1型糖尿病對骨折愈合影響的研究進展

蔡龍，向川

(山西醫科大學第二臨床醫學院骨科，太原 030001)

骨折是骨科十分常見的一種創傷。然而骨折愈合是一個極為復雜的過程：由起始炎癥反應、原始骨痂形成、內外骨痂與橋梁骨痂融合及骨重塑4個過程共同協調完成[1]。研究表明，影響骨折愈合的因素有很多，其中糖尿病(diabetes mellitus,DM)對骨折愈合過程的影響較大，合并DM的骨折患者骨折斷端發生骨延遲愈合、骨不連的概率較正常人群顯著增加[2]。1型糖尿病(type 1 diabetes mellitus, T1DM)以往被稱為胰島素依賴性糖尿病，主要是因胰島B細胞破壞導致的胰島素分泌絕對不足，并以高血糖為特征，是一種慢性代謝性紊亂性疾病，可引起多系統的功能損害。有研究表明，T1DM患者血液中晚期糖基化終末產物(advanced glycation end products,AGEs)累積量較多，血清骨鈣素水平和甲狀旁腺激素(parathyroid hormone,PTH)水平明顯降低，骨折風險顯著增加[3,4]。亦有研究指出，DM患者的許多病理生理過程可能影響著骨愈合過程[5]。本文擬從多角度就T1DM對骨折愈合過程的影響作以下綜述。

1 T1DM對骨組織局部微循環影響

骨折愈合過程需依賴血液供應，當骨組織血液供應明顯減少時，骨不愈合的概率達到46%，這可能與血管的機械性損傷、骨折部位血管的解剖結構及患者的生理疾病相關[6]。在骨膜反應期和骨痂形成期，血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)表達量增加，新生血管增多，從而促進骨膜的生長[7]。受傷局部新生血管具有轉運功能，將骨母細胞轉運至受傷部位，并表達骨鈣蛋白、骨橋蛋白及堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)來促進新生骨的形成。此外，局部新生血管還能通過調節氧張力和提供生長因子促進骨折愈合[6]。然而T1DM在很大程度上會對血管生長和結構產生較不利的影響[8]。DM引起的高血糖狀態能激活ALP，提升還原型輔酶Ⅱ/輔酶Ⅰ(nicotina-mide adenine dinucleotide phosphate/nicotinamide adenine dinucleotide,NADPH/NAD+)比值，導致氧化應激和炎癥反應的發生，從而使炎癥因子如白細胞介素-6(interleukin-6,IL-6)及腫瘤壞死生長因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)表達增加，使血管內皮細胞功能發生紊亂，VEGF表達降低，最終影響微血管的形成，不能為局部組織提供必需物質，影響骨折愈合[9]。

另一方面，有研究認為T1DM可通過磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/IκB激酶復合體途徑或者Ras/有絲分裂原活化蛋白激酶(Ras/mitogen-activated protein kinase,RAS/MAPK)途徑抑制叉頭框O(Fork head box O,FOXO)發生磷酸化，降低FOXO1表達，加速微血管內皮細胞凋亡，從而影響到局部受損骨組織微血管的形成[10,11]。亦有研究通過對DM大鼠股骨干骨折1～3周內骨折愈合情況的觀察發現，與正常對照組比較，DM組大鼠VEGF-C的表達明顯下降，新生血管形成明顯減少[12]。還有研究通過實時熒光定量PCR分析發現，DM患者血清中晚期糖基化終產物受體(recepter of advanced glycation end products,RAGE)mRNA表達增加，而RAGE可通過由乙二醛酶介導的核因子-κB(nuclear factor κB，NF-κB)途徑上調AGEs水平，從而促進氧化應激反應的發生，并通過c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)-(Dickopff-1)-糖原合成酶激酶(glycogen synthase kinase,GSK)3β-tau途徑[13-15]，最終影響局部微血管結構穩定性。

2 T1DM對骨細胞活性影響

炎癥因子參與骨折愈合過程的各個階段，能夠調節成骨細胞和破骨細胞活性，影響骨痂的形成及重塑。有研究認為，正常機體內NF-κB受體活化因子配基(receptor activator of NF-KB ligand,RANKL)、巨噬細胞集落刺激因子(macrophage colony stimulating factor,MCSF)以及轉化生長因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)的表達量在骨重塑階段出現了下降，這可能為骨髓的形成創造有利條件。

有研究通過對大鼠骨折后第4周骨組織形態學的分析發現，T1DM慢性炎性狀態會使骨髓干細胞分化延遲，隨之骨細胞生成延遲[16]。Coe等[17,18]發現在T1DM大鼠骨折愈合初始階段，高血糖狀態會加重局部炎癥反應，使TNF-α分泌量增多，并通過調控胱天蛋白酶-3(Caspase 3, Casp-3)活性使Bax/Bcl-2比值增加，使骨髓微環境隨之發生改變，最終加快成骨細胞凋亡。且T1DM大鼠血糖水平與成骨細胞凋亡程度呈正相關[19,20]，提示糖尿病骨折愈合早期就有較多的成骨細胞發生凋亡，造成骨愈合能力下降，而這可能由于低胰島素血癥抑制了骨細胞增殖、分化及成骨細胞骨形成能力。Wu等[21]通過對大鼠原代成骨細胞進行體外培養、Western blotting技術分析胰島素受體(insulin receptor,IR)及羧化不全骨鈣素(under-carboxylated osteocalcin, ucOC)水平發現，高血糖狀態會降低胰島素敏感性，且ucOC表達水平下降，成骨細胞增殖被抑制。補充研究發現，胰島素和維生素D聯合治療能抑制高糖對成骨細胞產生的有害影響，使 ucOC的百分比提高了40%左右[12]，這可能與胰島素通過IR直接調節成骨細胞基因的表達、增強成骨細胞活性、促進局部骨痂組織形成有關。在缺乏TNF-α受體基因的(p55-/p75-)小鼠骨折修復過程中，骨髓干細胞分化明顯減少，軟骨內組織的修復延遲了2～3周[22]，表明適度的TNF-α對調節骨髓干細胞具有重要作用。另外，DM的高血糖狀態能夠激活Casp活性，使TNF-α表達量過度增加，從而引起骨細胞的凋亡，出現骨缺損部位修復的延遲，而通過抑制Casp-3表達后，炎癥反應明顯減少，骨內膜骨痂形成增加，成骨細胞活性及骨耦合亦增加[18, 23]。另有證實在一些DM或DM并發癥中，通過限制FOXOs活性，亦可促進骨折愈合的發展[11]。

3 T1DM對膠原蛋白功能的影響

在骨折愈合初期階段，局部骨痂形成需要大量的膠原蛋白來維持骨痂結構和骨強度。目前發現，Ⅰ～Ⅲ、Ⅴ、Ⅸ、Ⅺ、Ⅻ、Ⅹ、Ⅳ型等膠原蛋白可直接參與骨修復過程。在骨折愈合過程中，膠原蛋白的基因表達和生成有一定規律性，且受到DM的影響。

有研究通過制作T1DM大鼠脛骨斜型骨折模型，于傷后第1,2,4,6周取骨痂組織進行檢測，觀察Ⅰ型膠原蛋白在正常組和觀察組骨愈合過程早期骨痂形成中表達情況，發現正常組Ⅰ型膠原蛋白表達高峰在第2周出現，而觀察組高峰在第3周出現，且觀察組大鼠Ⅰ型膠原蛋白表達量明顯降低[24]。另外，DM能夠下調Ⅰ型膠原蛋白的多態性，改變血清鈣水平，影響PTH/維生素D的比率，從而導致骨礦化功能障礙、骨強度降低及骨脆性增加等，使骨愈合處二次骨折風險增加。亦有研究通過原子力學光譜法檢測發現，DM能使骨的有機基質(主要是Ⅰ型膠原蛋白)發生非酶類糖基化反應，出現AGEs累積，使Ⅰ型膠原蛋白功能下降，從而降低骨的延展性和韌性，進而改變生物力學活性，這可能由于DM改變膠原纖維之間的相互作用引起[25,26]。最近Saito等[27]研究發現，DM引起的高糖血癥和氧化應激會使AGEs增加，通過RANKs途徑使膠原蛋白功能紊亂；且由于糖異生過程的紊亂，賴氨酸氧化酶基因表達下降，酶鉸鏈反應降低，導致膠原蛋白功能降低，最終影響骨的質量和強度。

總之，T1DM可影響骨痂形成過程中的膠原代謝，減少膠原蛋白合成，抑制骨組織修復，但其機制尚未研究清楚，還需要進一步的考究。

4 T1DM對生物力學作用的影響

骨折愈合過程的骨生物力學可分為一期骨愈合和二期骨愈合，生物力學的建立會受到膠原蛋白、礦物質量、骨結構、骨密度等諸多因素的共同影響。在原始骨痂形成期，TNF-α能夠促進間充質干細胞誘導的肥大性軟骨細胞的凋亡和軟骨礦化的吸收，這個過程RANKL和MCSF亦參與其中[22]。骨形態發生蛋白-5/-6(bone morphogenetic protein-5/-6,BMP-5/-6)的表達在原始骨痂形成期增多，使膜內和軟骨內發生骨化，為加強骨折愈合后期骨的機械強度做充分準備[7]。

T1DM能改變骨組織生物力學特性，因此不利于骨折愈合過程的發展。研究發現，在T1DM大鼠模型中，DM會影響骨皮質骨結構，使骨小梁體積縮小并降低組織礦物質密度(tissue mineral density, TMD)值，增加骨脆性，擾亂骨強度-結構關系，而這些改變均不利于骨折愈合過程中生物力學強度的建立[28,29]。Follak等[16]通過對DM大鼠模型股骨干骨折局部礦物化組織熒光染色以及三點彎曲試驗分析發現，與正常組相比，模型組骨愈合過程中破壞骨痂所需的能量、失效負載量的峰值、剛硬度以及抗壓值均下降了2～3倍，提示DM不僅能顯著減少骨礦化并且能夠使骨礦化發生延遲。然而，一些研究卻表明DM會增加骨礦化(但骨礦化的質量是降低的)，還會影響鈣的沉積量，改變骨生物力學，這可能與高血糖癥導致的持續性炎癥反應增加了前炎性細胞激素有關[4,30]。Farlay等[4]通過對臨床病例研究得出了同樣的結論。另外，有研究通過實時定量PCR及免疫組織化學技術分析發現，DM合并骨折的大鼠模型早期成骨標記物(Colla2，骨橋蛋白)的表達受到了抑制，這亦會導致骨膜下區域礦化組織比率和機械強度降低[12]。

綜上，T1DM會影響骨愈合過程中骨礦化的質量、骨結構以及骨密度的正常建立，而這些均不利于骨折愈合生物力學穩定性的形成，原因可能與高血糖癥狀導致的持續性炎癥反應密切相關。

5 總結

T1DM可激活炎癥反應通路，促進氧化應激的發生，產生大量的AGEs和炎癥因子(如TNF-α)，通過復雜的調控機制降低骨折愈合過程中主要膠原蛋白的功能、減少局部微血管的生成、加劇骨細胞凋亡的發生和增加局部骨痂脆性，最終影響了骨折愈合過程，而這可能與T1DM的高血糖癥產生的慢性持續性炎癥狀態密切相關。