能量代谢介导炎症反应在运动促进T2DM骨质疏松中的作用机制

余慧琳 陈祥和 杨康 唐莺

(1扬州大学体育学院，江苏 扬州 225127；2苏北人民医院康复医学；3常州纺织服装职业技术学院体育部)

2型糖尿病(T2DM)抑制骨形成，促进骨吸收、骨代谢失衡，引起骨质疏松(OP)。T2DM患者患OP的风险远高于正常人。在分子机制研究层面，T2DM OP的发生与胰岛素抵抗(IR)、长期高血糖状态使糖基化终产物(AEGs)积聚、和炎症反应等因素有关。能量代谢或炎症反应介导T2DM骨代谢改善OP是进来研究的热点。能量代谢紊乱，会导致脂肪过度积累，脂肪细胞增多，体积增大和脂肪组织内大量巨噬细胞浸润，引起胰岛素抵抗(IR)，胰岛素分泌减少〔1〕。持续的IR会造成血糖升高致使T2DM〔2〕。T2DM抑制骨形成以减少骨量，伴随着骨形态发生蛋白(BMPs)、骨钙素(OCN)、Ⅰ型胶原蛋白(Col)Ⅰ及正核心结合因子(Runx)2表达下调〔3〕。如今，有关能量代谢介导T2DM骨代谢的学术研究有很多。如T2DM会致使腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)表达下调，经内皮型一氧化氮合酶(eNOS)/一氧化氮(NO)抑制骨形态发生蛋白(BMP)-2及下游Runx2，抑制T2DM的成骨细胞(OB)分化〔4〕；沉默信息调节因子(SIRT)1作为能量传感器和Wnt/β-catenin途径的调控因子，通过磷酸化下游Runx2、Osx、OCN等关键因子，促进骨形成〔5〕。AMPK、哺乳动物雷帕霉素(mTOR)和SIRT1等能量代谢因子通过影响护骨素(OPG)/核因子(NF)-κ B受体活化因子配体(RANKL)/NF-κB受体活化因子(RANK)分子轴与其下游的BMP/Smad及钙调磷酸酶(CN)/活化T细胞核因子(NFAT)等信号通路，对OB与破骨细胞(OC)产生影响，致使骨代谢紊乱。现在发现，IR会引起炎症因子肿瘤坏死因子(TNF)-α、C反应蛋白(CRP)、白介素(IL)-6和IL-1β等表达上调，同时加快胰岛素受体底物2的降解，促进胰岛β细胞凋亡。IL-6、TNF-a和IL-1β等主要来源于巨噬细胞、脂肪细胞和内皮细胞，促进破骨细胞的增殖与活化，降低成骨细胞的活性，导致骨吸收增强和骨形成减少，引起OP。研究显示，炎症反应参与T2DM发病，且在T2DM发病中起媒介作用〔6〕。此外，T2DM患者体内有较多的糖化终末产物(AGEs)，加重炎症反应，加重T2DM。炎症反应中最关键的信号通路是NF-κB通路，其一旦被激活，相关的TNF-α、CRP、IL-6和IL-1β等炎症因子或蛋白表达上调，加重T2DM，导致OP。如T2DM会引起NF-κB表达上调，NF-κB通过减少经典β-catenin抑制成骨分化〔7〕。而运动改善T2DM骨代谢紊乱，抑制OC骨吸收并促进OB骨形成。研究证实，能量代谢调节因子AMPK、mTOR和SIRT1在运动改善骨代谢中具有重要的作用，主要通过OPG/RANK/RANKL、eNOS/NO、Wnt/β-catenin和磷脂酰肌醇三激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)途径来发挥调控T2DM骨代谢的作用。而炎症反应在T2DM发生中有重要作用，会加剧胰岛素抵抗和胰岛β细胞的凋亡，加重T2DM〔8〕。运动会改善炎症反应，进而改善T2DM OP〔9〕。本文对能量代谢介导炎症反应在运动促进T2DM OP中的作用机制进行综述。

1 T2DM OP

T2DM IR和胰岛素分泌不足，会让机体一直处于高血糖的状态〔10〕，机体内多种器官系统会受到损害，如骨组织。骨组织受到损害表现为OB和OC发生异常，骨代谢平衡被破坏，导致骨代谢紊乱。IR会促进OB分化和骨形成能力及增强OC骨吸收能力，抑制骨重塑，减少ColⅠ，导致OP的发生，主要表现为骨形成下降和骨吸收增强。T2DM IR与肥胖有关，肥胖的T2DM患者体内的脂肪组织能分泌前炎症因子，而炎症因子会引起骨代谢异常致使骨丢失〔11〕。徐飞等〔12〕研究得出T2DM小鼠的骨吸收加快而骨形成不足，导致其骨量下降及骨折风险增大。T2DM一直处于高血糖的状态，这种状态会抑制胰岛素样生长因子(IGF)-1的合成，使其减少释放，IGF-1的下降会影响OPG/RANKL/RANK系统，与OP的发生紧密联系〔13〕；同时增加AGEs，抑制OB增值及骨形成，同时作用于AGEs受体，产生IL-1、IL-6，促进OC分化，致使骨吸收增强，有研究显示T2DM高血糖对OC分化有正性调节作用，从而导致OP。而高糖亦可通过抑制NF-κB活性影响RANKL诱导的OC形成和分化，影响骨转换〔14〕。因此，T2DM骨代谢紊乱的发生主要还是因为IR和高血糖破坏了OB和OC骨稳态的平衡，最终导致OP。

2 能量代谢介导T2DM病骨代谢

AMPK、SIRT1、mTOR和OCN作为能量代谢转换器，在T2DM骨代谢中发挥着重要作用〔15〕。有研究显示，能量代谢紊乱会使腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)/腺嘌呤核糖核苷酸(AMP)比值下降，下调AMPK表达，引起T2DM，而AMPK可通过OPG/RANKL/RANK，PGC-1Β，PI3K/AKt，应激活化蛋白激酶(SAPK)和SAPK/c2Jun氨基末端激酶(JNK)调控OC分化及骨吸收的能力，或通过抑制BMPS/Samd信号途径、胰岛素样生长因子(IGFs)和激活IL-6和含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(Caspase)-3来抑制OB分化及骨形成〔16，17〕；同时AMPK与SIRT1结合调控mTOR和辅助激活因子(PGC)-1α，作用于OB和OC分化。能量代谢因子SIRT1调节糖功能异常亦是T2DM重要的病理机制，而SIRT1表达下调抑制T2DM的OB分化及骨形成〔18〕。支力强等〔19〕研究证实SIRT1对大鼠成骨细胞分化的影响可能是通过PI3K-AKT通路进行调控，进而影响OP；mTOR是AMPK下游的重要信号分子，其对OC的分化和功能起着关键作用，巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)、TNF-a和RANKL通过mTOR信号来促进OC的功能。

OCN影响糖、脂代谢，导致胰岛素浓度、分泌和血糖的表达，当OCN缺失时，血糖升高、胰岛素浓度下降和胰岛素分泌减少〔20〕。而T2DM因IR和胰岛素分泌不足而引起的，OCN的缺失可能会致使T2DM。有研究显示，OCN在骨吸收过程中也发挥作用，其介导瘦素是通过交感神经系统(SNS)作用于成骨细胞上的受体，诱导RANKL表达，有利于OC的分化〔21〕。

3 炎症反应介导T2DM OP

3.1炎症因子与IR 炎症反应是T2DM的病理基础之一，贯穿T2DM的始终，IR是T2DM发病机制之一，炎症反应和IR有着密切的联系，表现为血液中炎症因子TNF-α和IL-6浓度增加，炎症蛋白NF-κB表达量异常增加〔22〕。TNF-α通过诱导胰岛细胞的凋亡导致或加重T2DM，同时通过激活NF-κB抑制因子激酶(IKK)，使κB抑制因子(IKB)磷酸化而激活NF-κB，而反过来NF-κB又促进TNF-a转录，从而形成低度炎症信号的正反馈环，导致或加重IR〔23〕。IL-6是活化的T细胞产生的一种细胞因子，能促进B细胞活化，分泌大量IgG，造成杀伤性T细胞的过度活化，引起胰岛β细胞的死亡，其通过降低葡萄糖转运蛋白(GLUT)4mRNA的表达，削弱胰岛素刺激的葡萄糖转运功能，升高血清游离脂肪酸，促进脂质氧化，抑制脂肪组织脂蛋白脂酶活性等途径对抗胰岛素作用〔24〕。研究显示由巨噬细胞、脂肪细胞产生的炎症因子TNF-α、IL-6、CRP和IL-1β引起IR，会下降IRS-丝氨酸磷酸化和GLUT4活性导致胰岛素信号转导下降；同时下调脂联素和瘦素，降低胰岛素敏感性；还可降血脂，使外周FAA含量上升；可激活炎症通路蛋白(如IKK、NF-κB和JNK1等)；最终导致持续的IR，加剧炎症反应。IKK-β/NF-κB是炎症反应中最关键的信号通路，在IR中起中心作用〔25〕。如骨骼肌IR的发生，游离脂肪酸(FFA)通过激活IKK蛋白进一步激活NF-κB蛋白，被活化的NF-κB会转录释放TNF-α、IL-6和IL-1β等促炎因子和激活JNK1蛋白，同时抑制骨骼肌胰岛素受体底物-1的表达及其磷酸化，阻碍胰岛素信号的传递，降低葡萄糖吸收及糖原合成，导致血糖升高，加重T2DM〔26〕。

另一类是改善IR的炎症因子：瘦素、内脏脂肪素、脂联素和IL-10；也会激活JNK、NF-κB、丝裂原活化蛋白酶(MAPK)和信号转导及转录激活因子(STAT)通路干扰胰岛素信号通路。脂联素和瘦素是对立的两个细胞因子，较高的瘦素水平会抑制脂联素发挥其胰岛素增敏作用。通常较低的脂联素水平，是T2DM预测的指标。T2DM瘦素水平较高，瘦素抑制了骨骼肌 AMPK磷酸化，导致瘦素抵抗，高瘦素水平使得瘦素/AMPK/胰岛素作用途径受阻，导致IR加剧，加重T2DM。黄彩华等〔27〕采用GEE线性模型的分析方法，研究发现瘦素水平下降伴随着胰岛素敏感性提高，而未发现脂联素水平与胰岛素敏感性之间的关系。得出脂联素对T2DM患者具有胰岛素增敏作用，若是患者瘦素水平较高，则可抑制脂联素发挥其作用。因此，只有在瘦素水平较低的情况下，脂联素才能发挥其生理作用。提示T2DM IR会引起炎症因子的释放，导致炎症反应。

3.2炎症反应介导T2DM对骨的影响 OB由骨髓间充质干细胞(BMSCs)分化产生〔28〕。OC由造血干细胞(HSC)分化产生。OB、OC和软骨细胞一起维持机体骨代谢平衡，而影响骨代谢的主要信号通路是OPG/RANKL/RANK、转化生长因子(TGF)-β/Smad、BMPs/Smad、Wnt/β-catenin、CN/NFAT和环磷酸腺苷(cAMP)/环磷腺苷效应元件结合蛋白(CREB)/激活转录因子(ATF)4等。T2DM抑制OB分化，促进OC分化，导致骨代谢紊乱发生，受众多信号途径或分子调控。T2DM可激活MAPK途径，IL-1、转化生长因子(TGF)-α等炎症因子可激活p38丝裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)途径，上调基质金属蛋白酶(MMP)-13表达，抑制软骨细胞分化产生。作为慢性低度炎症，炎症反应会加重T2DM和骨代谢紊乱的发生〔29〕。

研究显示，TNF-α、IL-6和IL-1β是最强的骨吸收刺激因子，促进OC的增值和分化。大量研究证实，细胞因子如TNF-β、IL-1，IL-6 等，通过OPG/RANKL/RANK来调节骨代谢。由巨噬细胞产生的TNF-α，通过影响胰岛素的信号转导通路促进脂肪分解和游离脂肪酸的增多，引起IR〔30〕。调节一系列免疫应答包括炎症反应、细胞增殖和凋亡，是骨代谢和重塑的重要调节因子，可通过影响RANKL及RANK导致骨代谢异常。研究证明炎症因子TNF-α通过NF-κB抑制Samd活化减少骨形成〔31〕。由脂肪细胞分泌的IL-6在T2DM炎症状态形成过程中发挥重要的作用，同时IL-6是TNF-α调节OC活性的下游细胞因子，可抑制OB功能，同时可作用于RANKL-骨保护素功能轴，降低骨保护素的表达并抑制其功能〔32〕。也可通过诱导Tho细胞向辅助性T细胞(Th)17细胞分化，Th17细胞可募集并激活其他免疫细胞产生细胞因子IL-1β和TNF-α，从而影响RANKL/OPG，上调RANKL的表达，减少OPG的表达，对OC产生影响〔33〕。而IL-6还能刺激增加血清淀粉样蛋白(SA)A的合成和分泌，SAA的增加能够刺激IL-6的分泌增多，IL-6通过与受体结合促进OC的增值与活性，降低OB的活性，打破OB和OC活性的平衡，加强IR，从而导致OP〔34〕。

4 能量代谢介导炎症反应在T2DM骨代谢中的机制

在前文中已证实能量代谢因子AMPK、SIRT1和mTOR及炎症相关因子TNF-α、IL-6、NF-κB、IL-β、脂联素和瘦素，都影响T2DM骨代谢，其中能量代谢因子介导炎症相关因子的炎症反应研究有很多，如有研究表明AMPK介导炎症反应的发生，NF-κB为AMPK的下游作用蛋白，p-AMPK可通过抑制NF-κB向细胞核内的转移，从而阻止促炎性细胞因子的产生〔35〕。在能量代谢因子影响T2DM骨代谢过程中炎症因子也起着关键作用。

脂联素是由脂肪细胞合成、分泌的一种血清蛋白，可与胞外基质相互作用从而有减轻IR及抗炎的作用，可抑制NF-κB的激活，间接地发挥抗炎作用，也可通过抑制CRP、IL-6减少TNF-α达到抗炎作用。在对T2DM的研究中发现脂联素能减轻高血糖诱导的氧化应激和炎症反应，而这一作用也与AMPK密切相关，主要是通过与其Ⅰ型受体结合激活AMPK，而AMPK可通过增强SIRT1活性、mTOR、PI3K/Akt/糖原合酶激酶(GSK)-3β/cAMP反应原件结合蛋白(CREB)来抑制炎症反应，脂联素通过激活p38MAPK发挥改善IR和抗炎。而IR会下降OB的分化和增强OC的分化，脂联素可通过AMPK影响IR，并且有研究关于脂联素通过AMPK信号通路促进T2DM小鼠骨骼肌支链氨基酸(BCAA)分解代谢〔36〕，而骨骼肌不仅是IR发生的重要部位，同时也是参与骨代谢的重要器官，那么脂联素就可通过AMPK信号通路来调节炎症因子促进T2DM骨代谢。有研究发现，T2DM合并OP患者血清APN的水平明显比正常的T2DM患者低，APN影响T2DM骨代谢。且APN水平降低会使机体对胰岛素敏感性下降，是导致T2DM骨密度降低，发生OP的原因之一〔37〕。已有大量的研究证实参与T2DM的炎症反应对骨代谢具有一定的影响。

由肥胖引起的T2DM会伴随瘦素抵抗，主要是由于瘦素发挥不了其功能，导致过度的堆积，且瘦素与胰岛素成正相关。瘦素主要是通过与分布于中枢神经系统和外周组织的瘦素受体结合发挥其生理作用。在OB中，瘦素通过OPG/RANKL信号通路促进OB的增殖分化。瘦素作用于BMSCs使得BMSCs形成骨保护素的量增多，并减少了RANKL的分泌，从而抑制了OC的分化。同时，瘦素还抑制BMSCs向脂肪细胞分化，促进骨髓基质细胞系中的成骨基因表达诱导成骨分化〔38〕。作用于下丘脑，调节脂肪代谢从而使体重下降，其可通过中枢作用抑制骨形成，通过刺激交感神经而影响骨质的生成。方妙贞〔39〕研究表明，瘦素影响T2DM患者骨代谢，且其水平越高越容易发生OP。

5 能量代谢介导炎症反应在运动促进T2DM骨代谢中的机制

长期适当的强度运动训练，能有效降低血糖水平，降低IR，改善骨代谢紊乱，缓解炎症反应和氧化应激。研究显示，T2DM小鼠骨骼肌分泌的促炎因子TNF-α、NF-κB、MCP-1和CRP可通过直接或间接形式抑制胰岛素信号，导致糖代谢紊乱加重IR和T2DM，由此形成一个恶性循环，使得炎症反应不断恶化。AMPK可通过增强SIRT1活性抑制炎症反应，通过激活AMPK/SIRT1信号通路抑制NF-κB活性，且NF-κB是炎症相关的重要信号通路〔40〕。研究显示AMPK/SIRT1/NF-κB信号通路与骨骼肌炎症反应存在一定的联系。AMPK/SIRT1/NF-κB信号通路中AMPK的表达受抑制导致NF-κB转录水平显著上调，进而减少下游靶基因IL-10mRNA表达，加速促炎因子的产生〔41〕。T2DM小鼠骨骼肌中AMPK蛋白表达及活性显著下降，张坦〔41〕通过6 w游泳运动观察运动对糖尿病小鼠骨骼肌AMPK/SIRT1/NF-κB炎症信号通路的影响，发现运动能够显著增加AMPK基因表达，能缓解糖尿病所引起的AMPK/SIRT1/NF-KB通路被抑制效应。因此，运动可上调AMP/二磷酸腺苷(ADP)的比值，激活AMPK，激活后的AMPK通过高浓度的NAD+激活SIRT1和PGC-1α，最终SIRT1去乙酰化NF-κB复合而抑制其介导的炎症反应，减少促炎因子TNF-α、IL-6和IL-1β的释放，增加IL-10的释放，缓解IR，从而改善T2DM骨代谢紊乱。

在小鼠爬梯运动模型中发现，28 d爬梯训练小鼠，骨髓间充质干细胞(MSC)的成骨潜能显著增加，骨髓中脂肪细胞数量下降，OB数量升高，增加OCN的分泌量。急性有氧运动后，OCN羧化水平提高，血清uOCN含量上升，促进胰腺分泌胰岛素，或提高胰岛素敏感性，进而降低T2DM的血糖水平〔42〕。运动可引导T2DM中MSC的分化途径，提高T2DM中OB/骨细胞的合成，增加OCN的含量，提高运动者血清uOCN水平，从而调节葡萄糖水平。骨钙素可介导瘦素促进OC分化，主要是通过SNS作用于成骨细胞上的受体，诱导RANKL表达，有利于OC的分化，而运动会下调RANKL的表达，抑制OC分化，提高骨质量来预防T2DM。因此运动可上调OCN介导瘦素，来改善T2DM骨代谢紊乱〔42〕。

脂联素主要通过与骨骼肌的脂联素受体(AdipoR)1或者肝脏上AdipoR2结合，进而调节下游多种信号通路，如脂联素通过AdipoR1/AMPK/ SIRT1通路对骨骼肌产生影响，而SIRT1通过加强叉头框蛋白(FOX)O1转录活性反过来促进脂肪细胞脂联素的分泌，耐力运动会升高脂联素水平、激活AMPK、上调SIRT1，研究表明脂联素介导耐力运动促进SIRT1表达〔43〕。激活的AMPK促进T2DM OB分化及骨形成，并抑制OC分化及骨吸收，改善OP〔44〕。上调SIRT1表达，可激活下游Notch、Wnt和MAPK途径，进而改善软骨细胞。因此运动可升高脂联素水平，通过AdipoR1/AMPK/SIRT1通路改善T2DM骨代谢紊乱。

综上，关于能量代谢和/或炎症反应介导T2DM引起OP的研究较多，而关于能量代谢介导炎症反应在T2DM OP中的作用的研究很少。通过对已有相关文献分析，炎症因子TNF-α、IL-6和IL-1β等不仅可增强IR，还可通过OPG/RANKL/RANK等途径对骨代谢产生影响，而能量代谢因子AMPK、SIRT1和OCN不仅自身可引起T2DM，也可通过介导炎症反应发生T2DM，使T2DM病情加重，骨代谢紊乱加重。运动作为改善T2DM OP的有效手段，在能量代谢介导炎症反应促进T2DM OP中发挥着重要作用。运动可上调AMPK，OCN和脂联素分别通过AMPK/SIRT1/NF-κB、瘦素/OPG/RANKL和AdipoR1/AMPK/SIRT1途径减少炎症因子TNF-α、IL-6和IL-1β等产生，抑制炎症反应，改善IR，从而改善T2DM骨代谢紊乱，影响OP。而关于能量代谢介导炎症反应在运动促进T2DM OP中的作用机制的相关研究很少，有待进一步研究。