葡萄糖依赖的肠促胰岛素对关节软骨损伤保护机制的研究进展

王世川，王小健，杨烜，王宇泽*

(1.山西医科大学第二医院骨科，山西 太原 030001；2.山西省人民医院骨科，山西 太原 030001)

骨关节炎(osteoarthritis，OA)是当今世界上最常见的慢性病之一，也是导致疼痛、致畸、致残的主要原因之一。其特点是关节软骨的逐渐破坏、滑膜炎症、软骨下骨退行改变、关节周围肌肉韧带的改变以及关节疼痛。导致OA的危险因素包括年龄、性别、社会经济地位、家族史和肥胖等。OA的主要病理改变是关节软骨损伤，成人的关节软骨无血管、淋巴和神经支配，且关节软骨细胞增殖能力很弱，一旦关节软骨发生损伤，难以自身修复，必须进行人为治疗。这是骨关节炎临床治疗中的难点，也是当前OA药物治疗研究中的热点。流行病研究发现，Ⅱ型糖尿病(type Ⅱ diabetes mellitus，T2DM)与骨代谢具有密切相关性[1]。Piva等学者也通过研究发现，体内高血糖的改变可能直接影响软骨和软骨下骨的健康，并且软骨下骨的损伤加速OA的发生与发展[2]。运用转化医学模式，将治疗T2DM的药物用于骨性疾病的治疗成为热点。葡萄糖依赖的肠促胰岛素(glucose-dependent insulinotropic polypepide，GIP)是一种新型的治疗糖尿病的药物，研究表明，GIP也可作用成骨细胞、骨细胞、破骨细胞，导致I型胶原表达、提高胶原之间的交联水平；Mieczkowska等[3]发现在葡萄糖依赖的肠促胰岛素受体(glucose-dependent insulinotropic polypepide receptor，GIPR)敲除的小鼠中出现关节组织的损伤。 Xie等[4-5]学者发现GIPR在全身多种组织都有表达，包括软骨细胞，这成为GIP应用到骨关节炎的基础。本文就骨关节炎治疗现状、葡萄糖依赖的肠促胰岛素的概述、Ⅱ型糖尿病与骨关节炎的关系及GIP对关节软骨损伤的保护机制等方面展开综述。

1 骨关节炎药物治疗现状与葡萄糖依赖的肠促胰岛素

1.1 现阶段治疗骨关节炎药物分类 当前治疗OA的药物大致可分为非甾体类、阿片类镇痛药及关节软骨营养药物等。非甾体类药物具有解热、镇痛、抗炎的作用，在OA的应用中此类药物主要是通过其抗炎作用缓解OA症状，对轻中度的OA有效，此类药物包含布洛芬、塞来昔布等[6]。当非甾体类药物在一些严重OA患者中治疗效果不好时，可考虑使用阿片类镇痛药，如曲马多、芬太尼，效果明显，但是其易成瘾性、依赖性限制了其在临床中的使用[6]。关节软骨营养类药物有效成分大多为软骨基质或关节液成分，能够改善软骨营养，减缓和修复软骨退变，但是此类常无明显的止痛作用，常需与阿片类镇痛药物或非甾体类药物联合使用。

以现有证据为基础的治疗方法通常对症状较轻的早期OA患者有效，对具有晚期放射学表现的OA患者效果不佳。OA虽然是一种最常见的关节炎，但在药物开发方面一直远远落后于其他类型的关节炎，因此研发OA的新型治疗药物是当下科研工作人员的重要任务。

1.2 葡萄糖依赖的肠促胰岛素 在20世纪初，人们发现相较于静脉注射葡萄糖，口服葡萄糖可以刺激胰岛细胞产生更多的胰岛素，此种效应被称为肠促胰岛素效应[7]。

葡萄糖依赖的肠促胰岛素(glucose-dependent insulinotropic polypepide，GIP)又称肠抑胃肽，是一种肠道激素。人类的GIP基因位于17号染色体，含有6个外显子，其mRNA约为800个碱基对。GIP的基因表达有可能受到营养素的调控，糖类和脂肪的摄入可以刺激GIP的释放。GIP由小肠上段的K细胞分泌[8]，在小肠K细胞中先合成无活性的GIP前体proGIP，而后由无活性的proGIP分解产生有活性的GIP[9]。

GIP在人体内需与葡萄糖依赖的肠促胰岛素受体(glucose-dependent insulinotropic polypepide receptor，GIPR)结合，才发挥作用。研究表明，GIPR在胰腺细胞、胃、小肠、脂肪组织、肺、心脏、骨、软骨、血管内皮等区域都广泛表达。GIPR为G蛋白偶联受体，与GIP具有极高的特异性。Bollag等研究证实GIP与受体结合将导致细胞内腺苷酸环化酶的激活、细胞内钙离子的浓度增加[10-11]，继而细胞内cAMP和钙离子作为第二信使激活下游ERK1/2/MAPK通路，从而调节细胞存活或增殖[12]。

内源性GIP很不稳定，易被血浆和细胞表面的二肽基肽酶Ⅳ(Dipeptidyl peptidase-Ⅳ，DPP-Ⅳ)迅速降解，生物半衰期仅有2 min左右。为避免该肽的潜在治疗用途受到多次重复给药的限制[13]，我们用右旋丙氨酸取代了GIP的第2位丙氨酸，形成DAla2GIP增加了GIP对DPP-Ⅳ裂解的抵抗性，使其半衰期明显延长至5～6 h。

GIP在调节葡萄糖代谢中发挥重要的作用，而肠促胰岛素功能受损在糖尿病发病机制中也是一个重要因素。Ⅱ型糖尿病(T2DM)患者GIP的分泌功能无缺陷，但是却存在严重的GIP抵抗。GIP功能的恢复有助于改善胰岛素分泌功能和葡萄糖耐量。针对GIP及其受体的药物通过改善胰岛功能或胰岛素敏感性成为T2DM的一种新的治疗手段。

2 Ⅱ型糖尿病与骨关节炎的关系

传统上，OA和T2DM之间的联系归因于年龄和肥胖等潜在的共同风险因素。Piva等学者通过新的证据表明，高血糖的改变可能直接影响软骨和软骨下骨的健康，并且软骨下骨的损伤有助于OA的发生与发展[2]。

众所周知，软骨细胞吸收和利用葡萄糖作为其主要的能量来源、保持细胞内稳态以及合成细胞外基质(extracellular matrix，ECM)[2]。Rosa等[14]学者发现人关节软骨细胞表达几种促葡萄糖转运蛋白的亚型，其中葡萄糖转运蛋白1(glucose transporter-1，GLUT-1)与此过程尤为相关，因为葡萄糖转运蛋白1受到软骨合成代谢与分解代谢刺激的调控。体外研究表明，在低浓度的葡萄糖培养条件下，正常软骨细胞和OA软骨细胞将增加葡萄糖的摄取和GLUT-1蛋白表达；而暴露于高葡萄糖培养条件下，正常软骨细胞将减少葡萄糖摄取和GLUT-1蛋白表达，但OA软骨细胞并未出现相应改变。此外，高糖可诱导活性氧(reactive oxygen species，ROS)生成，这种效应在OA软骨细胞中比在正常软骨细胞中持续时间更长。这些提示OA软骨细胞与正常软骨细胞不同，暴露于高葡萄糖环境时，OA软骨细胞下调GLUT-1含量和葡萄糖转运的能力受损，导致细胞内葡萄糖积累，氧化应激增加。此外，持续高血糖诱导的晚期糖基化终产物可刺激软骨细胞表达促炎和促退变蛋白。

高血糖及高血糖导致的活性氧的水平增高、糖化终产物增多、炎症介质等将对软骨下骨中的间充质基质干细胞产生抑制作用。软骨下骨中的成骨细胞功能在高血糖条件下也被损害，产生骨蛋白基质异常修饰，诱发慢性炎症状态，引发糖尿病并发症，增加骨折的风险。同时破骨细胞被激活，进一步导致骨重塑异常。这些变化导致软骨下骨微结构和机械强度的损伤，从而对覆于其上的软骨细胞产生不利影响，导致OA的发生。同时，糖尿病患者体内存在钙平衡紊乱及维生素D代谢异常。高血糖可增加尿钙排泄，并与甲状旁腺激素/维生素D产生多种相互作用。大量研究表明，T2DM患者的维生素D状态受损。一项对5 677名T2DM和糖耐量受损患者的横断面研究显示，与对照组相比，25-OH维生素D(25-OHD)水平显著降低[15]。

可见葡萄糖代谢的改变将直接影响骨与关节的完整性[16]，造成软骨细胞损伤、软骨下骨异常重塑和显微结构损伤，导致关节软骨的退化与损伤。

3 葡萄糖依赖的肠促胰岛素对关节软骨损伤的保护机制

Xie等[4]学者发现软骨细胞中也有GIPR的表达，这是GIP作用于软骨细胞的基础。吴松等通过在淀粉样前体蛋白/早老素1转基因小鼠实验中发现，GIP与软骨细胞表面的GIPR结合，可以减少TNF-α、MMP-9和MMP-13对软骨细胞的损伤，抑制软骨纤维化程度及减少Ⅱ型胶原(ColⅡ)的降解，从而达到保护软骨细胞的目的[17]。

同样，GIP也可作用于软骨下骨。GIPR也存在于软骨下骨中的成骨细胞、骨细胞和破骨细胞。有文献报道，GIP以两种方式提高骨骼质量：它有促进骨合成代谢和抑制骨分解代谢的作用。Mieczkowska等在小鼠实验中发现，GIP可导致成骨细胞内钙和cAMP的增加，导致I型胶原表达、碱性磷酸酶和赖氨酸氧化酶活性增强，以及更高的酶促胶原交联[18]。Nissen[19]也在人体实验研究中表明，GIP可显著降低正常和高血糖状态下骨吸收标志物。大鼠研究表明，GIP可直接或间接地抑制骨吸收。GIP通过直接作用于破骨细胞以剂量依赖性的方式减少破骨小坑面积。

通过对GIPR研究发现，在GIPR敲除小鼠中，骨密度较正常小鼠下降，骨组织形态学也显示骨形成减少，破骨细胞增多。此外，Tsukiyama等[20]报道在GIPR敲除小鼠中餐后血浆钙含量较高，提示GIP可能在骨钙沉积中发挥作用。GIPR敲除模型也表明GIP与骨皮质厚度、骨承载能力和骨基质矿化有关。在GIPR敲除小鼠实验中发现尽管小鼠总骨容积和小梁骨量增加，但其骨力学性能下降。进一步确认骨量的变化是与GIP有关。另外，Aleksandra等发现，GIPR敲除后，小鼠出现关节组织的损伤[21]。

4 总结与展望

人体内天然的GIP很不稳定，易被二肽基肽酶Ⅳ(DPP-Ⅳ)迅速降解，生物半衰期短。用右旋丙氨酸取代了GIP的第2位丙氨酸，形成DAla2GIP增加了GIP对DPP-Ⅳ裂解的抵抗性，延长半衰期，避免了GIP在临床应用的限制。有文献报道软骨细胞表面存在GIPR[4]，这是GIP应用于骨关节炎治疗的基础。基于现有GIP作用于软骨细胞、骨细胞的证据，我们有理由认为，GIP在骨关节炎的药物治疗方面具有可观潜力。但GIP骨关节炎中应用文献报道较少，GIP在关节软骨细胞中的具体作用及机制也尚不明确，这是今后我们继续研究的重点。