(diào)節(jié)脂肪組織的能量代謝，并與GluOCN共同調(diào)節(jié)下丘腦內(nèi)LH變化，以此改善雄性生殖功能（Claudia et al.，2016）。在能量代謝方面，GluOCN通過做用于G蛋白偶聯(lián)受體C家族6組A（G protein-coupled receptor family C group 6 subtype A，GPRC6A）進一步刺激cAMP/CREB，誘導(dǎo)胰腺、肌組織和性腺等代謝表達(dá)（Lin et al.，2018）。

運動干預(yù)下，OCN在破骨細(xì)胞pH 4.5酸性環(huán)境中，脫羧形成GluOCN進入GPRCA6循環(huán)體系，增強肌組織中葡萄糖攝取、胰腺中胰島素產(chǎn)生、肝臟和脂肪組織中的胰島素敏感性、脂肪組織中脂聯(lián)素表達(dá)上調(diào)和胰腺中β細(xì)胞增殖促進來調(diào)節(jié)能量代謝；OCN通過刺激Leydig細(xì)胞中睪酮合成促進雄性生育（圖3）。急性有氧運動中，OCN的羧化水平升高，GluOCN含量上升（Levinger et al.，2014）；當(dāng)限制卡路里攝入并進行運動干預(yù)，可明顯增加血清GluOCN含量。其中OCN-/-小鼠會出現(xiàn)β細(xì)胞增殖、葡萄糖耐受不良和胰島素抵抗現(xiàn)象；而OST-PTP-/-小鼠去除OCN等位基因可糾正代謝紊亂。OCN通過穩(wěn)定缺氧誘導(dǎo)因子1α（hypoxia inducible factor 1-α，HIF1α）直接影響葡萄糖代謝。OCN控制葡萄糖和能量代謝作用，經(jīng)大腦影響下丘腦海馬發(fā)育及認(rèn)知功能。經(jīng)有氧運動后，可刺激下丘腦中海馬組織應(yīng)對損傷、老年癡呆以及認(rèn)知發(fā)育的改善作用（崔建梅等，2019）。除上述OCN在能量穩(wěn)態(tài)中的作用，OCN還可調(diào)節(jié)大腦發(fā)育功能，包括神經(jīng)遞質(zhì)的合成，如多巴胺、血清素或去甲腎上腺素合成水平（Sarah et al.，2018）。其中OCN通過增加神經(jīng)遞質(zhì)合成和海馬發(fā)育來改善大腦的認(rèn)知功能，促進神經(jīng)發(fā)生和抑制焦慮（Bai，2021）。骨骼OCN穿過血腦屏障，可與腦干、中腦和海馬神經(jīng)元結(jié)合，增強單胺類神經(jīng)遞質(zhì)合成，抑制GABA合成，提高學(xué)習(xí)、記憶及其代謝功能。研究指出，OCN-/-小鼠神經(jīng)解剖功能缺陷和學(xué)習(xí)記憶能力缺陷會傳于子代小鼠，也說明骨骼通過OCN影響認(rèn)知（Oury et al.，2013）。整體而言，在運動干預(yù)骨骼分泌OCN水平，繼而改善機體能量代謝的過程作用中，一次運動或者急性運動并不會對骨內(nèi)分泌系統(tǒng)產(chǎn)生實質(zhì)上的生理功能變化，僅僅是對于機體內(nèi)相關(guān)下游分泌因子形成短暫性的調(diào)節(jié)，對機體內(nèi)穩(wěn)態(tài)的研究意義不大。而長期運動會產(chǎn)生相對穩(wěn)定的功能調(diào)節(jié)，尤其是對骨內(nèi)分泌系統(tǒng)的改善效果顯著（徐帥，2017）。

圖3 運動干預(yù)骨內(nèi)分泌系統(tǒng)調(diào)節(jié)下丘腦能量代謝Figure 3. Schematic Diagram of the Endocrine System Regulating Energy Metabolism in the Hypothalamus under Exercise

3.2 LCN2介導(dǎo)的能量代謝及運動調(diào)節(jié)

特異性敲除成骨細(xì)胞中FoxO1會提高機體能量代謝水平，除OCN激活外，發(fā)現(xiàn)LCN2基因是FoxO1缺陷型成骨細(xì)胞中表達(dá)增加最多的基因，LCN2作為另一種成骨細(xì)胞分泌分子，參與調(diào)節(jié)FoxO1下游能量穩(wěn)態(tài)（Rucci et al.，2015）。LCN2又稱為中性粒細(xì)胞明膠酶相關(guān)脂質(zhì)運載蛋白（neutrophil gelatinase-associated lipocalin，NGAL），是一種小的常見分泌蛋白，可在多種組織中進行表達(dá)，并參與到細(xì)胞分化、炎癥和細(xì)胞存活/凋亡信號等生物現(xiàn)象（Costa et al.，2013；Ferreira et al.，2015）。早期研究認(rèn)為LCN2主要由脂肪分泌；Greenhill（2017）發(fā)現(xiàn)，由成骨細(xì)胞表達(dá)的LCN2水平比白色脂肪組織高10倍。作為新型“厭食因子”，由成骨細(xì)胞衍生的LCN2可誘導(dǎo)胰島素維持葡萄糖體內(nèi)平衡。LCN2穿過血腦屏障并在下丘腦中累積，在PVN和VMH的下丘腦神經(jīng)元中與其受體MCR-4結(jié)合，并激活MCR-4依賴性食欲反應(yīng)信號傳導(dǎo)，作用于下丘腦參與食欲控制及能量代謝，進而發(fā)揮控制體重的作用（Mosialou et al.，2017）；此外，LCN2還直接調(diào)節(jié)葡萄糖耐量、胰島素敏感性和胰島素分泌（Han et al.，2018）。

生長期小鼠運動不足可發(fā)生骨代謝及能量代謝紊亂現(xiàn)象，離體成骨細(xì)胞微重力下，運動會上調(diào)LCN表達(dá)（Rucci et al.，2015）。在成骨細(xì)胞缺乏 LCN2（LCN2osb-/-）小鼠表現(xiàn)出葡萄糖耐量降低、胰島素敏感性和分泌減少、小鼠食物攝入和體重增加，通過穿過血腦屏障調(diào)節(jié)食物攝入。對LCN2-/-小鼠腹膜內(nèi)遞送或腦室內(nèi)輸注LCN2后直接激活下丘腦中cAMP信號傳導(dǎo)，并確定出MCR-4信號傳導(dǎo)是LCN2osb-/-小鼠中改變的唯一途徑。隨后發(fā)現(xiàn)LCN2與下丘腦中PVH和VMH神經(jīng)元結(jié)合，其中MCR-4表達(dá)并激活MCR-4依賴性的食欲反應(yīng)信號（劉媛等，2019）。MCR-4與運動在肥胖發(fā)生中存在聯(lián)合作用，MCR-4表達(dá)下調(diào)會減少自發(fā)性運動。最終表現(xiàn)在攝食調(diào)節(jié)中，由成骨細(xì)胞分泌LCN2通過激活下丘腦MCR-4來抑制食欲，進而影響能量代謝（Han et al.，2018）（圖3）。通過小鼠模型了解骨骼的內(nèi)分泌作用，繼而揭示了調(diào)節(jié)能量代謝的不同機制，目前確認(rèn)的骨骼內(nèi)分泌因子均由成骨細(xì)胞或骨細(xì)胞分泌，OCN和LCN2分泌因子可成為治療肥胖、糖尿病或其他代謝性疾病的潛在靶點。而破骨細(xì)胞在調(diào)節(jié)其他靶器官和能量代謝中的潛在作用尚未明確，這也為骨內(nèi)分泌的進一步研究提出新視角（Han et al.，2018；Karsenty，2012）。

4 總結(jié)與展望

現(xiàn)有研究多討論直接或者間接應(yīng)力刺激對于骨骼調(diào)節(jié)的作用。將下丘腦AgRP/NPY神經(jīng)元和POMC/CART神經(jīng)元調(diào)節(jié)攝食與能量代謝相關(guān)聯(lián)，繼而調(diào)節(jié)骨骼生長，為攝食和骨骼的關(guān)聯(lián)性提供新的理論導(dǎo)向；亦對攝食紊亂、肥胖、T2DM、骨質(zhì)疏松等慢病提出研究思路，為骨骼質(zhì)量下降提出新靶點；尤其是下丘腦中運動軸干預(yù)AgRP/NPY和POMC/CART信號調(diào)節(jié)機制，指出了飲食與運動的相關(guān)性。反之，骨分泌源激素OCN和LCN2對于下丘腦的認(rèn)知和能量代謝進行介導(dǎo)，也打破了傳統(tǒng)領(lǐng)域?qū)τ诙栊云鞴俚恼J(rèn)識；在運動干預(yù)下，骨骼質(zhì)量升高，亦反饋于下丘腦，從而形成了多器官、多回路、共循環(huán)的內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)。最終為形成運動-下丘腦-骨骼信號軸和運動-骨骼-下丘腦信號軸的雙向調(diào)節(jié)提供研究方向?？傊@些發(fā)現(xiàn)意味著下丘腦和骨骼以緊密的互惠關(guān)系共存，二者都參與整個生物體能量和骨骼穩(wěn)態(tài)中。