骨骼系統(tǒng)中糖代謝機制的運動干預研究

陳瀧

華東師范大學體育與健康學院/青少年健康評價與運動干預教育部重點實驗室，上海 200241

骨骼系統(tǒng)是機體重要的調節(jié)性組織，成骨細胞的骨形成和破骨細胞的骨吸收構成骨重塑過程，維持骨骼的內穩(wěn)態(tài)。但對于糖尿病患者，其系統(tǒng)性的糖代謝紊亂會打破該平衡，引起骨質疏松甚至骨折的風險。骨骼細胞中自分泌、旁分泌和內分泌等多種反饋機制均有成骨細胞和破骨細胞的參與。最新研究[1]發(fā)現(xiàn)，葡萄糖代謝在成骨細胞和破骨細胞中具有重要的可塑性代謝和功能性調節(jié)作用。運動增加骨骼的力學性能，而這種提高通常歸因于運動產生的動態(tài)負荷，可直接調節(jié)機體的糖代謝過程，刺激細胞葡萄糖代謝機制，這種糖代謝變化在肝臟、骨骼肌、脂肪、腦和胰等代償性尤為明顯的組織中更加顯著[2]。但關于骨骼細胞中糖代謝調節(jié)過程的討論相對較少，尤其是2型糖尿病中骨代謝紊亂現(xiàn)象以及骨骼質量下降等研究鮮有報道，深入了解骨骼細胞中的糖代謝過程，對于運動改善骨骼健康問題具有重要意義。本文以期通過葡萄糖代謝領域分析骨骼能量調節(jié)水平，為運動改善骨骼健康提高新的視角。

1 細胞葡萄糖代謝

糖代謝是哺乳動物細胞重要的能量來源和碳源，葡萄糖吸收入血后，通過葡萄糖轉運體(glucose transporters, GLUTs)進行濃度差轉運，進入細胞后，葡萄糖受己糖激酶磷酸化變?yōu)槠咸烟?6-磷酸(glucose-6-phosphate, G6P)，作為糖原儲備、ATP或合成代謝中產物；糖酵解產生2分子丙酮酸、ATP和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide, NADH)。除糖酵解外，G6P還通過戊糖磷酸途徑(pentose phosphate pathway, PPP)產生核酸5-磷酸核糖以及還原性生物合成反應所必需的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADPH)、谷胱甘肽(glutathione, GSH)和硫氧化還原蛋白(thioredoxin, TRX)等氧化還原穩(wěn)態(tài)因子[3]；另外，G6P形成的6-磷酸果糖(fructose-6-phosphate, F6P)進入用于蛋白質糖基化的尿苷二磷酸-N-乙酰葡糖胺(uridine diphosphate n-acetylglucosamine, UDPGlcNAc)的氨基己糖合成途徑(hexosamine biosynthetic pathway, HBP)[1]。總而言之，糖酵解被認為是糖代謝的主要過程，葡萄糖生產ATP過程與氧氣關聯(lián)較低，其丙酮酸可以轉化為乳酸或進入TCA循環(huán)(tricarboxylic acid cycle, TCA Cycle)中進一步氧化，以支持脂質和氨基酸生物合成、氧化還原和基因表達的表觀遺傳調節(jié)。因此，葡萄糖不僅是重要的能量來源，還是支持細胞穩(wěn)態(tài)和功能所必需的中間代謝物的關鍵提供者。

從目前研究角度來看，關于運動介導的糖代謝主要停留在軟組織中，包括肝臟、心臟[4]、骨骼肌[5]等，發(fā)現(xiàn)在肌組織中較低的TCA循環(huán)不會影響耐力水平，卻能夠增加吸氧峰值和檸檬酸合成酶活性，在運動后恢復期，葡萄糖攝取對胰島素的敏感性增加，并重建糖原儲存[2, 6]。關于骨骼系統(tǒng)中的糖代謝機制，根據(jù)肌骨系統(tǒng)共結合的特性，推測認為骨骼中的糖代謝過程也具有相同的表征。

2 成骨細胞中的糖代謝

骨外植體或分離成骨細胞的早期研究表明，葡萄糖被認為是成骨細胞譜系中重要的營養(yǎng)素，葡萄糖轉運蛋白家族成員在骨祖細胞中進行表達。大鼠骨衍生成骨細胞PyMS細胞表達GLUT1和GLUT3，小鼠顱骨前成骨細胞的原代培養(yǎng)物中檢測出GLUT4[1]。大量研究認識到在成骨細胞的糖酵解過程中，骨骼不僅會消耗大量的葡萄糖，同時產生乳酸，而TCA循環(huán)在有氧過程中只是起到次要作用。分離出的顱骨成骨細胞培養(yǎng)物發(fā)生糖酵解時，葡萄糖利用水平與肝細胞大致相當，但氧消耗率卻低得多；研究[7]認為，成骨細胞消耗的葡萄糖中有80%轉化為乳酸，并與檸檬酸鹽共同促進骨轉換和骨礦鹽溶解水平。

成骨細胞中的糖代謝可影響全身性糖穩(wěn)態(tài)水平[8]。缺氧誘導因子1α(hypoxia inducible factor 1α, HIF1α)幾乎可在所有類型的細胞中進行表達，HIF1α是感應O2變化的中樞環(huán)節(jié)，也是成骨級聯(lián)反應的關鍵性因子，成骨細胞敲除HIF1α基因，會引起骨骼變細；而HIF1α高表達會出現(xiàn)致密和豐富的長骨[9]。缺氧信號誘導的成骨細胞譜系中的過量糖酵解增加了骨骼中葡萄糖使用，從而降低了全身性糖代謝水平，這些發(fā)現(xiàn)對治療骨骼和代謝紊亂的發(fā)展產生影響[8]。即使存在足夠的O2，成骨細胞也會將糖代謝為乳酸，在成骨細胞系MC3T3-E1和UAMS-32細胞中，利用乳酸代謝途徑關鍵分子的抑制劑和特異性小干擾RNA(small interfering RNA, siRNA)處理細胞，研究發(fā)現(xiàn)成骨細胞中的相關因子表達會根據(jù)乳酸濃度的變化而變化，由此認為乳酸在骨骼微環(huán)境中具有重要的調節(jié)功能[10]，且成骨細胞系中的糖酵解直接受到各種骨合成代謝信號的刺激。

2.1 PTH對成骨細胞糖酵解的調節(jié)

甲狀旁腺素(parathyroid hormone, PTH)可刺激葡萄糖產生乳酸。研究[11]認為，增加乳酸產量是造成更多活性骨吸收的主要原因。PTH是一類氨基酸序列為1～34的鈣磷調節(jié)性激素，由甲狀旁腺合成并分泌，PTH或其N末端片段能夠有效促進骨形成，刺激成骨細胞分化，抑制成骨細胞凋亡，改善成骨細胞中糖酵解[12]。PTH-cAMP信號傳導可以直接或間接誘導次級信號來刺激糖酵解，在顱骨外植體中，PTH會增加乳酸的含量；在大鼠成骨細胞中，PTH會誘導葡萄糖攝取，并與1型受體(PTH1R)結合，其中PTH刺激PTH1R，啟動Gαs調節(jié)，引起環(huán)腺苷一磷酸(cyclic adenosine monophosphate, cAMP)信號生成，PTH(1～31)主要刺激cAMP生成，產生與PTH(1～34)相同的合成代謝效應，說明了Gαs/cAMP信號是刺激骨骼代謝的重要途徑[13]。其中PTH/cAMP信號還會增加胰島素樣生長因子1(insulin like growth factor 1, IGF1)在成骨細胞譜系中的合成與釋放，間接促進有氧糖酵解，再通過哺乳動物雷帕霉素靶復合體2(mammalian target of rapamycin complex 2, mTORC2)的傳導以提升糖酵解酶活性[13]。

當出現(xiàn)骨質疏松時，通過PTH治療改善對骨骼的活性來影響糖代謝。且在骨轉換過程中，沒有對胰島素分泌、胰島素抵抗、胰腺β細胞功能和脂肪量產生影響[14]。運動過程中骨骼適應變化是骨骼動態(tài)負荷調整和PTH合成釋放的共同作用，PTH在結構和組織水平上有不同的表達，30 min跑可將小鼠全身性PTH水平增加至2倍，運動期間增強的PTH信號傳導增加了骨小梁和皮質骨的體積[15]。在2型糖尿病鼠中，骨中PTH/cAMP水平下降，而PTH治療可逆轉2型糖尿病中骨量、骨強度和大鼠骨缺損修復的不良骨骼效應，但不影響能量代謝。經(jīng)過PTH治療后的骨量增加比非糖尿病狀態(tài)高出23%[16]，在運動調節(jié)下PTH會得到升高[15]，在2型糖尿病小鼠中，經(jīng)過每天50 min、持續(xù)8周的游泳運動后會明顯提高cAMP濃度[17]，最終改善骨骼中的糖酵解過程，使得骨骼向良性方向發(fā)展。

2.2 胰島素和IGFs對成骨細胞糖酵解的調節(jié)

胰島素是控制全身性葡萄糖的關鍵激素，瘦素通過下丘腦中轉調節(jié)骨量；還會直接作用于成骨細胞，引起骨內分泌激素的釋放，促成胰島素的合成[18]，2型糖尿病會引起胰島素紊亂，抑制成骨細胞生物功能活性[18-19]。臨床研究[11]發(fā)現(xiàn)，糖尿病模型揭示了胰島素缺失與成骨細胞功能之間的聯(lián)系，在糖尿病大鼠中延遲的骨折愈合可以通過在骨折部位的胰島素遞送來克服，而不影響全身血糖水平，但關于胰島素是否通過細胞代謝重編程促進骨形成方面的問題尚不清楚。對超重男童進行為期10周的全身振動訓練，在骨礦含量、骨密度上會出現(xiàn)顯著的提高[20]。

胰島素樣生長因子(insulin-like growth factors, IGFs)中的IGF1和IGF2與骨形成存在直接的聯(lián)系，IGF1與出生后骨基質充分相關，并且作為骨合成代謝信號已被廣泛研究。IGF1刺激骨形成，對成骨細胞的特立帕肽作用至關重要，骨形成水平較低會伴隨著高血清IGF1基線并對特立帕肽的反映較弱[21]，IGF1與其受體(insulin-like growth factor 1 receptor, IGF1R)結合進而調節(jié)mTORC2。作為傳輸?shù)闹袠行盘枺琺TORC2再引導進一步的調節(jié)。研究mTORC2在骨骼發(fā)育和骨穩(wěn)態(tài)的作用時發(fā)現(xiàn)，敲除mTORC2合成的關鍵性因子—Rictor，發(fā)現(xiàn)其缺失可導致胚胎以及出生后小鼠較短和較窄的骨骼結構。由于軟骨細胞肥大的延遲，胚胎骨骼結構縮短、增殖、細胞凋亡、細胞大小或骨基質的產生沒有變化，且對機械負荷的合成代謝反應減弱，也說明mTORC2信號傳導對于最佳的骨骼生長和骨合成代謝是必需的[22]。

2.3 成骨細胞分化中Wnt信號通路對糖酵解的刺激

Wnt信號控制著細胞增殖、分化、極性變化和遷移，Wnt與卷曲蛋白(frizzled, FZD)和低密度受體樣蛋白(low density receptor-like proteins, LPR)中LRP5/6共受體結合，引起β-catenin蛋白穩(wěn)定化，最終形成Wnt/β-catenin結構，調節(jié)成骨細胞和骨形成過程，并通過糖原合酶的磷酸化作用引起β-catenin異位入核[23]。在小鼠胚胎期，敲除骨祖細胞中LRP5/6或β-catenin，可導致成骨細胞分化紊亂，LRP5功能的缺失或獲得相應會引起骨量的下降或升高。在有氧情況下Wnt信號刺激產生乳酸，其中Wnt3a、Wnt7b和Wnt10b誘導成骨細胞分化和原代培養(yǎng)物中有氧糖酵解；Wnt3a能夠誘導有氧糖酵解，并通過LRP5調節(jié)后，由RAC1下游的mTORC2-Akt信號傳導，mTORC2會激活Akt磷酸化位點Ser473，進而誘導糖代謝。對ST2細胞代謝進行觀察，發(fā)現(xiàn)Wnt3a會提高乳酸水平[24]。抑制Wnt3a誘導的代謝酶活性會損傷成骨細胞的分化，減弱mTORC2和糖酵解酶活性，降低血乳酸含量；對有氧糖酵解的直接刺激有助于Wnt-LRP5傳導的骨合成，反言之，LRP5的高表達會引起高骨量和糖酵解能力的提高[11, 25]。作為骨代謝中重要的Wnt-LRP5信號，能夠刺激成骨細胞譜系中有氧酵解過程，Wnt3a-LRP5信號傳導在mTORC2-Akt信號活化下游的GLUT1、己糖激酶2(hexokinase II, HK2)、乳酸脫氫酶A(lactate dehydrogenase A, LDHA)和丙酮酸脫氫酶激酶1(pyruvate dehydrogenase kinase 1, PDK1)的水平急劇增加，同時誘導來自骨髓間充質細胞系ST2的成骨細胞分化，鑒于GLUT1和HK2的上調預期會刺激糖酵解的總體速率，增加LDHA和PDK1將有利于丙酮酸鹽產生乳酸，從而改變代謝特征朝向成骨細胞[1]。有研究[26]發(fā)現(xiàn)，PTH也會調節(jié)Wnt信號轉導，使骨髓間充質干細胞(mesenchymal stem cells, MSCs)向成骨細胞增殖、分化，并通過增加護骨素(osteoprotegerin, OPG)控制破骨細胞骨吸收。而且PTH的合成代謝作用與Wnt / LRP6 /β-catenin軸具有密切關聯(lián)。見圖1。

圖1 成骨細胞譜系調節(jié)葡萄糖代謝[1]Fig.1 Osteoblast lineage regulates glucose metabolism[1]

3 破骨細胞中的糖代謝

破骨細胞屬于巨噬細胞體系，成熟的破骨細胞會增強檸檬酸循環(huán)和線粒體呼吸產生ATP，引起骨吸收，最終維持礦物質穩(wěn)定。破骨細胞經(jīng)分化和融合巨噬細胞譜系的單核細胞前體以響應巨噬細胞集落刺激因子(macrophage colony stimulating factor, MCSF)和NF-κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor—κb ligand, RANKL)而形成。在小鼠骨髓巨噬細胞的RANKL誘導的破骨細胞分化期間，發(fā)現(xiàn)糖酵解、氧化磷酸化(oxidative phosphorylation, OXPHOS)以及乳酸產生增加。糖酵解和OXPHOS在葡萄糖和O2消耗以及乳酸產生過程中，會誘導RANKL激活，引起RAW264.7和骨髓巨噬細胞系中破骨細胞生成[27]。其中細胞的增殖和分化會因為葡萄糖濃度(0～100 mmol/L)而產生相應的變化，成熟細胞增殖多發(fā)生在20 mmol/L葡萄糖濃度下，分化多發(fā)生在5 mmol/L葡萄糖濃度下，這為調節(jié)代謝底物水平進而改善破骨細胞形成提供了參考。在成骨細胞成熟的中期和晚期階段，糖酵解和呼吸都被增強，以滿足生物合成需要分化的成分[27]。較高的代謝活性和ATP生產率刺激破骨細胞分化，包括增殖、遷移和融合以形成多核細胞、以及成熟破骨細胞中的骨吸收。這一系列的變化主要是由于：① 外源性ATP刺激破骨細胞形成和吸收池形成[28]；② 破骨細胞具有豐富的線粒體[29]；③ 在破骨細胞分化階段涉及檸檬酸循環(huán)和OXPHOS的代謝酶活性升高[30]；④ 成熟破骨細胞中H+-ATP酶將質子泵入細胞外再吸收區(qū)域[29]。

對于破骨細胞活化平衡的破壞會導致病理性骨丟失，如骨質疏松癥、類風濕性關節(jié)炎、原發(fā)性骨癌和癌癥向骨轉移病癥，缺氧起著重要作用。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由缺氧引起的糖酵解和線粒體代謝活性的增加以及隨之而來的線粒體活性氧的產生對于破骨細胞形成和再吸收必不可少。HIF會提高電子傳遞鏈反應(electron transport chain reaction, ETCR)效率[31]，引起ATP調節(jié)和ROS提高，使用HIF抑制劑作為靶向治療將改善骨溶解疾病中的骨吸收。見圖2。

圖2 破骨細胞分化過程中的代謝調控[1, 27]Fig.2 Metabolic regulation during osteoclast differentiation[1, 27]

4 運動與骨骼代謝調節(jié)

隨著年齡的增長，機體的整體骨量會顯著下降，運動是降低骨折風險，促進骨形成的關鍵因素[32]。研究發(fā)現(xiàn)[33]，游泳等卸力性鍛煉對于骨骼質量的改善沒有顯著性作用，而跑步運動、跳躍運動、舉重運動都會對骨骼質量的提高帶來顯著性的改善。尤其是涉及到骨骼糖代謝過程，伴隨年齡、代謝性疾病、性別、運動水平等因素的影響，當出現(xiàn)骨骼中糖代謝紊亂時，骨骼質量會出現(xiàn)更為顯著的下降，甚至引起骨質疏松和骨折的風險。下面將從成骨細胞和破骨細胞兩個角度，分析運動對于糖代謝的控制作用。

4.1 運動與成骨細胞糖代謝調節(jié)

在小鼠自愿攀爬運動模型下，會明顯增加小鼠的骨形成能力，并提高PTH/PTHrP水平，使得骨髓基質細胞的成骨和成脂潛力增強，并抑制終末脂肪細胞分化并促進成骨細胞分化[34]。在跑臺訓練中，PTH并未對小鼠骨骼產生巨大的變化，但是骨吸收水平明顯下降[35]。尤其是在不同的運動模式(平坡運動、下坡跑運動和游泳運動)下，均會導致小鼠血清PTH濃度出現(xiàn)顯著的差異性[36]。在男性骨質疏松癥中，HIF1α能直接引起破骨細胞分化和骨量的丟失，體外研究[37]發(fā)現(xiàn)，HIF1α蛋白會在低氧環(huán)境下的破骨細胞中聚積。HIF1α通過誘導葡萄糖轉運蛋白和糖酵解酶在內的糖酵解相關基因來調節(jié)多種細胞類型的糖酵解途徑，而HIF1α缺陷型骨髓B細胞比野生型細胞的葡萄糖利用效果低[38]。

關于胰島素和IGF1在骨代謝中的研究相對較多，進行有氧運動訓練會改善非胰島素依賴型糖尿病患者的骨代謝水平[39]，尤其是在胰島素調節(jié)的成骨細胞調節(jié)中。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)IGF1和骨密度之間的必然聯(lián)系，其中漸進性抗阻訓練法(progressive resistance exercise, PRE)比骨質疏松預防性鍛煉(osteoporosis prevention exercise, SPO)效果更好[40]。生長激素(growth hormone, GH)和IGF1刺激生長并調節(jié)成骨細胞基因表達，進而刺激骨生長。而在糖代謝過程，在對患有Ⅰ型糖尿病的青少年女孩進行研究，發(fā)現(xiàn)青少年女孩骨量和IGF1水平與對照組相比較低，HbA1c、葡萄糖水平又顯著高于對照組[41]。

在Wnt/LRP6/β-catenin軸，尤其是LRP6/β-catenin的調節(jié)中，還發(fā)現(xiàn)LRP6對PTH的合成具有重要作用，其中LRP5/LRP6會結合于FZD，進而使得β-catenin信號進一步激活[42]。其中在對C57BL/6小鼠進行的運動干預中發(fā)現(xiàn)，不同運動方式對脛骨中PTH1R、FZD、β-catenin等基因的表達發(fā)生了顯著變化；跑臺和游泳運動后脛骨中FZD基因表達有一致性變化，與對照組相比顯著上調；運動組的原代MSCs誘導分化的成骨細胞中FZD、RANKL基因表達同樣顯著提高，其中下坡跑運動原代MSCs誘導分化的成骨細胞LRP5基因顯著上調；游泳運動引起脛骨LRP6和β-catenin基因表達高于平坡跑臺運動；游泳運動誘使脛骨β-catenin基因表達顯著高于下坡跑臺運動[36]。

4.2 運動與破骨細胞糖代謝調節(jié)

在骨代謝中，RANKL和MCSF是破骨細胞生成前體分化為成熟破骨細胞的必需因子。運動會對破骨細胞分化具有抑制作用，最為經(jīng)典的研究[43]中指出，有效的運動刺激能夠提高OPG與RANKL競爭性結合，阻止RANKL與RANK直接的結合。當進行高糖飲食后，會抑制RANKL誘導的破骨細胞生成現(xiàn)象，在體外培養(yǎng)過程中，成骨細胞樣細胞與高葡萄糖的孵育可抑制骨骼礦化水平。在對71名老年女性進行的每周3次、為期8個月的運動效果評價中，發(fā)現(xiàn)抗阻運動使大轉子(2.9%)和全髖(1.5%)的骨密度增加，并改善了身體成分。抗阻運動和有氧運動均改善了平衡，而OPG和RANKL水平及OPG/RANKL比率未觀察到顯著變化，其中乳糖酶非持久性與骨密度變化無關[44]。mTOR和Rictor(一種mTORC2成分)的RNAi基因抑制導致刺激依賴性RANKL易位的減少，用雷帕霉素長時間暴露ST2細胞，令mTORC2被抑制，導致RANKL易位顯著減少，最終說明了RANKL的反向信號是通過mTORC2激活觸發(fā)RANKL易位[45]。

綜上所述，對于骨骼系統(tǒng)中的糖代謝，涉及到骨骼內糖代謝機制。運動會有效提高成骨細胞中的糖代謝水平，引起骨形成；而在破骨細胞中，運動能夠調控MCSF和RANKL的形成，抑制破骨細胞的分化水平。但由于糖代謝調節(jié)功能的多重性，有關運動的分子水平變化還需進一步的探討。見圖3。

圖3 運動對骨骼系統(tǒng)糖代謝作用調節(jié)示意圖Fig.3 Schematic diagram of exercise regulation on skeletal system glucose metabolism

5 小結與展望

了解骨骼細胞中的分子生物機制是研發(fā)新型骨合成代謝療法的關鍵，在過去的幾十年中，對于轉錄因子和信號介導等開展了普遍的研究。其中糖代謝作為人體內分布最廣泛的能量消耗，一直受到廣泛的關注，尤其是對飲食、吸收、轉化、代償?shù)雀鱾€方面展開的研究，但關于骨骼細胞糖代謝狀態(tài)和代謝表型變化的討論甚少。本文將糖代謝機制引入到骨代謝中來，一方面將人體最重要的骨骼系統(tǒng)引入，探討骨骼中糖代謝機制，并對成骨細胞和破骨細胞中糖代謝過程進行闡述，以說明糖代謝的分子發(fā)生狀況；另一方面，進行骨骼系統(tǒng)中糖代謝水平的討論，為進一步改善糖尿病患者骨質量下降等問題提供新思路。

通過對運動介導的糖代謝干預效果分析，發(fā)現(xiàn)尤其是力學刺激性運動對于改善骨骼糖代謝機制具有明顯的效果，能夠提高成骨細胞中PTH、胰島素、IGFs、Wnt信號通路等信號水平，同時抑制破骨細胞的分化和吸收能力。這也為肌骨系統(tǒng)提供了新的運動干預意識，并對探討肌肉和骨骼聯(lián)合糖代謝機制指明了新的研究方向。