運動與骨內分泌系統研究進展

徐帥+李世昌+方幸

摘要：對運動與骨內分泌系統研究進行綜合評述。骨作為新型的內分泌器官，具有內分泌功能。目前研究的重點主要是：骨鈣素（OCN）和成纖維細胞生長因子23（FGF23）。其中OCN經過羧化后形成uOCN，再作用于脂肪細胞和胰島，以此調節瘦素、脂聯素、胰島素的分泌，最終作用于骨，形成反饋性回路，進而調控能量代謝。而運動可能通過調節骨內分泌系統進而影響骨代謝，且不同方式運動對骨內分泌的調節不同，尤其是內分泌本質上是尋求內環境的穩定性，短時間或一次性運動對機體意義不大；當進行長期運動時，在調節骨結構的同時可顯著影響相應因子，進而穩定骨內分泌系統。這為運動改善骨及其機體代謝的分子生物學機制提供了新的思路。

關鍵詞：運動生物化學；骨鈣素；成纖維細胞生長因子23；綜述

傳統觀念認為，骨骼是一種惰性靜態器官，具有維持鈣穩態、造血以及支持和保護肢體的功能，是甲狀旁腺激素（PTH）、降鈣素（CT）和固醇類激素等的靶目標。最新骨生物學發現，骨骼能夠獨立管理代謝活動，調節糖耐受力，并作為一個新型內分泌器官分泌特異性骨蛋白——骨鈣素（osteocalcin，OCN）和成纖維細胞生長因子23（fibroblast growth factor 23，FGF23），其中OCN可通過瘦素（leptin）、脂聯素（adiponectin）、胰腺（panereas）等多種反饋調節信號作用于骨；FGF23通過對腎臟細胞膜特定受體的調節作用，以此維持血磷內穩態。同時運動作為一種可調控骨代謝的方式逐漸受到重視，但是運動是否會通過骨內分泌系統進行調節？什么樣的調節方式最為有效？這方面的相關研究較少，有關運動、骨內分泌、骨代謝三者之間關系尚不清楚。本文通過對現有研究進行綜合述評，從運動介導骨內分泌著手，探討運動對骨代謝的影響，為運動改善骨健康提供新的思路。

1OCN的基本特征及對組織細胞功能的影響

OCN由成熟的骨細胞和成骨細胞（osteoblast，OB）合成與分泌，占非膠原蛋白的10%～20%，分子質量為6 ku（kDa），由4個外顯子和3個內含子組成，人與小鼠在OCN外顯子序列上有70%的相似度，包括98個氨基酸殘基，即由23個殘基信號蛋白、26個殘基肽和49個殘基成熟蛋白3部分構成；在21、24、27位有3個y-羧基谷氨酸殘基，又被稱為骨y-羧基谷氨酸蛋白（boney-carboxyglutamic acid protein，BGP）。OCN由維生素K依賴性y-谷酰基羧酶（vitaminK-dependent y-glutamyl carboxylase，GGCX）催化而發生羧化反應，在骨和血液中，均可發現羧化完全骨鈣素（carboxylated osteocalcin，cOCN）和羧化不全骨鈣素（uncarboxylated osteocalcin，uOCN）。它們可以通過血液循環調控胰腺和脂肪細胞，維持著骨和這些器官的信號交流。維生素K羧化系統功能發生紊亂時，會引起OCN合成障礙，從而引起骨代謝等相關性疾病的發生。其中cOCN不具備活性能力，主要結合羥磷灰石（hvdroxyapatite，HA），儲存在骨基質中；uOCN包含1～2個y-羧基谷氨酸殘基，與骨的結合能力低并具有活性，主要存在于血液循環中，可促進小鼠胰島β細胞增殖、胰島素分泌、改善胰島素抵抗、增加能量的消耗。

1.1OCN與胰腺和脂肪細胞的反饋回路

1994年，Ducy報道OCN小鼠會出現多尿和肥胖癥，直到最近才發現與骨調控能量代謝以及糖尿病有關。Lee等研究發現，骨與胰島之間存在明顯的交互作用，并發現OCN具有三重功效：提高胰島素分泌量、促進胰島素作用及阻止脂肪堆積。胰島素信號通路能夠影響骨發育，胰島素受體（Insulin Receptor，IR）是成骨細胞存活、增殖和分化的必要調節物，而OCN小鼠會出現血清胰島素水平下降、葡萄糖刺激的胰島素分泌（glucose-stimulated insulin secretion，GSIS）受損、葡萄糖耐受力降低的現象；與此同時，血清脂聯素水平也有所下降，也就是說胰島素敏感性與脂聯素有關聯。其中uOCN可上調Insulinl、Insulin2、CyclinD1、CyclinD2和Cdk4水平，也就不難理解uOCN對β細胞存在增強效應。在小鼠研究中，胰島素直接作用于成骨細胞促進OCN合成，抑制OPG的合成，引起破骨細胞（osteoclast，OC）中RANKL的活性提高，破骨細胞內的骨吸收能力增強，質子（H+）和氯離子（C1）從破骨細胞中分泌進入再吸收腔，形成pH=4.5的酸性環境，引起骨礦物質的脫鈣作用，結合在羥磷灰石的cOCN發生脫羧產生uOCN，進入血液循環，刺激胰腺反應，引起β細胞增殖、胰島素分泌以及胰島素敏感性升高，由此胰島素與OCN形成反饋回路，使得cOCN羧化形成活性的uOCN，進人內分泌循環（圖1）。

瘦素主要是通過減少進食，增加活動量而消耗脂肪。脂肪組織分泌瘦素：一方面作用于β細胞，抑制胰島素的分泌，直接調節OCN；另一方面作用于下丘腦（hypothalamus），通過血腦屏障進入中樞神經系統，與腦干神經元表面受體結合，降低下丘腦中5-羥色胺的合成并抑制，且增強交感神經活性，刺激兒茶酚胺類神經遞質的釋放，作用在成骨細胞中β2。腎上腺素受體，活化激活轉錄因子4（activating transcription factor4，ATF4），提高成骨細胞的活性，阻礙破骨細胞合成和分化，抑制骨代謝并降低骨吸收能力，引起OCN脫羧減弱。Ducy等也證實了骨與脂肪細胞的回路關系，在瘦素全身性敲除小鼠（ob/ob）和瘦素受體敲除小鼠（db/db）研究中發現，缺乏瘦素或瘦素受體都會出現骨量升高的現象，向ob/ob小鼠第3腦室內注入瘦素后，小鼠骨量增加的表型得到了糾正，說明瘦素對骨代謝及骨質量具有顯著影響。脂肪細胞分泌的脂聯素也可直接作用于胰島，進而提高胰島素的敏感性。至此脂肪細胞通過瘦素、脂聯素與OCN形成反饋回路。

1.2OCN對能量代謝的調控

胚胎干細胞磷酸酶（embyonic stem cell phos-phatase，Esp）基因（又名Ptprv）通過編碼受體樣蛋白酪氨酸磷酸酶（osteotesticular protein tyrosine phosphatase，OST-PTP）影響成骨細胞分泌因子的活性，間接發揮調節能量代謝的作用，其主要針對OCN的調節，以此對下游通路產生影響，調節糖和能量代謝。在對OCN小鼠、Esp鼠、Espobs小鼠研究中發現，Esp、Espobs小鼠出現低血糖癥、圍產期致死率升高，說明Esp在糖代謝、骨分泌以及骨代謝中扮演著重要角色。成骨細胞中Esp的表達已經被證明可以抑制β細胞中胰島素的表達與分泌，降低胰島素的敏感性，最終降低能量代謝。小鼠中OST-PTP由Esp的缺失將導致OCN羧基化修飾失效而積累大量uOCN，Esp小鼠表現出血糖下降、胰島素分泌增加、血糖耐受力和β細胞增殖現象，uOCN的含量下降；與OCN小鼠表型相反，OCN小鼠表現出血糖增加、胰島素分泌下降、血糖耐受力和β細胞增殖減弱、uOCN缺失現象。即Esp和OCN在相同的通路下進行相反的調節，而EspOCN小鼠的能量代謝情況得到轉變，因此Esp小鼠也可以被視為一個OCN減弱性模型。通過胰島素耐量實驗以及高胰島素的血糖鉗技術，又一次證明Esp小鼠較野生型小鼠的胰島素敏感性升高50%左右，且靜脈注射cOCN也可改善OCN小鼠的能量代謝水平。

ATF4在能量代謝中具有重要的調節作用，屬于cAMP反應元件結合蛋白（cAMP-responsive ele-ment-binding protein，CREB）家族成員，主要在成骨細胞中表達并調控多個基因，ATF4小鼠出現血糖水平下降，胰島素含量顯著升高。體外實驗證明ATF4失活并不影響肝細胞中胰島素敏感性，而在成骨細胞中ATF4失活會增加胰島素分泌及其敏感度，但是ATF4過表達又會起到抑制胰島素的效果。ATF4通過促進Esp表達引起IR去磷酸化，骨吸收能力增強，使得細胞外基質（extracellular matrix，ECM）活性升高，最終促進OCN活化，IR小鼠表現出葡萄糖耐受力下降、胰島素敏感性降低現象，尤其是血液uOCN含量下降，也說明了成骨細胞中IR正向調控脫羧反應；此外，IR磷酸化降低了Fox01激活，抑制OPG的分泌，Fox01小鼠會引起低血糖癥和高胰島素水平，與高uOCN水平小鼠表型相似，這表明Fox01可能是OCN轉錄或修飾的調節控制器。分子實驗研究發現，Fox01可以與Esp啟動子上的同源位點結合，從而激活下游Esp表達、OST-PTP活化，使得OCN或uOCN羧化，新的cOCN將與羥磷灰石結合，沉積在骨基質中，uOCN將下調。Fox01和ATF4共同上調Esp水平，而ATF4小鼠出現血糖水平下降，從而說明這是一個增加OCN活化的形式，而在IR小鼠中敲除Fox01會糾正這種表型，說明成骨細胞中IR通過Fox01通路調節糖代謝。

2FGF23的基本特征及對機體器官功能的影響

自2000年后，FGF23被認為是骨內分泌系統中重要因子，從常染色體顯性低磷血癥佝僂病患者體內基因克隆而來，最初發現在間腦的腹外側丘腦核內，最后被確定多位于骨組織細胞中，由骨細胞與成骨細胞合成并分泌。FGF23是由251個氨基酸構成的蛋白質，屬于FGF13亞基，相對分子質量為32 ku。FGF23主要作用于腎臟特定的受體，影響腎臟和抑制維生素D合成，在成骨細胞中FGF23 mRNA的表達以依賴性方式應對細胞外磷酸鹽的升高，降低原尿和小腸對磷的吸收，從而調控血磷水平。血清磷主要受消化道吸收和腎小管重吸收。一方面，FGF23作用于Klotho-FGF受體（Klotho- FGF receptor，FGFR），通過降低NPT2a和NPT2c磷酸鹽轉運蛋白的表達抑制磷的重吸收，NPT2a和NPT2c磷酸鹽轉運蛋白負責近端腎小管重吸收，也可以通過PTH間接影響NPT活性，鏈脲霉素誘導的糖尿病小鼠腎臟中發現，在高糖膳食情況下，FGFR表達量下降，FGF23減弱維生素D3[1，25-（0H）2D3]表達水平；另一方面，在FGF23的調控下，25（OH）-1 a-羥化酶（cyp27b1）表達下降，使1，25-（0H）zD3合成受阻，同時促進25（OH）-24-羥化酶（cyp24）的表達升高，又使1，25-（0H）2D3分解能力增強，FGF23最終降低1，25-（0H）2D3代謝活動，減弱了小腸和腎小管對磷酸鹽的重吸收作用。不難發現，FGF23主要通過抑制。腎小管磷酸鹽重吸收和1，25-（0H）2D3的生物合成，維持磷酸鹽的穩定（圖1）。

這里FGF23與1，25-（0H）2D3還形成了一種負反饋機制。在動物實驗中，體內注射FGF23會抑制1，25-（0H）2D3的合成，而注射1，25-（0H）2D3反而促進骨細胞中FGF23 mRNA的表達。同時還發現，FGF23與PTH也存在負反饋調節過程，其中PTH同樣受到FGF23的調控。FGF23%小鼠會出現壽命短、生長慢、皮膚萎縮以及磷酸鹽代謝紊亂現象，而FGF23過表達又會引起尿磷增加、PTH亢進，引發低血磷癥、1，25-（0H）2D3水平減少以及骨形態異化，礦物質含量減少、軟骨病、佝僂病等。對成年大鼠連續注射3天的PTH，會顯著提高腦顱骨中FGF23 mRNA的表達和血液中FGF23的分泌。最新研究還發現，FGF23水平與心臟病有顯著關聯，可引起左心室肥大癥；FGF23會誘發培養基中大鼠心肌細胞的過度肥大，如將FGF23注射到野生型小鼠體內會引起左心室肥大，血清FGF23升高會影響血管功能，血管鈣化，增加脂肪含量，這些發現均反映出機體是通過骨細胞分泌FGF23以此調控骨骼及其他器官的功能。

3運動調控骨內分泌系統

現有研究發現：運動作為負荷刺激，可以引起骨結構、骨轉換、成骨細胞和破骨細胞活性及分泌量的改變，運動對骨的影響主要是對骨形成和骨吸收的影響，通過促進或抑制成骨細胞和破骨細胞的發育，提高或抑制成骨細胞和破骨細胞的活性，對骨重建起加速或延退的作用。而不同方式運動對骨內分泌系統的調節必然會產生不同效果，尤其是對于反饋回路中各個環節的不同調節。

3.1運動對OCN回路的調控機制

Juriae等曾以健將級男性劃船運動員為研究對象，發現一次性短時間訓練下，運動后即刻血清脂聯素濃度沒有顯著性變化；一次性運動泡括慢跑、快步走、功率自行車等，30～90min，50%VO后即刻血清OCN無顯著變化；一次性運動中，運動時間小于1h，瘦素水平趨于不變或降低；若運動時間大于1h，會出現顯著性下降，估計是由于大量運動后，能量消耗引起的瘦素水平變化，同樣的會引起體內血糖減少，胰島素濃度下降、敏感性減弱，但從內分泌系統維持機體穩態的觀念，一次運動并不會對骨內分泌產生實質上的變化，只是對于機體內指標的臨時性調節，對內穩定的研究意義不大。

長期運動會產生相對穩定的調節，對骨內分泌的改善有一定的指導作用。對肥胖型大鼠進行4周的游泳運動，與肥胖不運動組比較，血脂水平顯著下降，血清脂聯素增加51.81%；對肥胖患者進行6周運動，出現脂聯素的顯著升高；對男性肥胖青少年進行4周的有氧運動和飲食干預后，單位體脂脂聯素明顯升高；進而發現：運動影響胰島素再反饋于脂聯素，最后影響體脂或體成分的變化。瘦素的研究結果卻各有千秋，6周的跑臺訓練，大鼠血清瘦素有所下降；對肥胖婦女進行9周的有氧運動，血清瘦素濃度并未出現顯著變化。經文獻查閱發現，減肥后引起血清瘦素下降所持續的時間在4～10個月，也就是說受試者并未達到能量消耗的閾值，不足以刺激瘦素降低的能力；男性馬拉松選手與久坐的受試者相比，瘦素水平減少與身體脂肪總量降低并行，瘦素水平降低很有可能是由于體脂下降，又或能量消耗強來調節人的血清瘦素水平；表明運動的強度、時間與瘦素水平變化有密切的關系，一般來說12周以上運動對瘦素才會產生顯著變化。12周有氧運動能夠顯著改善糖尿病前期人群的血糖、低胰島素敏感性、胰島素抵抗等代謝異常，改善β細胞分泌功能；在對肥胖兒童青少年的4周訓練后，空腹胰島素、血脂和血糖水平下降，改善脂代謝紊亂和胰島素抵抗。

短時間或一次性運動對脂聯素、瘦素、胰島素與骨代謝影響較小；長時間運動調節成骨細胞、破骨細胞功能和骨內分泌，提高骨密度和骨小梁數目，同時可明顯改善OCN含量，進而調節脂肪細胞分泌脂聯素和瘦素，同樣運動本身也會引起脂肪細胞的改變。研究指出OCN和運動之間存在正相關，中度到高強度運動更容易提高OCN水平。自由玩耍、日常身體活動均可影響OCN含量，與正常體重兒童相比，肥胖兒童的胰島素抵抗強、瘦素濃度低、血清OCN和脂聯素水平弱，高肥胖與OCN成反比關系；瘦體型與肥胖型相比，OCN和胰島素之間表現出更強的關聯性和靈敏度，而空閑時間下的日?；顒涌煞e極改善OCN，無拘無束的玩樂是調節OCN最實用的運動方式，不僅促進健康還可能延遲或防止兒童肥胖相關并發癥的發生，最新的研究也指出OCN在最佳的運動形式下，會明顯改善細胞的新陳代謝。運動在調節OCN回路中，對骨內分泌的改善本身就不是一個孤立性問題，運動在對骨產生作用時，同樣也會對脂肪細胞、胰腺、下丘腦等作出調節。不同方式運動對骨內分泌中的一系列組織和器官是起到疊加的效果？還是產生互相抑制反應？仍需要進一步的探究，而不是簡單的對一個或幾個指標進行分析。尤其是長期運動對骨內分泌的改善，涉及到每條通路中的每個環節，這些過程更加的復雜，需要從整體上以及全部因子水平上具體分析。

3.2運動對FGF23的調控機制

FGF23受食物攝入量和血磷水平的影響，飲食磷增加則體內FGF23升高；飲食磷受限，體內FGF23和血磷均降低。當成年大鼠中磷的攝入增加，會影響血清磷和FGF23水平；同樣，在健康人體內，增加或者降低磷的攝入，也會相應增加或降低FGF23水平。在短時間或一次性運動中，對機體內FGF23及血清磷沒有產生實質性的變化；相反，大強度或長期的運動，會對FGF23產生影響。

在長期運動后，FGF23及磷的含量有顯著變化。連續2年對從事太極拳運動老年男性進行骨鈣磷測定：鈣磷平衡明顯改善，鈣磷丟失減緩，骨代謝及內穩態提高；對9名優秀意大利自行車運動員分別在第1、12、22天進行檢測，并記錄膳食鈣、磷、人體測量參數（身高、體重、BMI）和代謝（凈能量消耗、輸出功率）等指標，在保持比賽期間鈣、磷攝入量不變的情況下，研究結果顯示25（OH）D、PTH和鈣的濃度保持穩定，血清磷含量降低，FGF23增加50%。FGF23含量顯著升高可能是維持鈣、磷的平衡，雖然長期運動可增加骨礦含量，但磷的攝取可能改變鍛煉效果。對42只8周齡Wistar雌性大鼠分別進行2.0 P（ca）或1.0P（ca）的膳食攝入，每組又分為跳躍組和安靜組，發現運動組25（OH）D、鈣、FGF23含量均顯著增加，骨的礦物質含量、強度、橫向厚度和縱向厚度都得到明顯改善；總之，長期運動會改善提高血液中FGF23的含量，從而調節體內磷的變化，降低磷的含量，維持機體的內穩態。

對于OCN、FGF23的研究發現，骨作為一種內分泌器官，可通過OCN調節糖代謝、改善靶器官對胰島素的敏感性、促進胰島素分泌；并通過FGF23調節血磷平衡，這些對糖尿病的預防和治療開辟了全新的領域。就目前的研究思路，可將糖尿病與骨內分泌系統進行相關聯，糖尿病會引起骨細胞和成骨細胞的功能減退，結果引起OCN和FGF23分泌受到抑制，OCN降低引起胰島素分泌減少和胰島素抵抗增加；FGF23減弱導致高磷血癥，引起惡化動脈硬化。雖然在藥物上改善糖尿病癥狀有一些研究，以及運動改善糖尿病也有一些討論，但是對于運動如何通過骨內分泌系統改善糖尿病還沒有深入的研究和完善的解釋，又由于運動本身對機體調節會產生多方面的影響，運動一骨內分泌系統一多種疾?。ㄓ绕涫洽蛐吞悄虿。┤叩年P系仍然處于一種模糊化的狀態，相關的研究還需要進一步探索。