不同阶段2型糖尿病诱发骨质疏松症的致病机制研究进展

王盼 吴科锋 崔燎,*

1. 广东医科大学广东省天然药物研究与开发重点实验室，广东 湛江 524023 2. 广东医科大学海洋医药研究院，广东 湛江 524023

糖尿病是最常见的慢性疾病之一，据国际糖尿病联盟2017年数据显示，全球成人糖尿病患病人数已达4.25亿，预计2045年可能达到6.29亿，我国以1.14亿成为糖尿病患者数量最多的国家[1]。而OP是严重威胁老年人生命安全的另一常见病，骨折是老年人致死的重要原因[2]。对DM患者来说，HG或加速了骨的老化和OP的发展进程，从而增加骨折风险。有报道指出，在T2DM患者中，早期髋骨骨折率是正常人的1.7倍，呈中度增加；到了后期，T2DM患病超过10年，其发生髋骨骨折的几率增至普通人的2.7倍[2]，脊椎骨折率是非DM患者的2.03倍[3]。因此，认识T2DM进展的不同阶段对骨代谢的影响，有助于我们更好的防治DOP，降低T2DM患者骨折的风险。

1 T2DM早期阶段和晚期阶段的特征

T2DM病因主要包含两方面：一方面是因人体的胰岛β细胞功能减退，胰岛素分泌相对或绝对不足；另一方面是胰岛素抵抗。不同T2DM病程阶段的患者胰岛β细胞功能状况和胰岛素抵抗程度不同。早期是胰岛β细胞对葡萄糖失敏阶段，此时HG抑制胰岛素的分泌及外周组织对胰岛素的敏感性，形成胰岛素抵抗，脂肪堆积，β细胞因此分泌更多的胰岛素，产生高胰岛素血症。所以T2DM早期阶段以肥胖和胰岛素抵抗以及高胰岛素血症为特征。T2DM晚期，胰岛β细胞的负荷加重，其功能加速衰竭，更严重者则几乎完全丧失功能，持续HG引起AGEs和氧化产物的堆积，并发各种DM相关疾病，对机体产生不利影响，特征主要是胰岛β细胞衰竭，功能丧失，加速衰老和血管并发症的发展。因此，我们可以根据胰岛β细胞功能损伤程度分别考虑T2DM早期、晚期与骨骼相关因素的病理生理变化来讨论其对骨代谢的不同影响及其作用机制。

2 T2DM早期阶段对骨骼的影响及其作用机制

2.1肥胖和骨骼

2.1.1肥胖影响骨骼的临床表现

肥胖是T2DM的典型的病征之一，对骨骼的影响是复杂的，其中有利因素是机械负荷增加可降低骨骼脆性，不利因素是肥胖致促炎症性细胞因子和脂肪因子增加而加剧骨骼脆性，但何种因素最终主导了骨健康仍存在争议。近40万人的Meta分析[4]报告表明，体质量指数(body mass index，BMI)与骨折风险之间存在复杂的关联，并且在不同骨骼部位之间存在差异。总体而言，BMI增加与所有骨质疏松性骨折风险降低有关。然而，调整BMD后，BMI的增加只对髋部骨折有保护作用，这表明BMI对骨折的积极作用主要还是通过高BMD介导的[4-5]。然而，肥胖的人虽然受骨折的影响较小一些，但踝关节和上臂骨折的风险仍然增加[4-6]。尽管肥胖个体存在较高的BMD，但高体重可使跌倒概率增加或跌倒损伤严重程度增大，从而增大肥胖个体的骨折风险[7-8]。

2.1.2肥胖影响骨骼的作用机制

脂代谢紊乱是引起肥胖的首要因素，关注T2DM早期引起脂质代谢紊乱的机制已成为预防T2DM致骨质疏松症的研究热点。脂肪细胞的过度生成与骨髓间充质干细胞(mesenchymal stemcell，MSCs)分化成骨细胞(osteoblast，OB)减少的理论已得到广泛共识，寻找调控脂肪细胞(adipocyte)分化的靶点对防治DOP有重要的临床意义。过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)是调节脂肪细胞分化的关键因子，主要分布于脂肪组织中，且在脂肪丰富的骨髓中也发现少量PPARγ蛋白的存在[9]。进一步的研究也发现，T2DM和骨质疏松患者骨髓中MSCs在PPARγ介导下更多地向脂肪细胞分化，而向成骨细胞(OB)分化受到抑制，这可能与PPARα 激活PI3K /Akt 及 NF-κB 信号通路有关[9-10]，这解释了T2DM骨质疏松DOP患者中普遍存在的骨量减少、骨髓脂肪增加的现象。另外，也有研究表明，体内游离脂肪酸作为PPARγ的内源性激活物，其含量在肥胖患者体内显著升高，促进PPARγ的表达上调[10]，这可能是HG通过AMPK/p38MAPK/PPARγ通路下调脂肪酸合成相关酶的活性的作用[11]，这提示了由PPARγ介导的上述各种信号通路促脂肪细胞分化，减少OB分化是肥胖型T2DM患者骨质量降低的关键原因。

2.1.3不同脂肪类型及分布对骨骼的影响及其作用机制

皮下脂肪组织(SAT)和内脏脂肪组织(VAT)的含量差异对影响细胞因子和脂肪因子的产生和骨代谢方面的关系具有不同的特征和机制。报道指出，SAT通过增加机械负荷提高BMD水平，不增加肥胖患者的骨折风险，或能增进骨强度[12-13]。但也有临床研究表明，T2DM患者脂肪组织的会发生重新分布，VAT比例增加, 而BMD降低[14]。VAT可分泌多种炎性细胞因子, 如CRP、TNF-α、IL-1、IL-6等, 上调RANKL / RANK / OPG途径刺激OC活性，参与骨代谢, 促进骨重吸收, 使骨量下降[15-16]。还可促进脂肪细胞来源的瘦素过度分泌和脂联素的分泌来影响骨转换和代谢[17]。 骨髓脂肪组织的累积造成的BMD降低也被研究证实与VAT体积增加有关[18]。这说明VAT通过刺激炎症因子和脂肪因子的过度分泌，抑制成骨细胞分化是早期T2DM骨质量下降的危险因素。由此我们可以得出，SAT与VAT的分布情况是骨状态的基本决定因素。

2.2胰岛素抵抗、高胰岛素血症对骨骼的影响及其作用机制

一些体内实验研究[19-20]显示胰岛素刺激OB增殖并增加骨形成的组织形态指数高达两到三倍，但细胞模型却显示OB中的胰岛素信号传导可促进骨吸收，从而降低骨转换率[21]。但循环胰岛素浓度始终与BMD为正相关[22]。因此胰岛素对骨质量的影响一直存在争议。胰岛素及其信号通路在成纤维细胞分化、胶原合成和骨骼形成的过程有着极其重要的意义，研究表明OB具有功能性胰岛素受体，胰岛素可刺激OB的增殖和分化[20]。 体内胰岛素缺乏或者发生胰岛素抵抗时，OB的数量以及成骨功能明显下降，ALP活性和骨钙素(osteocalcin，OCN)表达也显著降低[23-24]。OB中的胰岛素信号传导在骨重塑中也起重要作用，Ferron等[23]研究表明胰岛素通过FoxO 1磷酸化不仅降低了OB中骨保护素(osteoprotegerin，OPG)的表达，还可激活OC细胞，促进骨吸收。有证据[25]表明，T2DM早期，上述因素对骨骼的不利影响很大程度上被胰岛素抵抗继发的高胰岛素血症抵消，较小程度上被体重增加的机械作用抵消。但总体而言，胰岛素不足/缺乏的长期T2DM患者，由于胰岛素与其受体结合减少，骨形成减少和骨转换降低而导致骨质流失和骨质量恶化，导致极高的骨折风险。

3 T2DM晚期阶段对骨的影响及其作用机制

3.1胰岛β细胞功能丧失对骨骼的影响及其作用机制

T2DM早期阶段胰岛β细胞功能受损，产生胰岛素抵抗，形成高胰岛素血症，进而造成个体肥胖导致血糖升高，而血糖水平的升高反过来又加重高胰岛素血症和胰岛素抵抗的恶性循环。直至T2DM晚期，因胰岛β细胞功能几乎完全丧失，持续HG状态促使升高的TNF-α和IL-1和IL-6 等促炎症细胞因子可能通过修饰抑制破骨细胞分化因子-核因子 κB(NF-κB)、调节/核因子κB受体活化因子配体/骨保护素(RANKL/OPG)途径以及抑制OPG的含量来促进破骨细胞(osteoclast，OC)活性和骨吸收[26]，并且增加与矿化相关的因子IL-6、IL-8、IL-10和TNF-α、OCN，骨涎蛋白(bone sialoprotein，BSP)和转录因子(Runx2)的mRNA表达。虽然这些细胞因子会引起OB数量上升，却无法改善骨质量，因为长期HG环境降低了OB合成OCN的能力，OCN与硬化素水平都显著下降，使患者骨转换处于低速率状态[27]，这也解释了为什么有些T2DM患者的BMD升高，但骨质量下降的原因。而Fini等[28]研究证明，当促生长因子(insulin-like growth factors -1，IGF-1)缺乏时，可减少骨形成、降低骨密度、增加骨折风险。T2DM后期患者胰岛β细胞功能几乎完全丧失，IGF-1合成和释放均减少，严重影响机体骨代谢过程，导致DOP的发生发展。而胰岛素的缺失还影响1-α羟化酶的活性，使肠钙吸收下降，PTH分泌增加，增强OC活性，促进骨吸收；同时抑制OB活性，抑制OCN的分泌，使骨胶原合成受阻、降低骨矿化速率[29-30]。胰岛素缺乏还可以通过增加腺苷酸环化酶(AC)活性，导致环磷酸腺苷(cAMP)合成增加，促进骨吸收，使骨量丢失[31-33]。总之，在T2DM晚期患者体内，胰岛β细胞功能的丧失通过影响NF-κB、RANKL/OPG等信号通路导致成骨能力以及骨质量都明显下降，加重患者的骨骼受损状态。

3.2AGEs对骨骼的影响及其作用机制

T2DM进展到晚期不仅会发生严重的进行性氧化损伤，如增加呼吸链复合物损伤、活性氧种类和数量，加速机体老化，还可产生一系列如AGEs的形成和堆积等有害的代谢事件。AGEs可能与细胞膜上晚期糖基化终产物受体(AGER)相互作用，改变胶原蛋白结构，导致氧化应激和炎症介质的增加[34]，而HG也会增加OB和骨细胞中AGER表达[35-37]。T2DM晚期阶段，AGEs的形成和堆积会继发氧化应激，造成OB和OC的炎症反应，从而参与T2DM诱导的骨脆性。AGEs促进OC的分化成熟，增强OC活性，增加骨吸收, 并通过丝裂原活化蛋白激酶(MAPK) 和胞质途径促进OB凋亡，降低骨形成[38]。研究表明AGEs可作用于多种细胞，与其表面的RAGE结合，产生多种与骨吸收相关的细胞因子如IL-1、IL-6、TNF-α 等，血清 TNF-α、IL-6、表皮生长因子(epidermal growth factor，EGF)水平和BMD 呈显著负相关[39]。AGE还可以通过修饰1型胶原蛋白，降低其对OB的粘附，并促进细胞内活性氧的产生抑制骨胶原蛋白的增殖和扩散，导致骨质量变差，骨脆性增加[40]，这种作用被HG环境加速。另有研究[41-42]表明AGEs还降低成骨相关转录因子(RUNX2)的表达来抑制小鼠基质ST2细胞和MSCs的成骨分化或矿化，降低RANKL表达，破坏OB中的RANKL/OPG平衡[37]，增加转化生长因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)的表达，抑制内质网应激蛋白的表达。总之，AGEs可以通过调节TGF-β信号，MAPK和RANKL/OPG等信号通路介导的低骨转换率，使T2DM患者骨质量降低。

3.3T2DM引起的微血管疾病以及其他并发症对骨骼的影响

T2DM晚期引起的AGEs和活性氧的大量堆积在糖尿病血管并发症的发病机制中起着关键作用[43]。活性氧和AGEs在各种细胞中引起增殖、炎症、血栓和纤维化反应，造成一定的微血管损伤。尽管微血管损伤导致糖尿病并发症(包括神经病变、肾病和视网膜病变)的作用已得到公认，但关于微血管疾病对骨骼的影响的数据却很少，这主要是由于骨微血管系统可视化技术还存在挑战。因此，大多评估微血管疾病、骨密度和骨折之间关系的数据来源于流行病学和观察性研究。在148名绝经后DM妇女的典型研究中，Varghese等[44]报道了糖尿病视网膜病变妇女低骨密度和椎体骨折的高发率。同样，一项眼科[45]研究对3 654名眼科患者进行了调查，发现白内障和视网膜病变导致的视力受损与骨折有关。但是在控制视力后，骨折与视网膜病变的关系仍然存在，这表明骨骼疾病严重程度的标志是视网膜病变，而不是视力损害。然而，在一项Melton等[46]流行病学研究中也没有证据显示视网膜病变是骨折的预测因素。同样，有些人的神经性病变与骨折风险有关[47]，但并非所有研究都是这样。总之，低BMD与骨外微血管疾病增加了骨折风险。虽然机制还不清楚，但骨骼微血管的相关病理生理变化增加了DOP的可能性，相关机制还需要我们深入研究。我们认为微血管疾病的存在可以更普遍的标示DOP的严重程度，并可能会增加跌倒骨折的风险。

4 总结和展望

本文讨论了T2DM早期和晚期对骨骼的可能影响因素和作用机制。这些因素在T2DM发展的不同阶段对骨量、微结构和骨强度的影响和作用机制是可变的。流行病学、临床和实验的研究的都表明，T2DM诱导的骨脆弱性主要是由骨质量的恶化引起的。尽管该机制尚未完全了解，但随着对T2DM的不断研究，我们猜测机体骨形成和骨转换率降低可能是由复杂的糖尿病状况引起。例如高血糖症、循环中的高AGEs和活性氧水平，以及肥胖、胰岛素抵抗和IGF-I活性降低等。因此，我们应该将T2DM诱导的骨脆性视为重要的糖尿病并发症加以重视。目前尚未证明哪种方法在改善T2DM诱导的骨脆性方面最有效。因此，进一步的研究和制定治疗骨脆性的策略是很重要的。我们可以通过分析患者处于T2DM的哪个阶段，针对不同因素造成的骨骼疾病，给患者制定更优化更精确的个体化治疗方案。