李青?朱亦堃?焦玉睿

【摘要】近年來有研究者提出骨骼也是一種“內分泌器官”，大量實驗研究證明骨代謝相關激素及各種細胞因子的分泌不僅影響骨形成、骨吸收，參與骨重塑，同時也在調節(jié)糖代謝、協(xié)調新陳代謝、改善機體內環(huán)境中發(fā)揮重要作用。該文對骨折時多種骨調節(jié)因子、骨轉換蛋白及細胞因子對骨骼修復及對糖代謝影響的相關研究進行簡要綜述，以期為后續(xù)研究提供新思路。

【關鍵詞】應激;骨調節(jié)因子;細胞因子;骨代謝;糖代謝

Effect of various regulatory factors on bone and glucose metabolism under stress Li Qing， Zhu

Yikun， Jiao Yurui. Department of Endocrinology， Second Clinical Medical Collage， Shanxi Medical University， Taiyuan 030001， China

Corresponding author， Zhu Yikun， E-mail： zyk1003@ 126. com

【Abstract】Recent studies have demonstrated that bone is also an endocrine organ. A large quantity of experimental studies have proven that the secretion of hormones associated with bone metabolism and various cytokines not only affects bone formation， bone absorption and participates in bone remodeling， but also plays an important role in regulating glucose metabolism， coordinating metabolism and improving the internal environment of the body. In this article， the researches on the effect of multiple bone regulatory factors， bone conversion proteins and cytokines upon bone repair and glucose metabolism during fracture were briefly reviewed， aiming to provide novel thoughts for subsequent investigation.

【Key words】Stress;Bone regulatory factor;Cytokine;Bone metabolism;Glucose metabolism

近年有研究顯示，骨不僅參與人體運動，礦物離子的儲存、重要臟器的調控研究表明骨骼也是一種“內分泌器官”，骨重建和塑建過程中分泌的各種細胞因子對機體多系統(tǒng)功能均產生影響，骨的“內分泌”地位日益突出[1]。近期研究顯示在應激狀態(tài)下，機體內環(huán)境的紊亂可導致骨調節(jié)因子、轉換蛋白以及相關細胞因子發(fā)生變化，使成骨與破骨動態(tài)平衡失調，胰島功能及糖代謝發(fā)生變化。

一、骨性調節(jié)因子

1. 骨鈣素

骨鈣素是維生素K依賴的、由成骨細胞合成、BGLAP基因編碼的一種蛋白，可維持骨骼礦化，反映成骨細胞活性，同時對骨形成和骨吸收的動態(tài)平衡有重要的調節(jié)作用。應激時骨鈣素分泌水平會發(fā)生明顯變化。骨折時各種激素和細胞因子如胰島素樣生長因子-1（IGF-1）、成纖維細胞生長因子、生長激素、骨形態(tài)形成蛋白等，會影響骨鈣素的表達及合成、血腫機化時間、骨折端愈合速度，并促使鈣鹽沉積，促進骨折愈合。骨折后至恢復愈合過程中骨鈣素水平也會有所波動。骨折后及骨重塑階段，成骨和破骨功能均活躍，骨鈣素的合成及分泌水平均較創(chuàng)傷應激前明顯增高，隨著機體自身修復逐漸完成，骨鈣素分泌水平也趨于正常生理水平。

骨鈣素在調節(jié)糖脂代謝中也發(fā)揮重要作用。敲除小鼠骨鈣素基因會使其出現胰島素敏感性降低、糖耐量異常等代謝紊亂現象，而外源性給予骨鈣素后，其胰島素敏感性及葡萄糖耐受性會提高[1]。大量橫斷面研究也證實血清骨鈣素水平與空腹血糖、GHbA1c、胰島素抵抗指數、肥胖等呈負相關，與胰島素分泌指數呈正相關[2]。其機制可能與G 蛋白偶聯受體 6a（GPCR-6a）有關，血清骨鈣素通過與胰島β細胞上的GPCR-6a結合，經磷脂酶C激活三磷酸肌醇（IP3）-鈣（IP3-Ca2+）信號轉導通路，促進胰島β細胞分泌胰島素、脂聯素和其他激素，通過環(huán)腺苷酸-蛋白激酶A （cAMP-PKA） 通路，激活絲裂原細胞外激酶-細胞外信號調節(jié)蛋白激酶（Mek-Erk）級聯，調節(jié)胰島素敏感性。骨鈣素還可作用于腸道內胰高血糖素樣肽1 （GLP-1），刺激胰島β細胞分泌，調節(jié)胰島功能、降低血糖并減緩肥胖的發(fā)生[3-4]。Urano、Shu、Liang等[5-7]

也證實骨鈣素參與糖代謝，并發(fā)現骨鈣素水平與糖尿病風險呈負相關，提示骨鈣素很有可能成為一種新型胰島素促泌劑，改善胰島細胞分泌，治療糖尿病。

此外非羧化骨鈣素（ucOC）也影響糖脂代謝。ucOC是骨鈣素經受體樣跨膜蛋白酪氨酸磷酸酶、谷氨酸羧化酶修飾形成的。有研究顯示ucOC可通過影響脂聯素釋放促進胰島素分泌、胰島β細胞生長及胰島素基因表達，改善胰島素敏感性，而分泌的胰島素還可以與成骨細胞表面的胰島素受體結合，促進骨吸收及骨鈣素脫羧[8]。但部分學者并不認可骨鈣素與糖代謝具有相關性，所以仍需做大樣本前瞻性隊列研究進一步證實血清骨鈣素水平與糖代謝之間的關系。

2.Ⅰ型前膠原氨基端前肽（P1NP） 和Ⅰ型膠原交聯羧基末端肽（β-CTx）

P1NP反應成骨細胞活性，β-CTx是破骨細胞降解產物。監(jiān)測P1NP和β-CTx水平可反映機體骨代謝的狀態(tài)，兩者均為特異性的骨轉換標志物，可以預測骨折愈合程度。骨折時機體內環(huán)境紊亂，大量炎癥因子和激素的變化致骨調節(jié)因子水平明顯波動，影響骨形成和骨吸收，加快骨轉換速率，增強骨代謝，P1NP和β-CTx呈高水平狀態(tài)。與正常人群比較，骨折患者血清中P1NP、β-CTx水平較高，其升高程度與骨密度成反比[9]。同樣PINP、β-CTx也影響骨的愈合及重塑，與正常生理修復時間相比，血清中PINP、β-CTx水平較低的患者骨折重塑時間較長，成骨和破骨能力均明顯下降，骨折恢復難度增高[9]。

P1NP、β-CTx和糖代謝的關系與ucOC和糖代謝之間的相互影響有許多相似之處。上文已提到ucOC升高、血糖改善;反之ucOC降低、糖耐量受損。同樣有臨床研究者發(fā)現在糖尿病早期機體可能通過增強骨吸收，促進骨轉換即提高糖耐量異?；颊唧w內β-CTx、ucOC水平調節(jié)血糖，維持其平衡[10]。一項研究顯示骨鈣素與P1NP 影響絕經后婦女糖尿病患病率，而排除骨鈣素的影響后P1NP仍與糖尿病患病率呈負相關[11]。且P1NP、β-CTx水平每增加一個標準差，糖尿病的發(fā)病風險分別降低 36%和40%[12]。因此提示P1NP可能對糖代謝有一定影響。但關于P1NP及β-CTx與糖代謝關系，目前實驗研究較少，意見不一，仍需做大樣本的研究進一步探索。

3. 骨硬化蛋白（SOST）

SOST是由成骨細胞分泌的半胱氨酸糖蛋白，曾被視為泛發(fā)性骨皮質增厚癥（VanBuchem?。┖陀不怨腔Y的致病基因，其可通過與LDL受體相關蛋白5/6（LRP5/6）結合，阻礙Wnt/β-連環(huán)蛋白（Wnt/β-catenin）信號通路傳導，降低骨量，其能靈敏地反映骨折后機體骨形成與骨吸收的變化[13]。Wnt蛋白是一種分泌型糖蛋白，通過2種不同的信號通路即Wnt/β-catenin信號通路、Wnt/蛋白激酶C（Wnt/PKC）通路調控骨骼的生長，維持骨平衡，其中起主要作用的是Wnt/β-catenin信號通路，活化的Wnt蛋白通過與LRP5/6結合抑制β-catenin磷酸化，刺激成纖維細胞核心結合因子（RUNX2）和成骨細胞特異性轉錄因子（Osterix），促進成骨細胞分化，誘導骨形成[14]。有研究者在絕經后骨質疏松小鼠模型體內發(fā)現骨硬化蛋白單克隆抗體可通過與骨硬化蛋白特異性結合間接抑制骨吸收、促進骨形成、增加骨密度、提高骨強度，加速骨質疏松骨折愈合速率[15]。多項動物實驗和大樣本臨床研究均證實了此觀點[16]。骨折后斷端骨組織表達SOST水平降低，骨硬化蛋白抑制成骨能力減弱，骨形成增強，骨折愈合速度加快，隨著骨折時間的延長，骨硬化蛋白水平逐漸升高，抑制成骨能力降低。近期骨硬化蛋白單克隆抗體已正式在美國上市，用于女性絕經后伴高危骨折風險骨質疏松癥的治療。

SOST還與糖代謝密切相關。動物實驗顯示，敲除了骨硬化蛋白基因后，小鼠出現胰島素敏感性增強及慢性代謝性疾病發(fā)病風險降低等表現，而外源性給予骨硬化蛋白則出現相反結果[17]。Kim等[18]的研究也證實骨硬化蛋白水平與空腹血糖、胰島素抵抗指數呈正相關，并提出SOST可能通過Wnt通路調節(jié)胰島素清除并與胰島素清除率呈負相關。以上研究均表明骨硬化蛋白可能參與調節(jié)糖代謝及能量代謝。雖然關于骨硬化蛋白的研究結論不一致，但大量實驗研究仍提示骨硬化蛋白可能通過體內的骨-脂肪作用通路參與糖代謝的調節(jié)。

4. 護骨素

護骨素屬TNF受體超家族成員，是一種由成骨細胞分泌的可溶性糖蛋白，其通過競爭性地與核因子-κB受體活化因子配體（RANKL）結合，阻斷RANK與特異受體RANKL結合，形成護骨素-RANKL-RANK通路調節(jié)破骨細胞分化與凋亡。大量實驗研究已證實護骨素可以促進成骨細胞增殖、分化，增加骨小梁的數量，提高骨密度。骨質疏松時許多細胞因子如IL-1、IL-6等可通過調節(jié)RANKL和護骨素mRNA的表達促使護骨素與RANKL的濃度比下降，使破骨細胞的分化和功能增強，骨量丟失，骨強度下降。骨折時各種炎癥因子的釋放也可間接刺激護骨素和RANKL的分泌進一步誘導成骨細胞分化，調節(jié)破骨細胞活性，加速骨折愈合。

護骨素-RANKL-RANK通路不僅參與骨代謝的調節(jié)、骨折后的愈合，還與糖代謝密切相關。動物實驗顯示，敲除小鼠的護骨素基因會出現胰島素敏感性增強，血糖、血脂降低等現象，證實護骨素參與胰島β細胞及脂肪的調節(jié)[19]。同樣阻斷護骨素-RANKL-RANK信號通路可以改善胰島素抵抗及糖耐量。與動物實驗結果相同，大量臨床研究也顯示各種TNF也通過調節(jié)RANKL、護骨素濃度參與糖尿病及糖尿病血管內皮病變的發(fā)生發(fā)展。以上均提示護骨素-RANKL-RANK通路可能參與2型糖尿病的發(fā)生。

二、其他細胞因子

1. 轉化生長因子β（TGF-β）

TGF-β屬TGF超家族，參與血管生成及骨與軟骨細胞的增殖、分化和代謝等生理過程，還參與成纖維細胞的活化和免疫抑制。此外，TGF-β還是細胞外基質沉積的強刺激因子，通過跨膜絲氨酸/蘇氨酸激酶受體和細胞內Smad轉錄調控參與骨折后骨痂的形成及愈合。骨折初期TGF-β主要參與血管內皮細胞及平滑肌細胞的增殖、分化，之后大量的TGF-β開始參與骨折愈合過程中成骨和破骨的調節(jié)。不論是外源性給予TGF-β，還是檢測骨折斷端TGF-β水平均證實TGF-β可以促進成骨細胞、間充質細胞增殖以及破骨細胞的分化，加速骨折愈合[20]。

TGF-β還影響腫瘤細胞及微環(huán)境，參與免疫性疾病及糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生及發(fā)展。Tang等[21]發(fā)現TGF-β可通過參與Smad的氧化磷酸化過程調控妊娠糖尿病的發(fā)生。動物研究提示骨髓間充質干細胞脂氧素（LXA4）通過調節(jié)TGF-β-Smad信號通路抑制糖尿病腎病纖維化的發(fā)病進程，這也間接證實TGF-β對糖代謝的調控作用[22]。

2. 血管內皮生長因子（VEGF）

VEGF是血管生成和發(fā)育重要的生長因子，是胚胎發(fā)生和骨骼生長過程中血管生成的關鍵調控因子，多項研究表明VEGF可通過其載體系統(tǒng)MCM刺激促紅細胞生成素（EPO）和RUNX-2信號，促進骨骼血管和成骨細胞生成，參與骨愈合，而且還可在成骨細胞前體細胞中高度表達，增強骨折斷端血管通透性，誘導新骨形成，加速骨吸收、骨愈合，還可通過刺激軟骨內成骨，提高骨再生[23-24]。

VEGF還參與糖脂代謝，VEGF家族中的VEGF-B通過上調脂肪酸轉運蛋白（FATP）表達促進游離脂肪酸的攝取，而敲除VEGF-B或使用抗VEGF-B抗體則可保護胰島β細胞功能、增強胰島素敏感性、改善糖尿病小鼠異常糖脂代謝[23]。同時糖尿病腎病、糖尿病視網膜病變和妊娠糖尿病的血管炎性改變下高糖內環(huán)境狀態(tài)激活多元醇-肌醇代謝、PKC通路及促進晚期糖基化終末產物（AGE）過量產生，誘導NADH脫氫酶引起活性氧增加，活性氧經信號傳導及轉錄激活蛋白-3（STAT-3）上調VEGF表達，從而發(fā)揮負性調控作用[24]。

3. IGF-1

IGF-1主要由肝臟產生，是具有胰島素樣代謝效應的因子?？烧{節(jié)細胞的生長、分化，在骨組織的生成及塑造中發(fā)揮重要作用。IGF-1水平降低會導致股骨皮質和小梁骨厚度的減少，發(fā)生骨質疏松及骨折的風險相應增加。動物實驗顯示IGF-1通過激活非編碼微小RNA，調節(jié)堿性磷酸酶（ALP）以及載骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2 （BMP-2）的合成，促進成骨，而敲除IGF-1基因后骨形成和骨密度均降低，并發(fā)癥風險增高[25-26]。骨折時IGF-1通過PI3K/AKT通路促進ALP以及BMP-2的合成，促進成骨及骨礦化，加速骨折愈合。IGF-1也具有促胰島素合成、增加胰島素敏感性、調節(jié)糖脂代謝等作用。動物實驗顯示外源給予糖尿病皮膚潰瘍大鼠 IGF-1可促進其傷口的愈合，骨內胰島素信號的改變也可促進骨形成、骨代謝及骨重塑。

4. TNF超家族

IL-6、IL-8、TNF-α等屬TNF超家族成員。應激時由于內環(huán)境穩(wěn)態(tài)改變呈迅速升高趨勢，這些炎性因子還可在骨折時募集細胞外基質、血管內皮細胞及成纖維細胞，通過護骨素-RANKL-RANK通路至創(chuàng)傷部位，刺激成骨，誘導破骨，影響骨代謝的發(fā)生發(fā)展[27-28]。

應激時機體微環(huán)境的改變進一步揭示炎癥因子與糖代謝之間的相互作用。應激啟動大量炎癥因子，增強免疫系統(tǒng)，抑制胰島細胞功能，攻擊胰島細胞，誘導啟動胰島β細胞凋亡，促使血糖在短期內迅速升高，而機體高血糖狀態(tài)也會通過氧化刺激大量炎癥因子和趨化因子產生，進一步破壞胰島β細胞，形成惡性循環(huán)[29]。

三、小 結

綜上所述，大量骨調節(jié)因子及細胞因子均會在骨折時發(fā)生改變，它們不但影響骨形成和骨吸收，也會影響糖代謝，可能是未來預測和治療糖尿病發(fā)生及發(fā)展的重要指標。但目前關于應激狀態(tài)下骨調節(jié)因子及細胞因子對胰島功能及糖代謝的研究極少，仍需行大量研究加以證實。

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（收稿日期：2019-08-29）

（本文編輯：洪悅民）