基于“脾腎相關(guān)”理論探討鳶尾素在肌少-骨質(zhì)疏松癥中的作用機(jī)制

路翀 鄭浩 楊鶇祥 戚曉楠 姚嘯生*

1.遼寧中醫(yī)藥大學(xué)，遼寧 沈陽 110847 2.遼寧中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院，遼寧 沈陽 110032

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)是一種波及全身的骨病，以骨密度及骨強(qiáng)度下降為特征，易導(dǎo)致骨痛、骨折及二次骨折[1]。而肌少癥(sarcopenia)這個(gè)名詞，則是由Rosenberg于1989 年首次提出[2]，是一種與年齡增加相關(guān)的、進(jìn)行性全身肌量減少，和/或肌肉強(qiáng)度下降、肌肉生理功能減弱的疾病，隨著研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)疏松癥多與肌少癥常相伴發(fā)生[3]。2009年，Binkley等[4]提出“肌少-骨質(zhì)疏松癥”這一概念，首次從病名上明確肌少癥與骨質(zhì)疏松癥之間的關(guān)系，之后提出可將肌少癥和骨質(zhì)疏松癥合并，作為一種“運(yùn)動障礙綜合征”來進(jìn)行診治[5]。

隨著全球老齡化時(shí)代的來臨，肌少-骨質(zhì)疏松癥(sarco-osteopenia)的發(fā)病率逐年增加，有研究結(jié)果表明老年男性發(fā)病率為10.4 %，而老年女性的發(fā)病率則為15.1 %，并且80歲以上肌少癥與骨質(zhì)疏松癥的關(guān)聯(lián)性大大增加[6]。肌肉質(zhì)量的下降增加行動障礙、住院率、致殘率，甚至同髖部及脊柱骨折一樣，可提高中年到晚年的未來死亡率[7-10]。肌少-骨質(zhì)疏松癥逐漸成為妨礙老年人日常活動的主要障礙，給社會及家庭帶來了極重的心理與經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[11-12]。

越來越多的研究表明骨骼肌與骨骼不僅具有毗鄰的解剖位置，還在生長發(fā)育、旁分泌及內(nèi)分泌調(diào)節(jié)、分子信號調(diào)節(jié)通路、治療靶點(diǎn)及藥物方面具有高度相關(guān)性[13-14]。骨骼肌收縮運(yùn)動產(chǎn)生的負(fù)荷可激活骨骼生長和重建的一系列生物力學(xué)信號[15]。通過分泌眾多肌動因子(myokines)和代謝產(chǎn)物，使骨骼肌成為內(nèi)分泌器官參與到內(nèi)分泌調(diào)節(jié)，進(jìn)而對骨組織產(chǎn)生影響[14,16-17]。鳶尾素(irisin)為新發(fā)現(xiàn)的由運(yùn)動介導(dǎo)調(diào)節(jié)的肌動因子[18]，可直接作用于骨細(xì)胞改善骨代謝，也可通過調(diào)節(jié)骨骼基因表達(dá)改善骨代謝[19]，但其具體作用機(jī)制尚未完全明確。

中醫(yī)對于肌骨的關(guān)系也早有認(rèn)識，有著“脾腎相關(guān)”這一完整的理論體系。深刻總結(jié)了肌與骨的關(guān)系。

本文梳理總結(jié)鳶尾素調(diào)控骨骼肌與骨組織代謝的機(jī)制，對肌少-骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生機(jī)制進(jìn)行探討，試圖在分子生物學(xué)水平上進(jìn)一步闡明“脾腎相關(guān)”理論，尋找防治肌少-骨質(zhì)疏松癥的新思路，為“脾腎相關(guān)”理論提供現(xiàn)代醫(yī)學(xué)理論的支持。

1 “脾腎相關(guān)”理論及現(xiàn)代醫(yī)學(xué)對肌少-骨質(zhì)疏松癥認(rèn)識

中醫(yī)認(rèn)為肌骨關(guān)系，決以脾腎二臟五行生克制化、功能盛衰。腎藏精，主骨生髓，乃先天之本；脾主運(yùn)化，合肉主四肢，乃后天之本。腎精充足，則髓生化有源，髓以養(yǎng)骨，故骨骼強(qiáng)健有力，腎封藏精氣，助脾之運(yùn)化，以先天養(yǎng)后天；脾運(yùn)化水谷精氣化生氣血，肌肉豐滿有力，脾氣散精，以滋腎精，以后天滋先天。先天、后天之本，互為所用，互為所養(yǎng)，乃助骨骼肌肉強(qiáng)健有力，反之則骨枯肉痿。正如《內(nèi)經(jīng)》所言：“脾主肌肉故脾絕則肉先死”“腎主骨故腎絕則骨先死”，而《黃帝內(nèi)經(jīng)太素》亦云：“脾氣熱……發(fā)為肉痿，腎氣熱……發(fā)為骨痿。”《靈樞經(jīng)·經(jīng)脈》則對脾腎所主導(dǎo)的筋骨關(guān)系進(jìn)行了概括：“骨肉不相親……骨先死”。綜上，在中醫(yī)理論中，脾與腎可看做產(chǎn)生儲存“生命能量”的兩大工廠，脾腎之間的交互關(guān)聯(lián)是“生命能量”轉(zhuǎn)換的重要形式，而脾腎對肌骨的作用則是“生命能源”的重要使用方式之一。“脾腎相關(guān)”理論高度概括了中醫(yī)對肌骨協(xié)同退變疾病的理解與認(rèn)識。

在人的一生中骨骼肌與骨組織總是在發(fā)生變化。在發(fā)育過程中，肌量的增長先于骨量的增長，這可能意味著早期生長發(fā)育過程中骨骼肌對隨后的骨量增長有正向作用。年齡的增長、長期缺少運(yùn)動(石膏固定、長期臥床)、太空飛行中長期處于微重力以及脊髓損傷會導(dǎo)致骨量的流失[20-24]。研究發(fā)現(xiàn)在宇航員中，骨骼肌損失比骨質(zhì)減少更早得到改善，這意味著機(jī)械負(fù)荷相關(guān)的骨骼肌來源因素可能對恢復(fù)骨量流失有促進(jìn)作用，肌肉損傷程度小的骨折愈合速度更快[25]。還有研究[26]表明，肌源性祖細(xì)胞對于開放性骨折有明顯的促進(jìn)作用。這些研究成果均與“脾腎相關(guān)”理論相符合。

2 鳶尾素及與“脾腎相關(guān)”理論的相關(guān)性

鳶尾素最先于2012年被發(fā)現(xiàn)并命名，是主要由運(yùn)動介導(dǎo)的肌肉因子[27]。運(yùn)動增加骨骼肌中PGC-1α表達(dá)，PGC-1α表達(dá)的上調(diào)促進(jìn)FNDC5表達(dá)，F(xiàn)NDC5經(jīng)剪切后形成的由111個(gè)氨基酸組成的蛋白激素(即為鳶尾素)進(jìn)入血液，之后鳶尾素促進(jìn)解偶聯(lián)蛋白(UCP1)的表達(dá)使白色脂肪細(xì)胞發(fā)生褐變[27-28]。此外，鳶尾素還具有其他生理作用，包括改善葡萄糖耐量[27]、調(diào)控胰島素的敏感性[29]、抑制細(xì)胞炎癥及凋亡保護(hù)內(nèi)皮細(xì)胞[30-31]、調(diào)控線粒體的相關(guān)基因、功能、完整性、分裂及吞噬[32-34]、保護(hù)神經(jīng)元并促進(jìn)其增殖分化[33,35-36]、改善認(rèn)知障礙[37]、保護(hù)肌肉及骨組織[38-41]等作用。鳶尾素除了在骨骼肌中表達(dá)外，心包、心臟、直腸、腦組織、腦脊液也有表達(dá)，腎、肝、肺也少量表達(dá)，在母乳及新生兒臍帶血清也可檢測到鳶尾素[42-44]。

長久以來，闡明補(bǔ)腎健脾法治療肌骨協(xié)同退變疾病的作用機(jī)制過程中缺少中間環(huán)節(jié)，健脾如何強(qiáng)骨，沒有確切證據(jù)。從上文可知，鳶尾素產(chǎn)于肌肉，正向作用于肌骨，提示鳶尾素可能是“健脾-強(qiáng)骨”過程中的橋梁因子，對其機(jī)制的研究即可完善補(bǔ)腎健脾法的作用機(jī)制。

3 鳶尾素影響骨骼肌及骨組織代謝的共同因素

鳶尾素可通過抑制脂肪組織積累對骨骼肌與骨組織產(chǎn)生間接影響。脂肪細(xì)胞和成骨細(xì)胞具有同源性，肥胖因素誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞優(yōu)先分化為脂肪，從而增加破骨細(xì)胞數(shù)量和活性，減少成骨細(xì)胞分化和骨形成[45-46]。另外過度的脂肪組織會增加脂肪酸和脂肪因子(IL-6、腫瘤壞死因子、WNT10b、IGFBP2、IGF-1、BMP4、脂聯(lián)素等)的分泌，通過多種途徑對其附近的細(xì)胞產(chǎn)生脂毒性作用，對肌肉質(zhì)量及力量和骨代謝產(chǎn)生負(fù)面影響[47-49]。鳶尾素可降低成脂基因PPARR和ADIPOQ的表達(dá)水平，同時(shí)增加參與脂代謝蛋白編碼的基因HSL和ATGL表達(dá)，抑制脂肪細(xì)胞的形成[50]。鳶尾素通過促進(jìn)白色脂肪褐變及褐色脂肪細(xì)胞UCP-1基因表達(dá)，增加成熟脂肪細(xì)胞能量消耗、代謝酶和代謝物中間體的表達(dá)[27,51]。最終鳶尾素抑制脂肪組織的積累，對肌骨代謝產(chǎn)生正向作用。

大量研究表明，鳶尾素可拮抗肌抑素(MSTN)[52-54]，肌抑素表達(dá)水平上升后會通過多種途徑導(dǎo)致骨骼肌質(zhì)量下降[55]，同時(shí)降低成骨水平并提升破骨水平[56-57]，而鳶尾素可降低肌抑素對肌骨代謝的負(fù)面影響。

4 鳶尾素對骨骼肌的影響

有研究對153例絕經(jīng)后女性與147例年輕女性進(jìn)行對比檢測，發(fā)現(xiàn)循環(huán)鳶尾素水平與肌少癥患病率之間有著高達(dá)95 %的相關(guān)關(guān)系，并認(rèn)為鳶尾素可以作為篩查絕經(jīng)后女性肌少癥的生物標(biāo)志物[39]。李雪等[58]研究血漿鳶尾素水平與老年肌少癥病情程度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)二者呈正相關(guān)關(guān)系，血漿鳶尾素水平越少，患者全身骨骼肌質(zhì)量、RASM、握力、步速等指標(biāo)更低；而體脂百分比、內(nèi)臟脂肪面積更高。郭麗君等[41]的研究結(jié)果與之相似。

4.1 鳶尾素對骨骼肌的正向作用

Colaianni等[59]采用后肢懸吊法復(fù)制骨骼肌萎縮動物模型，并觀察重組鳶尾素防治肌萎縮的效果，結(jié)果表明，重組鳶尾素可完全阻止后肢懸吊小鼠肌球蛋白II型表達(dá)的減少，保持肌纖維橫截面積，抵抗骨骼肌質(zhì)量下降。另有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鳶尾素可降低氧化應(yīng)激反應(yīng)，對骨骼肌缺血再灌注損傷有保護(hù)作用[60]。

一項(xiàng)體外研究[61]發(fā)現(xiàn)，鳶尾素可激活ERK/Ccl7通路上調(diào)增殖標(biāo)志物Pcna、Mki67、Mcm2的mRNA表達(dá)，促進(jìn)C2C12成肌細(xì)胞增殖。相對應(yīng)的，在一項(xiàng)地塞米松誘導(dǎo)的肌萎縮研究[62]中，鳶尾素可通過增強(qiáng)的IGF-1信號，抑制FoxO活性隨后下調(diào)泛素連接酶活性，降低C2C12肌管萎縮程度。骨骼肌線粒體含量的減少及產(chǎn)能的降低提示肌肉組織的損傷。重組鳶尾素可上調(diào)線粒體含量的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子TFAMH和NRF1的表達(dá)，增加線粒體的含量及代謝，達(dá)到減緩肌肉萎縮的目的[63]。Yang等[64]則發(fā)現(xiàn)通過模擬運(yùn)動，使PGC-1α與CREB相互作用，觸發(fā)C2C12肌管中Fndc5的表達(dá)，此時(shí)鳶尾素可作為自分泌/旁分泌因子增加線粒體呼吸，增加ATP的產(chǎn)生，促進(jìn)脂肪酸氧化，減少肌管中的糖酵解。見圖1 。

圖1 鳶尾素表達(dá)水平上升對骨骼肌及骨組織產(chǎn)生正向影響的作用機(jī)制Fig.1 The mechanism of positive effect of the increase of irisin expression on the muscle and bone tissue

4.2 鳶尾素對骨骼肌作用的爭議

鳶尾素對骨骼肌作用研究并非均得到正向結(jié)果。Farrash等[65]采用體內(nèi)電轉(zhuǎn)移的方法使FNDC5在大鼠后肢骨骼肌過度表達(dá)，得到的結(jié)論卻發(fā)現(xiàn)鳶尾素短期內(nèi)對肌肉合成代謝的影響有限。Xiong等[28]通過DNA靶向技術(shù)得到FNDC5突變小鼠，之后的觀測中發(fā)現(xiàn)FNDC5功能喪失對于骨骼肌的大小、生長、再生和肌纖維類型分布的影響極小。筆者認(rèn)為出現(xiàn)這種矛盾的結(jié)論的原因可能在于實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短，或鳶尾素表達(dá)并未處于生理表達(dá)范圍，而肌骨關(guān)系的復(fù)雜性導(dǎo)致這種極端的表達(dá)觸發(fā)了某些代償機(jī)制，使得宏觀上骨骼肌的生長發(fā)育并未受到影響。

5 鳶尾素對骨組織的影響

一項(xiàng)針對中國絕經(jīng)后婦女的研究表明，血清鳶尾素與骨密度之間呈正向相關(guān)性[40]。對去睪丸的雄性小鼠進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)鳶尾素可挽救雄激素缺乏引起的小梁骨密度的減少[66]。Zhu等[67]構(gòu)建了一種FNDC5/irisin缺陷小鼠模型，此模型小鼠僅骨源性鳶尾素表達(dá)明顯減少，發(fā)現(xiàn)這種小鼠從出生到成年，骨發(fā)育和礦化均明顯延遲，骨密度較低。如果在運(yùn)動中補(bǔ)充注射重組鳶尾素可挽救上述變化。

5.1 鳶尾素對骨細(xì)胞的影響

Colaianni等[68]研究發(fā)現(xiàn)，鳶尾素可顯著增加骨皮質(zhì)質(zhì)量和強(qiáng)度，尤其可增加在皮質(zhì)組織密度、骨膜周長、極慣性矩和彎曲強(qiáng)度，減少骨折的發(fā)生，更為值得注意的是上述實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)低劑量的鳶尾素(100 μg/kg)不足以誘導(dǎo)褐變反應(yīng)，卻可以有效增強(qiáng)骨骼，這說明與脂肪組織相比，骨組織對鳶尾素更敏感。重組鳶尾素可防止去卵巢小鼠骨小梁的丟失，并使之表現(xiàn)出更大的骨微結(jié)構(gòu)，顯著提高其骨密度(BMD)、骨體積/組織體積比、連接密度以及小梁數(shù)量參數(shù)[69]。Kawao等[70]對進(jìn)行中度平板運(yùn)動8周的去卵巢小鼠進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)，其腓腸肌和比目魚肌中鳶尾素的表達(dá)與股骨和脛骨的骨小梁骨密度正相關(guān)，皮質(zhì)骨密度卻無明顯相關(guān)性。鳶尾素下調(diào)包括血清骨鈣素(OC)、BALP、TRAP、鈣、磷在內(nèi)的血清骨生物標(biāo)志物水平，增加股骨干重、灰分重量以及骨灰分中鈣、磷水平，以維持去卵巢大鼠正常的骨結(jié)構(gòu)[71]。

此外，后肢懸吊小鼠模型中，懸吊期應(yīng)用重組鳶尾素，發(fā)現(xiàn)重組鳶尾素可防止皮質(zhì)和小梁骨密度降低[59]。但對懸吊4周后已經(jīng)發(fā)生骨量丟失的小鼠而言，重組鳶尾素恢復(fù)了皮質(zhì)和骨小梁骨密度，這說明鳶尾素對廢用性骨質(zhì)疏松有著預(yù)防和治療作用[59]。

鳶尾素通過Erk1/2磷酸化，增加了骨細(xì)胞樣細(xì)胞系(MLO-Y4)活化轉(zhuǎn)錄因子4 (Atf4) mRNA的表達(dá)[72]。另外通過上調(diào)Pdpn mRNA表達(dá)，鳶尾素參與了骨細(xì)胞樹突的形成過程；通過上調(diào)Gja1 mRNA水平，對骨細(xì)胞合成有正向作用[72]。鳶尾素還可以抑制骨細(xì)胞的凋亡[72-73]，通過抑制caspase-9、caspase-3的激活，分別抵抗過氧化氫及地塞米松誘導(dǎo)的凋亡[72]；還可通過激活Erk通路，調(diào)節(jié)Bax、Bcl-2和OPG/Rankl的表達(dá)，保護(hù)其免于凋亡，同時(shí)實(shí)驗(yàn)還表明鳶尾素對軟骨還有一定的保護(hù)作用[73]。

5.2 鳶尾素對成骨細(xì)胞的影響

一項(xiàng)體外實(shí)驗(yàn)研究[74]表明，鳶尾素可直接靶向作用于成骨細(xì)胞(osteoblast，OB)，研究者先將成肌細(xì)胞進(jìn)行3周的自由輪運(yùn)動后，證明其鳶尾素的表達(dá)增加；之后用這種成肌細(xì)胞條件培養(yǎng)基處理骨髓基質(zhì)細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)ALP和Collagen I (Coll1)表達(dá)增加，使其更容易向成骨細(xì)胞表型進(jìn)行分化。除此之外，在一項(xiàng)模擬微重力對骨骼穩(wěn)態(tài)影響的體內(nèi)外試驗(yàn)[75]中發(fā)現(xiàn)，鳶尾素可激活β-catenin表達(dá)，上調(diào)OB關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子Atf4、RunX2的表達(dá)水平，增加ALP活性和鈣沉積，從而促進(jìn)OB分化，但實(shí)驗(yàn)未觀察到鳶尾素對OB增殖有顯著影響。鳶尾素在體外可通過激活P38/ERK MAP激酶信號通路級聯(lián)反應(yīng)促進(jìn)OB增殖和分化[76]。M2巨噬細(xì)胞在骨形成和重塑過程中具有核心作用，鳶尾素可激活A(yù)MPK信號通路，誘導(dǎo)M0和M1巨噬細(xì)胞向M2表型分化，增強(qiáng)成骨細(xì)胞的成骨作用，形成明顯礦化顆粒[77]。Palermo等[74,78]研究發(fā)現(xiàn)鳶尾素還可降低甲狀旁腺素(PTH)的表達(dá)，減少PTH對OB的分解作用。有研究還證明，鳶尾素可通過有氧糖酵解[79]、下調(diào)衰老效應(yīng)蛋白P21[80]，以促進(jìn)OB的增殖，維持其活性。

5.3 鳶尾素對破骨細(xì)胞的影響

有研究[81]表明，鳶尾素降低RANKL的表達(dá)，抑制破骨細(xì)胞(osteoclast，OC)的形成。對兩種破骨前體細(xì)胞RAW264.7細(xì)胞和小鼠骨髓單核細(xì)胞進(jìn)行的體外實(shí)驗(yàn)[82]表明，鳶尾素可激活P38和JNK信號通路促進(jìn)破骨前體細(xì)胞增殖，同時(shí)下調(diào)OC分化標(biāo)志基因(NF-kB受體激活因子、活化T細(xì)胞核因子、Cytoplasmic 1、組織蛋白酶K、TRAP)的表達(dá)，從而抑制OC分化，并且認(rèn)為鳶尾素可直接作用于OC，還可減少TRAP陽性的多核細(xì)胞和羥基磷灰石吸收坑的數(shù)量。在研究微重力對骨骼影響的太空實(shí)驗(yàn)[21]中發(fā)現(xiàn)，鳶尾素可顯著上調(diào)骨保護(hù)素(OPG)的表達(dá)，與地面相同載荷組相比增加了2.8倍，表明鳶尾素可通過調(diào)節(jié)這一抗破骨細(xì)胞因子，從而抑制OC分化、減緩骨吸收過程。Estell等[83]進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)觀測到，鳶尾素可降低成骨標(biāo)志物的表達(dá)，顯著增加骨吸收標(biāo)志物Adamts5和Loxl2的表達(dá)，同時(shí)提高OC關(guān)鍵分化、融合標(biāo)志物的表達(dá)，認(rèn)為鳶尾素可促使骨髓祖細(xì)胞優(yōu)先向OC分化；之后他們構(gòu)建了C57BL/6J小鼠過度表達(dá)FNDC5模型，發(fā)現(xiàn)鳶尾素在早期通過抑制成骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨形成降低了骨量，后期對OC的顯著作用持久影響骨轉(zhuǎn)換。這與以往的研究結(jié)果不太一致。

6 小結(jié)與展望

綜上所述，鳶尾素可通過多種途徑保護(hù)骨骼肌與骨骼，且機(jī)制有重合性。中醫(yī)基于“脾腎相關(guān)”理論形成的補(bǔ)腎健脾法治療肌少-骨質(zhì)疏松癥具有較好的臨床療效[84-88]，但其作用具體機(jī)制的現(xiàn)代研究卻不完善，鳶尾素的相關(guān)研究為其打開了新思路。

“脾腎相關(guān)”是關(guān)于“生命能量”產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換及使用的理論，所以探討鳶尾素通過影響機(jī)體能量轉(zhuǎn)換對肌骨產(chǎn)生的作用，即通過脂肪及線粒體等共同因素對肌骨產(chǎn)生影響的相關(guān)機(jī)制，或許對闡明“脾腎相關(guān)”理論更具有意義，應(yīng)是今后研究完善的重點(diǎn)。鳶尾素有潛力成為篩選肌少-骨質(zhì)疏松癥有效藥物及治療手段的一個(gè)靈敏指標(biāo)。