“缺氧-高糖”軸對(duì)糖尿病性骨質(zhì)疏松癥的影響機(jī)制

王劍虹 董萬(wàn)濤 宋敏 趙張凱 常茹夢(mèng) 張杰 鞏彥龍 趙楠

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，甘肅 蘭州 730000 2.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院，甘肅 蘭州 730020

糖尿病(diabetes mellitus，DM)與骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)都是與衰老相關(guān)的全身性慢性代謝性疾病，高糖缺氧、衰老、氧化應(yīng)激損傷已被公認(rèn)是其主要的發(fā)病機(jī)制。機(jī)體攝入大量糖脂類或代謝異常均可引起線粒體損傷，加速氧化應(yīng)激損傷?，F(xiàn)已經(jīng)證明1型糖尿病(diabetes mellitus type 1，T1DM)患者的骨密度(bone mineral density，BMD)與同齡未患DM的個(gè)體相比總體降低[1]。2 型糖尿病患者同樣伴隨骨密度和骨強(qiáng)度的下降而使得骨骼脆弱，主要是由于糖尿病患者的肥胖增加，影響成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的功能[2]，而OP的發(fā)生主要是由于成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞參與的骨動(dòng)態(tài)平衡遭到破環(huán)。糖尿病引起的骨質(zhì)疏松癥(DM-OP)是由慢性高血糖以及高血糖導(dǎo)致膠原蛋白中晚期糖基化終產(chǎn)物 (advanced glycation end products，AGEs)[3]的積累和氧化應(yīng)激引起的[4]，而AGEs會(huì)加速人體的衰老。衰老的本質(zhì)是機(jī)體抗氧化能力的下降，可以看作是細(xì)胞成分累積氧化應(yīng)激損傷積累的過(guò)程[5-6]，不論內(nèi)源性還是外源性的氧化應(yīng)激都會(huì)導(dǎo)致組織、器官、結(jié)構(gòu)和功能的進(jìn)行性喪失[7]，促成疾病的發(fā)生發(fā)展。隨著年齡的增長(zhǎng)，缺氧是許多病理?xiàng)l件下特有的微環(huán)境成分，且與疾病的進(jìn)展或嚴(yán)重程度相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)糖尿病患者仰臥位和站立位的血氧飽和度都低于健康人，且與并發(fā)癥有關(guān)[8]，而缺氧同樣被認(rèn)為是骨質(zhì)疏松癥發(fā)生的主要機(jī)制之一，其中和缺氧相關(guān)并發(fā)揮主導(dǎo)作用的缺氧誘導(dǎo)因子1α(HIF-1α)同樣可以介導(dǎo)細(xì)胞線粒體功能，和衰老、氧化應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)。以下主要從氧化應(yīng)激作為糖尿病和骨質(zhì)疏松癥的共病機(jī)制出發(fā)，以HIF-1α建立的“缺氧-高糖”軸來(lái)闡述高糖-缺氧-衰老-氧化應(yīng)激在糖尿病性骨質(zhì)疏松癥中的影響機(jī)制。

1 衰老與糖尿病性骨質(zhì)疏松癥

衰老產(chǎn)生機(jī)制包括DNA損傷、活性氧的累積、分泌表型的變化等，細(xì)胞衰老與線粒體功能障礙有關(guān)，線粒體是活性氧(reactive oxygen species，ROS)的主要來(lái)源，氧化應(yīng)激被認(rèn)為是參與衰老過(guò)程的重要機(jī)制理論之一，而線粒體氧化應(yīng)激反應(yīng)是加速細(xì)胞衰老的關(guān)鍵因素[9]。在機(jī)體衰老的過(guò)程中，線粒體中 ATP 產(chǎn)生的減少、膜電位的降低和 ROS 水平的增加，致使 DNA 結(jié)構(gòu)和功能異常，導(dǎo)致線粒體氧化磷酸化水平下降，進(jìn)而引起 ROS 在體內(nèi)堆積到超出體內(nèi)清除 ROS 的能力，引起氧化應(yīng)激介導(dǎo)的細(xì)胞及機(jī)體的衰老[10-11]。隨著機(jī)體的衰老，許多組織(包括骨細(xì)胞)氧化應(yīng)激反應(yīng)增加[12]；而氧化應(yīng)激又同樣可以誘導(dǎo)加速衰老的進(jìn)程[13]，衰老和氧化應(yīng)激兩者相互促進(jìn)相互影響。

氧化應(yīng)激作為糖尿病和骨質(zhì)疏松癥的共病機(jī)制，脂質(zhì)過(guò)氧化是活性氧最具破壞性的作用之一，且糖尿病患者的脂質(zhì)過(guò)氧化物抗氧化防御系統(tǒng)參數(shù)存在顯著的和年齡相關(guān)變異性。在糖尿病臨床治療中，抗氧化劑的有效性已得到大量研究證明，抗氧化劑的使用應(yīng)該是治療糖尿病過(guò)程中很有必要的一部分[14]。氧化防御機(jī)制失衡不僅導(dǎo)致了胰島B細(xì)胞功能障礙還影響與胰島素抵抗相關(guān)的信號(hào)通路，進(jìn)而導(dǎo)致糖尿病及其相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生；高水平的氧化應(yīng)激和線粒體功能障礙阻礙骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的存活和骨形成[15]。有研究證實(shí)特別是在處于骨質(zhì)疏松微環(huán)境中的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞由于衰老和雌激素缺乏而受到過(guò)量的氧化應(yīng)激，導(dǎo)致成骨能力低下和成脂傾向增高。早期間充質(zhì)祖細(xì)胞中ROS激活的FoxOs也使ss連環(huán)蛋白偏離Wnt信號(hào)，導(dǎo)致成骨細(xì)胞生成減少，這也可能與1型和2型糖尿病的發(fā)病機(jī)制以及ROS介導(dǎo)的糖尿病對(duì)骨形成的不良影響有關(guān)[16]。有研究證實(shí)具有高脂肪細(xì)胞和低成骨細(xì)胞分化能力的老年患者的原代骨髓基質(zhì)干細(xì)胞，天然抗氧化提取物可以抑制其成脂分化和衰老相關(guān)分泌表型[17]。氧化應(yīng)激介導(dǎo)的衰老又可以加速炎性反應(yīng)[18]。糖尿病性骨質(zhì)疏松癥的發(fā)展往往伴隨著細(xì)胞因子介導(dǎo)的慢性低水平炎癥反應(yīng)，氧化應(yīng)激導(dǎo)致促炎核轉(zhuǎn)錄因子B(NF-κB)的激活，使抗蛋白酶防御功能受損，造成細(xì)胞DNA損傷，加速細(xì)胞衰老，以及自身抗體的產(chǎn)生，通過(guò)組蛋白去乙?；?的失活而產(chǎn)生皮質(zhì)類固醇抵抗，進(jìn)而加重糖尿病性骨質(zhì)疏松癥。

2 高糖與糖尿病性骨質(zhì)疏松癥

高糖可以誘導(dǎo)各種細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷和線粒體功能障礙進(jìn)而影響細(xì)胞的增殖分化。其主要通過(guò)使血管內(nèi)皮細(xì)胞中的mtROS增加破壞了線粒體的動(dòng)力學(xué)平衡造成氧化應(yīng)激，最終導(dǎo)致細(xì)胞損傷和內(nèi)皮功能障礙[19]，也可以使FOXO1蛋白的表達(dá)水平升高，并誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞的氧化應(yīng)激和凋亡，最終延遲血管生成和愈合[20]，還可以誘導(dǎo)胰島素抵抗[21]。在糖尿病患者病變過(guò)程中，機(jī)體內(nèi)持續(xù)增強(qiáng)的氧化應(yīng)激反應(yīng)是造成胰島素抵抗和胰島B細(xì)胞損傷的重要因素[22]。而哺乳動(dòng)物高糖高脂飲食促進(jìn)了機(jī)體氧化應(yīng)激反應(yīng)[23]。有關(guān)骨結(jié)構(gòu)質(zhì)量的研究表明，患Ⅱ型糖尿病骨質(zhì)疏松患者的骨小梁和皮質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)更加脆弱[24-25]。骨質(zhì)疏松時(shí)破骨細(xì)胞活性的增強(qiáng)可能歸因于以超氧化物形式產(chǎn)生的ROS的增加，氧化應(yīng)激是衰老、雌激素缺乏和糖皮質(zhì)激素過(guò)量引起的OP的關(guān)鍵因素，并損害骨細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)和連接蛋白縫隙連接通訊[26]，而高糖可通過(guò)激活p38 MAPK/ERK信號(hào)通路和隨后的mCx43內(nèi)化來(lái)影響MLO-Y4細(xì)胞的Cx43縫隙連接和半通道功能[27]。由此高糖促進(jìn)氧化應(yīng)激反應(yīng)進(jìn)而影響糖尿病性骨質(zhì)疏松癥的發(fā)展進(jìn)程。

3 “缺氧-高糖”軸對(duì)糖尿病性骨質(zhì)疏松癥的影響機(jī)制

缺氧是調(diào)節(jié)血管生成-成骨耦合過(guò)程的主要驅(qū)動(dòng)力，組織缺氧可通過(guò)HIF-1α途徑上調(diào)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)，促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化和活性，促進(jìn)血管生成。有研究發(fā)現(xiàn)持續(xù)的高血糖能促使磷脂酰肌醇二磷酸(PIP2)轉(zhuǎn)化為磷脂酰肌醇三磷酸(PIP3)，誘導(dǎo)Akt的激活，從而激活下游效應(yīng)基因缺氧誘導(dǎo)因子HIF-1α的表達(dá)[28]。HIF-1α和VEGF與糖尿病及其并發(fā)癥密切相關(guān)，抑制HIF-1α和VEGF的表達(dá)可發(fā)揮一定的抗炎作用，通過(guò)減輕炎癥反應(yīng)，改變細(xì)胞與低氧有關(guān)的促炎平衡，有效促進(jìn)糖尿病并發(fā)癥的恢復(fù)[29-30]。長(zhǎng)期高血糖可促進(jìn)VEGF的合成與分泌，VEGF受HIF-1α轉(zhuǎn)錄的調(diào)控，是介導(dǎo)血管滲漏和誘導(dǎo)缺血部位血管新生增多的主要生長(zhǎng)因子。當(dāng)胰島B細(xì)胞持續(xù)暴露于高糖環(huán)境下，加速細(xì)胞凋亡。高糖亦通過(guò)胰島素抵抗和PI3K-AKT信號(hào)通路抑制胰島B細(xì)胞功能，隨著衰老進(jìn)程，細(xì)胞線粒體功能障礙導(dǎo)致B細(xì)胞功能障礙使胰島素分泌降低[31]。高糖促進(jìn)炎癥反應(yīng)和抑制新生血管生成，進(jìn)而引發(fā)一系列并發(fā)癥，也可誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)細(xì)胞[32]、骨髓干細(xì)胞[33]、內(nèi)皮細(xì)胞[34-35]、髓核細(xì)胞[36]等各類細(xì)胞衰老。有研究證實(shí)，當(dāng)沉默調(diào)節(jié)蛋白(Sirtuins)活性降低，促炎性因子、氧化應(yīng)激反應(yīng)和細(xì)胞周期中的一些分子可使Ⅱ型糖尿病發(fā)病的易感性增加。對(duì)于哺乳動(dòng)物來(lái)說(shuō)，衰老與 Sirts 活性降低有關(guān)，其中調(diào)節(jié)沉默調(diào)節(jié)蛋白 1(Sirt1)是胰島素分泌的正調(diào)節(jié)因子，具有對(duì)抗細(xì)胞凋亡、抗氧化及抗細(xì)胞炎癥性損傷作用[37]。

4 衰老與“缺氧-高糖”軸

隨著機(jī)體衰老，伴隨不同程度的組織缺氧，而發(fā)揮主要調(diào)控作用的機(jī)制因子HIF-1α與正常人細(xì)胞生長(zhǎng)停滯和衰老相關(guān)。HIF-1α通過(guò)AMPKα和缺氧誘導(dǎo)因子-α亞型的特異性調(diào)控可促進(jìn)血管生成，幫助細(xì)胞適應(yīng)惡劣條件，還與沃伯格效應(yīng)、線粒體動(dòng)力學(xué)和細(xì)胞衰老相關(guān)[38]。有研究證實(shí)糖尿病骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(DM-BMSCs)衰老表型增強(qiáng)，說(shuō)明成骨分化能力降低是糖尿病骨再生修復(fù)障礙的主要原因，而線粒體膜通透性抑制劑CsA可有效抑制DM-BMSCs線粒體膜通透性，降低線粒體外氧化損傷水平，抑制細(xì)胞衰老，促進(jìn)成骨分化[39-40]。相對(duì)于與骨形成和骨吸收相關(guān)的成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞，導(dǎo)致其死亡的明確機(jī)制之一是隨著年齡增長(zhǎng)出現(xiàn)一定程度的組織細(xì)胞缺氧[41]，并促進(jìn)了與年齡相關(guān)的破骨細(xì)胞的分化。HIF-1α不僅通過(guò)在軟骨內(nèi)骨化中激活血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子來(lái)引起增強(qiáng)的骨重建，當(dāng)組織缺氧時(shí)，在骨細(xì)胞啟動(dòng)骨重建中HIF-1α通過(guò)激活MLO-Y4細(xì)胞中的JAK2/STAT3途徑促進(jìn)RANKL的表達(dá)，促進(jìn)骨細(xì)胞介導(dǎo)的破骨細(xì)胞分化[42]。當(dāng)組織細(xì)胞缺氧時(shí)，HIF-1的α亞基發(fā)生磷酸化，發(fā)生核轉(zhuǎn)位并結(jié)合相對(duì)應(yīng)靶基因-VEGF葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體、促紅細(xì)胞生成素等在內(nèi)的多種缺氧反應(yīng)元件，影響糖和能量的代謝、血管張力的調(diào)節(jié)、紅細(xì)胞代謝以及細(xì)胞凋亡等，增強(qiáng)炎性反應(yīng)與氧化應(yīng)激，誘導(dǎo)相關(guān)生物活性物質(zhì)合成以及易感基因的表達(dá)，使機(jī)體產(chǎn)生一系列病理生理反應(yīng)[43]。HIF-1α和VEGF因子的表達(dá)與糖尿病胃輕癱(diabetic gastroparesis，DGP)相關(guān)[44]，高糖促進(jìn)VEGF轉(zhuǎn)錄失調(diào)可能是促進(jìn)DGP并發(fā)癥發(fā)生的主要機(jī)制，胃腸功能失衡，影響機(jī)體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)尤其鈣磷的吸收以及腸道微生物區(qū)系失衡，基于“腸-骨”軸影響，又促進(jìn)骨質(zhì)疏松的發(fā)生發(fā)展[45]。

5 HIF-1α的調(diào)控機(jī)制

HIF-1α可以介導(dǎo)細(xì)胞線粒體功能，促進(jìn)正常人細(xì)胞生長(zhǎng)停滯和衰老影響氧化應(yīng)激反應(yīng)，調(diào)節(jié)線粒體產(chǎn)生ROS本屬于正常的細(xì)胞功能，是適應(yīng)氧化應(yīng)激和對(duì)抗細(xì)胞衰老所必需的。低氧引起的糖酵解通量和線粒體代謝活性的增加，以及隨后產(chǎn)生的線粒體活性氧對(duì)破骨細(xì)胞的形成和吸收是必不可少的[46]，且低氧微環(huán)境可驅(qū)動(dòng)破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收[47]。HIF-1α表達(dá)穩(wěn)定化可減輕低氧條件下細(xì)胞吞噬有絲分裂所致的細(xì)胞凋亡和衰老。研究表明線粒體活性氧發(fā)揮著維持細(xì)胞代謝穩(wěn)態(tài)的作用，是AMPK的生理激活劑。AMPK的激活又觸發(fā)了依賴于PGC-1α的抗氧化反應(yīng)，從而限制了線粒體ROS的產(chǎn)生，缺乏AMPK活性的細(xì)胞表現(xiàn)為線粒體ROS水平升高，并經(jīng)歷早衰[48]。

HIF-1α調(diào)節(jié)VEGF以及一系列其他信號(hào)如ERK、AKT和NF-κB的表達(dá)以應(yīng)對(duì)細(xì)胞缺氧[49]，其在骨發(fā)育和再生過(guò)程中參與血管生成和成骨過(guò)程，并通過(guò)損害成骨細(xì)胞的分化和成熟來(lái)調(diào)節(jié)骨的微結(jié)構(gòu)和重塑[50]，在破骨細(xì)胞中表達(dá)導(dǎo)致其活化，促進(jìn)骨吸收。有研究證明HIF-1α和VEGF在骨質(zhì)疏松骨中的表達(dá)水平低于正常骨[51]；HIF-1α減少了地塞米松對(duì)缺氧誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞有絲分裂的抑制，并保護(hù)了成骨細(xì)胞免于凋亡[52]；B細(xì)胞中HIF-1α的缺失可以防止雌激素缺乏導(dǎo)致的小鼠骨質(zhì)丟失[53]；也有機(jī)制研究證明，過(guò)表達(dá)HIF-1α可顯著增加成骨細(xì)胞中IL-6和IL-8的水平，成骨細(xì)胞中的IL-6和IL-8可通過(guò)缺氧誘導(dǎo)因子-1α途徑參與血管生成-成骨偶聯(lián)過(guò)程[54]，從而HIF-1α發(fā)揮了一個(gè)抑制炎性反應(yīng)的靶向輔助作用，而炎性反應(yīng)和細(xì)胞免疫相關(guān)，HIF-1α在抑制炎性反應(yīng)的同時(shí)可能也發(fā)揮了抑制免疫衰老的作用。破骨細(xì)胞被證明是一種具有豐富的線粒體的高能量細(xì)胞，穩(wěn)定控制HIF-1α的表達(dá)，可以促進(jìn)破骨細(xì)胞鐵死亡[55]，發(fā)揮抑制骨吸收的作用。HIF-1α通過(guò)抑制骨髓衍生的巨噬細(xì)胞在低氧條件下自噬小體的形成而損害自噬通量[56]。目前已知自噬和線粒體功能障礙也是刺激衰老的因素[57]。

HIF-1α在缺氧和高糖之間發(fā)揮著重要橋接作用，把糖尿病和骨質(zhì)疏松癥的結(jié)合轉(zhuǎn)變成高糖缺氧在內(nèi)的與年齡相關(guān)共病機(jī)制共同介導(dǎo)下的疾病——糖尿病性骨質(zhì)疏松癥。

6 結(jié)語(yǔ)

骨質(zhì)疏松作為糖尿病后期并發(fā)癥，兩者交互并存且相互促進(jìn)病理進(jìn)程，臨床上稱之為糖尿病性骨質(zhì)疏松癥。糖尿病和骨質(zhì)疏松癥的共病機(jī)制復(fù)雜，現(xiàn)有臨床治療糖尿病性骨質(zhì)疏松癥的方法大多是將糖尿病與骨質(zhì)疏松癥作為兩個(gè)獨(dú)立的疾病進(jìn)行降糖聯(lián)合抗骨質(zhì)疏松治療，尚無(wú)用于針對(duì)糖尿病性骨質(zhì)疏松癥治療的特異性方案，因而明確糖尿病骨質(zhì)疏松癥的共病機(jī)制是治療糖尿病骨質(zhì)疏松癥的關(guān)鍵樞紐。

機(jī)體衰老伴隨著抗氧化能力的下降，細(xì)胞線粒體活性氧水平破壞細(xì)胞線粒體動(dòng)力學(xué)平衡而造成氧化應(yīng)激，最終加速細(xì)胞損傷、衰老。HIF-1α作為缺氧反應(yīng)的主要調(diào)節(jié)因子之一，在骨骼建模、重塑和內(nèi)環(huán)境以及糖尿病及其并發(fā)癥中發(fā)揮著重要作用?，F(xiàn)把糖尿病骨質(zhì)疏松癥從單純的骨質(zhì)疏松癥和糖尿病結(jié)合的認(rèn)識(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)楦咛侨毖踉趦?nèi)的骨和氧化應(yīng)激與年齡相關(guān)機(jī)制共同介導(dǎo)下的疾病。所以穩(wěn)定HIF-1α的表達(dá)抑制氧化應(yīng)激、減輕細(xì)胞衰老、凋亡等發(fā)揮抗骨丟失和控制糖尿病并發(fā)癥的作用，有必要進(jìn)一步探討缺氧誘導(dǎo)因子-1α介導(dǎo)的有絲分裂吞噬在糖尿病性骨質(zhì)疏松癥中的作用。

本文基于“缺氧-高糖”軸概述HIF-1α在糖尿病性骨質(zhì)疏松癥中抗氧化應(yīng)激的作用機(jī)制，提出以HIF-1α為靶點(diǎn)，穩(wěn)定HIF-1α的表達(dá)并調(diào)控衰老相關(guān)表型在相應(yīng)組織的表達(dá)，通過(guò)誘導(dǎo)破骨細(xì)胞的凋亡以及抑制衰老引起的氧化應(yīng)激反應(yīng)，減緩糖尿病介導(dǎo)的骨質(zhì)疏松癥的發(fā)展進(jìn)程。