骨钙素与认知功能障碍机制的研究进展

赵雅莉 闫彩凤

认知功能障碍和骨质疏松症发病率都是随年龄增加而增高的疾病，是普遍的公共健康问题，流行病学发现这两种疾病具有非常高的共病率。研究表明，许多脑源性信号可以同时调节成骨细胞和破骨细胞活动，进而影响骨量。患有神经精神障碍性疾病的病人通常合并有骨质疏松症或骨量减少[1]；同时也发现骨质疏松症病人发生阿尔茨海默病的概率是正常人的2倍[2]。大量的研究也证实了骨量减少和骨质疏松症与认知功能障碍和阿尔茨海默病密切相关[3-5]。这种相互之间的关联引发骨骼和大脑认知功能之间的联系，提示骨调节和其功能相关因素具有影响大脑认知功能的可能。

一直以来，骨骼被视为静止且坚硬的器官，这种特征决定了骨在维持人体结构、促进运动中的重要性。但是近些年发现骨也有其“柔软”的一面，即它的内分泌功能，作为全身稳态的调节器，控制各种生理途径。骨钙素是一种由成骨细胞表达和分泌的非胶原蛋白，又称骨γ-羧基谷氨酸蛋白，临床上可以作为骨形成的标志物，同时也是骨内分泌学的关键因子之一[6]。2013年，Oury等[7]观察到骨钙素基因敲除(Ocn-/-)小鼠较同窝野生型小鼠活跃度明显降低，它们表现为更加焦虑，记忆力下降更明显。在解剖学上，这些小鼠的大脑，尤其是海马体更小，更不发达。另外，该研究者还观察到，将年轻小鼠含有骨钙素的血浆注射到老年小鼠中，能改善其认知功能，提示外源性骨钙素可以纠正老年小鼠的认知功能下降。Gu等[8]的研究发现，2型糖尿病小鼠血清中羧化不足骨钙素的降低与认知功能受损有关。一项纳入225名老年人的横断面研究显示，骨钙素水平与老年女性的执行功能和整体认知能力呈正相关[9]。此外，Puig等[10]对肥胖受试者的研究发现，较低的骨钙素与较低的认知能力以及大脑微结构的变化有关。无论是动物实验还是临床研究都证实了骨钙素和大脑认知功能的相关性。

1 骨钙素通过改变大脑神经递质影响认知功能

在胚胎发生过程中，母体骨钙素能有效穿过胎盘屏障、进入胎儿的血流，阻止海马神经元凋亡影响大脑认知功能发育。这一点可以从母体Ocn-/-小鼠的幼崽表现为海马区解剖缺陷这一实验中得以证明。在胚胎发育第16.5天(E16.5)小鼠的骨骼中没有检测到内源性骨钙素表达，但是在E14.5胚胎的血液中检测到了该蛋白质。在没有母体和内源性骨钙素的情况下，胚胎侧脑室扩大，海马体凋亡细胞数量增加。每天向Ocn-/-母亲注射骨钙素可纠正这种解剖表型的异常，并可以部分挽救后代的学习和记忆缺陷[7]。

骨钙素通过血脑屏障可以在中脑(腹侧被盖区，呈现多巴胺能神经元的核)、脑干(中缝背核和中缝核，富含5-羟色胺能神经元)和海马CA3区积累，并且可以与这些区域中影响多种神经递质合成和信号转导的神经元特异性结合。在脑干，骨钙素结合在包含5-羟色胺能神经元的中缝背核和中缝核中，增加5-羟色胺的合成，诱导钙内流并激活动作电位[11]。此外，γ-氨基丁酸在Ocn-/-小鼠大脑的所有区域都升高，给予外源性骨钙素处理后，小鼠体内γ-氨基丁酸合成和γ-氨基丁酸能中间神经元的动作电位频率均降低。在中脑，骨钙素与腹侧被盖区的神经元结合，降低谷氨酸脱羧酶1(Gad1)的表达，Gad1参与γ-氨基丁酸生物合成；骨钙素也增加脑干和中脑中色氨酸羟化酶2(Tph2)和酪氨酸羟化酶(Th)的表达，这两种酶分别是5-羟色胺、去甲肾上腺素和多巴胺合成的关键酶[7, 11]。通过脑室内途径把骨钙素注射到Ocn-/-小鼠身上，可使Tph2、Th、Gad1和Gad2的表达正常[12]。最近一项研究发现，骨钙素能够减少黑质纹状体系统Th的丢失，调节星形胶质细胞和小胶质细胞的功能，进而影响大脑认知水平，给予外源性骨钙素可以改善与帕金森病相关的行为功能障碍[13]。这些结果为骨钙素通过脑内神经递质影响认知功能提供了理论基础。

2 骨钙素与Gpr158结合影响认知功能

Ocn-/-小鼠与Gprc6a(G protein-coupled receptor, family C, group 6, member A)受体缺乏(OcnR-/-)小鼠之间行为表型的差异表明骨钙素对认知功能影响的机制不是由Gprc6a受体介导的。在小鼠的大脑、小脑和脑干中，Gpr158(G protein-coupled receptor 158)的mRNA表达水平比Gprc6a高5～150倍。Gpr158在Ocn-/-小鼠的海马体中比在野生型小鼠中更丰富。Gpr 158-/-小鼠表现出比野生型小鼠更严重的焦虑样行为，在这些小鼠中，认知缺陷和焦虑样行为都不能通过长期注射骨钙素来纠正，这表明Gpr158是骨钙素调节认知功能和焦虑样行为所必需的受体[14-15]。

动物实验研究显示，生物素标记的骨钙素在野生型小鼠海马体中结合了一个含有Gpr158和Gαq(鸟嘌呤核苷酸结合蛋白α-q)的复合物。进一步对Gpr158-/-小鼠海马体的膜进行分析时，Gαq含量大大减少。同样的，在野生型小鼠中，骨钙素增加三磷酸肌醇(IP3)的生成显著多于Gpr158-/-小鼠。IP3是GPCRs信号传导的第二信使。最终研究分析确定骨钙素可以结合一个含有Gpr158和Gαq的复合物，这种相互作用促进了作为第二信使的IP3的积累增加，IP3可以促进细胞钙库内钙离子释放，发挥生物学效应[14]。

2.1 脑源性神经营养因子(BDNF)的表达 在探索Gpr158是否是骨钙素在大脑中改善认知功能的受体时，研究人员发现神经元中一种众所周知与认知功能相关的神经介质——BDNF的表达和合成增加[16]。Khrimian等[14]的研究也支持了BDNF是骨钙素在大脑中发挥作用所涉及的因子。首先，与Gpr158-/-小鼠的海马神经元相比，野生型小鼠BDNF的表达显著增加。第二，外周注射未羧化骨钙素可以通过血脑屏障使16月龄小鼠海马中BDNF的表达增加。第三，在接受幼鼠血浆的老年鼠的海马中BDNF积累增加，但在接受骨钙素缺乏幼鼠血浆的老年鼠的海马中BDNF并没有增加。此研究进一步证实了骨钙素不仅可以使BDNF囊泡的运输速度增加、暂停时间减少及活动的顺行囊泡数量增多，也可以刺激BDNF囊泡在全身神经元中向突触的特异性运输[14]。这些都表明骨钙素可以通过与Gpr158结合后诱导BDNF信号转导增加，进而影响大脑认知功能。

2.2 原癌基因c-FOS的积累 在野生型小鼠神经元中，骨钙素的局部传递可诱导原癌基因蛋白c-FOS的积累，而在Gpr158-/-小鼠中则没有[15]。一直以来，c-FOS被认为是细胞增殖、分化和转化的调节因子，在神经元中，它的表达也与涉及记忆和学习的过程有关[17]。骨钙素与Gpr158结合诱导神经活性基因c-FOS的表达，对认知功能产生一定影响，这是另一种可能涉及的分子机制。

2.3 RbAp48(组蛋白结合蛋白)与骨钙素相互作用 组蛋白结合蛋白RbAp4/RbAp48表达减少是人类和野生型小鼠年龄相关记忆丧失的分子标志。老年小鼠RbAp48的过度表达减轻了衰老相关的认知缺陷并恢复了组蛋白乙酰化[18]。Kosmidis等[19]发现，在抑制RbAp48表达的大鼠海马中，Gpr158 mRNA水平显著降低，Gpr158蛋白水平降低，而且RbAp48可影响BDNF的mRNA水平。这表明了RbAp48可以通过控制Gpr158和BDNF的表达增加影响骨钙素在认知方面的有益功能。该研究团队进一步的研究表明，Ocn/Gpr158通路的激活增加了老年人齿状回中CA3c和CA3a脑区RbAp48的表达，并挽救了与年龄相关的记忆丧失[18]。这些发现表明Ocn/Gpr158/RbAp48信号通路相互作用可以挽救与年龄相关的记忆丧失，改善年龄相关的认知功能障碍。

2.4 神经元突触活动的维持 Gpr158被证明是海马体中一种通路特异性突触组织者，是正常苔藓纤维(Mossy fibers, MFs)结构和功能及CA3区神经回路建立所必需的[20]。神经元树突结构对神经元整合信号至关重要，可以影响细胞的内在特性，从而影响学习和记忆。Gpr158-/-小鼠干扰了神经元形态的正常发育。在缺乏Gpr158的情况下，海马CA3区苔藓神经元输入端的突触传递受损[21]。在全细胞电流钳记录(电生理测定)中，骨钙素增加野生型小鼠海马CA3区锥体神经元的动作电位频率，但不增加Gpr 158-/-小鼠的动作电位频率[14]。这些发现表明，骨钙素与Gpr158结合后，可维持神经元的正常发育，增加神经元动作电位频率，从而影响大脑认知水平。

综上所述，骨钙素与Gpr158结合后通过BDNF、c-FOS、RbAp48以及刺激动作电位频率增加、维持神经元正常发育等方面影响认知功能。但是通过原位杂交技术分析发现，Gpr158在皮层、梨状皮质、脾后区和腹侧被盖区的体感、运动和听觉区域表达，并不在骨钙素活跃的所有大脑区域表达，这表明其他受体和机制也参与了大脑中骨钙素的信号转导。

3 骨钙素通过多种途径对认知功能产生间接影响

骨钙素不仅具有促进胰岛B细胞增殖、增加胰岛素敏感性、调节葡萄糖稳态、防止高脂饮食诱导的葡萄糖不耐受出现等功能[22-24]，也能通过Gprc6a促进肠上皮细胞胰高血糖素样肽-1 的释放，从而间接刺激胰岛素分泌[25]。长期高血糖通过氧化应激反应、微血管及神经病变等机制使大脑神经元数量减少、形态异常及功能失调，导致学习和记忆功能障碍[26]。

骨钙素能够促进脂肪细胞中脂联素的表达，通过改善血糖，调节脂代谢发挥纠正代谢异常的作用。研究提示，骨钙素可能通过NF-κB途径减轻血管组织中的自噬和内质网应激，进而维持血管内皮细胞功能正常[27-28]。脂联素通过降低炎症标志物水平，如C反应蛋白、白细胞介素-6 和肿瘤坏死因子-α而发挥神经保护作用[29-30]。糖脂代谢紊乱导致以血管内皮损伤为早期表现的动脉粥样硬化的进展加速，而动脉硬化是血管性认知功能障碍的重要危险因素之一[31-32]。

大量临床研究也表明，在正常受试者或患有1型或2型糖尿病、妊娠糖尿病、代谢综合征和多囊卵巢综合征的病人中，循环中骨钙素水平与空腹血糖、空腹胰岛素、胰岛素抵抗和脂肪量呈负相关，与胰岛素分泌、血清脂联素水平和无脂肪量(fat free mass, FFM)呈正相关[12, 24]。这些研究均提示，骨钙素通过多种间接途径对认知功能产生影响(图1)。

图1 骨钙素与认知功能障碍的机制

4 总结和展望

临床研究证实，骨钙素和大脑认知功能之间存在联系，但其作用机制目前还研究甚少。老年人通常是骨质疏松症、认知功能障碍和2型糖尿病等与增龄相关疾病的高危人群，结合骨钙素在改善胰岛功能、能量代谢及血管内皮功能方面的作用，以及骨钙素对认知功能影响的研究，引发人们思考是否可以把骨钙素作为治疗老年相关疾病的一个有意义的靶点。