高糖環(huán)境下骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化能力的影響因素

張潔 綜述 賀純靜 審校

(1.貴州醫(yī)科大學(xué),貴州 貴陽 550004；2.貴州省人民醫(yī)院疼痛科，貴州 貴陽 550002)

糖尿病(DM)是一種以血糖升高為特征的全身性代謝性疾病。糖尿病可并發(fā)多種急、慢性并發(fā)癥，嚴(yán)重危害患者健康。超過一半以上糖尿病患者可并發(fā)骨質(zhì)疏松[1]，兩者的并存可使骨折風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增加，本文對(duì)相關(guān)研究作一綜述。

1 糖尿病性骨質(zhì)疏松癥概述

DOP是糖尿病引起的一種慢性骨代謝疾病，臨床早期癥狀不明顯或癥狀輕微，隨著病情的發(fā)展，可表現(xiàn)為全身骨骼疼痛，骨脆性增加，易發(fā)生骨折，可導(dǎo)致糖尿病患者的致殘率增加。糖尿病骨質(zhì)疏松的可能發(fā)病機(jī)制包括肌醇破骨活性增高、成骨細(xì)胞活性降低及凋亡、間充質(zhì)多潛能干細(xì)胞脂肪分化增加等[2-3]，但其具體發(fā)病機(jī)制目前仍不十分清楚。目前臨床針對(duì)DOP的治療仍以單純糖尿病治療和骨質(zhì)疏松治療為主，治療方法主要是中醫(yī)治療、西醫(yī)治療、中西醫(yī)結(jié)合治療。目前對(duì)DOP的治療有一定療效，但專門針對(duì)DOP的治療研究仍比較單一。在正常生理?xiàng)l件下，骨改建處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)；而在病理?xiàng)l件下，如DOP的骨改建模式則打破了骨吸收和骨形成的平衡，BMSCs的功能改變與功能障礙是這種病態(tài)式骨改建的根本原因[4]。因此人們開始研究成骨細(xì)胞的起源細(xì)胞-BMSCs,來闡明骨質(zhì)疏松的發(fā)病機(jī)制。

2 骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞特點(diǎn)及與DOP的關(guān)系

BMSCs來源于發(fā)育早期的中胚層和外胚層，主要存在于骨髓中且具有多向分化潛能的多能干細(xì)胞，可定向分化為成骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞等多種類型細(xì)胞[5]。BMSCs作為成骨細(xì)胞的來源細(xì)胞，在骨形成和修復(fù)中發(fā)揮重要作用。在糖尿病的發(fā)生發(fā)展中，高糖微環(huán)境可抑制BMSCs成骨分化能力。而多種糖尿病相關(guān)因素、細(xì)胞因子、生長因子、信號(hào)通路、糖基化終末產(chǎn)物等對(duì)BMSCs的成骨、成脂分化發(fā)揮著重要的調(diào)控作用[6]。P.Jin等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病大鼠中，其BMSCs生物學(xué)特性發(fā)生明顯改變，其增殖分化能力及抗凋亡功能明顯受損。高糖環(huán)境可致BMSCs數(shù)量、功能活性下降，增殖分化能力受損，抑制其向成骨方向分化成熟，導(dǎo)致骨形成減少，而糖尿病性骨質(zhì)疏松最可能就是由于BMSCs的耗竭所致。因此，DOP的發(fā)生發(fā)展與BMSCs的功能活性密切相關(guān)。

3 各種因子對(duì)高糖環(huán)境下骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化能力影響

多種生長因子、轉(zhuǎn)錄因子、細(xì)胞因子對(duì)BMSCs成骨、成脂分化有著重要的調(diào)控作用。有些細(xì)胞因子可以調(diào)控BMSCs向成骨方向分化成熟，而有些因子可以調(diào)控BMSCs向成脂方向分化成熟。

3.1細(xì)胞因子、生長因子 堿性成纖維細(xì)胞生長因子(bFGF)是具有生物學(xué)活性一種細(xì)胞因子，不僅在骨修復(fù)和再生過程中是具有重要調(diào)控作用的因子,還能調(diào)控人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(hBMSCs)的分化遷移從而參與血糖的調(diào)節(jié)。L.Quan等研究[8]表明在骨折愈合早期，bFGF與成骨細(xì)胞表面的受體結(jié)合后，能使其向成骨細(xì)胞分化。bFGF在骨形成過程中，能調(diào)控BMSCs向成骨方向分化，是骨再生過程中重要的細(xì)胞生長因子。

人成纖維細(xì)胞生長因子21(FGF-21)具有多重內(nèi)分泌功能，可通過β-Kloth跨膜蛋白與成纖維細(xì)胞生長因子(FGF)受體結(jié)合形成的FGF-21受體復(fù)合物起作用[9]。在糖代謝中，F(xiàn)GF-21具有降低血糖及抑制胰高血糖素分泌，提高血清胰島素水平、胰島素敏感性。有研究[10]表明，F(xiàn)GF-21轉(zhuǎn)基因小鼠骨體積分?jǐn)?shù)、骨小梁數(shù)、骨小梁厚度、骨礦物質(zhì)密度減少，從而引起小鼠的骨量丟失。在體外FGF-21能促進(jìn)BMSCs成脂分化，抑制成骨分化，并可抑制小鼠BMSCs成骨分化。李茜等[11]研究表明在高糖環(huán)境下FGF-21能明顯抑制hBMSCs骨向分化作用。FGF-21雖然可用于治療糖尿病等代謝性疾病，但FGF-21能抑制hBMSCs向成骨方向分化。

3.2轉(zhuǎn)錄因子 Runxx相關(guān)因子(Runxx)家族主要有Runxl、Runx2和Runx3，其中Runx2對(duì)成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞的分化成熟及細(xì)胞外基質(zhì)的分泌都有重要的調(diào)控作用[12]。且Runx2的表達(dá)是成骨細(xì)胞開始分化的標(biāo)志，因此它是骨形成過程中最早和最具特異性的標(biāo)志基因。Osterix(OSX)是由Runx2所調(diào)控的Runx2下游基因，在誘導(dǎo)前成骨細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化過程中起重要調(diào)控作用的含鋅指特異轉(zhuǎn)錄因子，表達(dá)于成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞[13]，是在小鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)，也是骨形成過程中所必需的轉(zhuǎn)錄因子之一，缺失時(shí)會(huì)影響成骨細(xì)胞的分化成熟。彭俊等[14]研究表明，mir-125b可通過調(diào)控Runx2/Osx而促進(jìn)BMSCs向成骨細(xì)胞分化，繼而可能在骨折愈合發(fā)揮重要作用。Runx2、Osx轉(zhuǎn)錄因子在骨形成和重建中具有重要的調(diào)控的作用，能夠促進(jìn)BMSCs向成骨方向分化，如果相關(guān)基因缺失，可能會(huì)導(dǎo)致骨發(fā)育不全。有研究證實(shí)，高糖環(huán)境能使骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞可過早衰老、死亡，并抑制其分化成熟，因此，可通過調(diào)控各種骨形成相關(guān)的信號(hào)通路來增強(qiáng)Runx2/Osx基因的表達(dá)，從而來促進(jìn)BMSCs向成骨細(xì)胞分化成熟。

核轉(zhuǎn)錄因子過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)是葡萄糖代謝、脂肪代謝過程中的重要調(diào)控因子，可廣泛表達(dá)于BMSCs及多種特定分化的母細(xì)胞中。在BMSCs分化過程中，PPARγ激活后可導(dǎo)致BMSCs向成骨與成脂分化比例失調(diào)，且PPARγ2是調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞分化的主要調(diào)控因子。有研究表明[15]，將小鼠PPARγ基因敲除后，不僅造成脂肪細(xì)胞的生成減少的同時(shí)促進(jìn)了成骨細(xì)胞生成，而且促進(jìn)成骨相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子Runx2、Osx的表達(dá)。S.Botolin等[16]研究發(fā)現(xiàn)成年糖尿病鼠脛骨較正常對(duì)照組松質(zhì)骨明顯減少，而骨髓中的脂肪組織明顯增多；與此相應(yīng)的是骨組織中PPARγ2 mRNA的表達(dá)增加而骨鈣素mRNA表達(dá)明顯降低。因此，PPARγ在BMSCs向成骨細(xì)胞及脂肪細(xì)胞分化過程中扮演極其重要的角色，在高糖環(huán)境下其可誘導(dǎo)BMSCs向成脂方向分化成熟并通過抑制成骨相關(guān)因子來干擾其向成骨方向分化。糖尿病并發(fā)骨質(zhì)疏松患者不推薦使用噻唑烷二酮類降糖藥，避免在降糖過程中加重骨質(zhì)疏松程度，影響患者的愈后。

3.3其他生物活性分子 1-磷酸神經(jīng)鞘氨醇(S1P)是一種具有重要生理功能且具有活性的脂質(zhì)分子，可以調(diào)控細(xì)胞炎癥、免疫、凋亡等一系列生物學(xué)過程[17]。S1P在骨代謝中發(fā)揮著十分重要的作用，是骨吸收和骨生成重要的聯(lián)絡(luò)因子。有研究[18]發(fā)現(xiàn)S1P可同時(shí)作用于兩種成骨樣細(xì)胞系SaOS-2和MC3T3-E1，S1P可激活細(xì)胞的PI3K/Akt通路，上調(diào)成骨分化標(biāo)記物如骨保護(hù)素(OPG)、ALP的表達(dá)。另外，有研究[19]發(fā)現(xiàn)，在高糖環(huán)境下，SPHK活性增強(qiáng)，S1P生成增加，導(dǎo)致胰島素分泌增多，也就是說，S1P可以促進(jìn)葡萄糖刺激胰島素分泌(GSIS)。因此，可以看出S1P在葡萄糖代謝調(diào)節(jié)過程中有重要作用。S1P不僅可促進(jìn)成骨系細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化，也可以在高糖環(huán)境下促進(jìn)胰島素的分泌來降低血糖，但S1P是否可在高糖環(huán)境下促進(jìn)BMSCs向成骨方向分化成熟的研究鮮有報(bào)道，還需進(jìn)一步研究證明。

4 信號(hào)通路激活對(duì)高糖環(huán)境下骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化能力影響

骨改建過程是骨吸收與骨形成相互協(xié)調(diào)的過程,其中BMSCs向成骨、成脂方向分化過程中可以受多種信號(hào)傳導(dǎo)通路如Wnt/β-catenin、MAPK、Notch、NF-KB受體活化因子(RANK)信號(hào)通路調(diào)控。因此，以下各信號(hào)通路對(duì)BMSCs分化影響作詳細(xì)介紹。

4.1Wnt/β-catenin信號(hào)通路 Wnt/β-catenin信號(hào)通路在細(xì)胞增殖、分化過程中具有重要調(diào)控作用，可分為經(jīng)典Wnt通路與非經(jīng)典Wnt通路兩條信號(hào)通路。G.Bain等研究[20]發(fā)現(xiàn)間充質(zhì)干細(xì)胞C3HIOT1/2過表達(dá)基因β-catenin可促進(jìn)ALP mRNA表達(dá)，故Wnt/β-catenin信號(hào)通路可促進(jìn)BMSCs向成骨方向分化。廖鋒等[21]人的研究也表明，高糖環(huán)境下能抑制Wnt/β-catenin信號(hào)通路的激活，但ASP可能通過激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路來促進(jìn)高糖環(huán)境下BMSCs成骨分化能力,從而促進(jìn)其向成骨方向分化。Wnt/β-catenin信號(hào)通路激活后能夠增強(qiáng)BMSCs成骨作用，并抑制BMSCs向成脂方向分化的雙向調(diào)節(jié)作用。在高糖環(huán)境下，可以通過使用Wnt/β-catenin信號(hào)通路的激活劑來促進(jìn)BMSCs的表達(dá)。

4.2MAPK信號(hào)通路 細(xì)胞絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號(hào)通路可調(diào)節(jié)細(xì)胞生長、發(fā)育增殖、凋亡、死亡等一系列生命活動(dòng)，尤其對(duì)成骨細(xì)胞分化以及骨骼發(fā)育的調(diào)控起至關(guān)重要作用。MAPK信號(hào)通路可分為經(jīng)典的MAPK信號(hào)通路、非經(jīng)典的MAPK信號(hào)通路(JNK MAPK通路和p38MAPK通路)、ERK信號(hào)通路三條[22]。Y.Zhao等[23]發(fā)現(xiàn)雌激素可能通過同時(shí)激活ERK/MAPK和JNK/MAPK信號(hào)通路而促進(jìn)大鼠顱面骨的BMSCs向成骨方向分化。李茜[11]等研究發(fā)現(xiàn)，在高糖環(huán)境下加入ERK、JNK、P38信號(hào)傳導(dǎo)的抑制劑，hBMSCs骨向分化標(biāo)志物mRNA表達(dá)減低，說明FGF-21可能通過抑制MAPK信號(hào)通路來抑制hBMSCs的成骨分化或礦化。MAPK信號(hào)通路活化后，既可以促進(jìn)BMSCs增殖又可促進(jìn)成骨分化的作用，說明BMSCs向成骨方向分化過程中受MAPK信號(hào)通路調(diào)控。高糖環(huán)境下可以抑制BMSCs成骨分化，因此，我們可通過激活MAPK信號(hào)通路來調(diào)控高糖環(huán)境下BMSCs成骨分化。

5 小 結(jié)

DOP的可能發(fā)病機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜，具體是由哪種機(jī)制或幾種機(jī)制引起的還不是十分明確，但其可能機(jī)制與BMSCs的活動(dòng)有著密不可分的聯(lián)系。綜上所述，在分子水平上多種細(xì)胞因子、轉(zhuǎn)錄因子、生長因子、信號(hào)通路對(duì)高糖環(huán)境下BMSCs向成骨、成脂方向分化起著至關(guān)重要的調(diào)控作用，各種因子及各條信號(hào)通路之間又具有一定聯(lián)系且相互影響，關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜。雖然大部分研究表明，這些因子和信號(hào)通路對(duì)BMSCs活動(dòng)有著影響作用，但其具體分子機(jī)制及有效干預(yù)措施還有待進(jìn)一步明確。