GLP-1受體激動劑及其類似物減緩骨質疏松作用的研究進展

謝保城 徐永祥 胡潤凱 陳占玲 丁少波

(南方醫科大學附屬東莞醫院 1藥學部，廣東 東莞 523000；2內分泌科)

目前，隨著生活水平的改善，高脂肪飲食攝入增多，導致糖尿病的發病率持續上升，高血糖及其所致的各種并發癥嚴重影響患者的生活質量。糖尿病基礎上合并骨骼系統損害的全身代謝性骨病稱為糖尿病性骨質疏松，是糖尿病導致的嚴重并發癥之一〔1〕。糖尿病患者易發生骨礦含量減少、骨密度降低的情況，但由于早期臨床癥狀不明顯而易被忽略。骨質疏松已成為糖尿病患者致骨折、致殘的重要原因〔2〕。胰高血糖素樣肽(GLP)-1受體激動劑因其獨特的作用優勢，在降糖及減重領域的市場份額越來越大。自2005年艾塞那肽被美國食品藥品監督管理局(FDA)批準上市以來，多種 GLP-1 受體激動劑都陸續上市。研究發現，GLP-1及其類似物通過結合GLP-1受體(GLP-1R)以發揮降血糖作用〔3〕。近年來有臨床研究發現，GLP-1受體激動劑及其類似物可以顯著改善糖尿病患者的骨代謝，促進成骨分化，發揮抗糖尿病性骨質疏松作用，且細胞水平和動物實驗進一步發現，GLP-1受體激動劑及其類似物對絕經后骨質疏松、糖皮質激素性骨質疏松和老年性骨質疏松均具有較好的抗骨質疏松作用〔4,5〕。但不同的GLP-1受體激動劑及其類似物可能有著不同的分子作用機制。本研究對GLP-1受體激動劑及其類似物減緩骨質疏松作用的研究進展進行綜述。

1 GLP-1受體激動劑及其類似物的生物學功能

GLP-1是一種由小腸L細胞分泌的內源性腸促胰島素激素。內源性的GLP-1存在 2 種主要活性形式，分別為 GLP-1(7-36)酰胺和 GLP-1(7-37)。與傳統治療糖尿病藥物相比，GLP-1可作用于胰島α及β細胞來發揮降血糖、調節體內葡萄糖穩態的作用。其作用主要包括：促進胰島素相關基因轉錄，刺激胰島素的合成與分泌；促進胰島β細胞的增殖和新生；抑制胰島β細胞的凋亡；抑制胰高血糖素的分泌。同時可以促進肝臟、骨骼肌和脂肪組織的合成代謝，舒張血管、降低血壓，抑制胃腸道蠕動和胃液分泌、延遲胃排空等作用。GLP-1通過結合GLP-1R以發揮其生物學作用。GLP-1R屬于7次跨膜G蛋白耦聯受體B家族中的胰高血糖素受體亞家族，廣泛分布于胰腺、腦及骨等組織和器官〔6〕。在臨床實踐中，GLP-1受體激動劑能夠模擬GLP-1的生物學活性和功能，被廣泛用于糖尿病患者的治療。目前，已上市GLP-1 激動劑藥物主要有利拉魯肽(liraglutide)、艾塞那肽、阿必魯肽、杜拉魯肽和索馬魯肽等〔7〕。近年來的研究發現，GLP-1 受體激動劑不僅可以促進胰島素分泌、控制血糖，還可通過多種途徑影響機體骨代謝，起到預防和治療骨質疏松的作用。

2 GLP-1受體激動劑及其類似物對骨質疏松的作用

2.1GLP-1受體激動劑及其類似物對糖尿病性骨質疏松的作用 糖尿病合并骨質疏松是臨床常見的糖尿病并發癥，屬于繼發性骨質疏松。糖尿病性骨質疏松的發生發展機制復雜，主要是：(1)高血糖狀態，糖尿病性骨質疏松患者過多的葡萄糖會經尿液中排出，引起滲透性利尿，導致機體內鈣、磷排除增加，血液中鈣濃度降低，會激活破骨細胞活性和增殖，骨吸收增強，骨量減少。同時機體長期高血糖狀態會抑制成骨細胞的增殖分化，促進破骨細胞分化，破骨細胞分化增多，可能是糖尿病性骨質疏松的主要發病機制〔1〕；(2)胰島素缺乏，機體胰島素可促進合成代謝、維持血糖濃度穩態的作用。胰島素的缺乏或者敏感性下降會影響到成骨細胞活性改變，骨吸收及骨形成的平衡破壞，骨吸收大于骨形成，最終導致骨密度下降，形成骨質疏松。(3)晚期糖基化終末代謝產物(AEGs)大量生成，會誘導白細胞介素-6、腫瘤壞死因子等炎性介質增加，增加破骨細胞活性；同時，AGEs不斷蓄積會使骨基質中的Ⅰ型膠原變硬，增加骨脆性，導致骨質疏松〔1,8〕。(4)不同種類的降糖藥，有證據表明，降糖藥物對骨代謝的影響較大，患者服用噻唑烷二酮類(TZD)類降糖藥物后，骨折發生率反而升高。目前，臨床上治療主要以限制患者的飲食，控制血糖，加強日常鍛煉，補充鈣劑及維生素，使用骨形成促進劑和骨丟失抑制劑等綜合治療。已有研究發現，GLP-1受體激動劑其類似物具有緩解糖尿病性骨質疏松的作用〔9〕。Yamada等〔10〕通過建立GLP-1受體基因敲除GLP-1R(-/-)小鼠模型，研究GLP-1在骨代謝調節中的作用。研究結果與對照組相比，GLP-1R(-/-)模型組小鼠皮質骨骨密度下降、骨脆性增加、破骨細胞數量和骨吸收活性增加。同時發現GLP-1R(-/-)模型組小鼠骨吸收指標尿脫氧吡啶啉升高和降鈣素mRNA轉錄水平降低。表明GLP-1受體與骨質疏松密切相關。Cheng等〔11〕，評估GLP-1受體激動劑與T2DM患者骨折風險之間的關系，結果發現與安慰劑和其他抗糖尿病藥相比，GLP-1受體激動劑利拉魯肽和利西拉來肽與骨折風險降低有關，其有益效果取決于治療的持續時間。Zhang等〔12〕，分析GLP-1受體激動劑對2型糖尿病患者骨折風險的影響。薈萃分析表明，與使用安慰劑或其他抗高血糖藥的2型糖尿病患者相比，GLP-1受體激動劑與降低的骨折風險相關，并且艾塞那肽在治療2型糖尿病所致骨折的風險最低。王春雷等〔13〕研究GLP-1對糖尿病大鼠模型骨髓間充質干細胞(BMSCs)成骨分化能力的影響。結果發現BMSCs中存在GLP-1受體，并且GLP-1可促進糖尿病大鼠模型中BMSCs向成骨細胞分化并調節Wnt通路部分基因的表達及骨保護素/核因子(NF)-κB受體活化因子配體/NF-κB受體活化因子(OPG/RANK/RANKL軸的動態平衡。Zhang等〔14〕進一步研究利拉魯肽和維達立汀對骨代謝的影響，結果發現利拉魯肽能顯著降低小鼠的AEGs和甲狀旁腺激素(PTH)，提示利拉魯肽可改善骨代謝，起到緩解骨質疏松作用。

2.2GLP-1受體激動劑及其類似物對絕經后骨質疏松作用 絕經后骨質疏松主要絕經期后婦女由于雌激素缺乏，導致骨量減少及骨微結構退化，使骨脆性增加，易于骨折的一種全身性骨骼疾病。近年來發現，GLP-1受體激動劑在治療絕經后骨質疏松方面效果顯著。Lu等〔15〕研究GLP-1受體激動劑利拉魯肽對卵巢切除(OVX)誘導絕經期后骨質疏松大鼠的骨密度的影響和對BMSCs的成脂和成骨分化的影響。結果顯示，利拉魯肽可改善OVX大鼠股骨骨小梁體積、厚度和數目、增加骨密度、減少骨小梁間距。同時利拉魯肽可以增加Runt相關轉錄因子(Runx)2和Ⅰ型膠原蛋白表達。結果表明抗糖尿病藥物利拉魯肽對OVX誘導絕經期后骨質疏松大鼠具有骨保護作用。同時Ma等〔4〕研究艾塞那肽對OVX誘導的絕經期大鼠骨質疏松的影響。艾塞那肽給藥16 w后，顯著增強骨強度，防止骨小梁微結構的惡化，同時提高血清堿性磷酸酶(ALP)、骨鈣素(OC)表達水平。綜合以上研究發現，GLP-1受體激動劑對OVX大鼠具有抗骨質疏松作用，提示GLP-1受體激動劑是治療老年絕經后骨質疏松的潛在候選藥物。

2.3GLP-1受體激動劑及其類似物對老年性骨質疏松的作用 老年骨質疏松是原發性骨質疏松，其特點是骨微觀結構改變、骨密度降低、骨強度下降。老年骨質疏松已成為老年婦女和男性的一個重要公共衛生問題，因為它會導致骨折、殘疾和較高的社會經濟成本。Zhang等〔16〕采用衰老的成骨細胞模型評估了艾塞那肽4的抗骨質疏松作用。艾塞那肽4是一種強效GLP-1受體激動劑。研究結果表明，GLP-1受體激動劑艾塞那肽4上調骨代謝基因(OPG、RANKL、BGP)表達，下調衰老相關基因(p16、p21、p53)表達，可能激活IGF-1/磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)信號通路，促進衰老成骨細胞增殖，從而預防老年骨質疏松。王寧等〔17〕進一步研究艾塞那肽對老齡大鼠骨質疏松的防治作用。研究結果顯示，艾塞那肽可以顯著增加老齡大鼠骨密度、骨體積分數、骨小梁數目、骨小梁厚度、堿性磷酸酶、骨鈣素等骨質疏松相關指標，說明艾塞那肽對老齡大鼠骨質疏松具有明顯的防治作用。

2.4GLP-1受體激動劑及其類似物對糖皮質激素性骨質疏松的作用 糖皮質激素性骨質疏松(GIOP)主要是患者在使用糖皮質激素治療疾病過程中引起的骨量快速丟失，以骨量減少、骨微結構破壞、骨強度下降為特征的一種疾病〔18,19〕。糖皮質激素過量會導致骨脆性增強，是患者發生骨折的高風險因素。GIOP 在各種骨質疏松中發生率較高且多數患者不易發現，癥狀隱匿。患者長期使用糖皮質激素治療會導致骨骼礦物質密度下降并引發骨折的風險，高危人群應盡早開始骨保護治療〔20,21〕。研究發現，GLP-1受體激動劑及其類似物梔子苷可通過激活 GLP-1受體緩解地塞米松所致成骨分化的抑制，增強成骨分化的活性發揮抗GIOP作用〔22〕。提示GIOP與胰島素分泌和 GLP-1受體之間有著密切關系。隨后 Yang等〔5〕研究利用利拉魯肽對糖皮質激素誘導的骨質疏松大鼠模型中骨代謝標志物的影響，結果發現利拉魯肽治療后，骨密度、骨微結構和骨生物力學指標均得到明顯改善。提示GLP-1受體激動劑及其類似物具有抗GIOP作用。

3 GLP-1受體激動劑其類似物減緩骨質疏松的相關機制

3.1GLP-1受體/絲分裂原活化的蛋白激酶(MAPK)信號通路 有MAPK屬于絲/蘇氨酸蛋白激酶，主要包括細胞外信號調節蛋白激酶(ERK)1/2，c-Jun氨基末端激酶/應激活化蛋白激酶(JNK/SAPK)，p38 MAPK和ERK5，主要通過級聯效應將信號從表面受體傳導至細胞核內部，ERK1/2磷酸化激活會由胞質轉位到細胞核內，進而介導轉錄激活因子ETS樣蛋白(ELK)-1、激活蛋白(Ap)-1、原癌基因蛋白(c-fos)和c-Jun等轉錄活化，參與細胞增殖與分化、細胞骨架的構建、細胞凋亡等多種生物學反應。研究發現，ERK MAPK信號通路在骨質疏松方面發揮著重要的作用。本課題組研究發現，ERK抑制劑U0126和GLP-1受體拮抗藥艾塞那肽9-39能抑制梔子苷誘導的 ERK的活化并抑制了梔子苷對糖皮質激素所致成骨分化抑制的作用，表明GLP-1受體激動劑及其類似物梔子苷可以通過GLP-1受體激活ERK MAPK信號發揮抗GIOP作用〔22〕。Feng等〔23〕研究GLP-1受體激動劑艾塞那肽對小鼠成骨細胞MC3T3-E1細胞增殖，分化和礦化的影響，表明艾塞那肽增加ALP、膠原蛋白Ⅰ、OC和Runx2表達，進一步研究發現艾塞那肽上調ERK1/2，p38和JNK的磷酸化，使用選擇性MAPK抑制劑，PD98059，SB203580，SP600125可以阻斷艾塞那肽對ERK1/2，p38和JNK MAPK信號通路的激活及細胞增殖和分化。提示艾塞那肽可能通過激活MAPK途徑促進成骨細胞MC3T3-E1的增殖和分化。

3.2GLP-1受體/PI3K/Akt信號通路 PI3K-AKt信號通路調控各種不同細胞功能包括細胞代謝、生長、增殖、存活、轉錄及蛋白質合成的各個方面。Wu等〔24〕研究發現MC3T3-E1中存在GLP-1R，并證明利拉魯肽可促進成骨細胞增殖，在各個階段上調成骨細胞生物標志物的表達并刺激成骨細胞礦化。研究發現利拉魯肽提高細胞內環磷酸腺苷(cAMP)水平和Akt磷酸化，用PI3Kα/δ/β的抑制劑LY294002和沉默GLP-1受體處理細胞可部分阻斷利拉魯肽誘導的信號激活，并減弱利拉魯肽對MC3T3-E1細胞的促進作用。利拉魯肽能夠通過GLP-1受體激活PI3K/Akt，cAMP/PKA作用于成骨細胞，促進成骨分化。

3.3Wnt/β-catenin通路 Wnt/β-catenin 信號通路在調節細胞的增殖、凋亡及組織的修復方面發揮重要作用，同時能夠促進間充質干細胞及成骨細胞的增殖及分化，增加細胞的活性和促進成骨分化。Meng等〔25〕研究證明，GLP-1受體激動劑艾塞那肽通過激活GLP-1受體促進成骨分化，艾塞那肽通過調節PKA/β-catenin和PKA/PI3K/Akt/糖原合成酶激酶(GSK)-3β信號促進骨髓間充質干細胞成骨分化。Wu等〔24〕研究發現，利拉魯肽會增加β-catenin水平并且增加核內β-catenin含量和轉錄活性，進一步沉默β-catenin后可以部分阻斷利拉魯肽誘導的信號激活，并減弱利拉魯肽對MC3T3-E1細胞的促進作用。提示利拉魯肽能夠通過GLP-1受體激活β-catenin作用于成骨細胞，促進成骨分化。

3.4OPG/RANKL/RANK通路 RANKL是連RANK的一種分泌型破骨細胞形成抑制因子，二者結合后被激活，導致NF-κB 轉移至細胞核內，促進破骨細胞成熟。研究表明，OPG與RANKL在破骨細胞發育的終末階段和維持機體骨代謝平衡發揮重要作用。OPG/RANKL/RANK通路在破骨細胞分化和調節骨代謝過程中的一個重要信號傳導通路〔26〕。Ma等〔4〕研究發現，艾塞那肽不僅抑制骨吸收增加OPG/RANKL比值，發揮抗老年OVX大鼠骨質疏松作用。

4 小分子化合物調控GLP-1受體發揮抗骨質疏松作用

目前，已經上市的GLP-1受體激動劑均為多肽類制劑，大分子蛋白，需要皮下注射，很大程度限制了其被廣泛應用且患者依從性差，患者更愿意選擇口服藥物治療。因此，口服GLP-1受體激動劑已成為糖尿病新藥研究的熱點。其中，尋找到有效的小分子GLP-1受體激動劑具有巨大的應用前景，和大分子GLP-1受體激動劑相比，小分子GLP-1受體激動劑分子量小，可以口服，避免皮下注射，而且服藥不受飲食和劑量的限制，將提高患者的用藥依從性。輝瑞開發的首個小分子GLP-1受體激動劑Danuglipron (PF-06882961)率先完成1期臨床試驗，結果表明Danuglipron能夠降低2型糖尿病患者的血糖水平，還能減輕糖尿病患者體重〔27〕。這可能成為替代注射制劑和其他口服制劑的新的治療選擇。本課題組初步的研究發現Danuglipron具有促進MC3T3-E1細胞成骨分化的作用。已發現的小分子GLP-1受體激動劑梔子苷可以通過介導MC3T3-E1細胞中的GLP-1R/ABCA1軸改善地塞米松誘導的大鼠骨小梁微結構損傷和細胞分化抑制，降低地塞米松誘導的膽固醇積累，增強細胞分化〔28〕。同時也有研究發現一種基于喹喔啉的小分子化合物DMB可以激活GLP-1受體，并且研究采用OVX建立骨質疏松小鼠模型，OVX 小鼠腹腔內給予DMB， 結果發現DMB 主要通過誘導骨形成來改善骨丟失，表明該小分子化合物可用于治療絕經后骨質疏松〔29〕。提示小分子GLP-1受體激動劑在骨質疏松治療中具有較好的應用前景。

綜上，GLP-1受體激動劑及其類似物可能成為治療糖尿病性骨質疏松藥物，同時GLP-1受體激動劑及其類似物在絕經期后骨質疏松和糖皮質激素性骨質疏松等同樣具有良好的應用前景。它能增加骨量、骨小梁和骨皮質厚度、增強骨強度和影響骨膠原；可以通過影響骨細胞釋放的激素從而發揮其對骨代謝的調節作用；不同的GLP-1受體激動劑及其類似物可能有著不同的分子作用機制。但以上研究多為細胞實驗和動物實驗研究數據，缺乏臨床數據，今后尚需更大樣本和更長期的臨床研究來證實GLP-1受體激動劑及其類似物對骨代謝的影響并探討其確切機制。