“骨肉不相親”理論指導(dǎo)下肌抑素在肌少-骨質(zhì)疏松癥中的機(jī)制探討

鄭浩 戚曉楠 姚嘯生*

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

肌少癥(sarcopenia)是一種年齡相關(guān)的肌肉質(zhì)量損失、肌肉力量降低和(或)機(jī)體活動性功能減退的退行性疾病[1]。而骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)屬于系統(tǒng)性骨病范疇，其特點(diǎn)是骨量減少、骨的微觀結(jié)構(gòu)退化以及骨的脆性增加[2]。研究發(fā)現(xiàn)，肌少癥與OP常協(xié)同致病[3]，因此Binkley等[4]提出了“肌少-骨質(zhì)疏松癥(sarco-osteopenia)”的概念。隨著全球老齡化的到來，肌少-骨質(zhì)疏松癥發(fā)病率逐步上升，研究結(jié)果表明男性發(fā)病率較低，為4%～10.4%，而女性發(fā)病率高于男性，為12%～15.1%[5-6]。肌少-骨質(zhì)疏松癥增加了老年人摔倒的風(fēng)險[7]，導(dǎo)致脆性骨折的發(fā)生率上升[8]，危害了老年人的身體健康[6]，給社會醫(yī)療與經(jīng)濟(jì)帶來了巨大負(fù)擔(dān)[9]。

為更好地防治肌少-骨質(zhì)疏松癥，需要深入了解肌骨之間的病理機(jī)制?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)肌骨之間除了簡單的生物力學(xué)關(guān)系外，還在基因[10]、內(nèi)分泌[11]和信號通路[12-13]等多個方面存在密切聯(lián)系，但其系統(tǒng)病理機(jī)制尚不明確。中醫(yī)學(xué)很早就對肌骨協(xié)同退變的病理機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)論述，其中“骨肉不相親”理論是典型代表[14]。肌肉生長抑制素(myostatin，MSTN)簡稱肌抑素，作為骨骼肌分泌的肌動因子(myokines)之一，參與了骨骼肌[15]和骨組織[16]的代謝調(diào)節(jié)，是骨骼肌及骨組織生理病理過程中的重要調(diào)節(jié)因子。本文將以“骨肉不相親”理論為指導(dǎo)，通過梳理肌肉生長抑制素調(diào)控骨骼肌與骨組織代謝的機(jī)制，探討“肌少-骨質(zhì)疏松癥”的病理機(jī)制，為防治提供新的思路，為“骨肉不相親”提供現(xiàn)代醫(yī)學(xué)理論支持。

1 “骨肉不相親”理論

“骨肉不相親”理論源于《靈樞·經(jīng)脈》，其曰：“少陰者，冬脈也，伏行而濡于骨髓，故骨髓不濡，即肉不著骨；骨肉不相親，即肉濡而卻；肉濡而卻……骨先死”，是中醫(yī)學(xué)對肌骨協(xié)同退變病理機(jī)制的高度總結(jié)。

《內(nèi)經(jīng)》云：“脾主肌肉故脾絕則肉先死……腎主骨故腎絕則骨先死”，表明在中醫(yī)學(xué)中“脾主肉”“腎主骨”。因此，“骨肉不相親”理論雖言肌骨之親疏濡著，實(shí)則論脾腎之生克制化。脾腎相輔相成，生理狀態(tài)下，先天化后天，后天養(yǎng)先天，則骨骼肌肉強(qiáng)健有力；病理狀態(tài)下，脾腎相互制約，則致骨肉不相親，發(fā)為“肉痿”“骨枯”，即“肌少-骨質(zhì)疏松癥”的病理狀態(tài)。因此，深入探究脾腎藏象間的調(diào)節(jié)因子，將有助于肌少-骨質(zhì)疏松癥病機(jī)的揭示。

2 肌抑素

肌抑素主要在骨骼肌中生成和表達(dá)，因其具有TGF-β家族共有的結(jié)構(gòu)特性，但又與家族其他成員的同源性較低，所以被歸為新的一類，并命名為生長/分化因子-8(GDF-8)[17]。成熟肌抑素需要與激活素ⅡB型受體(ActRⅡB)和TGF-βⅠ型受體ALK5結(jié)合，并通過典型Samd2/Samd3通路發(fā)出信號[18]。

2.1 肌抑素對骨骼肌的影響

臨床研究發(fā)現(xiàn)MSTN與人體骨骼肌質(zhì)量存在密切聯(lián)系[15]。McFarlane等[19]研究發(fā)現(xiàn)肌抑素基因缺失會導(dǎo)致兒童肌肉肥大。在老年人群中，肌肉質(zhì)量與MSTN表達(dá)水平呈負(fù)相關(guān)[20]。除此之外，在繼發(fā)性肌肉萎縮中MSTN也存在一定影響。Ju等[21]研究發(fā)現(xiàn)在COPD繼發(fā)肌肉萎縮患者的血清中，MSTN表達(dá)水平上升。而當(dāng)MSTN表達(dá)水平被抑制后，能改善眼咽型肌營養(yǎng)不良[22]以及慢性腎臟病[23]等多種疾病引起的肌肉萎縮。表明MSTN表達(dá)水平與骨骼肌質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)，即MSTN表達(dá)水平上升會抑制骨骼肌的生長[15]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，MSTN主要通過以下幾個途徑影響骨胳肌的代謝。

2.1.1肌抑素調(diào)控成肌細(xì)胞的分裂周期：MSTN調(diào)控的成肌細(xì)胞分裂周期主要是G1-S以及G2-M[24]。Yang等[25]研究發(fā)現(xiàn)MSTN表達(dá)水平上升后能通過PI3K/AKT/GSK-3通路等多種途徑影響周期蛋白依賴性激酶(CDK)和周期蛋白依賴激酶抑制因子(p21)的表達(dá)，進(jìn)一步影響視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤腫瘤抑制蛋白(Rb蛋白)的磷酸化過程，從而阻滯成肌細(xì)胞的分裂周期，抑制骨骼肌的生長。

2.1.2肌抑素調(diào)控生肌調(diào)節(jié)因子的表達(dá)：生肌調(diào)節(jié)因子家族(MRFs)主要由成肌分化抗原(MyoD)、肌細(xì)胞生成素(MyoG)、Myf5和MRF4組成，其主要功能是促進(jìn)肌細(xì)胞的增殖與分化[26]。McFarlane等[15]研究發(fā)現(xiàn)MSTN表達(dá)水平上升后能通過Samd通路抑制MyoD的表達(dá)和磷酸化，導(dǎo)致MyoD與肌動蛋白啟動子結(jié)合的過程被抑制。除此之外，MSTN還影響MyoG和p21的表達(dá)，最終抑制骨骼肌的生長。

2.1.3肌抑素調(diào)控肌蛋白的代謝：肌蛋白的代謝直接影響骨骼肌纖維的體積，研究發(fā)現(xiàn)MSTN表達(dá)水平上升后能負(fù)向調(diào)控AKT通路，增加叉頭框轉(zhuǎn)錄因子O(FoxO)[27]及泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(UPS)[28]的活性，增加了肌蛋白的分解。除此之外，Deng等[29]研究發(fā)現(xiàn)，MSTN過表達(dá)能通過eEF2K-eEF2途徑，抑制肌蛋白的合成，最終引起骨骼肌的萎縮。而當(dāng)MSTN被抑制后，會通過PI3K/AKT/mTOR途徑，抑制4E-BPl的表達(dá)，從而調(diào)節(jié)肌蛋白的合成[30]。

2.2 肌抑素對骨代謝的影響

隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)MSTN不僅能負(fù)向調(diào)節(jié)肌肉生長，還能影響骨[31]和脂肪[32]的代謝。Lee等[33]研究發(fā)現(xiàn)抑制MSTN的表達(dá)后不僅改善了微重力引起的肌肉質(zhì)量下降，還在一定程度上緩解了骨丟失。Wu等[34]通過檢測6308名老年人的骨密度值和血清肌抑素水平，分析結(jié)果得出成熟肌抑素的相對濃度(成熟肌抑素/總肌抑素)與骨密度值呈負(fù)相關(guān)。除此之外，MSTN還會影響脂肪的分化[35]和代謝[36]，研究表明脂肪對骨的代謝存在一定影響[37]。總結(jié)得出MSTN影響骨代謝的途徑主要有以下幾條。

2.2.1肌抑素通過調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞從而影響骨代謝：OB介導(dǎo)的骨形成和OC介導(dǎo)的骨吸收直接影響B(tài)MD。Wnt通路能調(diào)節(jié)OB增殖、分化和成熟[38]，經(jīng)典Wnt/β-catenin通路在控制骨穩(wěn)態(tài)的過程中至關(guān)重要[39]。Qin等[40]研究發(fā)現(xiàn)MSTN抑制骨細(xì)胞外泌體中miR-218的表達(dá)，當(dāng)?shù)蚼iR-218水平的外泌體轉(zhuǎn)移到成骨細(xì)胞中后，會通過下調(diào)Wnt通路的方式抑制成骨細(xì)胞的分化，并且還存在抑制骨形成的可能。Chen等[41]給12個月的雌性小鼠連續(xù)注射肌抑素中和抗體3個月后，觀察到新的骨形成并發(fā)現(xiàn)骨丟失得到改善。除此之外，他們還發(fā)現(xiàn)MSTN能促進(jìn)RANKL誘導(dǎo)的破骨，增加小鼠的骨吸收。這與Dankbar等[42]的研究結(jié)果相似，他們發(fā)現(xiàn)MSTN基因缺乏的小鼠破骨細(xì)胞數(shù)量較少。深入研究后發(fā)現(xiàn)MSTN能通過Smad2以及NFATC1依賴的通路，直接促進(jìn)RANKL介導(dǎo)的破骨細(xì)胞形成。除此之外，他們還發(fā)現(xiàn)MSTN表達(dá)水平被抑制后減少了類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎模型小鼠的骨破壞。

以上研究結(jié)果表明MSTN表達(dá)水平上升后會抑制成骨細(xì)胞分化減少成骨[40]，并促進(jìn)破骨細(xì)胞生成增加破骨[41]。

2.2.2肌抑素通過調(diào)節(jié)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的分化從而影響骨代謝：骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)能向骨細(xì)胞或脂肪細(xì)胞等多種細(xì)胞分化，而在成骨和成脂分化的過程中存在競爭關(guān)系。研究表明MSTN能促進(jìn)BMSCs向脂肪分化[43]，從而競爭性抑制BMSCs向骨細(xì)胞的分化。Hamrick等[44]深入研究發(fā)現(xiàn)MSTN表達(dá)水平被抑制后會抑制BMSCs的成脂分化，并增加BMSCs向骨細(xì)胞分化。除此之外，研究表明抑制MSTN表達(dá)水平還具有促進(jìn)BMSCs生長的功能[45-46]。

研究結(jié)果表明肌抑素表達(dá)水平上升后，會促進(jìn)BMSCs向脂肪分化[43]，競爭性地減少成骨分化，導(dǎo)致骨形成減少。

2.2.3肌抑素通過調(diào)節(jié)骨胳肌質(zhì)量從而影響骨代謝：骨骼肌質(zhì)量與骨量之間存在密切關(guān)系[12]，研究表明骨骼肌收縮產(chǎn)生的機(jī)械負(fù)荷會通過TGF-β通路促進(jìn)骨的形成[47]。除此之外，自身的重力也會通過負(fù)荷促進(jìn)骨量上升，研究發(fā)現(xiàn)，肌肉施加在骨骼上的力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自身質(zhì)量相關(guān)的重力，這表明骨骼肌質(zhì)量才是決定骨量的主要因素[48]。近些年有關(guān)骨骼肌質(zhì)量與BMD的研究也從側(cè)面印證了這一觀念。賈翠娜等[49]研究發(fā)現(xiàn)四肢瘦組織量(ALM)越高，骨骼健康狀況越好；Julie等[50]研究發(fā)現(xiàn)髖部肌肉力量和髖關(guān)節(jié)骨密度存在正相關(guān)。深入研究發(fā)現(xiàn)，骨骼肌還會產(chǎn)生外泌體影響骨代謝[51]。Xu等[52]研究發(fā)現(xiàn)成肌細(xì)胞(C2C12)外泌體中的miR-27a-3p可以促進(jìn)成骨細(xì)胞前體細(xì)胞(MC3T3-E1)向成骨細(xì)胞分化。

除此之外，骨骼肌質(zhì)量增加后能在一定程度上改善運(yùn)動[53]，研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)動能增加骨密度[54]改善骨質(zhì)疏松癥[55]。運(yùn)動增加了骨骼肌施加在骨的機(jī)械負(fù)荷，加快了骨組織內(nèi)的循環(huán)，有利于骨的形成[54]。另外，Kazemi等[56]研究發(fā)現(xiàn)有氧運(yùn)動能降低骨骼肌和血液循環(huán)的MSTN的水平。

MSTN表達(dá)水平上升后會通過多種途徑導(dǎo)致骨骼肌質(zhì)量下降[15]，不僅減弱了骨骼肌施加在骨的負(fù)荷[48]，還在一定程度上影響了骨骼肌外泌體和運(yùn)動對骨形成的促進(jìn)作用，最終導(dǎo)致骨形成減少。

2.2.4肌抑素通過調(diào)節(jié)脂肪從而影響骨代謝：脂肪與骨量之間存在矛盾關(guān)系，Lecka-Czernik等[37]通過飲食誘導(dǎo)成年小鼠肥胖，在肥胖初期，較大的體重能對骨產(chǎn)生更大的負(fù)荷從而促進(jìn)骨量的增加，后期則出現(xiàn)骨形成和骨轉(zhuǎn)換的減少。深入研究發(fā)現(xiàn)脂肪組織可以促進(jìn)TNF-α、IL-6和IL-1β等炎性細(xì)胞因子的分泌[57]。高水平的炎性細(xì)胞因子會通過RANKL、RANK和OPG等途徑刺激OC增殖和分化，增加骨破壞[58]。Ansari等[59]研究發(fā)現(xiàn)脂聯(lián)素(ADPN)能促進(jìn)成骨并抑制破骨從而增加骨量。研究發(fā)現(xiàn)肥胖患者的脂聯(lián)素表達(dá)水平較低[60]，肥胖引起的高炎性細(xì)胞因子水平會抑制脂聯(lián)素的表達(dá)[61]。因此，肥胖不僅升高炎性細(xì)胞因子水平增加骨破壞，還減弱ADPN對骨形成的促進(jìn)作用。

MSTN能影響脂肪細(xì)胞的生成[62]。C3H10 T(1/2)細(xì)胞是一種胚胎起源的間充質(zhì)成纖維細(xì)胞樣細(xì)胞，可分化為肌細(xì)胞和脂肪細(xì)胞等多種細(xì)胞。研究發(fā)現(xiàn)肌抑素能抑制C3H10 T(1/2)肌源性分化的潛力，而促進(jìn)其向脂肪細(xì)胞分化[63]。而Lin等[64]在敲除小鼠抑制MSTN基因后發(fā)現(xiàn)肌肉生成增加，脂肪生成減少。研究結(jié)果表明MSTN能促進(jìn)多能干細(xì)胞向脂肪分化[65]。

MSTN還能影響脂肪細(xì)胞的代謝[66]。脂肪細(xì)胞主要有兩種，白色脂肪細(xì)胞主要將多余的能量儲存在大脂滴中，而棕色脂肪細(xì)胞則含有較小的脂滴，并通過燃燒脂類產(chǎn)生能量[67]。研究發(fā)現(xiàn)MSTN可以通過TGF-β/Smad3途徑抑制棕色前脂肪細(xì)胞的分化[68]。在敲除小鼠MSTN基因后，不僅增加了棕色前脂肪細(xì)胞的分化[69]，還通過AMPK-PGC1-FNDC5途徑將白色脂肪轉(zhuǎn)化成棕色脂肪，從而促進(jìn)脂肪酸化以及能量代謝[66]。

研究結(jié)果表明MSTN表達(dá)水平升高后會促進(jìn)脂肪的生成[63]，抑制脂肪的代謝[68]，導(dǎo)致炎性細(xì)胞因子水平上升[57]，抑制脂聯(lián)素的表達(dá)[60-61]，從而抑制成骨增加破骨。

3 討論與展望

綜上所述，研究發(fā)現(xiàn)肌抑素表達(dá)水平上升后，會通過多種途徑降低肌肉質(zhì)量和骨量，最終誘發(fā)肌少-骨質(zhì)疏松癥(見圖1)。而在中醫(yī)“骨肉不相親”理論中，肌少-骨質(zhì)疏松癥是脾腎相互制約，骨肉不相親的結(jié)果。正如《脾胃論·脾胃勝衰論》所著：“脾病則下流乘腎，土克水，則骨乏無力，是為骨蝕，令人骨髓空虛”。在五臟的五行屬性中，脾屬土，腎屬水，土克水，脾病則乘腎，致脾腎兩虛，脾虛則“肉痿”，腎虛則“骨痿”，即“肌少-骨質(zhì)疏松癥”的病理狀態(tài)。

圖1 肌抑素表達(dá)水平上升影響骨骼肌與骨組織代謝導(dǎo)致肌少-骨質(zhì)疏松癥的機(jī)制Fig.1 The mechanism by which elevated MSTN expression affects skeletal muscle and bone metabolism leading to sarco-osteopenia

肌抑素表達(dá)水平上升與“脾病”有相似的結(jié)果。在中醫(yī)理論中，脾主肌肉，脾運(yùn)健，氣血化生有源，則肌肉豐滿有力。脾病，則肌肉不仁，發(fā)為“肉痿”?，F(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn)肌抑素表達(dá)水平與肌肉質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)[16]，肌抑素表達(dá)水平上升通過多種途徑導(dǎo)致肌肉質(zhì)量下降[15]，最終誘發(fā)“肌少癥”，即“肉痿”。

肌抑素表達(dá)水平上升抑制骨形成的過程可理解為“骨肉不相親”理論中“脾病乘腎”的過程。中醫(yī)理論中，腎主骨髓，腎精充足，骨髓得養(yǎng)，則骨骼堅固有力。腎病，則骨枯而髓減，發(fā)為“骨痿”。肌抑素表達(dá)水平上升與“脾病”相似，脾病則下流乘腎，以致腎精不足，骨枯而髓減，即骨形成被抑制。因此“脾乘腎”便是肌抑素影響骨代謝的中醫(yī)機(jī)理。

在“骨肉不相親”理論的指導(dǎo)下，筆者深入探究了肌抑素調(diào)控肌骨代謝的機(jī)制，雖仍有部分機(jī)制有待深入研究，但對肌少-骨質(zhì)疏松癥的病理機(jī)制有了更深刻的認(rèn)識。在中醫(yī)藥防治肌少-骨質(zhì)疏松癥的相關(guān)研究中，已有研究發(fā)現(xiàn)中醫(yī)電針能抑制肌抑素的表達(dá)[70]。而相關(guān)中藥的實(shí)驗(yàn)研究仍較為匱乏，今后將開展深入研究，譬如基于“骨肉不相親”理論選取的中藥是否能夠影響肌抑素的表達(dá)水平，以及相關(guān)中藥涉及的通路和藥物毒理研究等，為肌少-骨質(zhì)疏松癥的精準(zhǔn)防治提供有效藥物。