骨钙素调节糖骨代谢研究进展

万仕炜 方彭华 闵文

(1南京中医药大学第一临床医学院 南京中医药大学附属医院，江苏 南京 210029；2宜兴市中医院)

我国人口老龄化已日趋严重，预计2025年我国老年人口将超过3亿。基于老龄化的严峻形势，以骨质疏松与2型糖尿病为代表的代谢性疾病发病人数不断增加。目前全球大约有2亿人患有骨质疏松症〔1〕，每年约有900万患者因骨质疏松骨骼脆化引起骨折〔2〕。此外，我国已有约1.14亿例糖尿病患者〔3〕。此类代谢性疾病治疗周期长，并发症多，严重威胁了患者的生命安全，已成为亟待解决的公共老年健康问题。骨钙素是骨骼中含量最丰富的非胶原基质蛋白〔4〕，其由成骨细胞分泌，通常被认为是一种典型的成骨标志物，具有调节骨基质矿化的作用，体外研究表明骨钙素的表达可反映成骨细胞代谢活性和矿物沉积〔5〕。最新研究表明，骨骼是一种特殊的内分泌器官，其分泌的骨钙素具有调节机体能量代谢的作用〔6〕。骨钙素在骨代谢与机体能量代谢过程中扮演着重要的角色，探究骨钙素与糖骨代谢的关联对于研究代谢性疾病的发病机制具有重要意义。本文就骨钙素与糖骨代谢展开综述。

1 骨钙素的骨代谢效应

骨组织是一种特殊的结缔组织，由骨细胞和矿化的细胞外基质组成，后者的主要成分是羟基磷灰石晶体〔7〕。羟基磷灰石晶体中含有胶原蛋白和非胶原蛋白等有机基质，如骨钙素、骨桥蛋白、骨黏连蛋白等〔8〕。尽管非胶原蛋白仅占有机基质的10%，但其在骨转换和矿化中的重要调节作用已被证实。骨钙素是一种主要的γ羧谷氨酸蛋白，是骨骼中含量最丰富的非胶原蛋白。其由骨钙素前体初步合成，此后经历谷氨酸羧化酶羧化，最终其26个残基前肽被裂解并释放于细胞外部。已羧化的骨钙素对于钙离子具有极强的亲和力，其结构呈紧密的钙离子依赖性的α螺旋结构，骨钙素的残基结合并促进骨基质羟基磷灰石的吸收，从而发生骨矿化〔9〕。相反，未羧化的骨钙素对钙离子没有亲和力，并广泛分布于外周循环中。因其特殊的功能作用，大量在体及离体研究用于探究其对骨代谢与骨重塑的影响。

1.1骨钙素对于骨形成的影响 由于骨钙素与羟基磷灰石结合的特性，骨钙素最初被认为是一种骨矿化与骨形成标志物〔10〕。体外实验证实骨钙素在骨矿化过程中可以抑制羟基磷灰石的生长，深入的研究显示其可作为破骨细胞前体的趋化剂发挥促进破骨细胞增殖分化的作用〔11〕。为明确骨钙素对于骨骼的确切效应，Ducy等〔12〕敲除小鼠骨钙素基因，通过检测骨密度与成骨破骨细胞的改变来探究骨钙素在骨代谢中的功能。结果显示，与对照组相比，骨钙素敲除小鼠成骨细胞数量不变，但长骨骨皮质厚度与密度显著提高，初步提示了骨钙素可能参与抑制骨形成。因为大鼠基因序列比小鼠更接近于人体，Lambert等〔13〕、Hara等〔14〕通过CRISPR/Cas9技术敲除大鼠骨钙素基因后对其进行一系列骨密度及生物力学检测，结果表明骨钙素敲除大鼠骨小梁厚度、密度和体积显著增加，骨骼负荷能力显著提高，这一结果与之前的研究一致，再次验证了骨钙素对于骨形成的负面调节作用。此外，Komori〔15〕通过删除小鼠骨钙素蛋白(BGLAP)1与骨钙素蛋白(BGLAP)2基因获得了新的骨钙素敲除小鼠模型，与之前研究不同的是，与野生型小鼠相比，新型骨钙素敲除小鼠模型骨量无明显变化，骨形成与骨吸收的血清标志物没有差异。值得注意的是，拉曼光谱分析显示，新型骨钙素敲除小鼠骨骼新生磷酸石的生长方向是与胶原纤维不平行的，这与野生型小鼠表型相反。纳米压痕实验表明，新型骨钙素敲除小鼠骨骼Y-oung模量降低，而新生磷灰石与Y-oung水平联系密切，提示了骨钙素具有调整胶原纤维新生磷灰石c轴晶体方向的作用，其在骨形成与骨矿化中依然扮演了重要的角色。

1.2骨钙素对骨吸收的影响 大量研究表明，骨钙素不仅可以影响骨形成，在骨吸收过程中亦能发挥重要作用。前期研究〔12〕已经证实骨钙素敲除小鼠的破骨细胞数量是正常小鼠的150%。为探究破骨细胞功能是否与骨钙素缺乏有关，研究人员切除骨钙素敲除小鼠卵巢检测相应指标，结果显示与去卵巢的正常小鼠相比，骨钙素敲除小鼠破骨细胞功能正常，但由于数量大于对照组，其骨吸收作用显著增强，骨密度显著低于对照组。这一结果指出了骨钙素的高表达是引起小鼠骨量减少的重要原因。深入研究显示，若将骨基质颗粒植入大鼠皮下将会导致具有破骨细胞特征的前体细胞大量募集。相反，缺乏骨钙素蛋白的骨基质颗粒促进破骨细胞形成的效率显著降低〔16〕，说明骨钙素对于破骨细胞增殖分化具有一定的促进作用。为进一步验证骨钙素对于破骨细胞分化的影响，将骨钙素添加入人工晶体磷灰石颗粒后再植入大鼠皮下，破骨细胞超微结构表现地更为明显，并产生了更多的酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)阳性的多核细胞〔17〕，这一结果表明骨钙素在骨吸收细胞的募集和分化中发挥了重要的基质信号的作用。此外，多个研究小组通过离体实验证实了骨钙素对于人外周血单核细胞和巨噬细胞的趋化作用〔11，16，18〕。以上结果均揭示了骨钙素对于破骨细胞的积极作用，骨钙素介导的破骨细胞增殖分化，提高骨骼重吸收，对于维持成骨-破骨平衡具有重要意义。

1.3骨钙素调控骨代谢的临床效应 尽管在体和离体实验尚不能明确骨钙素的真正效应，临床上仍然将其作为一种骨转换标志物来诊断和预防原发型骨质疏松。与动物实验相似的是，临床研究亦表现出骨钙素的双向调节作用。Susanto等〔19〕对雅加达南部53名绝经后妇女进行了横断面研究。他们检测了受试者血清骨钙素水平和骨密度，结果表明血清骨钙素与股骨颈骨密度呈显著负相关。Thanakun等〔20〕采用类似的实验手段发现，绝经后下颌骨骨密度下降的妇女血清骨钙素表达显著升高，提示骨钙素表达与骨密度呈负相关，骨钙素的高表达可能会抑制骨生成、进而导致骨质疏松。相反，一项针对100例沙特绝经后骨质疏松妇女的临床研究表明，骨质疏松组患者血清骨钙素含量明显低于对照组，提示骨钙素高表达可能对骨质疏松没有促进作用〔21〕。考虑到骨钙素分子在循环中是非常不均匀的，并且受葡萄糖代谢及绝经后时间长短的多重影响，目前骨钙素对于骨代谢及骨质疏松的调控作用依然不明确。上述研究表明，骨钙素在骨形成与骨吸收过程中均扮演着重要的角色。大量报道揭示了骨钙素对于骨形成的抑制作用与骨吸收的促进作用，然而种种迹象表明骨钙素并非单纯介导成骨细胞和破骨细胞的数量与功能来达到骨平衡状态，临床报道亦不能充分解释骨钙素影响骨代谢的确切机制，有待更多的实验加以证实。

2 骨钙素调节糖骨代谢的效应

骨吸收-骨形成耦联平衡是维持正常骨骼生理形态的根本原因〔22〕。破骨细胞介导的骨吸收过程是对矿化骨的主动破坏，而成骨细胞介导的骨形成本质上是依赖蛋白质的细胞合成过程，两者形成动态平衡以维持骨量。这一过程无疑需要消耗大量能量，因此，近年来骨生物学领域提出一种新的观点，骨或许是一种内分泌器官，其分泌的部分激素对胰腺、脂肪、肌肉等组织发挥了重要的内分泌及代谢作用〔23，24〕。骨钙素正是其中的关键一环。尽管骨钙素敲除小鼠骨骼矿化并未受到影响，这一论断打破了骨钙素是骨矿化调节基因的传统观点，在后续的研究中发现，骨钙素敲除小鼠的内脏脂肪与野生型小鼠相比显著增加，糖耐量水平与胰岛数量显著下降，说明骨钙素与能量代谢可能存在一定联系〔25〕。而对骨钙素敲除小鼠与肥胖小鼠间断注射骨钙素以后，小鼠内脏脂肪减少，胰岛β细胞数目增加，胰岛素敏感度得到改善，骨钙素具有明确的减脂、降糖的代谢作用〔26〕。这一现象进一步强化了骨钙素调节糖代谢的猜想。随后的体外实验验证了未羧化的骨钙素可显著促进β细胞的增殖，提高脂肪细胞中胰岛素和脂联素的表达〔27，28〕。以上证据证实了骨钙素对于胰岛与血糖的调节作用，同时也表明，骨钙素与胰岛素之间或许存在某种反馈调节机制，两者表达水平的高低可影响彼此的分泌和表达。

研究者发现，若将小鼠表达Esp编码骨睾丸蛋白酪氨酸磷酸酶(OST-PTP)的基因敲除后，小鼠表现出低血糖、β细胞增加、胰岛素分泌增加的现象，这一表型与骨钙素缺乏小鼠恰好相反〔29〕。然而，进一步检测发现小鼠骨骼中骨钙素分泌量无明显差异，而血清内骨钙素水平显著增加。这揭示了OST-PTP可在骨钙素分泌量不变的情况下，抑制骨钙素脱羧，进而对糖代谢产生负调节的作用。随后的体外实验证实，胰岛素可与成骨细胞表面胰岛素受体结合，减少骨保护素的合成分泌，促进破骨细胞介导的骨吸收过程，增强骨基质的酸性，加剧骨钙素的脱羧〔30〕。因此，可以确定的是小鼠骨骼和胰岛之间存在环路，两者相互进行调节，胰岛素含量可调控骨钙素的分泌水平，同样的，骨钙素亦可反向调节胰岛素分泌过程。基于这一理论，Bilotta等〔31〕使用棕榈酸诱导的人成骨样细胞建立胰岛素抵抗模型，探究高血糖和胰岛素抵抗是否对人类成骨细胞骨钙素水平具有调控作用。结果显示，高糖和胰岛素抵抗都会对骨钙素基因的表达产生负面影响，这可能是由于人类骨钙素基因启动子的活性降低所致。此外，他们还发现骨钙素可显著增加大鼠胰岛β细胞中葡萄糖诱导的胰岛素分泌，这一结果部分支持了人体中亦存在骨钙素-胰岛反馈回路，但临床数据不足，仍需进一步实验佐证这一结论。

机体骨骼-胰岛环路的发现极大地开拓了临床对于糖尿病合并骨质疏松的治疗思路，骨钙素在这一反馈机制中显示出极其重要的纽带作用，其影响糖代谢的深入机制有待进一步探索发掘。

3 骨钙素调控脂肪因子调节糖骨代谢

骨的形成与脂肪具有密切联系，成骨细胞前体和间质来源的脂肪细胞具有共同的祖细胞。脂肪因子是细胞因子的一种，是由脂肪细胞等分泌的一类小分子多肽的总称，如瘦素、脂联素等，在机体能量代谢过程中发挥着巨大的作用〔32，33〕。自1998年瘦素与脂联素首次被报道与骨密度存在相关性以来，大量的实验被用来探寻机体脂肪因子与骨平衡的相关性〔34～36〕。考虑到骨钙素作为骨骼能量代谢的枢纽，其与脂肪因子相互作用被认为是发挥内分泌功能与骨骼效应的重要机制。

脂联素是一种脂肪细胞分泌的蛋白质，由244个氨基酸残基构成。目前已经证实脂联素及其受体可在胫骨成骨细胞中表达，且在骨平衡过程中发挥重要作用〔37〕。前期研究表明脂联素水平与骨钙素水平通常呈正相关，两者具有密切的联系。若敲除小鼠成骨细胞中的原癌基因(FOS)12基因，小鼠即表现为骨量减少、体重增加的表型，这与先前的骨钙素敲除小鼠表型类似。而FOS12过表达可显著增加骨量，降低体重，同时改善小鼠糖耐量与胰岛素敏感性。此外，FOS12缺失小鼠表现出循环骨钙素水平下降、脂联素水平提高的表型，而FOS12过表达小鼠则相反〔38〕。提示了FOS12的表达与影响脂联素与骨钙素的分泌水平存在密切关系，并影响两者发挥内分泌及骨骼功能，FOS12的表达或许是骨钙素调节糖骨代谢的关键一环。瘦素-瘦素受体通路广泛参与调控人体的众多生理病理过程，包括炎症、血管生成、免疫功能、胰岛素抵抗、骨代谢等。瘦素对骨骼的影响是复杂的，有报道指出瘦素可通过调控骨钙素水平发挥作用。地塞米松干预人骨细胞可显著提高瘦素及其受体的表达水平，与之对应的是骨钙素水平的降低，再添加瘦素拮抗剂以后，骨钙素水平得到提升，提示瘦素与骨钙素水平呈负相关。深入研究表明，Janus激酶(JAK)2蛋白的上调可显著提高瘦素的表达，瘦素抑制骨钙素表达可能与JAK2蛋白的磷酸化有关，这或许是瘦素调控骨钙素的重要机制之一〔39〕。

综上，人口老龄化是我国现阶段巨大社会问题之一，具有老年人口总量大、老龄化程度高、增速快、高龄化老年人数量突出、独居老年人数量较多等特点。以骨质疏松与2型糖尿病为特征的老年性多发代谢性疾病给患者带来了极大地痛苦，加重了经济负担，因此，大量研究用于探究骨质疏松等代谢性疾病的发病机制。长久以来，骨骼被认为是一种支撑人体、维持运动、保护内脏器官的静态结构。近年来的研究成果颠覆了骨骼作为惰性器官的论断，对于骨钙素的研究开创性地揭示了骨骼对机体复杂的调节作用。动物实验证明了骨钙素作为骨骼与机体能量代谢的重要桥梁，在机体骨骼代谢与糖代谢过程中发挥着重要的作用，具有治疗诸如骨质疏松与2型糖尿病等老年人多发慢性代谢性疾病的潜力。然而啮齿类动物骨钙素水平的昼夜变化与人类相差较大，其羧化模式与人类骨钙素亦具有明显差异，因此，动物实验的结论并不能简单地解释骨钙素在人体中的作用机制，尚需更深入的研究以进一步明确骨钙素对于糖骨代谢的效应及机制。