不同階段2型糖尿病誘發骨質疏松癥的致病機制研究進展

王盼 吳科鋒 崔燎,*

1. 廣東醫科大學廣東省天然藥物研究與開發重點實驗室，廣東 湛江 524023 2. 廣東醫科大學海洋醫藥研究院，廣東 湛江 524023

糖尿病是最常見的慢性疾病之一，據國際糖尿病聯盟2017年數據顯示，全球成人糖尿病患病人數已達4.25億，預計2045年可能達到6.29億，我國以1.14億成為糖尿病患者數量最多的國家[1]。而OP是嚴重威脅老年人生命安全的另一常見病，骨折是老年人致死的重要原因[2]。對DM患者來說，HG或加速了骨的老化和OP的發展進程，從而增加骨折風險。有報道指出，在T2DM患者中，早期髖骨骨折率是正常人的1.7倍，呈中度增加；到了后期，T2DM患病超過10年，其發生髖骨骨折的幾率增至普通人的2.7倍[2]，脊椎骨折率是非DM患者的2.03倍[3]。因此，認識T2DM進展的不同階段對骨代謝的影響，有助于我們更好的防治DOP，降低T2DM患者骨折的風險。

1 T2DM早期階段和晚期階段的特征

T2DM病因主要包含兩方面：一方面是因人體的胰島β細胞功能減退，胰島素分泌相對或絕對不足；另一方面是胰島素抵抗。不同T2DM病程階段的患者胰島β細胞功能狀況和胰島素抵抗程度不同。早期是胰島β細胞對葡萄糖失敏階段，此時HG抑制胰島素的分泌及外周組織對胰島素的敏感性，形成胰島素抵抗，脂肪堆積，β細胞因此分泌更多的胰島素，產生高胰島素血癥。所以T2DM早期階段以肥胖和胰島素抵抗以及高胰島素血癥為特征。T2DM晚期，胰島β細胞的負荷加重，其功能加速衰竭，更嚴重者則幾乎完全喪失功能，持續HG引起AGEs和氧化產物的堆積，并發各種DM相關疾病，對機體產生不利影響，特征主要是胰島β細胞衰竭，功能喪失，加速衰老和血管并發癥的發展。因此，我們可以根據胰島β細胞功能損傷程度分別考慮T2DM早期、晚期與骨骼相關因素的病理生理變化來討論其對骨代謝的不同影響及其作用機制。

2 T2DM早期階段對骨骼的影響及其作用機制

2.1肥胖和骨骼

2.1.1肥胖影響骨骼的臨床表現

肥胖是T2DM的典型的病征之一，對骨骼的影響是復雜的，其中有利因素是機械負荷增加可降低骨骼脆性，不利因素是肥胖致促炎癥性細胞因子和脂肪因子增加而加劇骨骼脆性，但何種因素最終主導了骨健康仍存在爭議。近40萬人的Meta分析[4]報告表明，體質量指數(body mass index，BMI)與骨折風險之間存在復雜的關聯，并且在不同骨骼部位之間存在差異。總體而言，BMI增加與所有骨質疏松性骨折風險降低有關。然而，調整BMD后，BMI的增加只對髖部骨折有保護作用，這表明BMI對骨折的積極作用主要還是通過高BMD介導的[4-5]。然而，肥胖的人雖然受骨折的影響較小一些，但踝關節和上臂骨折的風險仍然增加[4-6]。盡管肥胖個體存在較高的BMD，但高體重可使跌倒概率增加或跌倒損傷嚴重程度增大，從而增大肥胖個體的骨折風險[7-8]。

2.1.2肥胖影響骨骼的作用機制

脂代謝紊亂是引起肥胖的首要因素，關注T2DM早期引起脂質代謝紊亂的機制已成為預防T2DM致骨質疏松癥的研究熱點。脂肪細胞的過度生成與骨髓間充質干細胞(mesenchymal stemcell，MSCs)分化成骨細胞(osteoblast，OB)減少的理論已得到廣泛共識，尋找調控脂肪細胞(adipocyte)分化的靶點對防治DOP有重要的臨床意義。過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)是調節脂肪細胞分化的關鍵因子，主要分布于脂肪組織中，且在脂肪豐富的骨髓中也發現少量PPARγ蛋白的存在[9]。進一步的研究也發現，T2DM和骨質疏松患者骨髓中MSCs在PPARγ介導下更多地向脂肪細胞分化，而向成骨細胞(OB)分化受到抑制，這可能與PPARα 激活PI3K /Akt 及 NF-κB 信號通路有關[9-10]，這解釋了T2DM骨質疏松DOP患者中普遍存在的骨量減少、骨髓脂肪增加的現象。另外，也有研究表明，體內游離脂肪酸作為PPARγ的內源性激活物，其含量在肥胖患者體內顯著升高，促進PPARγ的表達上調[10]，這可能是HG通過AMPK/p38MAPK/PPARγ通路下調脂肪酸合成相關酶的活性的作用[11]，這提示了由PPARγ介導的上述各種信號通路促脂肪細胞分化，減少OB分化是肥胖型T2DM患者骨質量降低的關鍵原因。

2.1.3不同脂肪類型及分布對骨骼的影響及其作用機制

皮下脂肪組織(SAT)和內臟脂肪組織(VAT)的含量差異對影響細胞因子和脂肪因子的產生和骨代謝方面的關系具有不同的特征和機制。報道指出，SAT通過增加機械負荷提高BMD水平，不增加肥胖患者的骨折風險，或能增進骨強度[12-13]。但也有臨床研究表明，T2DM患者脂肪組織的會發生重新分布，VAT比例增加, 而BMD降低[14]。VAT可分泌多種炎性細胞因子, 如CRP、TNF-α、IL-1、IL-6等, 上調RANKL / RANK / OPG途徑刺激OC活性，參與骨代謝, 促進骨重吸收, 使骨量下降[15-16]。還可促進脂肪細胞來源的瘦素過度分泌和脂聯素的分泌來影響骨轉換和代謝[17]。 骨髓脂肪組織的累積造成的BMD降低也被研究證實與VAT體積增加有關[18]。這說明VAT通過刺激炎癥因子和脂肪因子的過度分泌，抑制成骨細胞分化是早期T2DM骨質量下降的危險因素。由此我們可以得出，SAT與VAT的分布情況是骨狀態的基本決定因素。

2.2胰島素抵抗、高胰島素血癥對骨骼的影響及其作用機制

一些體內實驗研究[19-20]顯示胰島素刺激OB增殖并增加骨形成的組織形態指數高達兩到三倍，但細胞模型卻顯示OB中的胰島素信號傳導可促進骨吸收，從而降低骨轉換率[21]。但循環胰島素濃度始終與BMD為正相關[22]。因此胰島素對骨質量的影響一直存在爭議。胰島素及其信號通路在成纖維細胞分化、膠原合成和骨骼形成的過程有著極其重要的意義，研究表明OB具有功能性胰島素受體，胰島素可刺激OB的增殖和分化[20]。 體內胰島素缺乏或者發生胰島素抵抗時，OB的數量以及成骨功能明顯下降，ALP活性和骨鈣素(osteocalcin，OCN)表達也顯著降低[23-24]。OB中的胰島素信號傳導在骨重塑中也起重要作用，Ferron等[23]研究表明胰島素通過FoxO 1磷酸化不僅降低了OB中骨保護素(osteoprotegerin，OPG)的表達，還可激活OC細胞，促進骨吸收。有證據[25]表明，T2DM早期，上述因素對骨骼的不利影響很大程度上被胰島素抵抗繼發的高胰島素血癥抵消，較小程度上被體重增加的機械作用抵消。但總體而言，胰島素不足/缺乏的長期T2DM患者，由于胰島素與其受體結合減少，骨形成減少和骨轉換降低而導致骨質流失和骨質量惡化，導致極高的骨折風險。

3 T2DM晚期階段對骨的影響及其作用機制

3.1胰島β細胞功能喪失對骨骼的影響及其作用機制

T2DM早期階段胰島β細胞功能受損，產生胰島素抵抗，形成高胰島素血癥，進而造成個體肥胖導致血糖升高，而血糖水平的升高反過來又加重高胰島素血癥和胰島素抵抗的惡性循環。直至T2DM晚期，因胰島β細胞功能幾乎完全喪失，持續HG狀態促使升高的TNF-α和IL-1和IL-6 等促炎癥細胞因子可能通過修飾抑制破骨細胞分化因子-核因子 κB(NF-κB)、調節/核因子κB受體活化因子配體/骨保護素(RANKL/OPG)途徑以及抑制OPG的含量來促進破骨細胞(osteoclast，OC)活性和骨吸收[26]，并且增加與礦化相關的因子IL-6、IL-8、IL-10和TNF-α、OCN，骨涎蛋白(bone sialoprotein，BSP)和轉錄因子(Runx2)的mRNA表達。雖然這些細胞因子會引起OB數量上升，卻無法改善骨質量，因為長期HG環境降低了OB合成OCN的能力，OCN與硬化素水平都顯著下降，使患者骨轉換處于低速率狀態[27]，這也解釋了為什么有些T2DM患者的BMD升高，但骨質量下降的原因。而Fini等[28]研究證明，當促生長因子(insulin-like growth factors -1，IGF-1)缺乏時，可減少骨形成、降低骨密度、增加骨折風險。T2DM后期患者胰島β細胞功能幾乎完全喪失，IGF-1合成和釋放均減少，嚴重影響機體骨代謝過程，導致DOP的發生發展。而胰島素的缺失還影響1-α羥化酶的活性，使腸鈣吸收下降，PTH分泌增加，增強OC活性，促進骨吸收；同時抑制OB活性，抑制OCN的分泌，使骨膠原合成受阻、降低骨礦化速率[29-30]。胰島素缺乏還可以通過增加腺苷酸環化酶(AC)活性，導致環磷酸腺苷(cAMP)合成增加，促進骨吸收，使骨量丟失[31-33]。總之，在T2DM晚期患者體內，胰島β細胞功能的喪失通過影響NF-κB、RANKL/OPG等信號通路導致成骨能力以及骨質量都明顯下降，加重患者的骨骼受損狀態。

3.2AGEs對骨骼的影響及其作用機制

T2DM進展到晚期不僅會發生嚴重的進行性氧化損傷，如增加呼吸鏈復合物損傷、活性氧種類和數量，加速機體老化，還可產生一系列如AGEs的形成和堆積等有害的代謝事件。AGEs可能與細胞膜上晚期糖基化終產物受體(AGER)相互作用，改變膠原蛋白結構，導致氧化應激和炎癥介質的增加[34]，而HG也會增加OB和骨細胞中AGER表達[35-37]。T2DM晚期階段，AGEs的形成和堆積會繼發氧化應激，造成OB和OC的炎癥反應，從而參與T2DM誘導的骨脆性。AGEs促進OC的分化成熟，增強OC活性，增加骨吸收, 并通過絲裂原活化蛋白激酶(MAPK) 和胞質途徑促進OB凋亡，降低骨形成[38]。研究表明AGEs可作用于多種細胞，與其表面的RAGE結合，產生多種與骨吸收相關的細胞因子如IL-1、IL-6、TNF-α 等，血清 TNF-α、IL-6、表皮生長因子(epidermal growth factor，EGF)水平和BMD 呈顯著負相關[39]。AGE還可以通過修飾1型膠原蛋白，降低其對OB的粘附，并促進細胞內活性氧的產生抑制骨膠原蛋白的增殖和擴散，導致骨質量變差，骨脆性增加[40]，這種作用被HG環境加速。另有研究[41-42]表明AGEs還降低成骨相關轉錄因子(RUNX2)的表達來抑制小鼠基質ST2細胞和MSCs的成骨分化或礦化，降低RANKL表達，破壞OB中的RANKL/OPG平衡[37]，增加轉化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)的表達，抑制內質網應激蛋白的表達。總之，AGEs可以通過調節TGF-β信號，MAPK和RANKL/OPG等信號通路介導的低骨轉換率，使T2DM患者骨質量降低。

3.3T2DM引起的微血管疾病以及其他并發癥對骨骼的影響

T2DM晚期引起的AGEs和活性氧的大量堆積在糖尿病血管并發癥的發病機制中起著關鍵作用[43]。活性氧和AGEs在各種細胞中引起增殖、炎癥、血栓和纖維化反應，造成一定的微血管損傷。盡管微血管損傷導致糖尿病并發癥(包括神經病變、腎病和視網膜病變)的作用已得到公認，但關于微血管疾病對骨骼的影響的數據卻很少，這主要是由于骨微血管系統可視化技術還存在挑戰。因此，大多評估微血管疾病、骨密度和骨折之間關系的數據來源于流行病學和觀察性研究。在148名絕經后DM婦女的典型研究中，Varghese等[44]報道了糖尿病視網膜病變婦女低骨密度和椎體骨折的高發率。同樣，一項眼科[45]研究對3 654名眼科患者進行了調查，發現白內障和視網膜病變導致的視力受損與骨折有關。但是在控制視力后，骨折與視網膜病變的關系仍然存在，這表明骨骼疾病嚴重程度的標志是視網膜病變，而不是視力損害。然而，在一項Melton等[46]流行病學研究中也沒有證據顯示視網膜病變是骨折的預測因素。同樣，有些人的神經性病變與骨折風險有關[47]，但并非所有研究都是這樣。總之，低BMD與骨外微血管疾病增加了骨折風險。雖然機制還不清楚，但骨骼微血管的相關病理生理變化增加了DOP的可能性，相關機制還需要我們深入研究。我們認為微血管疾病的存在可以更普遍的標示DOP的嚴重程度，并可能會增加跌倒骨折的風險。

4 總結和展望

本文討論了T2DM早期和晚期對骨骼的可能影響因素和作用機制。這些因素在T2DM發展的不同階段對骨量、微結構和骨強度的影響和作用機制是可變的。流行病學、臨床和實驗的研究的都表明，T2DM誘導的骨脆弱性主要是由骨質量的惡化引起的。盡管該機制尚未完全了解，但隨著對T2DM的不斷研究，我們猜測機體骨形成和骨轉換率降低可能是由復雜的糖尿病狀況引起。例如高血糖癥、循環中的高AGEs和活性氧水平，以及肥胖、胰島素抵抗和IGF-I活性降低等。因此，我們應該將T2DM誘導的骨脆性視為重要的糖尿病并發癥加以重視。目前尚未證明哪種方法在改善T2DM誘導的骨脆性方面最有效。因此，進一步的研究和制定治療骨脆性的策略是很重要的。我們可以通過分析患者處于T2DM的哪個階段，針對不同因素造成的骨骼疾病，給患者制定更優化更精確的個體化治療方案。