骨鈣素調(diào)節(jié)糖骨代謝研究進(jìn)展

萬仕煒 方彭華 閔文

(1南京中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院 南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院，江蘇 南京 210029；2宜興市中醫(yī)院)

我國人口老齡化已日趨嚴(yán)重，預(yù)計(jì)2025年我國老年人口將超過3億。基于老齡化的嚴(yán)峻形勢，以骨質(zhì)疏松與2型糖尿病為代表的代謝性疾病發(fā)病人數(shù)不斷增加。目前全球大約有2億人患有骨質(zhì)疏松癥〔1〕，每年約有900萬患者因骨質(zhì)疏松骨骼脆化引起骨折〔2〕。此外，我國已有約1.14億例糖尿病患者〔3〕。此類代謝性疾病治療周期長，并發(fā)癥多，嚴(yán)重威脅了患者的生命安全，已成為亟待解決的公共老年健康問題。骨鈣素是骨骼中含量最豐富的非膠原基質(zhì)蛋白〔4〕，其由成骨細(xì)胞分泌，通常被認(rèn)為是一種典型的成骨標(biāo)志物，具有調(diào)節(jié)骨基質(zhì)礦化的作用，體外研究表明骨鈣素的表達(dá)可反映成骨細(xì)胞代謝活性和礦物沉積〔5〕。最新研究表明，骨骼是一種特殊的內(nèi)分泌器官，其分泌的骨鈣素具有調(diào)節(jié)機(jī)體能量代謝的作用〔6〕。骨鈣素在骨代謝與機(jī)體能量代謝過程中扮演著重要的角色，探究骨鈣素與糖骨代謝的關(guān)聯(lián)對(duì)于研究代謝性疾病的發(fā)病機(jī)制具有重要意義。本文就骨鈣素與糖骨代謝展開綜述。

1 骨鈣素的骨代謝效應(yīng)

骨組織是一種特殊的結(jié)締組織，由骨細(xì)胞和礦化的細(xì)胞外基質(zhì)組成，后者的主要成分是羥基磷灰石晶體〔7〕。羥基磷灰石晶體中含有膠原蛋白和非膠原蛋白等有機(jī)基質(zhì)，如骨鈣素、骨橋蛋白、骨黏連蛋白等〔8〕。盡管非膠原蛋白僅占有機(jī)基質(zhì)的10%，但其在骨轉(zhuǎn)換和礦化中的重要調(diào)節(jié)作用已被證實(shí)。骨鈣素是一種主要的γ羧谷氨酸蛋白，是骨骼中含量最豐富的非膠原蛋白。其由骨鈣素前體初步合成，此后經(jīng)歷谷氨酸羧化酶羧化，最終其26個(gè)殘基前肽被裂解并釋放于細(xì)胞外部。已羧化的骨鈣素對(duì)于鈣離子具有極強(qiáng)的親和力，其結(jié)構(gòu)呈緊密的鈣離子依賴性的α螺旋結(jié)構(gòu)，骨鈣素的殘基結(jié)合并促進(jìn)骨基質(zhì)羥基磷灰石的吸收，從而發(fā)生骨礦化〔9〕。相反，未羧化的骨鈣素對(duì)鈣離子沒有親和力，并廣泛分布于外周循環(huán)中。因其特殊的功能作用，大量在體及離體研究用于探究其對(duì)骨代謝與骨重塑的影響。

1.1骨鈣素對(duì)于骨形成的影響 由于骨鈣素與羥基磷灰石結(jié)合的特性，骨鈣素最初被認(rèn)為是一種骨礦化與骨形成標(biāo)志物〔10〕。體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)骨鈣素在骨礦化過程中可以抑制羥基磷灰石的生長，深入的研究顯示其可作為破骨細(xì)胞前體的趨化劑發(fā)揮促進(jìn)破骨細(xì)胞增殖分化的作用〔11〕。為明確骨鈣素對(duì)于骨骼的確切效應(yīng)，Ducy等〔12〕敲除小鼠骨鈣素基因，通過檢測骨密度與成骨破骨細(xì)胞的改變來探究骨鈣素在骨代謝中的功能。結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比，骨鈣素敲除小鼠成骨細(xì)胞數(shù)量不變，但長骨骨皮質(zhì)厚度與密度顯著提高，初步提示了骨鈣素可能參與抑制骨形成。因?yàn)榇笫蠡蛐蛄斜刃∈蟾咏谌梭w，Lambert等〔13〕、Hara等〔14〕通過CRISPR/Cas9技術(shù)敲除大鼠骨鈣素基因后對(duì)其進(jìn)行一系列骨密度及生物力學(xué)檢測，結(jié)果表明骨鈣素敲除大鼠骨小梁厚度、密度和體積顯著增加，骨骼負(fù)荷能力顯著提高，這一結(jié)果與之前的研究一致，再次驗(yàn)證了骨鈣素對(duì)于骨形成的負(fù)面調(diào)節(jié)作用。此外，Komori〔15〕通過刪除小鼠骨鈣素蛋白(BGLAP)1與骨鈣素蛋白(BGLAP)2基因獲得了新的骨鈣素敲除小鼠模型，與之前研究不同的是，與野生型小鼠相比，新型骨鈣素敲除小鼠模型骨量無明顯變化，骨形成與骨吸收的血清標(biāo)志物沒有差異。值得注意的是，拉曼光譜分析顯示，新型骨鈣素敲除小鼠骨骼新生磷酸石的生長方向是與膠原纖維不平行的，這與野生型小鼠表型相反。納米壓痕實(shí)驗(yàn)表明，新型骨鈣素敲除小鼠骨骼Y-oung模量降低，而新生磷灰石與Y-oung水平聯(lián)系密切，提示了骨鈣素具有調(diào)整膠原纖維新生磷灰石c軸晶體方向的作用，其在骨形成與骨礦化中依然扮演了重要的角色。

1.2骨鈣素對(duì)骨吸收的影響 大量研究表明，骨鈣素不僅可以影響骨形成，在骨吸收過程中亦能發(fā)揮重要作用。前期研究〔12〕已經(jīng)證實(shí)骨鈣素敲除小鼠的破骨細(xì)胞數(shù)量是正常小鼠的150%。為探究破骨細(xì)胞功能是否與骨鈣素缺乏有關(guān)，研究人員切除骨鈣素敲除小鼠卵巢檢測相應(yīng)指標(biāo)，結(jié)果顯示與去卵巢的正常小鼠相比，骨鈣素敲除小鼠破骨細(xì)胞功能正常，但由于數(shù)量大于對(duì)照組，其骨吸收作用顯著增強(qiáng)，骨密度顯著低于對(duì)照組。這一結(jié)果指出了骨鈣素的高表達(dá)是引起小鼠骨量減少的重要原因。深入研究顯示，若將骨基質(zhì)顆粒植入大鼠皮下將會(huì)導(dǎo)致具有破骨細(xì)胞特征的前體細(xì)胞大量募集。相反，缺乏骨鈣素蛋白的骨基質(zhì)顆粒促進(jìn)破骨細(xì)胞形成的效率顯著降低〔16〕，說明骨鈣素對(duì)于破骨細(xì)胞增殖分化具有一定的促進(jìn)作用。為進(jìn)一步驗(yàn)證骨鈣素對(duì)于破骨細(xì)胞分化的影響，將骨鈣素添加入人工晶體磷灰石顆粒后再植入大鼠皮下，破骨細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)地更為明顯，并產(chǎn)生了更多的酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)陽性的多核細(xì)胞〔17〕，這一結(jié)果表明骨鈣素在骨吸收細(xì)胞的募集和分化中發(fā)揮了重要的基質(zhì)信號(hào)的作用。此外，多個(gè)研究小組通過離體實(shí)驗(yàn)證實(shí)了骨鈣素對(duì)于人外周血單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的趨化作用〔11，16，18〕。以上結(jié)果均揭示了骨鈣素對(duì)于破骨細(xì)胞的積極作用，骨鈣素介導(dǎo)的破骨細(xì)胞增殖分化，提高骨骼重吸收，對(duì)于維持成骨-破骨平衡具有重要意義。

1.3骨鈣素調(diào)控骨代謝的臨床效應(yīng) 盡管在體和離體實(shí)驗(yàn)尚不能明確骨鈣素的真正效應(yīng)，臨床上仍然將其作為一種骨轉(zhuǎn)換標(biāo)志物來診斷和預(yù)防原發(fā)型骨質(zhì)疏松。與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)相似的是，臨床研究亦表現(xiàn)出骨鈣素的雙向調(diào)節(jié)作用。Susanto等〔19〕對(duì)雅加達(dá)南部53名絕經(jīng)后婦女進(jìn)行了橫斷面研究。他們檢測了受試者血清骨鈣素水平和骨密度，結(jié)果表明血清骨鈣素與股骨頸骨密度呈顯著負(fù)相關(guān)。Thanakun等〔20〕采用類似的實(shí)驗(yàn)手段發(fā)現(xiàn)，絕經(jīng)后下頜骨骨密度下降的婦女血清骨鈣素表達(dá)顯著升高，提示骨鈣素表達(dá)與骨密度呈負(fù)相關(guān)，骨鈣素的高表達(dá)可能會(huì)抑制骨生成、進(jìn)而導(dǎo)致骨質(zhì)疏松。相反，一項(xiàng)針對(duì)100例沙特絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松婦女的臨床研究表明，骨質(zhì)疏松組患者血清骨鈣素含量明顯低于對(duì)照組，提示骨鈣素高表達(dá)可能對(duì)骨質(zhì)疏松沒有促進(jìn)作用〔21〕?？紤]到骨鈣素分子在循環(huán)中是非常不均勻的，并且受葡萄糖代謝及絕經(jīng)后時(shí)間長短的多重影響，目前骨鈣素對(duì)于骨代謝及骨質(zhì)疏松的調(diào)控作用依然不明確。上述研究表明，骨鈣素在骨形成與骨吸收過程中均扮演著重要的角色。大量報(bào)道揭示了骨鈣素對(duì)于骨形成的抑制作用與骨吸收的促進(jìn)作用，然而種種跡象表明骨鈣素并非單純介導(dǎo)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的數(shù)量與功能來達(dá)到骨平衡狀態(tài)，臨床報(bào)道亦不能充分解釋骨鈣素影響骨代謝的確切機(jī)制，有待更多的實(shí)驗(yàn)加以證實(shí)。

2 骨鈣素調(diào)節(jié)糖骨代謝的效應(yīng)

骨吸收-骨形成耦聯(lián)平衡是維持正常骨骼生理形態(tài)的根本原因〔22〕。破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收過程是對(duì)礦化骨的主動(dòng)破壞，而成骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨形成本質(zhì)上是依賴蛋白質(zhì)的細(xì)胞合成過程，兩者形成動(dòng)態(tài)平衡以維持骨量。這一過程無疑需要消耗大量能量，因此，近年來骨生物學(xué)領(lǐng)域提出一種新的觀點(diǎn)，骨或許是一種內(nèi)分泌器官，其分泌的部分激素對(duì)胰腺、脂肪、肌肉等組織發(fā)揮了重要的內(nèi)分泌及代謝作用〔23，24〕。骨鈣素正是其中的關(guān)鍵一環(huán)。盡管骨鈣素敲除小鼠骨骼礦化并未受到影響，這一論斷打破了骨鈣素是骨礦化調(diào)節(jié)基因的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，在后續(xù)的研究中發(fā)現(xiàn)，骨鈣素敲除小鼠的內(nèi)臟脂肪與野生型小鼠相比顯著增加，糖耐量水平與胰島數(shù)量顯著下降，說明骨鈣素與能量代謝可能存在一定聯(lián)系〔25〕。而對(duì)骨鈣素敲除小鼠與肥胖小鼠間斷注射骨鈣素以后，小鼠內(nèi)臟脂肪減少，胰島β細(xì)胞數(shù)目增加，胰島素敏感度得到改善，骨鈣素具有明確的減脂、降糖的代謝作用〔26〕。這一現(xiàn)象進(jìn)一步強(qiáng)化了骨鈣素調(diào)節(jié)糖代謝的猜想。隨后的體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了未羧化的骨鈣素可顯著促進(jìn)β細(xì)胞的增殖，提高脂肪細(xì)胞中胰島素和脂聯(lián)素的表達(dá)〔27，28〕。以上證據(jù)證實(shí)了骨鈣素對(duì)于胰島與血糖的調(diào)節(jié)作用，同時(shí)也表明，骨鈣素與胰島素之間或許存在某種反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，兩者表達(dá)水平的高低可影響彼此的分泌和表達(dá)。

研究者發(fā)現(xiàn)，若將小鼠表達(dá)Esp編碼骨睪丸蛋白酪氨酸磷酸酶(OST-PTP)的基因敲除后，小鼠表現(xiàn)出低血糖、β細(xì)胞增加、胰島素分泌增加的現(xiàn)象，這一表型與骨鈣素缺乏小鼠恰好相反〔29〕。然而，進(jìn)一步檢測發(fā)現(xiàn)小鼠骨骼中骨鈣素分泌量無明顯差異，而血清內(nèi)骨鈣素水平顯著增加。這揭示了OST-PTP可在骨鈣素分泌量不變的情況下，抑制骨鈣素脫羧，進(jìn)而對(duì)糖代謝產(chǎn)生負(fù)調(diào)節(jié)的作用。隨后的體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)，胰島素可與成骨細(xì)胞表面胰島素受體結(jié)合，減少骨保護(hù)素的合成分泌，促進(jìn)破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收過程，增強(qiáng)骨基質(zhì)的酸性，加劇骨鈣素的脫羧〔30〕。因此，可以確定的是小鼠骨骼和胰島之間存在環(huán)路，兩者相互進(jìn)行調(diào)節(jié)，胰島素含量可調(diào)控骨鈣素的分泌水平，同樣的，骨鈣素亦可反向調(diào)節(jié)胰島素分泌過程?；谶@一理論，Bilotta等〔31〕使用棕櫚酸誘導(dǎo)的人成骨樣細(xì)胞建立胰島素抵抗模型，探究高血糖和胰島素抵抗是否對(duì)人類成骨細(xì)胞骨鈣素水平具有調(diào)控作用。結(jié)果顯示，高糖和胰島素抵抗都會(huì)對(duì)骨鈣素基因的表達(dá)產(chǎn)生負(fù)面影響，這可能是由于人類骨鈣素基因啟動(dòng)子的活性降低所致。此外，他們還發(fā)現(xiàn)骨鈣素可顯著增加大鼠胰島β細(xì)胞中葡萄糖誘導(dǎo)的胰島素分泌，這一結(jié)果部分支持了人體中亦存在骨鈣素-胰島反饋回路，但臨床數(shù)據(jù)不足，仍需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)佐證這一結(jié)論。

機(jī)體骨骼-胰島環(huán)路的發(fā)現(xiàn)極大地開拓了臨床對(duì)于糖尿病合并骨質(zhì)疏松的治療思路，骨鈣素在這一反饋機(jī)制中顯示出極其重要的紐帶作用，其影響糖代謝的深入機(jī)制有待進(jìn)一步探索發(fā)掘。

3 骨鈣素調(diào)控脂肪因子調(diào)節(jié)糖骨代謝

骨的形成與脂肪具有密切聯(lián)系，成骨細(xì)胞前體和間質(zhì)來源的脂肪細(xì)胞具有共同的祖細(xì)胞。脂肪因子是細(xì)胞因子的一種，是由脂肪細(xì)胞等分泌的一類小分子多肽的總稱，如瘦素、脂聯(lián)素等，在機(jī)體能量代謝過程中發(fā)揮著巨大的作用〔32，33〕。自1998年瘦素與脂聯(lián)素首次被報(bào)道與骨密度存在相關(guān)性以來，大量的實(shí)驗(yàn)被用來探尋機(jī)體脂肪因子與骨平衡的相關(guān)性〔34～36〕?？紤]到骨鈣素作為骨骼能量代謝的樞紐，其與脂肪因子相互作用被認(rèn)為是發(fā)揮內(nèi)分泌功能與骨骼效應(yīng)的重要機(jī)制。

脂聯(lián)素是一種脂肪細(xì)胞分泌的蛋白質(zhì)，由244個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成。目前已經(jīng)證實(shí)脂聯(lián)素及其受體可在脛骨成骨細(xì)胞中表達(dá)，且在骨平衡過程中發(fā)揮重要作用〔37〕。前期研究表明脂聯(lián)素水平與骨鈣素水平通常呈正相關(guān)，兩者具有密切的聯(lián)系。若敲除小鼠成骨細(xì)胞中的原癌基因(FOS)12基因，小鼠即表現(xiàn)為骨量減少、體重增加的表型，這與先前的骨鈣素敲除小鼠表型類似。而FOS12過表達(dá)可顯著增加骨量，降低體重，同時(shí)改善小鼠糖耐量與胰島素敏感性。此外，F(xiàn)OS12缺失小鼠表現(xiàn)出循環(huán)骨鈣素水平下降、脂聯(lián)素水平提高的表型，而FOS12過表達(dá)小鼠則相反〔38〕。提示了FOS12的表達(dá)與影響脂聯(lián)素與骨鈣素的分泌水平存在密切關(guān)系，并影響兩者發(fā)揮內(nèi)分泌及骨骼功能，F(xiàn)OS12的表達(dá)或許是骨鈣素調(diào)節(jié)糖骨代謝的關(guān)鍵一環(huán)。瘦素-瘦素受體通路廣泛參與調(diào)控人體的眾多生理病理過程，包括炎癥、血管生成、免疫功能、胰島素抵抗、骨代謝等。瘦素對(duì)骨骼的影響是復(fù)雜的，有報(bào)道指出瘦素可通過調(diào)控骨鈣素水平發(fā)揮作用。地塞米松干預(yù)人骨細(xì)胞可顯著提高瘦素及其受體的表達(dá)水平，與之對(duì)應(yīng)的是骨鈣素水平的降低，再添加瘦素拮抗劑以后，骨鈣素水平得到提升，提示瘦素與骨鈣素水平呈負(fù)相關(guān)。深入研究表明，Janus激酶(JAK)2蛋白的上調(diào)可顯著提高瘦素的表達(dá)，瘦素抑制骨鈣素表達(dá)可能與JAK2蛋白的磷酸化有關(guān)，這或許是瘦素調(diào)控骨鈣素的重要機(jī)制之一〔39〕。

綜上，人口老齡化是我國現(xiàn)階段巨大社會(huì)問題之一，具有老年人口總量大、老齡化程度高、增速快、高齡化老年人數(shù)量突出、獨(dú)居老年人數(shù)量較多等特點(diǎn)。以骨質(zhì)疏松與2型糖尿病為特征的老年性多發(fā)代謝性疾病給患者帶來了極大地痛苦，加重了經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，因此，大量研究用于探究骨質(zhì)疏松等代謝性疾病的發(fā)病機(jī)制。長久以來，骨骼被認(rèn)為是一種支撐人體、維持運(yùn)動(dòng)、保護(hù)內(nèi)臟器官的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。近年來的研究成果顛覆了骨骼作為惰性器官的論斷，對(duì)于骨鈣素的研究開創(chuàng)性地揭示了骨骼對(duì)機(jī)體復(fù)雜的調(diào)節(jié)作用。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明了骨鈣素作為骨骼與機(jī)體能量代謝的重要橋梁，在機(jī)體骨骼代謝與糖代謝過程中發(fā)揮著重要的作用，具有治療諸如骨質(zhì)疏松與2型糖尿病等老年人多發(fā)慢性代謝性疾病的潛力。然而嚙齒類動(dòng)物骨鈣素水平的晝夜變化與人類相差較大，其羧化模式與人類骨鈣素亦具有明顯差異，因此，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的結(jié)論并不能簡單地解釋骨鈣素在人體中的作用機(jī)制，尚需更深入的研究以進(jìn)一步明確骨鈣素對(duì)于糖骨代謝的效應(yīng)及機(jī)制。