糖尿病患者骨密度變化的相關因素研究進展

王 鵬，周延民*，于維先

(1.吉林大學口腔醫院 種植科，吉林 長春130021；2.吉林大學口腔醫院吉林省牙發育及頜骨重塑與再生重點實驗室，吉林 長春130021)

骨質疏松癥(osteoporosis,OP)是以骨密度和骨質量不斷減少為特征，骨組織顯微結構受損，導致骨脆性增加及骨折危險性升高的一種全身性骨代謝障礙的疾病[1]。臨床上表現為骨量減少、骨質變薄、骨小梁數量減少及脊柱壓縮性骨折等。根據骨質疏松發生的病因不同可分為三大類：原發性骨質疏松癥、繼發性骨質疏松癥以及原因不明的特發性骨質疏松癥。原發性骨質疏松癥包括絕經后骨質疏松癥以及老年性骨質疏松癥[2-4]。繼發性骨質疏松癥主要包括甲亢性骨質疏松癥以及糖尿病性骨質疏松。原因不明的特發性骨質疏松癥主要是遺傳性骨質疏松癥。本文主要探討繼發性骨質疏松癥中的糖尿病性骨質疏松(diabetic osteoporosis，DOP)，是指糖尿病患者體內代謝因素的變化所致骨組織結構發生改變而致骨量減少，易于骨折的一種全身代謝性疾病，是糖尿病在骨骼系統的重要并發癥之一，是糖尿病并發癥中發病率較高的代謝性疾病[5，6]。本文就糖尿病骨質疏松的病因，高血糖對骨形成、骨吸收和骨密度的影響，及與eph-ephrin信號通路關系等方面加以闡釋。

1 糖尿病引發骨質疏松的原因

1.1 成骨細胞與DOP

成骨細胞通過合成骨基質，在骨形成過程中發揮著重要的作用。糖尿病性骨質疏松的基本特點是骨形成缺陷，主要表現為成骨細胞分化與增殖功能降低、骨礦化速度減慢、骨質形成不足、骨吸收相對大于骨形成。Hua等[7]對糖尿病小鼠和非糖尿病小鼠的研究發現，高糖條件下成骨細胞分化、增殖及分泌骨鈣素和堿性磷酸酶的功能下降；骨鈣素、I型膠原及轉錄因子Runx-2表達程度降低；骨形成減少。高糖導致成骨細胞功能下降的機制尚不十分明確，體外及體內實驗研究表明[8，9]，高糖可通過氧化應激、糖基化終末產物(advanced glycation endpmducts，AGEs)的形成、蛋白激酶c活化等途徑誘導成骨細胞凋亡，從而抑制成骨細胞的分化，最終導致成骨細胞功能下降。AGEs形成引發的糖尿病神經病變可以隔絕成骨細胞生長所必須的維生素D和相關神經遞質的表達，從而影響成骨細胞的功能[10，11]。高糖條件下成骨細胞骨形成能力下降還與胰島素缺乏有關：胰島素通過與成骨細胞表面的胰島素受體結合直接刺激成骨細胞，促進細胞內氨基酸蓄積、I型膠原及骨基質的合成與分泌；骨鈣素是

一種促進骨形成的多肽，主要與維持骨礦化速率，促進骨形成相關，胰島素缺乏時，成骨細胞合成分泌骨鈣素減少，骨鈣素減少可使骨的礦化速率降低，骨吸收大于骨形成[12]。近年研究證實，高血糖可以激活細胞內的cAMP/PKA/ERK信號通路，刺激骨髓間充質干細胞的生脂標記物如過氧化物酶體增值激活受體(peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR)的表達，從而抑制成骨細胞的增殖、分化，導致成骨細胞功能下降[13，14]。

1.2 破骨細胞與DOP

破骨細胞主要來自于單核-巨噬細胞系。一般而言，破骨細胞主要通過以下三種可能的通路發揮其功能：核因子κB受體活化因子配體(Receptor activator of nuclearfactr κB 1igand，RANKL)通路；人巨噬細胞集落刺激因子(M-CSF) 通路；免疫受體酪氨酸活化基序(immunoreceptor tyrosine-based activation motif,ITAM)通路。RANKL主要由成骨細胞和基質細胞分泌，通過與其在單核-巨噬細胞系表面的受體結合激活NF-κB、NFATc1從而使破骨細胞前體向破骨細胞分化[15，16]；RANKL通過誘導反凋亡酶中的蛋白激酶B(proteinkinase B，PKB)抑制破骨細胞的凋亡；RANKL同樣與自由基、氧離子、過氧化氫等活性氧(reactive oxygen species，ROS)的產生有關，而活性氧又被認為是破骨細胞生成的強力誘導物[17，18]。Hodge等[19]發現，加入M-CSF后糖尿病小鼠骨吸收速度快于單純加入RANKL的對照組，表明M-CSF可以促進RANKL的活化。動物實驗發現，糖尿病小鼠體內可以自發地產生抗IgG抗體[20]，因此糖尿病被認為對IgG的產生有很強的誘導作用。IgG與其受體FcγR結合形成ITAMs，激活脾酪氨酸激酶(spleen tyrosine kinase，SYK),進而誘導NFATc1的產生，從而促進破骨細胞的增殖和分化。同時體外實驗發現，長期高糖條件下AGEs對破骨細胞的功能產生重要影響，AGEs通過與AGEs受體(Receptor for advanced glycation end products，RAGE)結合，誘導破骨細胞的NF-κB通路活化，使骨吸收因子IL-6、TNF-α等的合成分泌增加，從而促進破骨細胞前體轉化為成熟的破骨細胞，導致骨吸收增加[21]。Santana等[22]對小鼠顱骨愈合程度的研究發現，糖尿病組為非糖尿病組的40%；用AGEs預處理非糖尿病組，顱骨愈合程度明顯低于未處理組。說明AGEs參與骨重建過程，其可導致骨吸收增加，骨形成減少。

2 Eph-ephrin信號通路

2.1 Eph-ephrin信號通路及其雙向信號傳導模式

促紅細胞生成素的肝細胞受體(Eph)是細胞表面型酪氨酸蛋白激酶受體中的成員之一，也是目前已知最大的酪氨酸蛋白激酶受體家族中的成員。Eph受體分為2個亞類，即EphA(EphA1-A8)與EphB(EphB1-B6)共14個成員；ephrin配體同樣分為2個亞類，即ephrinA(ephrinA1-A5)與ephrinB(ephrinB1-B3)共8個成員。Eph受體包括3個區，分別為胞外配體結合區、胞內區(具有酪氨酸激酶活性)及跨膜區(疏水鍵連接胞外配體結合區和胞內區)。Eph胞內區包括1個具有酪氨酸激酶活性的高度保守的結構域(TK)，SAM( sterile alpha motif) 結構域和C端的PDZ結合序列。Eph的胞外配體結合區主要包含1個配體結合域( ligand binding domain，LBD) 、1個富含半胱氨酸區(cysteine-rich domain，CRD) 以及2個纖維連接蛋白重復區[23]。其中CRD在Eph-ephrin信號復合體的形成過程中起到關鍵作用。Ephrin配體中ephrinA通過糖基磷脂酰肌醇(glycosylphosphatidylinositol，GPI)錨定在細胞膜上；ephrinB有一個跨膜結構域和一個很短的胞內區[23]。

當Eph受體和ephrin配體結合后，形成聚合體，構象發生變化后，激活一系列的信號分子傳遞產生效應功能。Eph與ephrin結合可以產生雙向信號傳導作用，既可激活受體表達細胞，也可激活配體表達細胞，因此以ephrin為配體，激活Eph受體向細胞內傳遞信號被稱為正向信號傳導；而以Eph為配體，激活ephrin配體向細胞內傳遞信號被稱為反向信號傳導[24，25]。Eph-ephrin兩者之間這種獨特的接觸后所產生的生物學功能，參與體內多種生物進程，包括血管生成、干細胞分化、細胞遷移及骨穩態的調節等[26]。

2.2 Eph-ephrin與骨穩態

Zhao等[25]研究發現，表達于破骨細胞與成骨細胞間的EphB4-ephrinB2具有雙向調控作用：正向信號通過降低成骨細胞內RhoA的活性，使成骨細胞分化標志物表達增強，促進了成骨細胞的分化；反向信號通過ephrinB2胞內區的PDZ結合模序和胞內含PDZ結構的蛋白質相互作用，抑制c-Fos-NFATc1，從而抑制破骨細胞的分化；其對骨穩態的調節表現為促進骨形成，抑制骨吸收。Irie[27]等研究發現在骨重建的起始階段，EphA2-ephrinA2間的相互作用促進骨吸收，抑制骨形成。其中正向信號通過促進RhoA的活性，抑制成骨細胞的分化，反向信號通過上調磷脂酶Cγ2(phospholipase Cγ2，PLCγ2)的表達，促進破骨細胞的分化。此外，Kuroda等[28]研究表明，在骨形成末期，EphA4對成骨細胞及肥大軟骨細胞均有重要作用。Allan等[29]發現，甲狀旁腺激素(parathyroid hormone，PTH)可以使成骨細胞上的ephrinB2表達增加，從而以自分泌或旁分泌的形式影響成骨細胞上的ephrinB2或破骨細胞上的EphB4。同時抑制成骨細胞的IGF-1受體，可以拮抗PTH對ephrinB2表達的上調作用，提示IGF-1受體可以調節PTH對ephrinB2的作用[30]。

2.3 Eph-ephrin與胰島素調節

胰島β細胞通過對血糖水平的反應調節胰島素的分泌，控制葡萄糖的體內平衡，從而間接參與骨穩態的調節。但其潛在的分子機制尚不明確。Konstantinova等[31]通過動物實驗及細胞培養發現胰島β細胞通過EphA-ephrinA調節胰島素的分泌。EphA正向信號可以促進胰島素分泌，ephrinA反向信號可以抑制胰島素分泌。當血糖水平較低時，EphA正向信號占據優勢，胰島素分泌減少。葡萄糖可引起EphA受體去磷酸化，導致EphA正向信號的下調，此時ephrinA反向信號未受抑制。同時當葡萄糖水平較高時，反向信號占優勢，胰島素分泌增加。由于ephrinA配體主要存在于細胞膜上，EphA受體存在于細胞膜及胞內胰島素分泌顆粒上，當胰島素分泌時，細胞膜上EphA受體及EphA-ephrinA復合體的水平升高。因此產生了一個負反饋回路，即可以通過在血糖較低時升高EphA正向信號限制胰島素分泌；及一個正反饋回路，即在血糖較高時通過升高的ephrinA水平促進胰島素的分泌。

胰島素是由胰島β細胞根據血糖升高程度分泌的。更具體的說，葡萄糖是通過胰島β細胞中的葡萄糖轉運體轉運的，同時葡萄糖的代謝可以提高ATP/ADP比率[32-34]。從而關閉ATP敏感的鉀離子通道，導致細胞膜去極化以及電壓門控鈣離子通道的開啟。匯集的鈣離子最終引起胰島素的分泌。生理性的胰島素分泌還受到許多其他因素的影響，比如胰島內胰島β細胞間通信[35]。Konstantinova等[36，37]發現這種細胞間通信一部分通過EphA正向信號和ephrinA反向信號提高了葡萄糖興奮后胰島素分泌(GSIS)。他們一起參與了EphA-ephrinA雙向信號轉導通路[38-40]。

最近的研究表明Eph受體和ephrin配體之間的相互作用在體內多種進程中發揮關鍵作用，對成骨細胞和破骨細胞的分化有著十分重要的影響，導致骨吸收和骨形成發生偶聯。這些發現表明，通過的Eph-ephrin雙向信號轉導進行針對性的干預，從而抑制破骨細胞的功能，促進成骨細胞的分化，可用于預防骨質疏松癥，在不久的將來是一種很有前途的治療方法。

3 小結

本文從糖尿病對成骨細胞和破骨細胞功能影響并進一步導致骨質疏松的原因，以及糖尿病骨質疏松與eph/ephrin信號通路關系等方面加以闡釋。其中Eph-ephrin信號分子在糖尿病性骨質疏松癥中的發生機制的研究剛剛起步，很多領域尚屬空白。Eph-Ephrin介導的雙向信號傳遞作為細胞間通訊領域中新近闡明的機制，也為研究糖尿病患者骨穩態及骨密度的變化提供了新的思路。

作者簡介：王鵬(1989-)，男，河北人，碩士，主要從事糖尿病與牙種植方面的研究。

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