瘦素對骨及軟骨作用研究的新進展

趙曉萌　趙文國　任文清

摘要：由OB基因編碼的分子量為16-KD的瘦素，是一種與食欲和代謝相關的激素。它作用于下丘腦，目前研究認為它是由白色脂肪組織分泌的。因此肥胖患者體內瘦素含量要高于正常體重者，而由于高水平瘦素的持續作用，導致了其特異性受體敏感性降低。在不斷的研究過程中，還發現瘦素是一種作用于中樞和外周的多效性激素，并通過中樞和外周機制影響攝食、骨量、軟骨修復、脂質、糖代謝、產熱、生殖和內分泌等功能。

關鍵詞：瘦素，骨，軟骨，保護

瘦素缺乏時會導致小鼠許多癥狀的出現，如體重增加、骨密度改變、血糖異常、不育以及體溫波動異常等。通過瘦素的治療，上述表現可以減輕。瘦素因有可能在骨與軟骨的保護與修復過程中發揮作用而越來越被關注，成為一新的研究熱點。本文將對近些年來瘦素對骨代謝及軟骨影響的最新進展做一綜述。

1瘦素受體

瘦素通過結合到其特異性的受體（OB-RS）發揮作用，OB-RS通過選擇性剪切分為幾種亞型，表達不同的生物活性，并在中樞及外周器官介導瘦素發揮作用。由Lep基因編碼的長鏈形式（LRb）是主要的受體，存在于下丘腦的各個區域。在LRb上磷酸化的Tyr-1077和Tyr-1138吸引并激活潛在的轉錄因子STAT3和STAT5，LRB也常磷酸化為Tyr-985，它們與SOCS3結合減弱LRb信號。瘦素受體的短鏈形式，幾乎分布在所有的外周組織中。包括卵巢、前列腺、睪丸、骨及軟骨組織。提示瘦素對這些組織器官有著直接的影響。

2瘦素對骨的影響

2.1瘦素對骨的作用

瘦素是骨代謝的主要調節因子，維持在骨發育過程中代謝的平衡。但其在嚙齒類動物及人類的骨質量的影響實驗中，實驗的結果和數據是矛盾的。

（一）瘦素對骨的正性作用

在兔下肢骨折愈合過程中，瘦素促進骨折處生長因子的產生，增加骨小梁的形成，從而使得骨折處愈合時間縮短；在骨皮質層的礦質化受阻病變。通過瘦素的治療可以減輕甚至完全恢復；瘦素缺乏型小鼠在腰椎骨礦物含量增加。而其他部位的骨基質中有機物和無機物流失嚴重，如膠原合成減少，鈣—磷固體結晶形成的羥基磷灰石分解加速。與正常小鼠相比，這種小鼠，由于較股骨皮質礦物和有機物含量相對較低，密度和柔韌可屈方面的變化，使骨強度結構完整性受損。在這種情況下，動物的股骨長度和骨密度可以通過注射瘦素增加；瘦素通過內分泌系統對骨也有一定的正性作用。絕經期機體內分泌系統會發生改變。這些改變導致骨骼中無機物晶體和非晶體形式平衡受到破壞，骨負荷能力減弱。易發生較大的變形甚至骨斷裂，電鏡掃描見骨小梁變細，骨板層結構紊亂。注射瘦素后，患者血清降鈣素增加，抑制骨吸收作用。不穩定骨鈣流失減少，拮抗骨的溶骨作用。

（二）瘦素對骨的負性作用

通過組織形態計量學分析，發現新生骨的表面骨母細胞較多，電鏡下見骨母細胞內被粗面內質網占據，且有基質生成，說明骨形成活躍。而側腦室注入瘦素后，則表現為新生骨密度降低，骨母細胞內粗面內質網減少；瘦素會使骨基質內有機物和無機物含量下降，軟骨與骨交界處礦化和基質退化，骨小梁厚度減少，抑制骨形成并降低骨力學性能。

3-6月齡的瘦素缺陷小鼠與野生型（WT）小鼠相比。在皮質骨中有較厚的骨小梁和較高的骨形成率。同樣，組織形態計量學分析也表明，缺陷型小鼠的骨小梁體積增加了近兩倍。此外，對6月齡的上述兩種品系小鼠，和去卵巢小鼠的長骨生物力學分析，發現ob/ob小鼠比去卵巢小鼠的骨骼更硬。這種瘦素缺陷導致的高骨質量的表型，影響體內所有的骨骼，導致大量增加骨形成。

阻斷瘦素后，椎體骨質羥基磷灰石晶體不斷形成，提示骨的鈣化增加。檢查見骨體積分數、骨密度、骨小梁厚度和數量明顯高于對照組。然而骨小梁的厚度雖然有所增加，但不明顯。同時，PEG-SMLA（阻斷劑）處理的小鼠骨骼也會顯示力學性能的變化。通過測試脛骨的彎曲強度，發現兩組在第一月底治療的脛骨的力學性能有顯著差異。PEG-SMLA處理的骨骼有顯著較高的最大荷載，整骨的韌度，AUC（衡量骨斷裂所需的能量）和屈服荷載。

2.2瘦素對骨代謝的作用途徑

目前瘦素的作用機制仍存在爭論，瘦素可能通過多種機制作用于骨，目前被接受的觀點包括兩個。途徑一：間接地通過對神經內分泌軸的影響或/和直接作用于成骨細胞和破骨細胞；途徑二：也有人認為瘦素發揮作用僅通過神經途徑進行。

途徑一：瘦素通過影響降鈣素、和IGF-1等因子作用于骨。絕經期女性通常伴有低轉換性骨質疏松病。檢查見骨膠原和基質合成減少。使用下丘腦注射瘦素治療，降鈣素水平升高，從而骨質疏松癥狀緩解；生長因子缺乏使破骨細胞中溶酶體增加。瘦素也抑制上述情況的發生；瘦素也可與直接作用與骨表面受體。促進基質成分與磷灰石與骨礦質化邊緣結合，直接誘導成骨。

途徑二：瘦素通過神經方式調節骨代謝。這種調節獨立于能量調節。即作用于下丘腦神經元受體，激活的交感神經，使骨母細胞形成減少，增強破骨細胞吸收礦化骨能力。利用突變的1/1小鼠品系。用來檢驗是否瘦素是骨量起負調控作用。在1/1小鼠體內通過從成骨細胞和神經元中特異性誘導瘦素受體（Lepr）缺失，在非脫鈣骨段通過組織性形態學及x線斷層掃描顯示，骨形成和骨吸收參數不會在Lepr基因缺失的成骨細胞受影響。相反，缺乏瘦素受體神經元的小鼠顯示相反的結果。其抗成骨作用是通過瘦素與下丘腦腹內側核神經元上的受體發揮作用。

3瘦素對軟骨的影響

3.1瘦素對軟骨細胞的作用

關節軟骨中軟骨細胞與基質相比，細胞很少。而且由于軟骨中含有乳酸和糖酵解代謝的各種酶，含氧低，因此細胞增殖緩慢。體外培養的軟骨細胞不易存活。在加入瘦素情況下，無論平面還是立體培養，軟骨細胞活性均升高。主要表現在以下幾個方面：1）營養因子經培養基彌散速度加快；2）細胞親水性增加，說明蛋白多糖分泌增加；3）培養基中的三螺旋結構的膠原大分子增加；4）多肽類生長因子分泌增加。并檢測到胰島素樣生長因子Ⅰ及Ⅱ型膠原酶的分泌明顯增加。

瘦素也促進軟骨內成骨過程，在軟骨內成骨過程中，首先形成軟骨組織，然后逐漸被骨組織所取代，在這一過程中，軟骨細胞形成的骨模型中軸軟骨局部增生肥大，與此同時，血管開始侵入、分支，并向骨化中心的兩端生長，隨后骨祖細胞分化為成骨細胞，并開始對軟骨進行鈣化。瘦素可明顯促進這一過程的進展，并促進軟骨細胞的有絲分裂。同時在原發性膜內成骨的過程中，與血管相鄰的軟骨細胞核腫脹，染色質減少，陷窩融合導致細胞肥大。這些都與瘦素的高表達相關。

3.2瘦素對軟骨組織作用機制及濃度對相關因子的影響

瘦素對體內軟骨組織的作用是通過外周和中樞作用。但瘦素在外周和局部對軟骨細胞的作用更為明顯。有充分的證據表明在軟骨形成過程中，某些細胞發生死亡，而后被其他細胞代替。這種現象的發生以及瘦素促進這一過程的機制尚未完全明了。如骨骺與干骺端的交界處軟骨的有絲分裂和骨松質的形成，瘦素在這一過程中扮演著重要促進角色。以上是瘦素的外周作用。

瘦素可調節多肽類生長因子的合成。多肽類生長因子在調節正常或病理狀態下軟骨的合成過程中發揮重要作用。這些因子作用于軟骨細胞的機制沒有完全明了。但主要與應答細胞表面位點的相互作用受體有關。以上是瘦素的中樞作用。

在體內，瘦素可刺激這些因子的產生與其濃度相關。高水平瘦素可干擾轉錄機制，導致細胞對瘦素的敏感性受損。相同濃度的瘦素在不同個體，誘導這些因子升高的程度不同，這可能是機體的病理狀態、體重、敏感性、藥物導致的。

機體對不同的瘦素濃度，產生的反應不同，例如在骨性關節炎（OA）患者體內，瘦素濃度在20ng/ml時，無法調節軟骨細胞基因表達。生長因子TGF-B 1和IGF-I的誘導作用對不同瘦素濃度反應也不同，對于TGF-β1，當瘦素濃度升高無論多少，其表達保持不變，相反瘦素對IGF-1的表達呈劑量依賴效應，在體重正常或略微超重的OA患者中，瘦素濃度100ng/ml時，增加軟骨細胞IGF-I的mRNA表達。然而當濃度在100ng/ml以上逐步升高時。這種促進作用逐漸減小，直至消失。

綜上所述，瘦素的骨和軟骨的影響是復雜的，因骨骼部位及發育階段的不同而不同。

瘦素并不影響體內所有骨骼，這可以解釋在這一領域的一些爭議。然而，不同品系的小鼠所得出結論不同。1）WT小鼠：在阻斷后，表現為脛骨和脊椎骨作用相似。它增加脛骨和脊椎骨小梁骨和皮質骨的厚度，且BV/TV升高。2）OB小鼠：腰椎骨細胞分泌的非膠原基質蛋白分泌增加，說明腰椎密度是升高，而股骨改變卻與此相反。這表明在軀干和四肢的骨骼，瘦素信號對骨的影響的變化存在明顯的差異。這可能是在不同部位骨骼和骨骼的部分之間有不同的瘦素受體信號轉導導致的。

實用的研究對象不同可能是造成這些差異的原因。ob/ob小鼠從胚胎階段和任何時期都不表達瘦素。而WT小鼠，從出生到4周的年齡這個階段，才有瘦素信號表達。由于骨反應啟動的阻斷治療（在第1個月時），完全缺失與暫時性瘦素信號阻斷所導致的不同結果并不意外，這表明瘦素對骨骼的影響是復雜的。也說明在早期的年齡，骨仍處于生長階段時，瘦素的作用是非常重要的。

瘦素對軟骨的保護作用。在OA患者的體內，促炎介質的表達之間未發現任何差異，而OA與炎癥有關，提示炎癥介質是由于OA本身的慢性炎癥所導致的結果，而不是瘦素刺激TGF-B、IGF-1和TIMP-2高表達導致的。瘦素表達明顯升高，蛋白聚糖、TGF-B，IGF-1、Ⅱ型膠原酶合成增加，即上調保護性因子。這屬于一種代償作用。

此外影響瘦素作用的另一個重要方面是體重指數。肥胖是一種內分泌狀態或病理狀態，它的特點是胰島素抵抗和低度炎癥。肥胖者循環中炎癥介質的水平和來源于白色脂肪組織的瘦素有適度的增加，這些將影響胰島素敏感性和葡萄糖代謝，導致胰島素抵抗。從而產生代謝綜合征，影響骨骼和軟骨的發育及質量。軟骨與骨的發育由一個復雜的內分泌信號網絡調控，包括胰島素、生長激素（GH）、IGF-I、糖皮質激素、雌激素、維生素D、和瘦素等，通過復雜的機制調控作用在骨和軟骨。在這些嚴格的調節過程中，任何干擾都將導致其發育異常。眾多干擾因素的存在，使得瘦素研究困難，因此得出了不同的結論。

這些爭論的存在給我們提出了新的研究方向，但瘦素對骨與軟骨的作用畢竟給予研究者新的期冀，進一步的深入研究瘦素對骨及軟骨的作用及機制，使其可能成為骨與軟骨保護與修復的可干預點。