骨質疏松癥與甲狀腺功能亢進的關系

馬騰 陳德強 王衛國

1.山東中醫藥大學第一臨床醫學院，山東 濟南 250355

2.山東中醫藥大學附屬醫院骨科，山東 濟南 250355

骨質疏松癥(osteoporosis，OP)作為一種全身性骨代謝疾病，以單位骨量減少為特征，伴隨骨微觀結構的退化，參與因素復雜多樣[1]，國內調查研究證實全國范圍內OP的總患病率約為6.6%～19.3%，且隨著我國老齡化趨勢漸顯，預計未來30年國內OP患者人數將高達2.12億[2]。甲狀腺功能亢進癥(hyperthyroidism)是發生骨質疏松的重要因素之一[3]，兩者作為兩種臨床常見內分泌疾病，關系密切。一項納入114例觀察對象的對比研究發現，甲亢組患者骨密度下降幅度和血清骨代謝指標提升程度均較為顯著[4]。

甲狀腺相關激素水平對骨組織的影響早已被學者們所認識[5]，其中甲狀腺素(thyroid hormones，TH)、促甲狀腺素(thyroid stimulating hormone，TSH)等對骨骼發育均存在正向調控、維持作用[6-7]。但甲亢患者TH水平過高則會導致骨轉換速率升高，骨吸收和骨形成過程的比例失衡[8]，同時TSH水平受到抑制也會影響其發揮骨調節作用，這些因素都會對甲亢患者的骨密度產生負面作用。本研究在臨床試驗的基礎上應用生物信息學整合OP及甲亢的基因數據，不僅能較為科學地從分子層面闡述二者間的互作機制，而且也為藥物同時干預兩種疾病提供了理論基礎。

1 材料和方法

1.1 臨床資料

1.1.1一般資料：隨機選取2018年10月至2020年10月于山東省中醫院就診的40例甲亢女性患者為觀察組。納入標準：①符合甲亢的診斷標準；②年齡為45～75歲。排除標準：①合并嚴重心、腦等疾病；②合并其他影響骨密度的內分泌疾病；③嚴重的意識及溝通障礙。最終觀察組患者平均年齡為(60.1±7.5)歲。隨機選取同期于我院就診的甲狀腺功能正常女性40例為對照組，年齡45～75歲，平均(60.1±6.0)歲。

1.1.2檢測指標：以法國MEDI雙能X線骨密度儀分別檢測兩組受試者右側髖關節、腰椎(L1～4)、右側前臂，得到受試者的骨密度和T值。

1.2 骨質疏松-甲亢靶點篩選、映射與PPI分析

分別在三大人類疾病數據庫(GeneCards、TTD、OMIM)中篩選OP與甲亢的相關靶點[9-11]。其中GeneCards數據庫中選擇相關性Score值前300的靶基因。隨后將兩組基因分別通過Uniprot數據庫轉換成Uniprot ID篩選已認證靶點同時合并去重。映射兩組靶點并將其交集上傳至STRING v11.0平臺構建蛋白相互作用(protein-protein interaction，PPI)網絡[12]。運用Cytoscape 3.7.2平臺的Network Analyzer篩選PPI網絡連接度(degree)>10的靶點制作核心靶點圖。

1.3 骨質疏松-甲亢的GO分析和KEGG通路分析

借助Metascape數據庫[13]將靶點以P< 0.01、富集因子(enrichment factor)>1.5的設置分別進行GO(Gene Ontology)分析以及 KEGG (Kyoto encyclopedia of genes and genomes)通路分析，用OmicShare平臺將數據可視化。

1.4 統計學處理

2 結果

2.1 臨床觀察指標

組間比較結果顯示，觀察組的T值及骨密度均低于對照組(P<0.01)，見表1。

表1 兩組樣本骨密度及T值比較Table 1 Comparison of bone mineral density and T-score between the two

2.2 骨質疏松-甲亢的靶點篩選分析結果

三大基因庫所得靶點經過Uniprot篩選整合后共獲得295個OP相關靶基因和291個甲亢相關靶基因。80個交集靶點制作韋恩圖及PPI網絡(見圖1、圖2)。篩選到核心靶點12個(見圖3)。經Metascape數據庫分析，據P值制作前15項生物學過程聚類群的最具代表性過程和前8條KEGG通路聚類群的最具代表性通路圖(見圖4、圖5)。生物過程及通路下所含靶點分別見表2、表3。

表2 GO富集分析所含靶基因(前15條)Table 2 Target genes contained in GO enrichment analysis (top 15)

表3 KEGG通路下所含靶基因(前8條)Table 3 Target genes contained in KEGG pathway (top 8)

3 討論

TH能夠通過骨骼細胞TH受體(TR-α)調節骨重塑，一方面三碘甲狀腺原氨酸(T3)可以調節胰島素樣生長因子(IGF)等促進成骨細胞的增殖和分化，另一方面T3又能促進成骨細胞-破骨細胞偶聯激活，并誘導IL6等細胞因子參與破骨細胞的活化[14-15]，甲亢性骨質疏松是因TH過多引起機體骨代謝及骨礦化紊亂而導致的繼發性疾病。本研究通過臨床試驗結合生物信息學映射OP與甲亢的核心交集靶點及作用通路，以求進一步預測兩病的共同發病機制，探討兩病發病過程中的相互關系。

有分析表明甲亢患者相關細胞因子如IL-6、IL-10、TNF-α等水平顯著升高，且與骨密度呈負相關性[16]，而這些細胞因子被證明可以通過影響免疫應答反應來調節甲狀腺功能，從而推動甲亢的發生[17]；同樣這些細胞因子也通過參與不同的調節機制而對OP產生影響[18]，其中TNF-α和IL6可以上調破骨細胞水平并抑制骨保護素(OPG)的合成[19]，IL-10的表達則能夠對破骨細胞活性起到抑制作用[20]。這提示IL-6、TNF-α等基因的表達上調可能是兩病的共同發病機制之一。甲亢患者常因TH水平異常而影響糖代謝過程，其亢進狀態的機體代謝對胰島素(Insulin，INS)的需求量明顯增高[21]。國內有臨床研究顯示INS的應用能夠對血糖水平的穩定和甲亢癥狀的緩解起到正向調節作用[22]，Wang等[23]發現葡萄糖濃度與成骨細胞的凋亡速率呈正相關，因此甲亢患者機體INS水平下調進而導致的血糖水平異常，也可能成為繼發OP的重要機制之一。過高的TH水平同樣會影響人體內蛋白質的代謝速率[24]，導致甲亢患者常因白蛋白(Albumin，ALB)水平降低而加重營養不良表現。ALB水平過低與OP是否存在相關性至今仍存在爭議[25]，但有研究[26]表明低蛋白血癥可以從調節激素水平、骨代謝和轉錄翻譯等方面推動OP的形成。

IL-6等細胞因子能夠通過JaK-STAT信號通路參與調節骨代謝和甲狀腺激素水平，Song等[27]研究表明諸多炎癥細胞因子在伴有甲亢的Graves眼病患者中表達活躍，且與細胞因子-細胞因子受體相互作用、JaK-STAT等通路密切相關；于雪冰等[28]發現不同的細胞因子激活JaK-STAT通路，能分別上調成骨細胞和破骨細胞的分化水平。PI3K-Akt信號通路因其調節成骨細胞與破骨細胞關系的作用，被認為是維持骨組織穩態的重要通路之一[29]。國內有研究[30]通過對補腎固本方研究發現抑制PI3K/AKT/m TOR信號通路表達，可以保護骨小梁結構，下調破骨細胞分化；同樣PI3K/AKT信號通路與Graves病雌鼠的甲狀腺組織病理狀態和氧化應激反應的調節亦被證明有一定相關性[31]。胰島素可以通過I型糖尿病信號通路等涉及糖代謝的通路參與調節甲亢和骨質疏松的發生發展過程[21-23]。有研究[32-33]顯示HIF-1信號通路的活性水平與骨質疏松有明顯的相關性，而該通路的活性通常被缺氧誘導因子亞基HIF-1α的蛋白水平直接決定。HIF-1α在調節成骨細胞增殖、破骨細胞活性、VEGF等血管內皮生長因子水平等方面均參與作用[34]；樊麗婭等[35]報道甲亢患者的HIF-1α水平與其TH水平呈正相關，這提示甲亢與骨質疏松可能通過HIF-1信號通路而產生直接聯系。脂肪細胞因子同樣能夠直接或間接的影響兩病進程，研究[36]表明瘦素(Leptin，LEP)有參與調節機體下丘腦-垂體-甲狀腺軸的功能，從而與甲狀腺激素水平存在相關性；而瘦素同樣被認為能因其代謝失衡而導致骨代的謝紊亂[37]。但無論是關于甲亢時瘦素水平的研究，還是瘦素對骨代謝具體影響的研究，都未能得出一個統一明確的結論[38-39]，這需要今后更進一步的研究。

綜上所述，OP和甲亢的相互發病機制可能與IL6、TNF、INS、ALB、IGFBP3等基因的上下調表達密切相關，而兩病之間相互作用的信號通路主要涉及炎癥因子、糖代謝、缺氧、脂肪細胞等方面。本研究在臨床試驗的基礎上，依靠生物信息學探索并可視化骨質疏松與甲亢的關聯靶點及信號通路，能夠更加清晰的表達兩者的互作網絡關系，還可以為藥物同時調控兩種疾病提示潛在靶點。當然，這種基因靶點的信息整合受限于生物信息技術的發展水平及疾病數據庫的時效性，同時對于基因表達量及激活程度等也需隨數據完善而進一步研究。