AGEs在糖尿病性骨质疏松发展中的作用及抗AGEs治疗研究进展

孔增霞，杨娟，徐蓓蓓，何继瑞

兰州大学第二医院特需内科，兰州 730030

糖尿病是一种慢性代谢性疾病，在世界范围内，糖尿病的患病率呈上升趋势，2021年估计有5.37亿20～79岁的成年人患有糖尿病。根据国际糖尿病联盟（IDF）统计数据显示，到2030年，这一数字预计将达到6.43亿［1］。糖尿病性骨质疏松（DOP）是糖尿病患者常见的严重并发症之一，表现为骨量丢失、骨组织微结构改变、骨脆性增加等。DOP能显著增加糖尿病患者骨折风险、再入院率及住院费用，给患者家庭及社会带来了沉重的医疗负担。2型糖尿病患者发生骨质疏松的病理生理机制复杂，包括高血糖状态、晚期糖基化终末产物（AGEs）、氧化应激、细胞因子和激素变化等方面［2］。相关研究表明，持续的高血糖导致AGEs明显增加，AGEs能通过多种机制影响成骨细胞的骨形成、破骨细胞的骨吸收以及骨细胞对成骨细胞和破骨细胞的调节作用，最终导致骨强度降低、骨质疏松和骨折［3］。现就AGEs在DOP发展中的作用机制及相关的治疗进展作一综述。

1 AGEs概述

1.1 AGEs的合成AGEs是一组在蛋白质、脂肪酸或核酸的氨基基团与还原糖的醛基之间发生非酶性糖基化反应（又称美拉德反应）所形成的一系列具有高度活性终产物的总称。其具体形成过程［4］如下：①还原糖（包括葡萄糖）与蛋白质、脂肪酸和核酸中赖氨酸和精氨酸残基的氨基末端部分之间的共价和非酶反应形成不稳定的希夫碱；②希夫碱逐渐发生Amadori重排反应形成相对较稳定的醛胺类物质（Amadori产物），Amadori产物的数量与葡萄糖的浓度相关；③Amadori产物经一系列脱水和重排产生高度活性的羰基化合物，如乙二醛、丙酮醛等，其能同蛋白质的自由氨基反应生成AGEs。在生理状态下，人体的AGEs维持在较低水平，在某些疾病，如糖尿病和老年性疾病，AGEs的形成会增加，过量的葡萄糖有利于AGEs形成［5］。AGEs是糖尿病肾病、视网膜病变、神经病变、DOP和动脉粥样硬化的致病因素，其与糖尿病的多种并发症密切相关。

1.2 AGEs的作用方式AGEs主要通过与细胞表面的特异性受体RAGE结合，参与细胞内信号传导、刺激细胞因子释放等而发挥生物学效应。AGEs可与RAGE结合从而激活细胞内途径（如ERK1和PI3K途径等）导致NF-κB的激活和移位到细胞核，从而激活大量炎症 因 子（TNF-α、IL-6、MCP-1、VCAM-1和ICAM-1等），AGEs和RAGE结合还可能激活诱导氧化应激途径，进而导致细胞功能障碍。在糖尿病患者中，AGEs可与RAGE结合，导致成骨细胞、破骨细胞、骨细胞的功能改变，进而导致骨质疏松的发展。RAGE是细胞表面分子免疫球蛋白超家族中的成员之一，表达于各种类型的细胞，在糖尿病并发症如糖尿病肾病、糖尿病视网膜病变、糖尿病周围神经病变、DOP中其表达量明显升高。该受体通常以全长形式存在，包括细胞外区、细胞内区和跨膜区。RAGE在血浆中亦可以其他两种形式存在：可溶性RAGE（sRAGE）、内源性分泌RAGE（es-RAGE）。据相关报道，sRAGE和esRAGE亦能与血清中AGEs结合而有助于清除AGEs，从而防止AGEs对全身组织和器官的损伤，sRAGE可作为减少AGEs与RAGE相互作用所导致的不良后果的可能治疗靶点［6］。

2 AGEs在DOP发展中的作用机制

2.1 AGEs作用于骨细胞参与骨质疏松发展骨细胞是骨中最丰富的细胞，被认为是骨转换的主要调节者［7］。骨细胞通过产生硬化蛋白（骨形成的负调控因子）和核因子κB受体活化因子配体（RANKL-破骨细胞分化和活化的关键分子）调节成骨细胞和破骨细胞的功能，从而在骨代谢中发挥重要作用。骨细胞的功能障碍或凋亡会严重危害骨稳态，导致骨骼疾病。

2.1.1 通过激活ERK1/2、p38和STAT3信号通路诱导骨细胞凋亡IL-6被认为在骨质疏松、类风湿性关节炎和骨恶性肿瘤中发挥关键的破坏作用。血管内皮生长因子A（VEGF-A）是参与血管生成、骨形成和骨吸收的重要因子。IL-6和VEGF-A水平的升高在骨破坏中发挥一定作用。有研究表明，AGEs可通过RAGE激活ERK1/2、p38和STAT3信号通路，进一步上调IL-6和VEGF-A表达，诱导骨细胞凋亡，危害骨稳态，进而导致骨质疏松［8］。由此可见，阻断ERK1/2、p38和STAT3信号通路可能对预防DOP有益。

2.1.2 通过增强TGF-β的表达和分泌促进骨细胞凋亡TGF-β是一种多功能多肽，在生理和病理条件下调节多种细胞功能，包括细胞增殖、分化、迁移和凋亡。近年来，部分利用体内动物模型进行的研究表明，骨中TGF-β信号通路的增强导致骨脆性增加。NOTSU等［7］研究发现，AGE3在骨样MLO-Y4-A2细胞中通过增强TGF-β的表达和分泌增加了骨细胞凋亡和硬化蛋白表达。因此，抑制AGEs诱导的TGF-β信号可能会通过减少骨细胞凋亡和硬化蛋白表达，在DOP的预防和治疗中发挥一定作用。

2.1.3 通过转录因子叉头框蛋白O1（FOXO1）依赖机制诱导骨细胞功能障碍和凋亡FOXO1与细胞凋亡密切相关。FOXO1参与糖尿病的发生、发展，并通过调节RANKL的分泌来调节骨代谢。ZHANG等［9］研究发现，在AGEs作用下，骨样MLO-Y4细胞FOXO1表达增强，细胞凋亡增加；同时硬化蛋白和RANKL的表达上调，从而严重破坏骨稳态，FOXO1的沉默挽救了AGEs增强的骨细胞凋亡、硬化蛋白和RANKL表达，抑制FOXO1可能是预防DOP的一种有效方法。

2.2 AGEs影响成骨细胞分化、凋亡，促进骨质疏松发生、发展成骨细胞是骨形成的主要功能细胞，负责骨基质的合成、分泌和矿化。骨通过破骨细胞的持续再吸收和成骨细胞形成的新骨替换旧骨来重塑，成骨细胞的分化和成熟对新骨的形成尤其重要，而成骨细胞的缺失会导致骨质疏松。相关研究表明，AGEs能抑制成骨细胞分化、促进成骨细胞凋亡，进而促进骨质疏松的发生、发展［10-15］。

2.2.1 通过促进DNA甲基化和抑制Wnt信号通路抑制成骨细胞分化脂肪源性干细胞（ASCs）广泛应用于骨再生研究，它们有能力分化为成骨细胞。DNA甲基化是一种表观遗传修饰形式，可影响细胞的正常分化功能，与疾病的发生、发展密切相关。研究表明，干细胞分化过程中的DNA甲基化在多种骨疾病中均很明显，包括骨质疏松症和骨关节炎［16］。LI等［10］在ASCs培养基中添加AGEs发现，AGEs通过激活DNA甲基化和抑制Wnt信号通路进而抑制ASCs成骨分化能力，而经甲基化抑制剂处理后，ASCs在AGEs环境中的成骨分化能力恢复。这与DYBJER等［3］研究结果一致。由此可见，DNA甲基化可能是糖尿病性骨质疏松骨再生的重要途径，抑制DNA甲基化可能是预防DOP的一种可行方法。

2.2.2 通过激活JNK/p38 MAPK信号通路促进成骨细胞的凋亡MAPK通路是细胞增殖、应激、炎症、凋亡等的主要信号通路之一。骨髓间充质干细胞（BMSCs）是一类起源于中胚层的成体干细胞，其具有成骨分化潜能。LI等［11］将BMSCs用AGEs处理后发现NF-κB p65、JNK和p38的mRNA和蛋白表达增强，BMSCs的成骨分化受到抑制，凋亡细胞的数量增多。所以，AGEs能通过激活JNK/p38 MAPK信号通路促进成骨细胞的凋亡，进而促进骨质疏松的发生、发展。说明抑制JNK/p38 MAPK信号通路有助于延缓糖尿病患者骨质疏松的发生、发展。

2.2.3 通过增加肿瘤坏死因子α（TNF-α）表达与分泌促进成骨细胞凋亡TNF-α是一种多效细胞因子，在免疫稳态、炎症中起核心作用，可诱导多种效应，如坏死、凋亡等。AGEs已被证明在多种细胞类型中诱导TNF-α的产生，如成骨细胞、软骨细胞等。WEINBERG等［12］将大鼠BMSCs暴露于AGEs发现，AGEs能通过刺激TNF-α的产生促进大鼠BMSCs凋亡，抑制成骨分化，用TNF-α抑制剂吡非尼酮剂量依赖性地消除了AGEs诱导的大鼠BMSCs凋亡。表明TNF-α抑制剂在预防DOP中发挥重要作用。

2.2.4 通过增加TGF-β的表达与分泌抑制成骨细胞矿化AGEs可通过增加TGF-β表达促进骨细胞凋亡，而TGF-β信号能抑制体外成骨细胞分化。NOTSU等［17］对小鼠基质ST2细胞进行体外研究发现，AGE3通过与RAGE结合增加TGF-β表达与分泌，从而抑制成骨细胞的矿化。因此，抑制AGEs诱导的TGF-β信号可能会通过促进成骨细胞的矿化对预防DOP发挥一定作用。

2.2.5 通过上调miR-223的表达促进成骨细胞凋亡异常表达的miRNA介导了糖尿病的发生、发展。在糖尿病患者或体外，AGEs与多种miRNA相关，如miR-146a、miR-214和miR-223。IGF-1R在成骨细胞中具有多种调节作用，包括调节细胞的分化和生长。QIN等［18］将成骨样MC3T3-E1细胞与AGEs共孵育后发现，miR-223水平显著上调，miR-223靶向抑制IGF-1R表达，细胞凋亡水平升高，miR-223抑制可改善下调的IGF-1R，并阻断AGEs促进的MC3T3-E1细胞凋亡。表明miR-223可能是一种有效的治疗靶点，可拮抗糖尿病患者中AGEs诱导的成骨细胞损伤。

2.2.6 通过激活氧化应激抑制成骨细胞分化、促进成骨细胞凋亡SUH等［13］发现，AGEs的前体物质甲基乙二醛增加了成骨MC3T3-E1细胞中细胞内活性氧、线粒体超氧化物和心磷脂过氧化物的形成，从而抑制了成骨细胞分化，用氨基胍预处理可抑制甲基乙二醛诱导的氧化应激。说明抑制氧化应激可能是预防DOP的一种有效手段。

2.2.7 通过抑制内质网应激传感器的水平抑制成骨细胞分化内质网应激在蛋白质的生物合成、折叠和修饰中起重要作用。成骨细胞能合成大量蛋白质，并在分化过程中将其分泌到骨基质中，通过适当的内质网应激去除未折叠的骨基质蛋白，对成骨细胞产生高质量的骨基质蛋白尤其重要。研究表明，AGE2或AGE3通过抑制OASIS、IRE1a和ATF6等内质网应激传感器水平，并在内质网中积累未折叠蛋白抑制小鼠基质ST2细胞向成骨细胞的分化［14］。表明充分刺激内质网应激传感器的药物可能是治疗糖尿病骨脆性的候选药物，其能通过激活内质网应激传感器，去除异常的未折叠蛋白，进而产生高质量的骨基质蛋白，促进基质细胞的成骨分化。

2.2.8 通过诱导铁死亡破坏成骨细胞功能铁死亡是一种新的非凋亡性细胞死亡方式，由铁依赖的毒性过氧化脂质积聚所致。WANG等［19］在2型糖尿病大鼠模型的骨组织中观察到铁死亡现象。GE等［15］将成骨细胞在含有AGEs的培养基中培养与对照组比较发现，铁死亡相关蛋白表达升高，细胞的增殖、分化和矿化受阻，添加铁死亡抑制剂去铁胺后显著逆转了上述反应。说明AGEs通过诱导铁死亡破坏成骨细胞的功能，促进骨质疏松的发生，针对铁死亡的治疗可能有助于缓解DOP。

2.2.9 通过干扰成骨细胞与Ⅰ型胶原基质的附着抑制成骨细胞分化成骨细胞与骨细胞外基质（Ⅰ型胶原所占比例＞85%）的黏附可调节其生理学的各个方面，如生长、分化和矿化。成骨细胞附着和扩散到细胞外基质是成骨细胞发育的第一步，整合素可帮助成骨细胞黏附和扩散及细胞内信号转导。MCCARTHY等［20］发现，当Ⅰ型胶原基质被AGEs修饰时，Ⅰ型胶原基质构象发生变化，成骨细胞不易黏附至Ⅰ型胶原基质上，这将损害其与整合素等细胞受体相互作用的能力进而抑制成骨细胞的增殖和分化。说明增强Ⅰ型胶原与成骨细胞的黏附是治疗AGEs积累相关骨质疏松的一种有效选择。

2.3 AGEs抑制破骨细胞分化，降低骨强度破骨细胞是骨吸收的主要功能细胞，其起源于单核巨噬细胞系统，是一种特殊的终末分化细胞。破骨细胞的骨吸收作用和成骨细胞的骨形成作用共同维持骨代谢平衡，两者协同在骨发育、生长、修复、重建中发挥重要作用。破骨细胞缺乏或功能障碍会引起骨转换低，骨重塑不平衡，导致骨强度降低［21］。尽管AGEs能抑制成骨细胞功能，但对其在调节人类破骨细胞中的作用知之甚少。

从健康个体收集的人CD14+单核细胞在体外用常规细胞因子刺激可以诱导其向破骨细胞分化。TANAKA等［22］在体外将人CD14+细胞用AGEs刺激后得出结论，AGEs通过刺激NF-κB诱导IL-10表达从而抑制破骨细胞的分化，引起骨转换低，骨重塑不平衡，最终会导致骨强度降低，从而增加糖尿病患者骨折风险。

现多数研究集中在AGEs与成骨细胞相互作用的机制上，而对AGEs对于破骨细胞的作用机制研究较少，在后期研究中需开展更多的体内和体外实验来阐明AGEs对破骨细胞的作用机制，这对寻找有效的DOP的治疗靶点至关重要。

3 针对AGEs的相关治疗

AGEs与糖尿病性骨质疏松的发生、发展有密切关系，针对AGEs的治疗可能会对缓解DOP带来益处。

3.1 抑制氧化应激的药物CHENG等［23］研究报道，与厄贝沙坦共孵育可防止成骨细胞中AGEs诱导的氧化应激的改变，进而减弱成骨细胞的凋亡。阿仑膦酸钠是治疗绝经后骨质疏松症广泛使用的药物。研究表明，AGEs能诱导成骨细胞ROS的大量产生，可通过中剂量的阿仑膦酸钠来预防［24］。PARK等［25］发现，螺内酯通过降低AGEs的前体物质甲基乙二醛诱导的氧化应激和炎症细胞因子逆转了甲基乙二醛诱导的成骨MC3T3-E1细胞的骨形成活性和矿化抑制。表明厄贝沙坦、阿仑膦酸钠、螺内酯等可能通过抑制氧化应激来阻断AGEs-RAGE信号对成骨细胞的损伤。上述药物治疗可能会为DOP患者带来益处。

3.2 天然产物Nox4/ROS/NF-κB信号通路激活可导致骨丢失和促进骨质疏松的发展。LIU等［26］发现，桑叶提取物通过调节AGEs/RAGE/Nox4/NF-κB信号通路消除氧化应激，还可通过调节PTH/VDR/CaBP信号通路维持钙稳态，从而改善骨质量。香豆素以苯丙烷的形式天然存在于许多植物中，香豆素具有抗骨质疏松作用。LEE等［27］研究发现，香豆素通过抑制AGEs-RAGE表达来减弱AGEs-RAGE激活对成骨细胞和破骨细胞的有害影响进而维持骨稳态。黄柏在中国被广泛用于治疗DOP，黄柏的提取物在卵巢切除的雌激素缺乏大鼠中发挥了抗骨质疏松作用。从黄柏树皮中可分离到一种名为PPCP-1的阿拉伯半乳聚糖，WANG等［28］发现，PPCP-1通过抑制α-葡萄糖苷酶活性改善血糖来阻断骨骼中的AGEs/RAGE信号，从而预防骨质疏松症。莫诺苷是一种从天然中草药山茱萸中分离纯化得到的环烯醚萜苷化合物，具有抗氧化、抗凋亡的作用。研究发现，莫诺苷在体内和体外均能通过激活Glo1抑制AGEs-RAGE信号通路来缓解AGEs介导的骨髓间质干细胞成骨分化障碍［29］。桑叶水提取物、香豆素、PPCP-1、莫诺苷等天然产物通过作用于AGEs-RAGE信号传导通路可能对缓解DOP有益，它们可作为潜在的治疗方法来预防糖尿病性骨质疏松的发生、发展，在日后的研究中需进一步体内实验和临床实验对其安全性和有效性加以验证。

3.3 降糖药物AGEs通过PKCβ2抑制人牙周韧带干细胞（hPDLSCs）的成骨分化潜能，一项体外实验表明，胰高血糖素样肽-1（GLP-1）能通过抑制PKCβ2磷酸化，改善AGEs微环境中hPDLSCs的成骨分化潜能［30］，由此我们推测GLP-1类降糖药物可能在预防DOP中有一定作用。

3.4 其他药物雷奈酸锶是一类抗骨质疏松药物，具有刺激骨形成、抑制骨吸收的双重作用，现主要用于治疗绝经后骨质疏松症。研究发现，雷奈酸锶可通过钙通道、MAPK和β-连环蛋白的激活等机制防止AGEs对体外培养成骨细胞的有害作用，其可能是治疗AGEs积累相关骨质疏松的一种有效选择［31］。

综上所述，AGEs在DOP的发病机制中起重要作用，厄贝沙坦、螺内酯、雷奈酸锶、香豆素、桑叶提取物、PPCP-1等可作用于AGEs-RAGE信号通路，有望成为治疗和预防DOP的潜在药物。