線粒體自噬與糖尿病性骨質疏松的關系

李澤鋒 黃文鋒 胡洲映 蘇暢怡

1.廣州中醫藥大學,廣東 廣州 510006 2.廣州中醫藥大學附屬湛江市第一中醫醫院,廣東 湛江 524000

中醫認為脾主運化,主管化物及運輸精微往周身以為機體活動提供能量,其中“化”指的是將進入人體的食物化生成精微物質,而“運”指的是將所化生出的精微物質輸往周身并以此維持人體各類活動所需能量的來源。線粒體通過三羧酸循環產生ATP以為機體活動提供近95%的能量充分體現出了脾主化而生氣血、脾主運而行氣血的功能[1]。線粒體自噬是清除損傷的線粒體以維持細胞正常生理功能的重要途徑,其表達失常與脾失健運密切相關[2]。胰島素抵抗是2型糖尿病的典型病理特點,而微血管病變和動脈粥樣硬化則常見于糖尿病病程較長的患者,這3種與糖尿病相關的病理改變均是糖尿病性骨質疏松發生的重要危險因素,而一定程度的線粒體自噬能夠減輕糖尿病患者的胰島素抵抗程度[3],降低微血管病變及動脈粥樣硬化發生的風險[2]。由此看來調節線粒體自噬可以通過減輕上述病理變化程度以防治糖尿病性骨質疏松,而通過健脾恢復其運化功能以調節線粒體自噬可能是從脾論治糖尿病性骨質疏松的潛在作用通路。

1 脾-消渴-骨

消渴一名首見于《內經》,其發生與脾臟功能受損導致精氣輸布失常密切相關,正如《素問·奇病論》所記載:“五味入口藏于胃,脾為之行精氣……故其氣上溢,轉為消渴”。中醫早在戰國時期就已經有骨質疏松相關表現的記載,而脾胃虛弱導致的“肉痿”及血行不暢是其發生發展的重要病機,正如《脾胃論》曰:“大抵脾胃虛弱,……是為骨痿,令人骨髓空虛,足不能履地”則有力地闡明了脾胃與骨的關系密切。中醫古籍中不乏有糖尿病和骨質疏松的相關記載,而糖尿病性骨質疏松作為糖尿病的并發癥之一,現代中醫家多認為其屬于“消渴合并骨痿”的范疇。糖尿病的發病多責之于脾虛,而以糖尿病為前提而發的骨質疏松亦與脾臟功能虛弱有關,正如《素問·太陰陽明論》曰:“脾病而四肢不用者,何也……脈道不利,筋骨肌肉,皆無氣以生,故不用焉”,筋骨肌肉保持強健有賴于脾的運化功能,脾失所化則氣血乏源,脾失所運則所化氣血無以向四周輸布,二者占其一即可導致筋骨肌肉失于濡養而發骨痿。再者,精血同源而可互相轉化,血的化生不足必然引起腎精虧虛,腎精不足則無以生髓,髓不足則無以充骨,骨失髓養亦將導致骨痿的發生。

2 線粒體自噬-糖尿病性骨質疏松

線粒體DNA(mtDNA)位于核外的特點導致其缺乏相應的保護,且其自我修復能力較差,而誘導氧化應激發生的活性氧(reative oxygen species,ROS)主要來源于線粒體,故容易因氧化應激損傷而發生退行性病變[4],mtDNA的損傷又會使線粒體產生大量ROS而導致惡性循環的形成并進一步損害結構功能健全的線粒體。線粒體自噬屬于選擇性自噬[5],主要通過清除損傷的線粒體以維持細胞穩態,目前認為哺乳動物的線粒體自噬的發生主要由Pinkl/Parkin所介導[6],當線粒體發生損傷后,Pink1因不能正常轉運至線粒體內膜而聚集在外膜上并泛素化外膜的多種蛋白質,泛素化的蛋白質被自噬的選擇底物所識別,最終刺激線粒體發生自噬[7]。骨質疏松是多種原因引起的骨代謝失衡,骨密度下降,骨脆性增加,骨折風險增加的疾病[8],而糖尿病性骨質疏松的發生與胰島素抵抗[9]、微血管病變[10]及動脈粥樣硬化[11]形成密切相關。

肌肉可以通過收縮運動增加骨骼的機械應力刺激而促進成骨[12],其主要機制為胰島素樣生長因子1(IGF-1)的表達在機械應力刺激骨骼的情況下有所增加,并以此促進骨細胞的增殖與分化[13],而相關研究亦發現骨密度的減低與全身肌肉含量減少呈正相關[14]。作為2型糖尿病的典型病理特點,胰島素抵抗會導致骨骼肌含量下降而影響IGF-1的表達,進而導致骨細胞的增殖和分化能力下降,最終引起骨質疏松的發生。FUNDC1基因是與線粒體自噬發生相關的基因,Wu等[15]通過敲除FUNDC1基因來建立線粒體自噬缺陷的小鼠模型,發現實驗小鼠的胰島素抵抗程度普遍上升。綜上所述,可以認為通過調節線粒體自噬以減輕胰島素抵抗程度從而增加肌肉含量是防治糖尿病性骨質疏松的重要途徑。

晚期糖基化終末產物是在長期高糖環境下產生的,其與對應受體結合會引起氧化應激過度激活導致血管內皮細胞產生不可逆損傷,而血管內皮細胞的損傷、壞死最終會引起微血管病變的發生[16]。微血管病變是累及細小血管的病理改變,多表現為相應血管的基底膜增厚、血管瘤形成及血管障礙,其導致骨質疏松的發生主要與微循環障礙及物質交換障礙有關,當微循環障礙發生時,骨組織將因微血管灌注不足致骨營養不良,骨重建受限,最終導致骨質疏松的發生,而當營養骨組織的微血管發生病變時將導致物質交換障礙而增加骨質疏松發生的風險[17-20]。自噬是細胞進行自我保護的重要機制,線粒體自噬則屬于其中的選擇性自噬,Chen等[21]研究發現自噬可以通過促進損傷的線粒體分解以及減少ROS的產生等途徑起到抑制內皮細胞衰老和凋亡的作用。因此可以認為通過調節線粒體自噬以減輕微血管病變能在糖尿病性骨質疏松的預防和治療中起一定作用。

動脈粥樣硬化是常見的糖尿病慢性并發癥之一,是在多種因素共同作用下形成的累及大中型動脈的血管疾病,其中高糖環境引起血小板異常的聚集、粘附和活化是其形成的重要原因,而線粒體自噬可以通過清除受損的線粒體以減少ROS的產生,從而抑制血小板的活化以抑制動脈粥樣硬化的形成[22]。骨質疏松發生與動脈粥樣硬化形成存在諸如高血脂等眾多共同致病因素及OPG/RANK/RANKL通路等共同作用通路[11],祁亮等[23]通過相關數據庫收集二者的相關疾病靶點并利用韋恩圖取交集后獲得它們的共同靶點高達202個,這進一步證明二者具有相似的發病機制。因此可以認為動脈粥樣硬化與骨質疏松之間存在諸多致病的共同危險因素,且動脈粥樣硬化的形成亦會促使骨質疏松的發病,而通過調節線粒體自噬可以延緩糖尿病患者中動脈粥樣硬化的形成和進展以防治糖尿病性骨質疏松。

3 脾-線粒體自噬-糖尿病性骨質疏松關系探討

《素問》云:“四肢懈墮,此脾氣不行也”,當脾運化功能失常時,水谷精微無以輸布濡養四周會導致機體的活動因缺乏能量來源而無法正常進行。線粒體因其是真核生物體ATP的主要合成部位而被稱為“動力工廠”,其進行三羧酸循環為真核生物體提供能量的特點與脾主運化相似,由此看來,脾與線粒體之間存在密切的聯系。劉友章等[24]發現脾虛模型的大鼠線粒體數量減少并且結構上有不同程度的損傷,而服用四君子湯后線粒體數量明顯上升,而且結構上也得到一定的恢復,這進一步證明了“脾-線粒體”相關理論。動力相關蛋白1(DRP1)是與線粒體分裂密切相關的一種蛋白,Gelmetti等[25]研究發現DRP1活性受抑制時Parkin誘導的線粒體自噬活動減少,而DRP1活性降低與脾運化失常,機體活動所需能量不足的表現具有相似之處,由此看來脾失運化是線粒體自噬活動減少的重要原因。

《素問·太陰陽明論篇》曰:“四肢皆稟氣于胃,而不得至經,必因于脾,乃得稟也”,肌肉為脾所主,消渴病人身體瘦削多歸因于脾失健運,水谷精微無以濡養肌肉所致,而長期的肌肉含量低下將增加骨質疏松發生的風險。胰島素抵抗是糖尿病性骨質疏松發病的重要危險因素,其導致骨質疏松的發生主要與其引起的骨骼肌含量下降有關,而相關研究表明胰島素抵抗的發生與氧化應激導致的線粒體功能損傷密切相關[26],因此通過減輕氧化應激反應以維持線粒體質量是機體減輕胰島素抵抗,增加肌肉含量,進而增加骨密度的重要調節方式。中醫認為脾運失常不散精是胰島素抵抗的關鍵病機,糖類食物經由脾轉化為精微物質后再由脾的轉運功能上輸于肺,最終依靠肺朝百脈的特性灌溉四旁以濡養周身,脾失健運,將導致精微物質無以輸布,進而聚而成濁,濁邪郁滯進一步阻礙精微物質輸布而表現為胰島素抵抗[27]。胰島素是由胰島β細胞分泌的肽類激素,其釋放后依賴“血”作為載體運往遠距離靶器官,脾失健運,血行不暢將致胰島素無以進行遠距離輸送亦會出現胰島素抵抗的相關表現[28]。LC3Ⅱ和BNIP3是自噬的標志蛋白,能較好地反映出自噬的表達水平,而紅景天苷性甘寒,歸于脾肺二經,具有健脾益氣的功效,Ou等[29]發現紅景天苷能提高小鼠骨骼肌中LC3Ⅱ和BNIP3的表達,促進線粒體自噬以改善線粒體質量,從而減輕骨骼肌的胰島素抵抗程度,增加肌肉含量。綜上所述,通過健脾減輕胰島素抵抗程度從而使肌肉含量上升以增強骨骼的機械應力刺激是防治糖尿病性骨質疏松的重要方式,而這一效應可能是通過調節線粒體自噬來實現的。

脾為生痰之源,脾運化失常易聚液成痰,痰濁久凝血脈則成血脈癥瘕[30]。作為糖尿病性骨質疏松發生的危險因素,動脈粥樣硬化的形成與中醫認為脾虛導致痰濁的產生顯著有關[31],正如《醫宗必讀》記載:“脾土虛弱,清者難升,濁者難降,留中滯膈,淤而成痰”,而痰濁內聚日久則成血脈癥瘕,血脈癥瘕一經形成,脈道必為所阻,水谷精微無以運行至肌骨,肌骨失養則發為骨痿,因此脾失運化,痰濁內生而成動脈粥樣硬化的是糖尿病性骨質疏松發生的重要原因。呂曉濛[32]發現以中醫的益氣健脾、和血祛痰為法擬方能顯著降低人體低密度脂蛋白膽固醇的水平,降低動脈粥樣斑塊的形成風險。另有研究發現,在動脈粥樣硬化發生發展的整個過程中均有自噬的參與[33],而線粒體自噬可以保護血管平滑肌細胞從而起到穩定斑塊的作用[34]。相關動物研究發現健脾祛痰方能增加脾虛痰濁型動脈粥樣硬化大鼠的Parkin表達,從而促進線粒體自噬的進行以穩定斑塊[2]。由此看來,通過調節線粒體自噬是健脾以恢復其運化之功以助津液正常運行,無致壅聚成痰久凝血脈而成血脈癥瘕,維持血脈通利,保證水谷精微得以輸布于肌骨從而防治消渴合并骨痿的重要機制。

作為糖尿病性骨質疏松發病的危險因素,微血管病變與中醫所說之痰瘀的形成密切相關,相關研究發現糖尿病內有痰瘀的患者實驗室檢查多有微循環障礙、毛細血管阻塞等血液流變學的異常改變亦證明了這一觀點[35]。《內經》有云:“經脈為里,支而橫者為絡,絡之別者為孫”,微血管即為中醫所說之孫絡,而糖尿病微血管病變則屬于“絡病”的范疇[36],而葉天士提倡的“絡病”理論認為,病初在經,病久入絡,邪氣侵入絡脈會導致痰濁瘀血的形成,而消渴合并絡病是由消渴病久發展而來,符合“久病入絡”的病理特點,該理論再次印證了痰濁瘀血阻滯脈絡與糖尿病微血管病變的相關性。血液運行布散流暢是筋骨強健的必要前提,正如《靈樞·本臟》所云:“是故血和則經脈流行,營復陰陽,筋骨勁強,關節清利矣”,而消渴多責之于脾虛運化失常,脾失健運,將致津液無以輸布,聚而成痰,痰阻于脈絡,久必致瘀,痰瘀互結更加劇血行不暢,精微物質無以運輸于骨,同時因痰瘀粘附于脈道而致精微無以布散于骨,骨失所養則發為骨痿。趙嘉晶等[37]研究發現,從瘀論治糖尿病性骨質疏松能有效調節血液流變學、提高患者骨密度水平,這進一步驗證了從通利脈道入手治療糖尿病性骨質疏松的可行性。周永亮等[38]研究發現糖尿病微血管病變程度與氧化應激水平呈正性相關,而作為ROS的主要產生場所,線粒體質量的下降是氧化應激反應的始動因素,因此調節線粒體自噬以清除受損的線粒體是減輕微血管病變程度的重要途徑[6,39],而相關研究發現以健脾祛痰化瘀為法擬方能增加Parkin表達以促進線粒體自噬從而降低氧化應激水平[2]。綜上所述,通過健脾促進線粒體自噬從而減輕微血管病變程度可能是防治糖尿病性骨質疏松的重要作用通路。

4 小結

線粒體自噬與糖尿病性骨質疏松的關系比較復雜,可能與胰島素抵抗、微血管病變、動脈粥樣硬化的形成有關。脾臟維持正常的運化功能是線粒體自噬適度進行的重要前提,而胰島素抵抗、微血管病變、動脈粥樣硬化形成作為糖尿病性骨質疏松的重要危險因素與線粒體自噬失常密切相關,故以健脾為法治療糖尿病性骨質疏松可能是通過調節線粒體自噬而發揮作用,本研究從脾主運化探討線粒體自噬與糖尿病性骨質疏松的關系,旨在挖掘出“脾-線粒體自噬-糖尿病性骨質疏松”這一可能的潛在通路,為糖尿病性骨質疏松防治的研究提供參考。