糖尿病對骨代謝影響的基礎研究進展

王圣淳，鄭小飛，王華軍

骨質疏松癥（osteoporosis,OP）是中老年人群中的一種常見的慢性病。該病是由于骨代謝過程異常，引起骨微結構破壞、骨密度和骨質量下降及骨脆性增加，從而容易導致骨折并發(fā)癥的全身性疾病。在我國，OP在老年人群中的患病率高達13%，隨著我國人均預期壽命的增長及人口老齡化進程的進一步推進，這一比例將會繼續(xù)增長[1]。據估計，到2035年，我國OP相關的骨折將高達483萬例，每年將耗費約199.2億美元[1]。糖尿?。╠iabetes mel‐litus,DM）通過干擾骨代謝過程，對OP的產生及預后有著顯著的影響。1型糖尿病（type 1 diabetes mellitus,T1DM）中OP的患病率高達20%，2型糖尿病（T2DM）并發(fā)OP的概率高達26.2%[1]。與之相應，DM通常伴隨著較高的骨折發(fā)生率。Goldshtein等[2]學者回顧性研究了87224位OP患者的臨床數據，其中有15700名（18%）患有T2DM，通過Cox比例風險回歸分析發(fā)現，與非糖尿病人群相比，T2DM患者發(fā)生所有類型OP骨折（髖部、脊柱、肱骨和前臂）風險明顯較高（44% vs 32%，P<0.01）。而一項納入了21項原始研究的薈萃分析發(fā)現，在T1DM患病人群中發(fā)生OP骨折風險是非DM的5.79倍[3]。由此可見，DM對OP的產生及愈后影響顯著，在骨代謝中的作用也越來越受到人們的重視。因此，本文通過回顧文獻對DM對骨代謝的基礎研究綜述如下。

1 脂肪因子

T2DM引起的脂肪因子（如脂聯素、瘦素及抵抗素等）水平的失調往往會導致骨代謝紊亂。T2DM繼發(fā)的脂聯素水平下降可導致腎1a-羥化酶的活性降低，從而引起腎性鈣磷水平失調和繼發(fā)性甲狀旁腺素分泌紊亂，最終干擾骨代謝的過程；此外，脂聯素水平下降還可引起葡萄糖的利用率降低、蛋白質分解，從而導致骨架形成障礙，阻礙鈣磷在骨骼中沉積，導致OP[4]。反之，脂聯素水平適度增加可降低交感神經張力，導致骨量增加，從而預防與年齡相關的骨量丟失[4]。另一項動物研究也得出了類似結論，增加適度的外源性脂聯素可減少晚期糖基化終末產物（advanced glycation end products,AGEs）的產生，使氧化應激產物——晚期氧化蛋白產物（advanced oxidized protein products,AOPP）的表達降低，從而使破骨細胞的分化成熟受到抑制，骨吸收減少，起到保護骨組織的作用[5]。綜上，T2DM繼發(fā)的脂聯素水平下降，促成了OP的發(fā)生及發(fā)展。但目前關于脂聯素對骨代謝影響的了解有限。多種旁分泌和內分泌機制似乎介導了脂聯素在骨骼和能量代謝中的作用，需要進一步研究明確。

在T2DM患病人群中，血清瘦素水平較正常人明顯增高[6]。但過高的瘦素水平并不能像正常狀態(tài)下一樣導致能量消耗、食欲降低及體重減輕的現象，而是出現了瘦素抵抗[6]。瘦活化因子配體（re‐ceptor activator of NF-κβLigand,RANKL）信號通路完成。在素抵抗將削弱其對胰島素分泌的抑制作用，進一步加重T2DM患者的高胰島素血癥和胰島素抵抗狀態(tài)，長時間的這一微環(huán)境狀態(tài)可導致胰島細胞分泌功能障礙，從而引起胰島素生成不足[6]。胰島素的缺乏導致成骨細胞胰島素受體不能發(fā)揮其正常功能，阻礙成骨細胞核酸的合成，骨形成障礙、骨吸收相對增加，從而導致了OP的發(fā)生。此外，瘦素對骨代謝的調節(jié)作用可以通過核因子κβ受體活化因子（receptor activator of nf-κβ,RANK）/骨保護素（osteoprotegerin,OPG）/核因子κβ受體瘦素水平升高之初，OPG mRNA的表達隨之增加，而會抑制RANKL mRNA的表達，從而使破骨細胞的活性受到抑制；然而，隨著瘦素水平的進一步升高，其對破骨細胞的抑制作用會逐漸減弱。而高糖水平不僅會導致RANKL mRNA的表達增加，還會抑制OPG mRNA的表達，從而導致破骨細胞的活性增加。因此，在T2DM患病人群當中，由于瘦素的分泌過量，機體中瘦素濃度增加，從而引起了瘦素抵抗，削弱了瘦素對破骨細胞活性的抑制，而高糖水平會進一步促進破骨細胞的分化成熟，這兩種機制同時作用時最終會導致破骨細胞作用增強，骨質受損，從而造成了OP的發(fā)生[6]。

2 晚期糖基化終末產物

DM最顯著的臨床特征是血糖升高。高血糖通過非酶途徑發(fā)揮作用，誘導AGEs的形成，導致AGEs在骨組織中積聚[7]。通過皮膚自發(fā)熒光骨強度測量儀對T2DM的絕經后婦女的骨強度評估顯示，骨強度指數降低與AGEs的積累相關[7]。一方面，AGEs通過炎癥和氧化作用直接損傷成骨細胞和骨組織，導致骨脆性增加[8]；另一方面，AGEs與細胞膜上AGEs受體（AGEs receptor,AGER）結合相互作用，增加轉化生長因子-β（transforming growth factor-β,TGF-β）的表達和分泌，從而抑制骨基質細胞礦化[8]；此外，AGEs抑制了I型膠原中mRNA的表達，使細胞內活性氧生成增多，從而使骨膠原蛋白的生成和分布受到抑制，導致骨強度減低，骨脆性增加[8]。AGEs通過多條信號通路參與了骨代謝的過程。Li等[9]研究結果表明，AGEs抑制了OPN和Runx2成骨基因的表達，而且通過激活DNA甲基化和Wnt/β-catenin途徑抑制間充質干細胞（adipose tissue-derived stem cells,ASCs）的分化成骨能力，影響骨代謝過程，從而導致骨量減少。AGEs通過上調NF-κB配體受體激動因子（receptor activator of NF-kappa B ligand,RANKL）mRNA來誘導破骨細胞生成，還能通過抑制細胞生長、促進凋亡和下調分化來影響成骨細胞的正常功能，從而影響骨代謝[10]。一般來說，AGEs對成骨細胞有雙相影響，短期內低濃度的AGEs通過增加成骨和降低破骨保護正常骨組織，但隨著AGEs濃度增加及成骨細胞受AGEs影響時間延長，會產生相反的結果[11]。AGEs可以增加人成骨細胞中Osterix基因的表達，最初促進成骨細胞和細胞堿性磷酸酶活性，但隨后通過與晚期糖基化終產物受體（receptor for advanced gly‐cation end products，RAGE）相互作用，激活caspase-3信號通路，增加細胞內活性氧自由基（reactive ox‐ygen species,ROS）的產生，降低堿性磷酸酶和絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases,MAPKs）的活性，從而誘導成骨細胞凋亡[12]。在小鼠骨髓基質細胞系（分化為成骨樣細胞）中，AGEs通過干擾Runx2和Osterix基因的表達，導致骨髓間質干細胞（bone mesenchymal stem cells，BMSCs）中堿性磷酸酶和I型膠原mRNA的表達的降低，從而影響了骨質礦化過程，導致骨脆性增加[13]。

3 骨硬化蛋白

DM繼發(fā)的骨硬化蛋白（sclerostin,SOST）濃度升高可以通過結合低密度脂蛋白受體相關蛋白（low-density lipoprotein receptorelated protein,LRP）5/6受體的BP1域來抑制Wnt信號通路，從而抑制骨形成[14]。臨床前研究表明，靶向SOST抗體治療會導致骨量增加，這一觀察已經轉化為臨床研究，絕經后OP婦女接受SOST抗體治療顯示出對骨密度有積極的影響[15]。然而，SOST可能通過多種途徑對骨密度產生影響，需要我們進一步研究確定，SOST與骨密度之間聯系尚存在爭議。Kalem等[16]對比研究了135例絕經后土耳其人的骨密度與SOST水平之間的關系，研究發(fā)現SOST水平與脊柱和股骨頸骨密度呈顯著負相關。有研究得出了相反的結論，與沒有OP的絕經后婦女相比，患有OP癥的絕經后婦女的SOST水平較低。Coulson等[17]對272例年齡較大的受試者（69～81歲，女性占52%）和171例年齡較小的受試者（18～30歲）的骨密度及骨硬化蛋白進行了相關性研究發(fā)現，在年齡較大的受試者中，SOST水平和骨密度之間呈顯著的正相關，但在年輕受試者中未觀察到類似關聯。另外一項研究顯示，與沒有OP的絕經后婦女相比，患有OP癥的絕經后婦女的SOST水平較低；而在絕經后婦女中，SOST水平與腰椎、股骨頸、粗隆、全髖和全身骨密度呈正相關[18]。在男性人群中，一項研究報告顯示，在20～87歲的受試者中，血清SOST水平與脊柱、髖部和全身的骨密度呈正相關[19]。綜上可以看出，我們目前對SOST對OP影響的分子機制了解有限。多種通路及機制介導了SOST在骨骼和能量代謝中的作用，需要我們進行更為深入的研究。

4 胰島素

DM的另一重要臨床表現是胰島素缺乏，其中T1DM表現為胰島素的絕對缺乏，而T2DM為胰島素的相對缺乏。臨床研究證明T1DM患者的峰值骨量明顯減少，盡管尚不清楚骨密度的減少是由于血糖控制不佳還是其他糖尿病并發(fā)癥造成的，研究人員推測胰島素具有骨合成的作用[18]。Thrakill等[19]認為，胰島素通過受體介導的機制在成骨細胞上發(fā)揮強大的骨合成作用。胰島素缺乏對骨骼穩(wěn)態(tài)的不利影響已經在T2DM動物模型的研究中得到證實。與非糖尿病對照組相比，T2DM嚙齒動物在骨損傷后骨再生能力受損。而將胰島素注入牽引間隙后，可以發(fā)現骨骼形成隨之正?；痆20]。在人體中也得到了類似的結論，Campos等[21]對57例平均年齡為35歲的T1DM患者進行的非對照研究，在對這些患者強化胰島素治療前和7年后評估發(fā)現，胰島素治療與骨量和骨轉換生物標志物的改善明顯相關。隨后Ivaska等[22]的研究結果也證明了這一點，T1DM患者注射胰島素治療后的幾個小時內就可以觀察到循環(huán)中的骨標志物水平的變化，表明胰島素對人體的骨代謝有直接的影響。而在T2DM患者中，高胰島素血癥可能是導致骨密度增高的原因之一，但也可能存在骨細胞胰島素抵抗。因此，“胰島素缺乏”假說并不能完全解釋T1DM患者和T2DM患者之間骨骼效應的差異。除了胰島素，胰島β細胞還會產生其他的促骨因子，如胰島淀粉樣多肽（islet amyloid polypeotide,IAPP）和預備素，這兩種物質都是降鈣素基因相關肽家族的成員。在T1DM患者中，這些物質因胰島素的絕對缺乏而不能生成。然而也有學者持相反的觀點。張平等[23]認為胰島素是T2DM中阻礙BMSCs成骨分化的關鍵因子，與健康人的BMSCs相比，T2DM病患者的BMSCs的成骨分化和自噬水平降低，衰老表型升高。研究數據顯示，胰島素通過抑制自噬和促進早衰來阻礙BMSCs的成骨分化，這在一定程度上證明了胰島素是T2DM誘導的骨丟失的原因。此外，在胰島素治療可能會導致患者骨折風險的增加，在對243例T2DM患者的研究發(fā)現，女性T2DM患者在飲食、口服降糖藥物或胰島素治療后骨密度無明顯差異，但男性T2DM患者胰島素治療后骨密度明顯低于其他治療組[24]。另外，一些其他研究表明，胰島素治療與脊柱骨折的高風險相關[25]，這可能是因為接受胰島素治療的T2DM患者往往有更長的病程和/或并發(fā)癥，或者發(fā)生低血糖事件的風險更高。根據對OP性骨折的研究，與非糖尿病患者和非胰島素糖尿病使用者相比，接受胰島素治療的老年糖尿病女性因跌倒和糖尿病并發(fā)癥（如神經病變）而患足部骨折的風險增加了一倍以上[26]。胰島素治療會增加嚴重低血糖事件的發(fā)生頻率，因此會增加跌倒的風險，這可能會增加骨折的風險?；加蠺2DM的老年人跌倒風險更高，但對這一人群跌倒的危險因素知之甚少。口服降糖藥物達到較低的糖化血紅蛋白（hemoglobin A1C,HbA1C）水平與跌倒風險無關，但在使用胰島素的患者中，HBA1C≤6%增加了跌倒風險[27]。而另一項研究結果顯示T2DM患者血糖控制不佳（HbA1C＞7%）也會導致跌倒風險增加[28]。因此，DM通過胰島素對骨代謝的影響機制仍需進一步研究。

5 其他機制

隨著對糖尿病性OP研究的不斷深入，糖尿病對骨代謝的影響的其他分子機制逐漸被發(fā)現。胰島素生長因子-1（Insulin-like growth factor 1，IGF-1）是人體當中促進成骨、抑制破骨的重要活性物質[29]。在DM患者中，IGF-1對成骨細胞的刺激作用被高濃度的AGEs所鈍化，AGEs誘導成骨細胞對IGF-1的作用產生抵抗，導致骨代謝紊亂[30]。

促炎因子在DM骨病產生過程中亦發(fā)揮著重要作用。在DM中，促炎因子濃度升高激活破骨細胞生成，抑制成骨細胞的分化；在高糖狀態(tài)下，IL-1、IL-6和TNF等炎癥因子釋放增加，導致機體ROS的產生，將會直接影響成骨細胞、破骨細胞及骨組織的分化和存活[31]。但糖尿病相伴的骨質丟失和骨折風險增加是否有堅實的炎癥基礎，需要通過進一步的研究來確定。

在DM人群中，骨髓脂肪組織（bone marrow adipose tissue,MAT）的含量明顯高于非糖尿病患者，并發(fā)現其與骨密度之間存在負相關[32]。骨髓中脂肪細胞釋放的游離脂肪酸產生ROS，可抑制成骨細胞的增殖并誘導其凋亡[32]。在T2DM患病人群中，具有產熱活性的棕色脂肪組織含量明顯減低，而棕色脂肪組織能夠分泌胰島素生長因子結合蛋白2和Wnt10b等因子，這些因子可促進骨合成，增強成骨細胞功能[33]。

動物研究發(fā)現，胰高血糖素樣肽1（glucagonlike peptide 1,GLP1）可以通過激活Wnt通路，同時抑制SOST表達，從而激活骨髓間充質干細胞的增殖，并抑制其向脂肪細胞的分化，從而達到成骨分化的作用。但在糖尿病患者中，GLP1生成途徑受損，進而導致OP的發(fā)生[34]。

綜上所述，越來越多的研究揭示了糖尿病與OP的發(fā)生及發(fā)展有著極為密切的關聯，相關的機制研究已經發(fā)現糖尿病引起的高糖環(huán)境及部分代謝產物對骨代謝的影響。但由于糖尿病性OP的發(fā)病的分子機制十分復雜，目前對其研究也十分有限，具體發(fā)病機制還進一步深入研究。目前糖尿病對骨質疏松的影響研究仍停留在基礎研究階段，未能實現進一步良好地臨床轉化，臨床上關于DM性OP和非DM性OP的治療手段并無顯著性差異。隨著精準醫(yī)學的不斷發(fā)展，我們需進行進一步臨床轉化研究，相信隨著相關研究的深入，我們將更好地認識這兩種疾病之間的相互關系，并逐漸理解糖尿病性OP的發(fā)病機制，從而更為有效地指導預防，減少中老年人的病殘率，并改善糖尿病性OP患者治療效果和生活質量。