近年有研究显示,骨不仅参与人体运动,矿物离子的储存、重要脏器的调控研究表明骨骼也是一种“内分泌器官”,骨重建和塑建过程中分泌的各种细胞因子对机体多系统功能均产生影响,骨的“内分泌”地位日益突出[1]。近期研究显示在应激状态下,机体内环境的紊乱可导致骨调节因子、转换蛋白以及相关细胞因子发生变化,使成骨与破骨动态平衡失调,胰岛功能及糖代谢发生变化。
一、骨性调节因子
1. 骨钙素
骨钙素是维生素K依赖的、由成骨细胞合成、BGLAP基因编码的一种蛋白,可维持骨骼矿化,反映成骨细胞活性,同时对骨形成和骨吸收的动态平衡有重要的调节作用。应激时骨钙素分泌水平会发生明显变化。骨折时各种激素和细胞因子如胰岛素样生长因子-1（IGF-1）、成纤维细胞生长因子、生长激素、骨形态形成蛋白等,会影响骨钙素的表达及合成、血肿机化时间、骨折端愈合速度,并促使钙盐沉积,促进骨折愈合。骨折后至恢复愈合过程中骨钙素水平也会有所波动。骨折后及骨重塑阶段,成骨和破骨功能均活跃,骨钙素的合成及分泌水平均较创伤应激前明显增高,随着机体自身修复逐渐完成,骨钙素分泌水平也趋于正常生理水平。
骨钙素在调节糖脂代谢中也发挥重要作用。敲除小鼠骨钙素基因会使其出现胰岛素敏感性降低、糖耐量异常等代谢紊乱现象,而外源性给予骨钙素后,其胰岛素敏感性及葡萄糖耐受性会提高[1]。大量横断面研究也证实血清骨钙素水平与空腹血糖、GHbA1c、胰岛素抵抗指数、肥胖等呈负相关,与胰岛素分泌指数呈正相关[2]。其机制可能与G 蛋白偶联受体 6a（GPCR-6a）有关,血清骨钙素通过与胰岛β细胞上的GPCR-6a结合,经磷脂酶C激活三磷酸肌醇（IP3）-钙（IP3-Ca2+）信号转导通路,促进胰岛β细胞分泌胰岛素、脂联素和其他激素,通过环腺苷酸-蛋白激酶A （cAMP-PKA） 通路,激活丝裂原细胞外激酶-细胞外信号调节蛋白激酶（Mek-Erk）级联,调节胰岛素敏感性。骨钙素还可作用于肠道内胰高血糖素样肽1 （GLP-1）,刺激胰岛β细胞分泌,调节胰岛功能、降低血糖并减缓肥胖的发生[3,4]。Urano、Shu、Liang等[5,6,7]也证实骨钙素参与糖代谢,并发现骨钙素水平与糖尿病风险呈负相关,提示骨钙素很有可能成为一种新型胰岛素促泌剂,改善胰岛细胞分泌,治疗糖尿病。
此外非羧化骨钙素（ucOC）也影响糖脂代谢。ucOC是骨钙素经受体样跨膜蛋白酪氨酸磷酸酶、谷氨酸羧化酶修饰形成的。有研究显示ucOC可通过影响脂联素释放促进胰岛素分泌、胰岛β细胞生长及胰岛素基因表达,改善胰岛素敏感性,而分泌的胰岛素还可以与成骨细胞表面的胰岛素受体结合,促进骨吸收及骨钙素脱羧[8]。但部分学者并不认可骨钙素与糖代谢具有相关性,所以仍需做大样本前瞻性队列研究进一步证实血清骨钙素水平与糖代谢之间的关系。
2.Ⅰ型前胶原氨基端前肽（P1NP） 和Ⅰ型胶原交联羧基末端肽（β-CTx）
P1NP、β-CTx和糖代谢的关系与ucOC和糖代谢之间的相互影响有许多相似之处。上文已提到ucOC升高、血糖改善;反之ucOC降低、糖耐量受损。同样有临床研究者发现在糖尿病早期机体可能通过增强骨吸收,促进骨转换即提高糖耐量异常患者体内β-CTx、ucOC水平调节血糖,维持其平衡[10]。一项研究显示骨钙素与P1NP 影响绝经后妇女糖尿病患病率,而排除骨钙素的影响后P1NP仍与糖尿病患病率呈负相关[11]。且P1NP、β-CTx水平每增加一个标准差,糖尿病的发病风险分别降低 36％和40％[12]。因此提示P1NP可能对糖代谢有一定影响。但关于P1NP及β-CTx与糖代谢关系,目前实验研究较少,意见不一,仍需做大样本的研究进一步探索。
3. 骨硬化蛋白（SOST）
SOST是由成骨细胞分泌的半胱氨酸糖蛋白,曾被视为泛发性骨皮质增厚症（VanBuchem病）和硬化性骨化症的致病基因,其可通过与LDL受体相关蛋白5/6（LRP5/6）结合,阻碍Wnt/β-连环蛋白（Wnt/β-catenin）信号通路传导,降低骨量,其能灵敏地反映骨折后机体骨形成与骨吸收的变化[13]。Wnt蛋白是一种分泌型糖蛋白,通过2种不同的信号通路即Wnt/β-catenin信号通路、Wnt/蛋白激酶C（Wnt/PKC）通路调控骨骼的生长,维持骨平衡,其中起主要作用的是Wnt/β-catenin信号通路,活化的Wnt蛋白通过与LRP5/6结合抑制β-catenin磷酸化,刺激成纤维细胞核心结合因子（RUNX2）和成骨细胞特异性转录因子（Osterix）,促进成骨细胞分化,诱导骨形成[14]。有研究者在绝经后骨质疏松小鼠模型体内发现骨硬化蛋白单克隆抗体可通过与骨硬化蛋白特异性结合间接抑制骨吸收、促进骨形成、增加骨密度、提高骨强度,加速骨质疏松骨折愈合速率[15]。多项动物实验和大样本临床研究均证实了此观点[16]。骨折后断端骨组织表达SOST水平降低,骨硬化蛋白抑制成骨能力减弱,骨形成增强,骨折愈合速度加快,随着骨折时间的延长,骨硬化蛋白水平逐渐升高,抑制成骨能力降低。近期骨硬化蛋白单克隆抗体已正式在美国上市,用于女性绝经后伴高危骨折风险骨质疏松症的治疗。
4. 护骨素
护骨素属TNF受体超家族成员,是一种由成骨细胞分泌的可溶性糖蛋白,其通过竞争性地与核因子-κB受体活化因子配体（RANKL）结合,阻断RANK与特异受体RANKL结合,形成护骨素-RANKL-RANK通路调节破骨细胞分化与凋亡。大量实验研究已证实护骨素可以促进成骨细胞增殖、分化,增加骨小梁的数量,提高骨密度。骨质疏松时许多细胞因子如IL-1、IL-6等可通过调节RANKL和护骨素mRNA的表达促使护骨素与RANKL的浓度比下降,使破骨细胞的分化和功能增强,骨量丢失,骨强度下降。骨折时各种炎症因子的释放也可间接刺激护骨素和RANKL的分泌进一步诱导成骨细胞分化,调节破骨细胞活性,加速骨折愈合。
护骨素-RANKL-RANK通路不仅参与骨代谢的调节、骨折后的愈合,还与糖代谢密切相关。动物实验显示,敲除小鼠的护骨素基因会出现胰岛素敏感性增强,血糖、血脂降低等现象,证实护骨素参与胰岛β细胞及脂肪的调节[19]。同样阻断护骨素-RANKL-RANK信号通路可以改善胰岛素抵抗及糖耐量。与动物实验结果相同,大量临床研究也显示各种TNF也通过调节RANKL、护骨素浓度参与糖尿病及糖尿病血管内皮病变的发生发展。以上均提示护骨素-RANKL-RANK通路可能参与2型糖尿病的发生。
二、其他细胞因子
1. 转化生长因子β（TGF-β）
TGF-β属TGF超家族,参与血管生成及骨与软骨细胞的增殖、分化和代谢等生理过程,还参与成纤维细胞的活化和免疫抑制。此外,TGF-β还是细胞外基质沉积的强刺激因子,通过跨膜丝氨酸/苏氨酸激酶受体和细胞内Smad转录调控参与骨折后骨痂的形成及愈合。骨折初期TGF-β主要参与血管内皮细胞及平滑肌细胞的增殖、分化,之后大量的TGF-β开始参与骨折愈合过程中成骨和破骨的调节。不论是外源性给予TGF-β,还是检测骨折断端TGF-β水平均证实TGF-β可以促进成骨细胞、间充质细胞增殖以及破骨细胞的分化,加速骨折愈合[20]。
2. 血管内皮生长因子（VEGF）
3. IGF-1
IGF-1主要由肝脏产生,是具有胰岛素样代谢效应的因子。可调节细胞的生长、分化,在骨组织的生成及塑造中发挥重要作用。IGF-1水平降低会导致股骨皮质和小梁骨厚度的减少,发生骨质疏松及骨折的风险相应增加。动物实验显示IGF-1通过激活非编码微小RNA,调节碱性磷酸酶（ALP）以及载骨形态发生蛋白-2 （BMP-2）的合成,促进成骨,而敲除IGF-1基因后骨形成和骨密度均降低,并发症风险增高[25,26]。骨折时IGF-1通过PI3K/AKT通路促进ALP以及BMP-2的合成,促进成骨及骨矿化,加速骨折愈合。IGF-1也具有促胰岛素合成、增加胰岛素敏感性、调节糖脂代谢等作用。动物实验显示外源给予糖尿病皮肤溃疡大鼠 IGF-1可促进其伤口的愈合,骨内胰岛素信号的改变也可促进骨形成、骨代谢及骨重塑。
4. TNF超家族
三、小 结
综上所述,大量骨调节因子及细胞因子均会在骨折时发生改变,它们不但影响骨形成和骨吸收,也会影响糖代谢,可能是未来预测和治疗糖尿病发生及发展的重要指标。但目前关于应激状态下骨调节因子及细胞因子对胰岛功能及糖代谢的研究极少,仍需行大量研究加以证实。