骨鈣素調節(jié)糖骨代謝研究進展

萬仕煒 方彭華 閔文

(1南京中醫(yī)藥大學第一臨床醫(yī)學院 南京中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院，江蘇 南京 210029；2宜興市中醫(yī)院)

我國人口老齡化已日趨嚴重，預計2025年我國老年人口將超過3億?；诶淆g化的嚴峻形勢，以骨質疏松與2型糖尿病為代表的代謝性疾病發(fā)病人數不斷增加。目前全球大約有2億人患有骨質疏松癥〔1〕，每年約有900萬患者因骨質疏松骨骼脆化引起骨折〔2〕。此外，我國已有約1.14億例糖尿病患者〔3〕。此類代謝性疾病治療周期長，并發(fā)癥多，嚴重威脅了患者的生命安全，已成為亟待解決的公共老年健康問題。骨鈣素是骨骼中含量最豐富的非膠原基質蛋白〔4〕，其由成骨細胞分泌，通常被認為是一種典型的成骨標志物，具有調節(jié)骨基質礦化的作用，體外研究表明骨鈣素的表達可反映成骨細胞代謝活性和礦物沉積〔5〕。最新研究表明，骨骼是一種特殊的內分泌器官，其分泌的骨鈣素具有調節(jié)機體能量代謝的作用〔6〕。骨鈣素在骨代謝與機體能量代謝過程中扮演著重要的角色，探究骨鈣素與糖骨代謝的關聯對于研究代謝性疾病的發(fā)病機制具有重要意義。本文就骨鈣素與糖骨代謝展開綜述。

1 骨鈣素的骨代謝效應

骨組織是一種特殊的結締組織，由骨細胞和礦化的細胞外基質組成，后者的主要成分是羥基磷灰石晶體〔7〕。羥基磷灰石晶體中含有膠原蛋白和非膠原蛋白等有機基質，如骨鈣素、骨橋蛋白、骨黏連蛋白等〔8〕。盡管非膠原蛋白僅占有機基質的10%，但其在骨轉換和礦化中的重要調節(jié)作用已被證實。骨鈣素是一種主要的γ羧谷氨酸蛋白，是骨骼中含量最豐富的非膠原蛋白。其由骨鈣素前體初步合成，此后經歷谷氨酸羧化酶羧化，最終其26個殘基前肽被裂解并釋放于細胞外部。已羧化的骨鈣素對于鈣離子具有極強的親和力，其結構呈緊密的鈣離子依賴性的α螺旋結構，骨鈣素的殘基結合并促進骨基質羥基磷灰石的吸收，從而發(fā)生骨礦化〔9〕。相反，未羧化的骨鈣素對鈣離子沒有親和力，并廣泛分布于外周循環(huán)中。因其特殊的功能作用，大量在體及離體研究用于探究其對骨代謝與骨重塑的影響。

1.1骨鈣素對于骨形成的影響 由于骨鈣素與羥基磷灰石結合的特性，骨鈣素最初被認為是一種骨礦化與骨形成標志物〔10〕。體外實驗證實骨鈣素在骨礦化過程中可以抑制羥基磷灰石的生長，深入的研究顯示其可作為破骨細胞前體的趨化劑發(fā)揮促進破骨細胞增殖分化的作用〔11〕。為明確骨鈣素對于骨骼的確切效應，Ducy等〔12〕敲除小鼠骨鈣素基因，通過檢測骨密度與成骨破骨細胞的改變來探究骨鈣素在骨代謝中的功能。結果顯示，與對照組相比，骨鈣素敲除小鼠成骨細胞數量不變，但長骨骨皮質厚度與密度顯著提高，初步提示了骨鈣素可能參與抑制骨形成。因為大鼠基因序列比小鼠更接近于人體，Lambert等〔13〕、Hara等〔14〕通過CRISPR/Cas9技術敲除大鼠骨鈣素基因后對其進行一系列骨密度及生物力學檢測，結果表明骨鈣素敲除大鼠骨小梁厚度、密度和體積顯著增加，骨骼負荷能力顯著提高，這一結果與之前的研究一致，再次驗證了骨鈣素對于骨形成的負面調節(jié)作用。此外，Komori〔15〕通過刪除小鼠骨鈣素蛋白(BGLAP)1與骨鈣素蛋白(BGLAP)2基因獲得了新的骨鈣素敲除小鼠模型，與之前研究不同的是，與野生型小鼠相比，新型骨鈣素敲除小鼠模型骨量無明顯變化，骨形成與骨吸收的血清標志物沒有差異。值得注意的是，拉曼光譜分析顯示，新型骨鈣素敲除小鼠骨骼新生磷酸石的生長方向是與膠原纖維不平行的，這與野生型小鼠表型相反。納米壓痕實驗表明，新型骨鈣素敲除小鼠骨骼Y-oung模量降低，而新生磷灰石與Y-oung水平聯系密切，提示了骨鈣素具有調整膠原纖維新生磷灰石c軸晶體方向的作用，其在骨形成與骨礦化中依然扮演了重要的角色。

1.2骨鈣素對骨吸收的影響 大量研究表明，骨鈣素不僅可以影響骨形成，在骨吸收過程中亦能發(fā)揮重要作用。前期研究〔12〕已經證實骨鈣素敲除小鼠的破骨細胞數量是正常小鼠的150%。為探究破骨細胞功能是否與骨鈣素缺乏有關，研究人員切除骨鈣素敲除小鼠卵巢檢測相應指標，結果顯示與去卵巢的正常小鼠相比，骨鈣素敲除小鼠破骨細胞功能正常，但由于數量大于對照組，其骨吸收作用顯著增強，骨密度顯著低于對照組。這一結果指出了骨鈣素的高表達是引起小鼠骨量減少的重要原因。深入研究顯示，若將骨基質顆粒植入大鼠皮下將會導致具有破骨細胞特征的前體細胞大量募集。相反，缺乏骨鈣素蛋白的骨基質顆粒促進破骨細胞形成的效率顯著降低〔16〕，說明骨鈣素對于破骨細胞增殖分化具有一定的促進作用。為進一步驗證骨鈣素對于破骨細胞分化的影響，將骨鈣素添加入人工晶體磷灰石顆粒后再植入大鼠皮下，破骨細胞超微結構表現地更為明顯，并產生了更多的酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)陽性的多核細胞〔17〕，這一結果表明骨鈣素在骨吸收細胞的募集和分化中發(fā)揮了重要的基質信號的作用。此外，多個研究小組通過離體實驗證實了骨鈣素對于人外周血單核細胞和巨噬細胞的趨化作用〔11，16，18〕。以上結果均揭示了骨鈣素對于破骨細胞的積極作用，骨鈣素介導的破骨細胞增殖分化，提高骨骼重吸收，對于維持成骨-破骨平衡具有重要意義。

1.3骨鈣素調控骨代謝的臨床效應 盡管在體和離體實驗尚不能明確骨鈣素的真正效應，臨床上仍然將其作為一種骨轉換標志物來診斷和預防原發(fā)型骨質疏松。與動物實驗相似的是，臨床研究亦表現出骨鈣素的雙向調節(jié)作用。Susanto等〔19〕對雅加達南部53名絕經后婦女進行了橫斷面研究。他們檢測了受試者血清骨鈣素水平和骨密度，結果表明血清骨鈣素與股骨頸骨密度呈顯著負相關。Thanakun等〔20〕采用類似的實驗手段發(fā)現，絕經后下頜骨骨密度下降的婦女血清骨鈣素表達顯著升高，提示骨鈣素表達與骨密度呈負相關，骨鈣素的高表達可能會抑制骨生成、進而導致骨質疏松。相反，一項針對100例沙特絕經后骨質疏松婦女的臨床研究表明，骨質疏松組患者血清骨鈣素含量明顯低于對照組，提示骨鈣素高表達可能對骨質疏松沒有促進作用〔21〕?？紤]到骨鈣素分子在循環(huán)中是非常不均勻的，并且受葡萄糖代謝及絕經后時間長短的多重影響，目前骨鈣素對于骨代謝及骨質疏松的調控作用依然不明確。上述研究表明，骨鈣素在骨形成與骨吸收過程中均扮演著重要的角色。大量報道揭示了骨鈣素對于骨形成的抑制作用與骨吸收的促進作用，然而種種跡象表明骨鈣素并非單純介導成骨細胞和破骨細胞的數量與功能來達到骨平衡狀態(tài)，臨床報道亦不能充分解釋骨鈣素影響骨代謝的確切機制，有待更多的實驗加以證實。

2 骨鈣素調節(jié)糖骨代謝的效應

骨吸收-骨形成耦聯平衡是維持正常骨骼生理形態(tài)的根本原因〔22〕。破骨細胞介導的骨吸收過程是對礦化骨的主動破壞，而成骨細胞介導的骨形成本質上是依賴蛋白質的細胞合成過程，兩者形成動態(tài)平衡以維持骨量。這一過程無疑需要消耗大量能量，因此，近年來骨生物學領域提出一種新的觀點，骨或許是一種內分泌器官，其分泌的部分激素對胰腺、脂肪、肌肉等組織發(fā)揮了重要的內分泌及代謝作用〔23，24〕。骨鈣素正是其中的關鍵一環(huán)。盡管骨鈣素敲除小鼠骨骼礦化并未受到影響，這一論斷打破了骨鈣素是骨礦化調節(jié)基因的傳統觀點，在后續(xù)的研究中發(fā)現，骨鈣素敲除小鼠的內臟脂肪與野生型小鼠相比顯著增加，糖耐量水平與胰島數量顯著下降，說明骨鈣素與能量代謝可能存在一定聯系〔25〕。而對骨鈣素敲除小鼠與肥胖小鼠間斷注射骨鈣素以后，小鼠內臟脂肪減少，胰島β細胞數目增加，胰島素敏感度得到改善，骨鈣素具有明確的減脂、降糖的代謝作用〔26〕。這一現象進一步強化了骨鈣素調節(jié)糖代謝的猜想。隨后的體外實驗驗證了未羧化的骨鈣素可顯著促進β細胞的增殖，提高脂肪細胞中胰島素和脂聯素的表達〔27，28〕。以上證據證實了骨鈣素對于胰島與血糖的調節(jié)作用，同時也表明，骨鈣素與胰島素之間或許存在某種反饋調節(jié)機制，兩者表達水平的高低可影響彼此的分泌和表達。

研究者發(fā)現，若將小鼠表達Esp編碼骨睪丸蛋白酪氨酸磷酸酶(OST-PTP)的基因敲除后，小鼠表現出低血糖、β細胞增加、胰島素分泌增加的現象，這一表型與骨鈣素缺乏小鼠恰好相反〔29〕。然而，進一步檢測發(fā)現小鼠骨骼中骨鈣素分泌量無明顯差異，而血清內骨鈣素水平顯著增加。這揭示了OST-PTP可在骨鈣素分泌量不變的情況下，抑制骨鈣素脫羧，進而對糖代謝產生負調節(jié)的作用。隨后的體外實驗證實，胰島素可與成骨細胞表面胰島素受體結合，減少骨保護素的合成分泌，促進破骨細胞介導的骨吸收過程，增強骨基質的酸性，加劇骨鈣素的脫羧〔30〕。因此，可以確定的是小鼠骨骼和胰島之間存在環(huán)路，兩者相互進行調節(jié)，胰島素含量可調控骨鈣素的分泌水平，同樣的，骨鈣素亦可反向調節(jié)胰島素分泌過程?；谶@一理論，Bilotta等〔31〕使用棕櫚酸誘導的人成骨樣細胞建立胰島素抵抗模型，探究高血糖和胰島素抵抗是否對人類成骨細胞骨鈣素水平具有調控作用。結果顯示，高糖和胰島素抵抗都會對骨鈣素基因的表達產生負面影響，這可能是由于人類骨鈣素基因啟動子的活性降低所致。此外，他們還發(fā)現骨鈣素可顯著增加大鼠胰島β細胞中葡萄糖誘導的胰島素分泌，這一結果部分支持了人體中亦存在骨鈣素-胰島反饋回路，但臨床數據不足，仍需進一步實驗佐證這一結論。

機體骨骼-胰島環(huán)路的發(fā)現極大地開拓了臨床對于糖尿病合并骨質疏松的治療思路，骨鈣素在這一反饋機制中顯示出極其重要的紐帶作用，其影響糖代謝的深入機制有待進一步探索發(fā)掘。

3 骨鈣素調控脂肪因子調節(jié)糖骨代謝

骨的形成與脂肪具有密切聯系，成骨細胞前體和間質來源的脂肪細胞具有共同的祖細胞。脂肪因子是細胞因子的一種，是由脂肪細胞等分泌的一類小分子多肽的總稱，如瘦素、脂聯素等，在機體能量代謝過程中發(fā)揮著巨大的作用〔32，33〕。自1998年瘦素與脂聯素首次被報道與骨密度存在相關性以來，大量的實驗被用來探尋機體脂肪因子與骨平衡的相關性〔34～36〕?？紤]到骨鈣素作為骨骼能量代謝的樞紐，其與脂肪因子相互作用被認為是發(fā)揮內分泌功能與骨骼效應的重要機制。

脂聯素是一種脂肪細胞分泌的蛋白質，由244個氨基酸殘基構成。目前已經證實脂聯素及其受體可在脛骨成骨細胞中表達，且在骨平衡過程中發(fā)揮重要作用〔37〕。前期研究表明脂聯素水平與骨鈣素水平通常呈正相關，兩者具有密切的聯系。若敲除小鼠成骨細胞中的原癌基因(FOS)12基因，小鼠即表現為骨量減少、體重增加的表型，這與先前的骨鈣素敲除小鼠表型類似。而FOS12過表達可顯著增加骨量，降低體重，同時改善小鼠糖耐量與胰島素敏感性。此外，FOS12缺失小鼠表現出循環(huán)骨鈣素水平下降、脂聯素水平提高的表型，而FOS12過表達小鼠則相反〔38〕。提示了FOS12的表達與影響脂聯素與骨鈣素的分泌水平存在密切關系，并影響兩者發(fā)揮內分泌及骨骼功能，FOS12的表達或許是骨鈣素調節(jié)糖骨代謝的關鍵一環(huán)。瘦素-瘦素受體通路廣泛參與調控人體的眾多生理病理過程，包括炎癥、血管生成、免疫功能、胰島素抵抗、骨代謝等。瘦素對骨骼的影響是復雜的，有報道指出瘦素可通過調控骨鈣素水平發(fā)揮作用。地塞米松干預人骨細胞可顯著提高瘦素及其受體的表達水平，與之對應的是骨鈣素水平的降低，再添加瘦素拮抗劑以后，骨鈣素水平得到提升，提示瘦素與骨鈣素水平呈負相關。深入研究表明，Janus激酶(JAK)2蛋白的上調可顯著提高瘦素的表達，瘦素抑制骨鈣素表達可能與JAK2蛋白的磷酸化有關，這或許是瘦素調控骨鈣素的重要機制之一〔39〕。

綜上，人口老齡化是我國現階段巨大社會問題之一，具有老年人口總量大、老齡化程度高、增速快、高齡化老年人數量突出、獨居老年人數量較多等特點。以骨質疏松與2型糖尿病為特征的老年性多發(fā)代謝性疾病給患者帶來了極大地痛苦，加重了經濟負擔，因此，大量研究用于探究骨質疏松等代謝性疾病的發(fā)病機制。長久以來，骨骼被認為是一種支撐人體、維持運動、保護內臟器官的靜態(tài)結構。近年來的研究成果顛覆了骨骼作為惰性器官的論斷，對于骨鈣素的研究開創(chuàng)性地揭示了骨骼對機體復雜的調節(jié)作用。動物實驗證明了骨鈣素作為骨骼與機體能量代謝的重要橋梁，在機體骨骼代謝與糖代謝過程中發(fā)揮著重要的作用，具有治療諸如骨質疏松與2型糖尿病等老年人多發(fā)慢性代謝性疾病的潛力。然而嚙齒類動物骨鈣素水平的晝夜變化與人類相差較大，其羧化模式與人類骨鈣素亦具有明顯差異，因此，動物實驗的結論并不能簡單地解釋骨鈣素在人體中的作用機制，尚需更深入的研究以進一步明確骨鈣素對于糖骨代謝的效應及機制。