葡萄糖依賴的腸促胰島素對關節軟骨損傷保護機制的研究進展

王世川，王小健，楊烜，王宇澤*

(1.山西醫科大學第二醫院骨科，山西 太原 030001；2.山西省人民醫院骨科，山西 太原 030001)

骨關節炎(osteoarthritis，OA)是當今世界上最常見的慢性病之一，也是導致疼痛、致畸、致殘的主要原因之一。其特點是關節軟骨的逐漸破壞、滑膜炎癥、軟骨下骨退行改變、關節周圍肌肉韌帶的改變以及關節疼痛。導致OA的危險因素包括年齡、性別、社會經濟地位、家族史和肥胖等。OA的主要病理改變是關節軟骨損傷，成人的關節軟骨無血管、淋巴和神經支配，且關節軟骨細胞增殖能力很弱，一旦關節軟骨發生損傷，難以自身修復，必須進行人為治療。這是骨關節炎臨床治療中的難點，也是當前OA藥物治療研究中的熱點。流行病研究發現，Ⅱ型糖尿病(type Ⅱ diabetes mellitus，T2DM)與骨代謝具有密切相關性[1]。Piva等學者也通過研究發現，體內高血糖的改變可能直接影響軟骨和軟骨下骨的健康，并且軟骨下骨的損傷加速OA的發生與發展[2]。運用轉化醫學模式，將治療T2DM的藥物用于骨性疾病的治療成為熱點。葡萄糖依賴的腸促胰島素(glucose-dependent insulinotropic polypepide，GIP)是一種新型的治療糖尿病的藥物，研究表明，GIP也可作用成骨細胞、骨細胞、破骨細胞，導致I型膠原表達、提高膠原之間的交聯水平；Mieczkowska等[3]發現在葡萄糖依賴的腸促胰島素受體(glucose-dependent insulinotropic polypepide receptor，GIPR)敲除的小鼠中出現關節組織的損傷。 Xie等[4-5]學者發現GIPR在全身多種組織都有表達，包括軟骨細胞，這成為GIP應用到骨關節炎的基礎。本文就骨關節炎治療現狀、葡萄糖依賴的腸促胰島素的概述、Ⅱ型糖尿病與骨關節炎的關系及GIP對關節軟骨損傷的保護機制等方面展開綜述。

1 骨關節炎藥物治療現狀與葡萄糖依賴的腸促胰島素

1.1 現階段治療骨關節炎藥物分類 當前治療OA的藥物大致可分為非甾體類、阿片類鎮痛藥及關節軟骨營養藥物等。非甾體類藥物具有解熱、鎮痛、抗炎的作用，在OA的應用中此類藥物主要是通過其抗炎作用緩解OA癥狀，對輕中度的OA有效，此類藥物包含布洛芬、塞來昔布等[6]。當非甾體類藥物在一些嚴重OA患者中治療效果不好時，可考慮使用阿片類鎮痛藥，如曲馬多、芬太尼，效果明顯，但是其易成癮性、依賴性限制了其在臨床中的使用[6]。關節軟骨營養類藥物有效成分大多為軟骨基質或關節液成分，能夠改善軟骨營養，減緩和修復軟骨退變，但是此類常無明顯的止痛作用，常需與阿片類鎮痛藥物或非甾體類藥物聯合使用。

以現有證據為基礎的治療方法通常對癥狀較輕的早期OA患者有效，對具有晚期放射學表現的OA患者效果不佳。OA雖然是一種最常見的關節炎，但在藥物開發方面一直遠遠落后于其他類型的關節炎，因此研發OA的新型治療藥物是當下科研工作人員的重要任務。

1.2 葡萄糖依賴的腸促胰島素 在20世紀初，人們發現相較于靜脈注射葡萄糖，口服葡萄糖可以刺激胰島細胞產生更多的胰島素，此種效應被稱為腸促胰島素效應[7]。

葡萄糖依賴的腸促胰島素(glucose-dependent insulinotropic polypepide，GIP)又稱腸抑胃肽，是一種腸道激素。人類的GIP基因位于17號染色體，含有6個外顯子，其mRNA約為800個堿基對。GIP的基因表達有可能受到營養素的調控，糖類和脂肪的攝入可以刺激GIP的釋放。GIP由小腸上段的K細胞分泌[8]，在小腸K細胞中先合成無活性的GIP前體proGIP，而后由無活性的proGIP分解產生有活性的GIP[9]。

GIP在人體內需與葡萄糖依賴的腸促胰島素受體(glucose-dependent insulinotropic polypepide receptor，GIPR)結合，才發揮作用。研究表明，GIPR在胰腺細胞、胃、小腸、脂肪組織、肺、心臟、骨、軟骨、血管內皮等區域都廣泛表達。GIPR為G蛋白偶聯受體，與GIP具有極高的特異性。Bollag等研究證實GIP與受體結合將導致細胞內腺苷酸環化酶的激活、細胞內鈣離子的濃度增加[10-11]，繼而細胞內cAMP和鈣離子作為第二信使激活下游ERK1/2/MAPK通路，從而調節細胞存活或增殖[12]。

內源性GIP很不穩定，易被血漿和細胞表面的二肽基肽酶Ⅳ(Dipeptidyl peptidase-Ⅳ，DPP-Ⅳ)迅速降解，生物半衰期僅有2 min左右。為避免該肽的潛在治療用途受到多次重復給藥的限制[13]，我們用右旋丙氨酸取代了GIP的第2位丙氨酸，形成DAla2GIP增加了GIP對DPP-Ⅳ裂解的抵抗性，使其半衰期明顯延長至5～6 h。

GIP在調節葡萄糖代謝中發揮重要的作用，而腸促胰島素功能受損在糖尿病發病機制中也是一個重要因素。Ⅱ型糖尿病(T2DM)患者GIP的分泌功能無缺陷，但是卻存在嚴重的GIP抵抗。GIP功能的恢復有助于改善胰島素分泌功能和葡萄糖耐量。針對GIP及其受體的藥物通過改善胰島功能或胰島素敏感性成為T2DM的一種新的治療手段。

2 Ⅱ型糖尿病與骨關節炎的關系

傳統上，OA和T2DM之間的聯系歸因于年齡和肥胖等潛在的共同風險因素。Piva等學者通過新的證據表明，高血糖的改變可能直接影響軟骨和軟骨下骨的健康，并且軟骨下骨的損傷有助于OA的發生與發展[2]。

眾所周知，軟骨細胞吸收和利用葡萄糖作為其主要的能量來源、保持細胞內穩態以及合成細胞外基質(extracellular matrix，ECM)[2]。Rosa等[14]學者發現人關節軟骨細胞表達幾種促葡萄糖轉運蛋白的亞型，其中葡萄糖轉運蛋白1(glucose transporter-1，GLUT-1)與此過程尤為相關，因為葡萄糖轉運蛋白1受到軟骨合成代謝與分解代謝刺激的調控。體外研究表明，在低濃度的葡萄糖培養條件下，正常軟骨細胞和OA軟骨細胞將增加葡萄糖的攝取和GLUT-1蛋白表達；而暴露于高葡萄糖培養條件下，正常軟骨細胞將減少葡萄糖攝取和GLUT-1蛋白表達，但OA軟骨細胞并未出現相應改變。此外，高糖可誘導活性氧(reactive oxygen species，ROS)生成，這種效應在OA軟骨細胞中比在正常軟骨細胞中持續時間更長。這些提示OA軟骨細胞與正常軟骨細胞不同，暴露于高葡萄糖環境時，OA軟骨細胞下調GLUT-1含量和葡萄糖轉運的能力受損，導致細胞內葡萄糖積累，氧化應激增加。此外，持續高血糖誘導的晚期糖基化終產物可刺激軟骨細胞表達促炎和促退變蛋白。

高血糖及高血糖導致的活性氧的水平增高、糖化終產物增多、炎癥介質等將對軟骨下骨中的間充質基質干細胞產生抑制作用。軟骨下骨中的成骨細胞功能在高血糖條件下也被損害，產生骨蛋白基質異常修飾，誘發慢性炎癥狀態，引發糖尿病并發癥，增加骨折的風險。同時破骨細胞被激活，進一步導致骨重塑異常。這些變化導致軟骨下骨微結構和機械強度的損傷，從而對覆于其上的軟骨細胞產生不利影響，導致OA的發生。同時，糖尿病患者體內存在鈣平衡紊亂及維生素D代謝異常。高血糖可增加尿鈣排泄，并與甲狀旁腺激素/維生素D產生多種相互作用。大量研究表明，T2DM患者的維生素D狀態受損。一項對5 677名T2DM和糖耐量受損患者的橫斷面研究顯示，與對照組相比，25-OH維生素D(25-OHD)水平顯著降低[15]。

可見葡萄糖代謝的改變將直接影響骨與關節的完整性[16]，造成軟骨細胞損傷、軟骨下骨異常重塑和顯微結構損傷，導致關節軟骨的退化與損傷。

3 葡萄糖依賴的腸促胰島素對關節軟骨損傷的保護機制

Xie等[4]學者發現軟骨細胞中也有GIPR的表達，這是GIP作用于軟骨細胞的基礎。吳松等通過在淀粉樣前體蛋白/早老素1轉基因小鼠實驗中發現，GIP與軟骨細胞表面的GIPR結合，可以減少TNF-α、MMP-9和MMP-13對軟骨細胞的損傷，抑制軟骨纖維化程度及減少Ⅱ型膠原(ColⅡ)的降解，從而達到保護軟骨細胞的目的[17]。

同樣，GIP也可作用于軟骨下骨。GIPR也存在于軟骨下骨中的成骨細胞、骨細胞和破骨細胞。有文獻報道，GIP以兩種方式提高骨骼質量：它有促進骨合成代謝和抑制骨分解代謝的作用。Mieczkowska等在小鼠實驗中發現，GIP可導致成骨細胞內鈣和cAMP的增加，導致I型膠原表達、堿性磷酸酶和賴氨酸氧化酶活性增強，以及更高的酶促膠原交聯[18]。Nissen[19]也在人體實驗研究中表明，GIP可顯著降低正常和高血糖狀態下骨吸收標志物。大鼠研究表明，GIP可直接或間接地抑制骨吸收。GIP通過直接作用于破骨細胞以劑量依賴性的方式減少破骨小坑面積。

通過對GIPR研究發現，在GIPR敲除小鼠中，骨密度較正常小鼠下降，骨組織形態學也顯示骨形成減少，破骨細胞增多。此外，Tsukiyama等[20]報道在GIPR敲除小鼠中餐后血漿鈣含量較高，提示GIP可能在骨鈣沉積中發揮作用。GIPR敲除模型也表明GIP與骨皮質厚度、骨承載能力和骨基質礦化有關。在GIPR敲除小鼠實驗中發現盡管小鼠總骨容積和小梁骨量增加，但其骨力學性能下降。進一步確認骨量的變化是與GIP有關。另外，Aleksandra等發現，GIPR敲除后，小鼠出現關節組織的損傷[21]。

4 總結與展望

人體內天然的GIP很不穩定，易被二肽基肽酶Ⅳ(DPP-Ⅳ)迅速降解，生物半衰期短。用右旋丙氨酸取代了GIP的第2位丙氨酸，形成DAla2GIP增加了GIP對DPP-Ⅳ裂解的抵抗性，延長半衰期，避免了GIP在臨床應用的限制。有文獻報道軟骨細胞表面存在GIPR[4]，這是GIP應用于骨關節炎治療的基礎。基于現有GIP作用于軟骨細胞、骨細胞的證據，我們有理由認為，GIP在骨關節炎的藥物治療方面具有可觀潛力。但GIP骨關節炎中應用文獻報道較少，GIP在關節軟骨細胞中的具體作用及機制也尚不明確，這是今后我們繼續研究的重點。