骨骼内分泌激素与糖尿病代谢相关性研究进展

杨倩 顾朋颖 白婷婷

1.安徽医科大学附属省立医院老年医学科，安徽 合肥 230032 2.安徽医科大学附属省立医院南区干部病房，安徽 合肥 230036 3.安徽医科大学附属省立医院老年医学科，安徽 合肥 230032

近来研究发现，骨骼分泌的激素与糖尿病关系密切。2007年Lee等[1]发现小鼠成骨细胞分泌的骨钙素(osteocalcin，OC)参与能量代谢的调节，骨钙素基因敲除(OC-/-)小鼠可出现胰岛素抵抗、胰岛素分泌下降、内脏脂肪增加，而输注外源性骨钙素后以上代谢异常均得到改善，这提示OC对糖尿病的发生具有一定预测作用。2017年3月，哥伦比亚大学医学中心(Columbia University Medical Center，CUMC)研究员发现脂质运载蛋白-2(lipocalin 2，LCN2)可在骨骼中分泌，并通过抑制食欲来调节能量代谢[2]，该发现揭示了LCN2有可能成为糖尿病发生风险的预测因子及治疗新靶点。本文探讨骨骼内分泌激素在糖尿病发病机制中的作用。

1 骨骼分泌激素

既往至今，骨骼一直被认为是具有动态平衡的结缔组织，发挥支持机体基本结构及重塑的功能，并参与维持钙磷代谢稳态，如骨骼自身分泌的骨唾液酸蛋白(bone sialo protein，BSP)、成纤维细胞生长因子23(fibroblast growth factor 23，FGF23)、1,25-(OH)2-VD及成骨样细胞系中检测的甲状旁腺素相关肽(parathyroid hormone-related peptide，PTHrP)等活性物质具有调节机体钙磷稳态作用[3]。近年来研究发现，骨骼还表现出内分泌器官的特点，其本身分泌多种激素参与全身内分泌循环，如成骨细胞分泌的骨桥蛋白(osteopontin，OPN)、血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、C型钠尿肽(C-type natriuretic peptide，CNP)等具有抗动脉粥样硬化、抑制慢性心力衰竭等广泛的心血管保护作用[3]。另外，骨骼还分泌雌激素、雄激素、卵泡抑素等性激素来参与生殖过程、细胞衰老及骨质疏松，而成骨细胞分泌的OC与LCN2是最新发现对能量代谢产生重要调节功能的激素。由骨髓基质干细胞(bone mesenchymal stem cells，BMSCs)分化而来的成骨细胞，其表面含有胰岛素受体，成骨细胞通过受体与胰岛素结合后可产生OC。动物研究显示OC能够增加脂肪细胞对胰岛素的敏感性，从而起到降糖的作用[4]；另外，CUMC研究员发现成骨细还分泌LCN2，其能够通过血脑屏障，激活下丘脑的黑皮质素4受体(melanocortin 4 receptor，MC4R)神经元，继而抑制食欲来影响糖脂代谢[3]。以上研究结果提示骨骼与糖尿病、肥胖症等代谢性疾病密切关联。因此，深入研究骨骼的内分泌功能，对于揭示骨骼参与糖尿病发病机制意义重大。

2 骨骼内分泌激素与能量代谢

既往认为，骨骼肌在人体能量代谢平衡和胰岛素抵抗过程中扮演重要角色，葡萄糖的摄取和消耗80%以上通过骨骼肌。但近期研究发现，股骨、腓骨、胫骨甚至是颅骨的糖吸收量都高于传统认为的肌肉脂肪组织，且随着肥胖的产生及年龄的增加，骨骼对于糖类的吸收也有所下降[5]。另外，动物实验显示小鼠的成骨细胞中β-连环蛋白(β-catenin)基因被敲除后，小鼠胰岛素分泌减少、血糖升高及糖耐量受损[6]。由此推断，成骨细胞受损后，机体的糖代谢受到很大影响，而OC与LCN2均由成骨细胞分泌，并发现其与能量代谢关系密切，二者在骨骼与能量平衡之间起着不可替代的作用。

2.1 OC、LCN2的功能

OC是由成骨细胞特异性分泌的一种非胶原蛋白，是成骨细胞分化和成熟的标志，也是骨形成以及骨转换的重要标志。OC合成后，在体内有两种去处，一是沉积于骨基质以维持骨的正常矿化，二是直接分泌入血循环发挥激素样作用。进入人体循环的OC多数以羧化不全OC(uncarboxylated osteocalcin，uc OC)形式发挥内分泌功能，并通过作用于胰腺、骨骼肌、脂肪组织等来调节全身代谢功能[7]。而LCN2是由Kjeldsen等[8]于1993年在研究中性粒细胞基质金属蛋白酶9(MMP-9)时首次发现并分离的一种分泌型糖蛋白，又称为中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白(neutrophil gelatinase-associated lipocalin，NGA)。最初发现LCN2在脂肪组织中的巨噬细胞和脂肪细胞表达丰富，并且LCN2在炎性损伤的情况下可由上皮细胞、肾小管细胞和肝细胞等合成、释放，从而参与体内炎症反应。然而，随着研究的深入，CUMC研究员发现LCN2在成骨细胞含量更丰富，且在其设计的动物实验中发现，小鼠成骨细胞分泌的LCN2通过诱导胰岛素分泌和改善糖耐量、胰岛素敏感性来维持血糖稳态[2]。这些研究提示，OC、LCN2和肥胖、血糖调节异常等代谢综合征关系密切，因此建立了骨骼与能量代谢之间的联系，或许能够成为预测糖尿病发生风险的因子。

2.2 OC、LCN2与糖代谢

成骨细胞表面有胰岛素受体，体内胰岛素增加时，可直接刺激成骨细胞，促进骨胶原及骨基质的合成与分泌，而胰岛素缺乏可使成骨细胞数目减少，活性降低，影响骨的形成与转换，据此，有学者提出骨骼-胰腺内分泌反馈循环学说[9-10]，在骨骼与胰腺之间的反馈路径中，OC通过正反馈胰腺促进胰岛β细胞的增殖，刺激胰岛素的分泌，进而增加胰岛素的敏感性；反过来，胰岛素的分泌也正反馈骨骼，胰岛素可以促进成骨细胞分化，刺激OC合成及分泌。CUMC研究[2]表明成骨细胞可高表达LCN2，对实验小鼠进行LCN2基因敲除，发现其胰岛数量、β细胞功能和β细胞增殖均下降，最终引起糖耐量和胰岛素敏感性降低，导致糖尿病的发生，LCN2改善葡萄糖耐受能力可能反映了它对胰岛细胞的直接作用。这些基础研究表明OC、LCN2均由成骨细胞分泌，在糖尿病发病过程中可能通过胰岛素抵抗机制参与糖代谢调节过程，但彼此之间的相互作用，目前暂无研究发现。

临床研究发现OC水平与胰岛素分泌呈正相关，在2型糖尿病及糖耐量受损患者中，空腹OC水平显著低于正常对照组(P<0.01)[11]，且OC与胰岛素抵抗指数(HOMA-IR)、空腹血糖(fasting plasma glucose，FPG)、餐后2 h血糖呈负相关，与脂联素(adiponectin，APN)呈正相关[12]。同时，临床报道胰岛素增敏剂罗格列酮可以降低糖尿病患者中血浆LCN2的浓度[13]，而CUMC与我国学者临床研究中发现血清LCN2水平与2型糖尿病患者FPG、糖化血红蛋白(HbA1c)和体重呈负相关[2，14]，这表明LCN2可能为糖尿病的保护因素。这些临床研究结果提示OC、LCN2与胰岛素抵抗及糖代谢关系密切，因此，成骨细胞分泌的OC和LCN2或许能够成为糖尿病患者治疗新靶点。

2.3 OC、LCN2与脂代谢

基础实验表明，OC可通过抑制胰岛素抵抗、降低血糖、增加胰岛素分泌来调节体内脂肪含量[15]，且在动物实验中发现，皮下注射OC可使肥胖小鼠体重明显降低[16]。有研究发现OC可通过诱导APN在脂肪细胞的表达来提高胰岛素的敏感性，与骨骼肌、脂肪组织和肝脏等的APN受体结合，通过促进肌肉组织和肝脏对脂肪的消耗和燃烧，进而降低游离脂肪酸和甘油三脂水平，达到降低体重的作用[17]。最新研究表明，LCN2与肥胖、高血糖、胰岛素抵抗等代谢紊乱密切相关，Wang等[18]研究发现，无论是高脂饮食诱导的肥胖小鼠还是遗传性的肥胖小鼠，与正常野生小鼠相比较，血清LCN2水平均明显上升。但CUMC研究结果与其相反，在其设计的动物实验中，发现LCN2通过抑制食欲的功能来影响胰岛素的敏感性，进而控制脂肪量和体重[2]。以上基础研究表明OC和LCN2与肥胖等代谢综合征密切相关，且可能通过胰岛素抵抗参与肥胖形成机制。

在人群中研究发现血清OC水平与肥胖相关[19]，且OC在不同脂肪分布的状态下，差异显著，OC与腹型肥胖的危险因素如空腹胰岛素、FBG、HOMA-IR呈负相关，与APN呈正相关[12,20]。另外，随着肥胖程度的增加，血清中LCN2水平明显增加[21]。我国学者研究发现，血清LCN2水平与体质量指数、腰围、 腰臀比、体脂含量显著正相关，与HDL-C水平负相关[22]，这表明LCN2水平的升高与脂肪量的增加密切相关。上述临床研究提示血清OC、LCN2可能是胰岛素抵抗和人类肥胖的一个新标志物。

3 OC、LCN2与摄食中枢

下丘脑是人体的摄食中枢，主要包括下丘脑外侧区(lateral hypothalamic area，LHA)和下丘脑腹内侧核(ventromedial hypothalamic nucleus，VMN)，其中LHA为摄食中枢，起发动摄食作用，而VMN为饱中枢，具有抑制摄食作用。研究显示，神经递质5-羟色胺还可与下丘脑弓状核(Arc)中的受体结合来调控食欲[23]。近期研究表明骨骼分泌的激素能够控制食欲，成骨细胞分泌的OC作用于脂肪组织，促进脂肪细胞分泌APN和瘦素，而瘦素能够与脑干神经元表达的受体相结合，抑制中缝核合成和释放5-羟色胺，一方面正调控或者负调控OC的活性，另一方面OC通过瘦素与5-羟色胺相互作用对摄食中枢发出饱和信号，从而抑制食欲[23-24]，这表明骨骼分泌的OC对摄食产生重要影响。

MC4R主要是由下丘脑室旁核(paraventricular hypothalamus，PVH)表达，能够调节食物摄入量，以此来控制体重。MC4R抑制食欲信号传导通路是通过MC4R结合下丘脑弓状核神经元释放的α-促黑素细胞激素(α-MSH，具有抑制食欲作用)和重组刺豚鼠相关蛋白(AGRP，有促进食欲作用)来调节的。最新动物实验表明，成骨细胞LCN2基因敲除后小鼠的性腺脂肪含量、总脂肪量和体重较正常对照组分别增加了16.5%、19.6%、5%，且3周龄实验小鼠的食物摄入量增加了23.7%，而给予野生型小鼠腹腔内注射LCN2后，小鼠的食物摄入量减少了18%，该团队为解释此现象，进一步研究发现成骨细胞分泌的LCN2可穿过血脑屏障，与下丘脑MC4R结合并激活MC4R食欲抑制通路，从而抑制食欲[2]。这一结果拓宽了人们对骨骼通过内分泌功能来控制食欲的认识，也证实了成骨细胞来源的LCN2作为一种激素通过MC4R激活抑制旁路。

以上研究提示OC、LCN2均通过作用于中枢神经元来抑制摄食中枢，OC主要通过抑制5羟色胺的分泌来间接调节糖代谢，LCN2则通过作用于大脑神经元MC4R来影响食欲。以上揭示了骨骼与糖尿病之间新的能量平衡调节机制，这些对糖尿病、肥胖等的预防和治疗开辟了全新的探索领域。

4 总结

从内分泌功能视角探究骨骼系统的生理功能，其功能不再局限于造血、保护器官及维持钙磷稳态，还作为内分泌器官分泌OC和LCN2，这两者与肥胖、糖尿病等代谢疾病密切相关。OC与LCN2均具有调节糖代谢作用，能够促进胰岛素分泌，改善胰岛素敏感性，参与肥胖机制的形成。未来深入研究骨骼的内分泌功能，尤其是OC、LCN2在糖尿病发病过程的具体机制，可为糖尿病防治提供新的作用靶点。