二甲雙胍對去卵巢大鼠骨質疏松癥的影響及機制研究

蘇姍 楊蕓瑞 李紅利 王麗婷 甄東戶*

1.蘭州大學第一臨床醫學院，甘肅 蘭州 730000 2.蘭州大學第一醫院內分泌科，甘肅 蘭州 730000

二甲雙胍(metformin, MF)被廣泛應用于2型糖尿病、代謝綜合征、非酒精性脂肪肝病等以胰島素抵抗為主的疾病的治療[1]。隨著對MF進一步深入研究，研究者發現MF除具有降糖作用外，還可促進骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)向成骨細胞分化，增加成骨細胞數目，促進骨形成，此外MF通過激活鈣調蛋白激酶和轉化生長因子活化激酶，抑制RANKL的表達以及破骨細胞的分化，從而發揮骨保護作用[2-3]。但其作用機制錯綜復雜，目前MF對骨代謝影響的具體機制仍未完全明確。因此本研究以去卵巢大鼠模擬骨質疏松癥，以雌二醇為對照，觀察MF對去卵巢大鼠骨密度及骨礦含量的影響，并從細胞和分子水平探討MF可能的骨保護機制，為臨床上預防和治療骨質疏松癥提供新思路。

1 材料與方法

1.1 實驗動物

3月齡SPF級雌性健康SD大鼠60只，體重200～300 g，適應性喂養1周。

1.2 方法

1.2.1去卵巢大鼠模型的建立及骨密度和骨礦含量的測定：60只3月齡雌性健康SD大鼠被隨機均分4組：假手術(SHAM)組、去卵巢(OVX)組、去卵巢+二甲雙胍(OVX+MF)組和去卵巢+雌二醇(OVX+E2)組。OVX組、OVX+MF組和OVX+E2組行雙側卵巢摘除建立骨質疏松模型，SHAM組僅切除雙側卵巢旁等量脂肪。術后1周起OVX+MF組按100 mg/(kg·d)灌胃MF，OVX+E2組按0.1 mg/(kg·d)灌胃17-β雌二醇，其它各組灌胃等量蒸餾水,按體重變化調整藥量，連續給藥60 d后通過引頸法處死大鼠。分離各組大鼠脛骨,用雙能X線骨密度儀(DEXA，prodigy型，美國GE LUNAR公司)測定右側脛骨骨密度和骨礦含量。

1.2.2大鼠BMSCs的分離、培養：無菌條件下分離4組大鼠雙側股骨和脛骨，在含有抗生素的α-MEM溶液中浸泡10 min后沖洗骨髓腔，800 r/min離心細胞懸液，5 min后用普通培養液重新接種。接種后第3天，用PBS(pH 7.2～7.4)緩慢沖洗掉未貼壁的細胞，培養基每周更換2次,細胞基本鋪滿瓶底時，用0.25 %胰酶消化，以1∶2進行傳代培養。選取生長較好的第3、4代細胞行后續實驗。

1.2.3誘導各組大鼠BMSCs向成骨細胞分化：各組大鼠傳代細胞以5.0×104個/孔密度接種于24孔板，用基礎成骨誘導培養基培養15～21 d后，收集細胞行下一步實驗。

1.2.4細胞增殖功能測定和細胞熒光染色：將各組細胞以1.0×104個/孔密度接種在96孔板，成骨誘導液培養6 d后，用MTT法測定細胞活性及增殖能力；培養結束后用PBS沖洗細胞，室溫下用鈣黃綠色素AM熒光探針培養細胞10 min。

1.2.5堿性磷酸酶活性測定：將各組細胞以5×105個/孔密度接種于6孔板，成骨誘導液培養7 d，用PBS清洗細胞層，溶解于0.5 mL的0.1 % Triton X-100中，使用Bradford法測定細胞提取物蛋白含量。

1.2.6礦化結節形成和鈣含量的測定：將各組細胞以5×105個/孔密度接種于6孔板，培養28 d后，PBS洗兩次并用95 %乙醇原位固定，1 %茜素紅染色，鏡下計數鈣化結節數目。鈣含量測定方法參照文獻[4]。

1.2.7RNA提取以及Real-time PCR測定：將各組細胞以5×105個/孔密度接種于6孔板，成骨誘導液培養21 d后，熒光定量實時PCR測定成骨細胞表面基因: collagen type I、OC、OPG、RANKL、IL-6, GAPDH 作為看家基因(引物序列見表1)。反應結束后用雙CT法進行PCR相對定量計算。

1.3 統計分析

2 結果

2.1 二甲雙胍對去卵巢大鼠骨密度和骨礦含量的影響

與SHAM組比較，OVX組的骨密度和骨礦含量顯著降低，OVX+MF組與OVX+E2組的骨礦含量低于SHAM組(P均<0.05)，而骨密度與SHAM組無顯著差異(P>0.05);OVX+MF組與OVX+E2組的骨密度和骨礦含量均顯著高于OVX組，且OVX+E2組高于OVX+MF組(P<0.05)。見圖1。

表1 引物序列Table 1 Primers Sequence

圖1 各組大鼠骨密度和骨礦含量注：與SHAM組比較，*P<0.05；與OVX組比較，#P<0.05；與OVX+E2組比較，▲P<0.05。Fig.1 Bone mineral density and bone mineral content of rats in each group

2.2 大鼠BMSCs誘導分化為成骨細胞的形態學觀察

倒置相差顯微鏡下，大鼠BMSCs經差速貼壁后于2～3 h內貼附于培養瓶底(圖2 A)，接種3 d后細胞呈現不同形態并向外伸展出生長突，部分細胞借突起相互連接(圖2B)；隨后生長突相互連接融合成片(圖2C)，成骨細胞持續重疊生長，10～12 d后出現散在的致密團塊，中央區域逐漸變暗，透光不佳，最終形成結節(圖2D)。

圖2 大鼠BMSCs誘導分化為成骨細胞的形態(×100) A:細胞培養后1 d；B:細胞接種后3 d；C:細胞接種后5 d；D:細胞接種后12 d。Fig.2 Morphological differentiation of rat BMSCs into osteoblasts (×100) A:1 day after cell culture; B:3 days after cell inoculation; C:5 days after cell inoculation; D:12 days after cell inoculation.

2.3 大鼠BMSCs在誘導培養基中的生長曲線

接種后1～3 d內，傳代大鼠BMSCs細胞增殖緩慢，隨后細胞增殖速度逐漸增快，第6天達到頂峰，此后逐漸減慢(圖3)。

圖3 大鼠BMSCs的生長曲線Fig.3 The growth curve of rats BMSCs

2.4 大鼠BMSCs誘導分化為成骨細胞后礦化結節的形成

在礦化誘導液的培養下，大鼠BMSCs分化為成骨細胞并呈重疊生長，逐漸形成大小不一的結節，隨著膠原沉積和基質礦化，最終形成密度不均透光性差的礦化結節(圖4)。

圖4 礦化結節形成的鑒定 A:骨細胞鈣化中(誘導后14 d)；B:骨細胞鈣化形成(誘導后28 d)。Fig.4 Identification of mineralized nodule formation A: osteoblasts are calcifying (14 days after induction); B: osteocyte calcification is formed (28 days after induction).

2.5 各組大鼠BMSCs分化為成骨細胞后細胞增殖能力、ALP活性與鈣沉積量的變化

與SHAM組比較，OVX組成骨細胞增殖能力、ALP活性明顯被抑制，鈣沉積量明顯減少(P<0.05)；與OVX組比較，在給予MF和雌二醇干預后顯著增強了大鼠成骨細胞增殖能力和ALP活性，鈣沉積量顯著增加(P<0.05)；且OVX+E2組成骨細胞增殖能力、ALP活性、鈣沉積量高于OVX+MF組(P<0.05)。見圖5。

圖5 大鼠成骨細胞的增殖能力、ALP活性及鈣沉積量的變化注：與SHAM組比較，*P<0.05；與OVX組比較，#P<0.05；與OVX+E2組比較，▲P<0.05。Fig.5 Changes in cell proliferation, ALP activity and calcium deposition in osteoblasts of rats

2.6 各組大鼠BMSCs的形態變化

細胞培養3 d后各組均呈現出成骨細胞的典型形態：多邊形、三角形和梭形(綠色細胞)。在圖6B(OVX組)中可看到明顯增多的呈現紅色熒光的死亡細胞，而在圖6 A(SHAM組)中幾乎看不到死亡細胞；與圖6B(OVX組)比較，圖6C(OVX+E2組)與圖6D (OVX+MF組)中死亡細胞數目減少，細胞呈現融合趨勢。

圖6 熒光染色大鼠的BMSCs A:SHAM組;B:OVX組;C:OVX+E2組;D:OVX+MF組。Fig.6 Fluorescent staining of BMSCs A: SHAM group; B: OVX group; C: OVX+E2 group; D: OVX+MF group.

圖7 鏡下成骨細胞礦化結節的形成 A:SHAM組;B:OVX組;C:OVX+E2組;D:OVX+MF組。Fig.7 The formation of mineralized osteoblasts nodules under the microscope A: SHAM group; B: OVX group; C: OVX+E2 group; D: OVX+MF group.

2.7 各組大鼠成骨細胞礦化結節的形成

在礦化誘導液培養21 d后，鏡下觀察，圖7 A(SHAM組)成骨細胞多層重疊生長并隨著膠原和鈣鹽沉積，形成數量較多的礦化結節；而在圖7B(OVX組)成骨細胞鈣化明顯受到抑制，細胞沒有顯著融合，未見顯著的礦化結節；但在圖7C(OVX+E2組)與圖7D(OVX+MF組)中，成骨細胞重疊生長逐漸形成礦化結節，結節數量較多，周圍有較多鈣鹽沉積。

2.8 各組大鼠成骨細胞的基因表達變化

與SHAM組比較，OVX組中collagen type I、OC、OPG mRNA表達水平顯著降低，RANKL、IL-6 mRNA表達顯著增強，而OVX+MF組collagen type I、OC、OPG、RANKL、IL-6mRNA的表達水平均高于SHAM組(P<0.05)；與OVX組相比，OVX+E2組、OVX+MF組明顯增加了collagen type I、OC、OPG mRNA的表達水平，并抑制了RANKL，IL-6mRNA的表達(P<0.05)；與OVX+E2組比較，OVX+MF組collagen type I、OC、OPG mRNA表達水平低于OVX+E2組，且RANKL、IL-6mRNA的表達高于OVX+E2組(P<0.05)。見圖8。

圖8 各組大鼠成骨細胞的基因表達注：與SHAM組比較，*P<0.05；與OVX組比較，#P<0.05；與OVX+E2組比較，▲P<0.05。Fig.8 Gene expression of osteoblasts in each group

3 討論

MF是2型糖尿病患者的首選用藥，可通過多種機制影響骨代謝：一方面通過AMPK-mTORC2和AKT-mTORC1信號軸調節SIRT6和OCT4的表達，促進成骨前細胞的增殖和分化[5]；另一方面通過AMPK/Runx2/Cbfa1通路誘使大鼠脛骨BMSCs向成骨細胞分化，刺激礦化結節的形成[6]；此外還能減少晚期糖基化終末產物的產生，逆轉和改善高糖對成骨細胞功能的損傷[7]。臨床研究[8]發現MF可降低糖尿病患者骨折發生風險，本研究以去卵巢大鼠模擬骨質疏松癥，以雌二醇為對照進一步探究MF抗骨質疏松的作用機制。

OPG/RANKL/RANK通路是影響骨代謝最主要的途徑[9]。骨吸收因子刺激成骨細胞膜表達RANKL分子，后者與破骨細胞膜上的RANK結合后，誘導破骨細胞膜上腫瘤壞死因子受體相關因子與RANK的胞內區結合并激活下游多種細胞內信號傳導通路，上調促骨吸收因子的表達，促進破骨細胞分化成熟，增強骨吸收活性[10]。而由成骨細胞生成的OPG可競爭性與RANKL結合，阻止這些信號轉導途徑，負性調節破骨細胞的生成[11]。雌激素缺乏會使OPG/RANKL比例失調，破骨細胞活性增強，誘使發生骨質疏松[12]。本研究中，去卵巢大鼠BMSCs向成骨細胞的分化受到抑制，collagen type I、OC、OPG mRNA表達明顯受到抑制，而RANKL、IL-6 mRNA表達水平明顯增加，給予雌二醇干預后，去卵巢大鼠的collagen type I、OC、OPG mRNA表達顯著增強，而RANKL、IL-6mRNA表達明顯減弱，由此導致其骨密度以及骨礦含量也顯著增加，雌二醇顯著逆轉了去卵巢大鼠的骨質疏松；用MF干預去卵巢大鼠BMSCs后，collagen type I、OC、OPG mRNA表達顯著增強，RANKL、IL-6 mRNA表達明顯減弱，且MF對collagen type I、OC、OPG mRNA的表達表現出強于正常對照組的特性，提示MF通過OPG/RANKL/RANK通路增加成骨細胞活性，抑制破骨細胞分化，發揮骨保護作用，尤其在增強成骨細胞活性方面有優勢。體外培養SD大鼠的BMSCs并給予100 μmol/L MF孵育21 d后發現，BMSCs中促成骨基因表達增加而促成脂基因表達減少,且MF顯著促進礦化結節的沉積，阻斷胞質脂滴的形成，提示MF可誘使BMSCs成骨分化而抑制其脂向分化[13]。在本研究中亦發現MF可進一步誘導去卵巢大鼠BMSCs向成骨細胞分化，顯著增強ALP活性和成骨細胞的鈣化能力，并增加其骨密度和骨礦含量，雖然MF的作用弱于雌二醇，但仍能有效改善去卵巢大鼠骨質疏松的狀態。

本研究的不足之處在于未進行MF不同劑量的對比，不能排除劑量對研究結果的影響；此外，MF對骨代謝影響可能與動物的種系、年齡、體重以及體內激素水平和炎癥狀態等有關，因此仍需要大量的基礎和臨床研究進一步證實MF對骨代謝的影響。

總之，本研究結果表明，MF不僅增加了去卵巢大鼠的骨密度和骨礦物含量，增強了成骨細胞增殖和鈣化能力以及ALP活性，還可經由OPG/RANKL/RANK途徑誘導BMSCs向成骨細胞分化，阻礙破骨細胞的成熟。盡管MF的抗骨質疏松作用遜于雌二醇，但其在促進成骨細胞基因表達活性方面有優勢，MF潛在的骨保護作用可能會改善糖尿病所引起的骨質疏松癥。