“缺氧-高糖”軸對糖尿病性骨質疏松癥的影響機制

王劍虹 董萬濤 宋敏 趙張凱 常茹夢 張杰 鞏彥龍 趙楠

1.甘肅中醫藥大學，甘肅 蘭州 730000 2.甘肅中醫藥大學附屬醫院，甘肅 蘭州 730020

糖尿病(diabetes mellitus，DM)與骨質疏松癥(osteoporosis，OP)都是與衰老相關的全身性慢性代謝性疾病，高糖缺氧、衰老、氧化應激損傷已被公認是其主要的發病機制。機體攝入大量糖脂類或代謝異常均可引起線粒體損傷，加速氧化應激損傷。現已經證明1型糖尿病(diabetes mellitus type 1，T1DM)患者的骨密度(bone mineral density，BMD)與同齡未患DM的個體相比總體降低[1]。2 型糖尿病患者同樣伴隨骨密度和骨強度的下降而使得骨骼脆弱，主要是由于糖尿病患者的肥胖增加，影響成骨細胞和破骨細胞的功能[2]，而OP的發生主要是由于成骨細胞與破骨細胞參與的骨動態平衡遭到破環。糖尿病引起的骨質疏松癥(DM-OP)是由慢性高血糖以及高血糖導致膠原蛋白中晚期糖基化終產物 (advanced glycation end products，AGEs)[3]的積累和氧化應激引起的[4]，而AGEs會加速人體的衰老。衰老的本質是機體抗氧化能力的下降，可以看作是細胞成分累積氧化應激損傷積累的過程[5-6]，不論內源性還是外源性的氧化應激都會導致組織、器官、結構和功能的進行性喪失[7]，促成疾病的發生發展。隨著年齡的增長，缺氧是許多病理條件下特有的微環境成分，且與疾病的進展或嚴重程度相關。有研究發現糖尿病患者仰臥位和站立位的血氧飽和度都低于健康人，且與并發癥有關[8]，而缺氧同樣被認為是骨質疏松癥發生的主要機制之一，其中和缺氧相關并發揮主導作用的缺氧誘導因子1α(HIF-1α)同樣可以介導細胞線粒體功能，和衰老、氧化應激反應相關。以下主要從氧化應激作為糖尿病和骨質疏松癥的共病機制出發，以HIF-1α建立的“缺氧-高糖”軸來闡述高糖-缺氧-衰老-氧化應激在糖尿病性骨質疏松癥中的影響機制。

1 衰老與糖尿病性骨質疏松癥

衰老產生機制包括DNA損傷、活性氧的累積、分泌表型的變化等，細胞衰老與線粒體功能障礙有關，線粒體是活性氧(reactive oxygen species，ROS)的主要來源，氧化應激被認為是參與衰老過程的重要機制理論之一，而線粒體氧化應激反應是加速細胞衰老的關鍵因素[9]。在機體衰老的過程中，線粒體中 ATP 產生的減少、膜電位的降低和 ROS 水平的增加，致使 DNA 結構和功能異常，導致線粒體氧化磷酸化水平下降，進而引起 ROS 在體內堆積到超出體內清除 ROS 的能力，引起氧化應激介導的細胞及機體的衰老[10-11]。隨著機體的衰老，許多組織(包括骨細胞)氧化應激反應增加[12]；而氧化應激又同樣可以誘導加速衰老的進程[13]，衰老和氧化應激兩者相互促進相互影響。

氧化應激作為糖尿病和骨質疏松癥的共病機制，脂質過氧化是活性氧最具破壞性的作用之一，且糖尿病患者的脂質過氧化物抗氧化防御系統參數存在顯著的和年齡相關變異性。在糖尿病臨床治療中，抗氧化劑的有效性已得到大量研究證明，抗氧化劑的使用應該是治療糖尿病過程中很有必要的一部分[14]。氧化防御機制失衡不僅導致了胰島B細胞功能障礙還影響與胰島素抵抗相關的信號通路，進而導致糖尿病及其相關并發癥的發生；高水平的氧化應激和線粒體功能障礙阻礙骨髓間充質干細胞的存活和骨形成[15]。有研究證實特別是在處于骨質疏松微環境中的骨髓間充質干細胞由于衰老和雌激素缺乏而受到過量的氧化應激，導致成骨能力低下和成脂傾向增高。早期間充質祖細胞中ROS激活的FoxOs也使ss連環蛋白偏離Wnt信號，導致成骨細胞生成減少，這也可能與1型和2型糖尿病的發病機制以及ROS介導的糖尿病對骨形成的不良影響有關[16]。有研究證實具有高脂肪細胞和低成骨細胞分化能力的老年患者的原代骨髓基質干細胞，天然抗氧化提取物可以抑制其成脂分化和衰老相關分泌表型[17]。氧化應激介導的衰老又可以加速炎性反應[18]。糖尿病性骨質疏松癥的發展往往伴隨著細胞因子介導的慢性低水平炎癥反應，氧化應激導致促炎核轉錄因子B(NF-κB)的激活，使抗蛋白酶防御功能受損，造成細胞DNA損傷，加速細胞衰老，以及自身抗體的產生，通過組蛋白去乙酰化酶2的失活而產生皮質類固醇抵抗，進而加重糖尿病性骨質疏松癥。

2 高糖與糖尿病性骨質疏松癥

高糖可以誘導各種細胞氧化應激損傷和線粒體功能障礙進而影響細胞的增殖分化。其主要通過使血管內皮細胞中的mtROS增加破壞了線粒體的動力學平衡造成氧化應激，最終導致細胞損傷和內皮功能障礙[19]，也可以使FOXO1蛋白的表達水平升高，并誘導內皮細胞的氧化應激和凋亡，最終延遲血管生成和愈合[20]，還可以誘導胰島素抵抗[21]。在糖尿病患者病變過程中，機體內持續增強的氧化應激反應是造成胰島素抵抗和胰島B細胞損傷的重要因素[22]。而哺乳動物高糖高脂飲食促進了機體氧化應激反應[23]。有關骨結構質量的研究表明，患Ⅱ型糖尿病骨質疏松患者的骨小梁和皮質骨微結構更加脆弱[24-25]。骨質疏松時破骨細胞活性的增強可能歸因于以超氧化物形式產生的ROS的增加，氧化應激是衰老、雌激素缺乏和糖皮質激素過量引起的OP的關鍵因素，并損害骨細胞網絡和連接蛋白縫隙連接通訊[26]，而高糖可通過激活p38 MAPK/ERK信號通路和隨后的mCx43內化來影響MLO-Y4細胞的Cx43縫隙連接和半通道功能[27]。由此高糖促進氧化應激反應進而影響糖尿病性骨質疏松癥的發展進程。

3 “缺氧-高糖”軸對糖尿病性骨質疏松癥的影響機制

缺氧是調節血管生成-成骨耦合過程的主要驅動力，組織缺氧可通過HIF-1α途徑上調血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)，促進成骨細胞的分化和活性，促進血管生成。有研究發現持續的高血糖能促使磷脂酰肌醇二磷酸(PIP2)轉化為磷脂酰肌醇三磷酸(PIP3)，誘導Akt的激活，從而激活下游效應基因缺氧誘導因子HIF-1α的表達[28]。HIF-1α和VEGF與糖尿病及其并發癥密切相關，抑制HIF-1α和VEGF的表達可發揮一定的抗炎作用，通過減輕炎癥反應，改變細胞與低氧有關的促炎平衡，有效促進糖尿病并發癥的恢復[29-30]。長期高血糖可促進VEGF的合成與分泌，VEGF受HIF-1α轉錄的調控，是介導血管滲漏和誘導缺血部位血管新生增多的主要生長因子。當胰島B細胞持續暴露于高糖環境下，加速細胞凋亡。高糖亦通過胰島素抵抗和PI3K-AKT信號通路抑制胰島B細胞功能，隨著衰老進程，細胞線粒體功能障礙導致B細胞功能障礙使胰島素分泌降低[31]。高糖促進炎癥反應和抑制新生血管生成，進而引發一系列并發癥，也可誘導骨髓間充質細胞[32]、骨髓干細胞[33]、內皮細胞[34-35]、髓核細胞[36]等各類細胞衰老。有研究證實，當沉默調節蛋白(Sirtuins)活性降低，促炎性因子、氧化應激反應和細胞周期中的一些分子可使Ⅱ型糖尿病發病的易感性增加。對于哺乳動物來說，衰老與 Sirts 活性降低有關，其中調節沉默調節蛋白 1(Sirt1)是胰島素分泌的正調節因子，具有對抗細胞凋亡、抗氧化及抗細胞炎癥性損傷作用[37]。

4 衰老與“缺氧-高糖”軸

隨著機體衰老，伴隨不同程度的組織缺氧，而發揮主要調控作用的機制因子HIF-1α與正常人細胞生長停滯和衰老相關。HIF-1α通過AMPKα和缺氧誘導因子-α亞型的特異性調控可促進血管生成，幫助細胞適應惡劣條件，還與沃伯格效應、線粒體動力學和細胞衰老相關[38]。有研究證實糖尿病骨髓間充質干細胞(DM-BMSCs)衰老表型增強，說明成骨分化能力降低是糖尿病骨再生修復障礙的主要原因，而線粒體膜通透性抑制劑CsA可有效抑制DM-BMSCs線粒體膜通透性，降低線粒體外氧化損傷水平，抑制細胞衰老，促進成骨分化[39-40]。相對于與骨形成和骨吸收相關的成骨細胞和破骨細胞，導致其死亡的明確機制之一是隨著年齡增長出現一定程度的組織細胞缺氧[41]，并促進了與年齡相關的破骨細胞的分化。HIF-1α不僅通過在軟骨內骨化中激活血管內皮生長因子來引起增強的骨重建，當組織缺氧時，在骨細胞啟動骨重建中HIF-1α通過激活MLO-Y4細胞中的JAK2/STAT3途徑促進RANKL的表達，促進骨細胞介導的破骨細胞分化[42]。當組織細胞缺氧時，HIF-1的α亞基發生磷酸化，發生核轉位并結合相對應靶基因-VEGF葡萄糖轉運體、促紅細胞生成素等在內的多種缺氧反應元件，影響糖和能量的代謝、血管張力的調節、紅細胞代謝以及細胞凋亡等，增強炎性反應與氧化應激，誘導相關生物活性物質合成以及易感基因的表達，使機體產生一系列病理生理反應[43]。HIF-1α和VEGF因子的表達與糖尿病胃輕癱(diabetic gastroparesis，DGP)相關[44]，高糖促進VEGF轉錄失調可能是促進DGP并發癥發生的主要機制，胃腸功能失衡，影響機體對營養物質尤其鈣磷的吸收以及腸道微生物區系失衡，基于“腸-骨”軸影響，又促進骨質疏松的發生發展[45]。

5 HIF-1α的調控機制

HIF-1α可以介導細胞線粒體功能，促進正常人細胞生長停滯和衰老影響氧化應激反應，調節線粒體產生ROS本屬于正常的細胞功能，是適應氧化應激和對抗細胞衰老所必需的。低氧引起的糖酵解通量和線粒體代謝活性的增加，以及隨后產生的線粒體活性氧對破骨細胞的形成和吸收是必不可少的[46]，且低氧微環境可驅動破骨細胞介導的骨吸收[47]。HIF-1α表達穩定化可減輕低氧條件下細胞吞噬有絲分裂所致的細胞凋亡和衰老。研究表明線粒體活性氧發揮著維持細胞代謝穩態的作用，是AMPK的生理激活劑。AMPK的激活又觸發了依賴于PGC-1α的抗氧化反應，從而限制了線粒體ROS的產生，缺乏AMPK活性的細胞表現為線粒體ROS水平升高，并經歷早衰[48]。

HIF-1α調節VEGF以及一系列其他信號如ERK、AKT和NF-κB的表達以應對細胞缺氧[49]，其在骨發育和再生過程中參與血管生成和成骨過程，并通過損害成骨細胞的分化和成熟來調節骨的微結構和重塑[50]，在破骨細胞中表達導致其活化，促進骨吸收。有研究證明HIF-1α和VEGF在骨質疏松骨中的表達水平低于正常骨[51]；HIF-1α減少了地塞米松對缺氧誘導的破骨細胞有絲分裂的抑制，并保護了成骨細胞免于凋亡[52]；B細胞中HIF-1α的缺失可以防止雌激素缺乏導致的小鼠骨質丟失[53]；也有機制研究證明，過表達HIF-1α可顯著增加成骨細胞中IL-6和IL-8的水平，成骨細胞中的IL-6和IL-8可通過缺氧誘導因子-1α途徑參與血管生成-成骨偶聯過程[54]，從而HIF-1α發揮了一個抑制炎性反應的靶向輔助作用，而炎性反應和細胞免疫相關，HIF-1α在抑制炎性反應的同時可能也發揮了抑制免疫衰老的作用。破骨細胞被證明是一種具有豐富的線粒體的高能量細胞，穩定控制HIF-1α的表達，可以促進破骨細胞鐵死亡[55]，發揮抑制骨吸收的作用。HIF-1α通過抑制骨髓衍生的巨噬細胞在低氧條件下自噬小體的形成而損害自噬通量[56]。目前已知自噬和線粒體功能障礙也是刺激衰老的因素[57]。

HIF-1α在缺氧和高糖之間發揮著重要橋接作用，把糖尿病和骨質疏松癥的結合轉變成高糖缺氧在內的與年齡相關共病機制共同介導下的疾病——糖尿病性骨質疏松癥。

6 結語

骨質疏松作為糖尿病后期并發癥，兩者交互并存且相互促進病理進程，臨床上稱之為糖尿病性骨質疏松癥。糖尿病和骨質疏松癥的共病機制復雜，現有臨床治療糖尿病性骨質疏松癥的方法大多是將糖尿病與骨質疏松癥作為兩個獨立的疾病進行降糖聯合抗骨質疏松治療，尚無用于針對糖尿病性骨質疏松癥治療的特異性方案，因而明確糖尿病骨質疏松癥的共病機制是治療糖尿病骨質疏松癥的關鍵樞紐。

機體衰老伴隨著抗氧化能力的下降，細胞線粒體活性氧水平破壞細胞線粒體動力學平衡而造成氧化應激，最終加速細胞損傷、衰老。HIF-1α作為缺氧反應的主要調節因子之一，在骨骼建模、重塑和內環境以及糖尿病及其并發癥中發揮著重要作用。現把糖尿病骨質疏松癥從單純的骨質疏松癥和糖尿病結合的認識，轉變為高糖缺氧在內的骨和氧化應激與年齡相關機制共同介導下的疾病。所以穩定HIF-1α的表達抑制氧化應激、減輕細胞衰老、凋亡等發揮抗骨丟失和控制糖尿病并發癥的作用，有必要進一步探討缺氧誘導因子-1α介導的有絲分裂吞噬在糖尿病性骨質疏松癥中的作用。

本文基于“缺氧-高糖”軸概述HIF-1α在糖尿病性骨質疏松癥中抗氧化應激的作用機制，提出以HIF-1α為靶點，穩定HIF-1α的表達并調控衰老相關表型在相應組織的表達，通過誘導破骨細胞的凋亡以及抑制衰老引起的氧化應激反應，減緩糖尿病介導的骨質疏松癥的發展進程。