2型糖尿病與軟骨退變相關性的研究進展

王凱聲，亓建洪

[山東第一醫科大學(山東省醫學科學院)運動醫學與康復學院(運動醫學研究所)，山東 泰安 271000)]

隨著人們生活水平的提高，越來越多的人患有2型糖尿病(Type 2 diabetes mellitus，T2DM)，它是一種因胰島素絕對或相對分泌不足和/或胰島素利用障礙引起的碳水化合物、蛋白質、脂肪代謝紊亂性的疾病，以高血糖為主要標志，長時間的高血糖會導致各種器官衰退[1]。骨關節炎(Osteoarthritis，OA)被認為是一種影響所有關節組織的疾病，包括軟骨下骨、韌帶、腱鞘和關節囊，這些組織都在不同程度上共同參與了這種疾病的發展，而最重要的是透明關節軟骨[2]。關節透明軟骨是一種無血管無神經支配的組織，通過滑膜液和軟骨下骨的營養擴散而得到營養。它由細胞外基質(extracellular matrix，ECM)組成，主要由水(70%)和有機大分子組成，主要是Ⅱ型膠原、聚蛋白多糖和低分子量的蛋白多糖。Ⅱ型膠原纖維形成由其他非膠原蛋白穩定的三維網絡，使組織具有承受拉力的能力；由于富含負電荷的糖胺聚糖(glycosaminoglycan，GAG)側鏈的存在，蛋白多糖決定了組織抵抗壓力的能力[3]。本病的特征是逐漸出現疼痛、功能障礙和關節畸形，隨著時間的推移，這些癥狀會導致嚴重殘疾和生活質量下降。

目前臨床上T2DM合并軟骨退變的患者正逐漸增多，此類患者的臨床癥狀較非糖尿病患者更重，影像學表現更典型[4-6]。有研究為了闡明在人類軟骨細胞中細胞外葡萄糖濃度在軟骨細胞基因表達中的作用，發現在高濃度的葡萄糖中會促使軟骨細胞分解基因表達程序的進行，因此可促進關節軟骨退化，促進OA的發展[7]。另有研究通過在不同葡萄糖濃度下培養人骨髓間充質干細胞(human mesenchymal stem cells，hMSCs)，觀察其分化成軟骨的能力，發現高糖濃度下培養的hMSCs比低糖培養的細胞產生的軟骨細胞明顯少，結果證實局部高糖濃度的負面影響使軟骨分化減少[8]。Arellano等[9]通過研究對比T2DM與非糖尿病患者的軟骨低聚基質蛋白水平的高低，得出血糖的增高可能是加重軟骨退變的一個重要因素。另外，Dawood等[10]在通過對比T2DM小鼠與非糖尿病小鼠的軟骨，可以看到T2DM小鼠關節軟骨結構嚴重受損，關節軟骨表面不規則，而且退變延伸至軟骨更深層的區域。本文由第一作者通過PubMed和中國知網數據庫檢索近年來發表的文章。通過PubMed檢索Mesh詞“Diabetes Mellitus，Type 2[Mesh]”、“ Cartilage[Mesh]”以及其自由詞進行檢索。通過中國知網檢索“2型糖尿病(篇摘要)”、“軟骨(篇摘要)”進行檢索。后對文獻進行篩選與歸納，總結T2DM與軟骨退變的關系，闡明高血糖能加速軟骨退變病情的發展，為有效早期預防和控制OA軟骨退變的發生和發展提供依據。

1 流行病學

OA和T2DM是兩種慢性病，由于對生活質量、社會支出和預期壽命的重大影響，引起了人們極大的關注[1，2，3，11]。據估計，2019年全球糖尿病患病率為9.3%(4.63億人)，2030年將升至10.2%(5.78億人)，2045年將升至10.9%(7億人)，每2名糖尿病患者中就有1名(50.1%)不知道自己患有糖尿病。據估計，2019年全球糖耐量受損的患病率為7.5%(3.74億人)，預計到2030年將達到8.0%(4.54億人)，2045年將達到8.6%(5.48億人)。此現象給全世界造成極大的負擔[1]。OA是全世界最常見的慢性關節病，也是致殘的主要原因。總體而言，估計60歲以上的男性約有10%，女性約有18%[12]。這是一種進行性、衰弱性退行性關節疾病，選擇性地影響滑膜關節，這一數據給全球敲響了警鐘。

目前OA軟骨退變伴有T2DM的患者越來越多，OA軟骨退變發病率的增加不僅是因為預期壽命的延長，還因為現代的生活方式，尤其是缺乏運動和低纖維、富含糖的飲食[13]。此外，T2DM被認為是一個利于OA軟骨退變發展和進展的重要因素，特別是在長期超負荷施加的關節，如膝關節。在一項調查中發現糖尿病患者中患骨關節炎患者的比例很高，在患有糖尿病的人群中，47.1%的患者患有OA，都有或輕或重的軟骨退變，這也表明大約每2名糖尿病患者中就有1名軟骨退變，而在患有骨關節炎的人群中，糖尿病人數占54.0%[14]。在影像學方面，Neumann等[4]在24個月內對392例OA患者(196例T2DM患者，196例非糖尿病患者)進行膝關節磁共振檢查，發現T2DM患者的軟骨損傷T2值增加更快，除了髕骨區軟骨，脛骨外側區、脛骨內側區、股骨外側區以及股骨內側區軟骨相比于非糖尿病患者都有顯著差異，軟骨基質退化速度更快，膝關節結構變性明顯加重，軟骨結構組成更加不均勻，表明關節軟骨退化相對更快。Chanchek等[5]對T2DM和非糖尿病患者進行磁共振隨訪，發現與非糖尿病對照組相比，T2DM患者膝關節軟骨在每個間室(髕骨區、股骨內側區、股骨外側區、脛骨內側區、脛骨外側區)T2值均升高且更不均勻，表明關節軟骨變性增加，當使用矢狀面T2顏色以及相應的紋理映射軟骨損傷時發現T2DM患者顯示了更大范圍的損傷，軟骨基質退變更嚴重。Foreman等[6]評估T2DM和非糖尿病組軟骨深層生物化學組成的差異，發現T2DM患者深軟骨層礦化作用增強，最終導致軟骨的缺損。以上這些研究說明二者之間有某些相關性，研究二者之間具體的相關性也成為了一項挑戰。

2 自 噬

自噬是一種負責維持代謝平衡的細胞穩態機制，主要通過清除和降解受損的細胞內產物，這些產物被隔離在自噬體中進行降解和利用，自噬受許多基因調控，如自噬的主要效應因子微管相關蛋白1輕鏈3(microtubule-associated protein 1 light chain3，LC3)[15]。關節軟骨是一個以細胞低代謝率為特征的組織，而自噬在關節軟骨中起著重要作用，如調節功能失調的細胞器和大分子的去除，還可以激活保護人軟骨細胞線粒體的功能[16]。更重要的是，自噬是調節高血糖和高胰島素血癥過程中不可或缺的一環。基礎水平的自噬活性對于包括軟骨在內的許多組織的穩態必不可少，自噬是軟骨穩態的中心機制，自噬基礎水平的缺陷與各種退行性和代謝性疾病有關[17]。葡萄糖和胰島素在這一循環通路中的作用仍在探索。

有研究通過測定LC3 Ⅰ脂化和轉化為LC3 Ⅱ，把它作為自噬激活和自噬小體形成的標志，分析了高糖和胰島素對自噬途徑的作用，胰島素對LC3 Ⅱ的表達在治療6 h后顯著降低。基于熒光的LC3亞型檢測顯示，胰島素治療后LC3斑點顯著減少，表明自噬小體的形成減少[18]。這些數據表明，人類軟骨細胞在高葡萄糖和胰島素的作用下，自噬活性顯著降低，相同的是，自噬的減少可以增加高葡萄糖在人類軟骨細胞破壞的風險。此外，糖尿病經常需要長期的胰島素治療，可能導致軟骨等組織超負荷。事實上，糖尿病患者的關節損傷嚴重程度更高。

總的來說，高糖環境有利于抑制軟骨細胞自噬，比如具有重要抗氧化特性的血紅素氧化酶-1，這導致氧化應激的增加，從而促進前列腺素E2(prostaglandin E2，PGE2)、白細胞介素-1(interleukin-1，IL-1)、白細胞介素-6(interleukin-6，IL-6)、白細胞介素-10(interleukin-10，IL-10)和腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF)的分泌，這些都是強炎性介質[19]，從而促進了軟骨損傷病情的發展。最近有研究表明，抑制自噬可以通過降低轉化生長因子-cad1(transforming growth factor-cad1，TGF-cad1)的表達，增加基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMPs)/組織金屬蛋白酶抑制劑(tissueinhibitor of matrix metalloproteinases，TIMPs)比值，促進細胞外基質降解[20]。另有研究通過確定自噬是否參與了晚期糖基化終末產物(advanced glycation end products，AGEs)影響的軟骨細胞的病理過程，并研究自噬在AGEs誘導的細胞凋亡和基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)-3、MMP-13表達中的確切作用，證明了自噬與大鼠軟骨細胞的AGEs相關病理有關，并在AGEs誘導的細胞凋亡和MMP-3、MMP-13表達中起保護作用[21]。

3 晚期糖基化終末產物

高胰島素血癥最常由糖尿病早期胰島素的抵抗引起，可促進軟骨降解。例如，晚期糖基化終末產物，即發生糖基化的蛋白質或脂質，會在老化的軟骨中積累[22]，蛋白多糖和膠原合成減少，導致軟骨脆性降低，更容易發生機械損傷。軟骨細胞表現出AGEs受體，表明AGEs在正常的細胞更替和軟骨重塑中發揮作用，但是，大量的AGEs會增加慢性退化型疾病發生的風險[23]。研究表明，AGEs通過調節過氧化物酶體增殖物激活型受體(peroxisome proliferator activated-receptors，PPARs)信號通路來誘導人類軟骨細胞的炎癥反應、MMP-13和IL-6的產生以及Ⅱ型膠原的減少[24]。IL-6是一種具有廣泛生物活性的多功能細胞因子，包括介導急性期反應和對骨代謝的影響，OA患者表現出IL-6水平升高[25]。

除此之外，AGEs還可以誘導血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)產生[26]，而VEGF是參與OA進展的破壞因子。通常VEGF的主要功能被認為是參與病理組織中血管內皮細胞的受體結合后的血管生成，在炎癥和傷口愈合中發揮核心作用。除此之外，VEGF與內皮細胞上的受體結合刺激了趨化性和MMPs的產生。VEGF及其受體在OA軟骨中表達，通過刺激OA軟骨細胞產生MMP-1和MMP-3[27]。另有研究發現高血糖相關的AGEs與糖尿病OA患者的磷脂酰膽堿代謝改變有關[28]。AGEs在關節軟骨的積累被認為是骨關節炎發展的主要危險因素。為了探討AGEs在人類軟骨細胞中的作用，并確定過氧化物酶體增殖活化受體對AGEs誘導的細胞自噬的影響，研究使用過氧化物酶體增殖活化受體抑制劑或激動劑吡格列酮或使用不同濃度的AGEs處理人類軟骨細胞后，測量細胞存活率，結果為高劑量和長時間暴露于AGEs中的細胞被抑制了細胞活力和自噬能力[29]。總的來說，T2DM患者AGEs的積累加速了軟骨的降解與損害，增高了軟骨損傷的風險。

4 基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMPs)

年齡的增長對各種生理過程都有有害的影響，包括軟骨再生。AGEs在關節軟骨細胞中表達，可刺激OA軟骨細胞增加MMP-3、MMP-13的生成。這進一步誘導基質金屬蛋白酶的釋放，導致基質金屬蛋白酶誘導的Ⅱ型膠原的持續降解[30]。雖然維持體內平衡需要有規律的細胞代謝，但這種降解和再生過程中的任何失衡都可能導致病理性的反應。MMPs的過度表達破壞Ⅱ型膠原是OA發生和發展的關鍵因素。其中，MMP-3和MMP-13被認為是主要的膠原降解酶[31]。MMP-13不可逆轉地降解軟骨膠原基質，在骨關節炎的進展中起重要作用。MMP-13具有蛋白水解能力，提示它是一種強大的、具有潛在破壞性的蛋白酶；因此，長期以來人們認為MMP-13不會在大多數成人組織中產生。但最近的研究表明，雖然從健康成人分離的人類軟骨細胞表達和分泌MMP-13，但MMP-13迅速被軟骨細胞降解，這表明自噬在調節MMP-13中發揮關鍵作用[32]。換言之，糖尿病患者自噬能力的減弱降低了降解MMP-13的能力。

在早期OA中，Ⅱ型膠原變性水平顯著增加，并伴有膠原酶降解導致的分子損失，同時伴有Ⅱ型膠原和蛋白聚糖聚合物等基質分子合成的增加，新合成的分子經常受損，這會損害任何修復受損的軟骨細胞外基質。此外，軟骨細胞的增殖受限是很重要的，這是由于大塊的受損膠原纖維占據了細胞外基質的大部分。最近的研究使用MMP-13抑制劑治療OA，重點是其酶抑制特性，MMP-13介導的調控可能通過相互作用因子的功能、自噬過程和表觀遺傳修飾來改善或抑制OA的發生[33]。自噬的失衡使軟骨細胞合成代謝和分解代謝途徑向后者傾斜，導致骨關節炎關節軟骨細胞外基質蛋白的異常轉換和丟失。因此，分解代謝導致細胞外基質蛋白損失增加。也有證據表明軟骨細胞凋亡頻率增加，損害了關節軟骨進行修復的能力。

最近的研究集中在觀察遺傳機制和相關的小分子核糖核酸(microRNAs，miRs)在調節OA軟骨基因上的表達。一些miRs被認為是軟骨細胞信號通路、凋亡和蛋白酶基因表達的調節因子。例如，在OA軟骨中，miRs表達的降低與COL2型膠原(type Ⅱ collagen，COL2)的降低耦合，而MMP-13水平升高，提示MMP-13基因表達與Ⅱ型膠原纖維的α1基因表達相關。這些研究的結果表明，miRs可能成為有用的生物診斷標志物，以及為干預糖尿病OA軟骨退變提供新的治療靶點[34]。

5 總 結

總的來說，過量的葡萄糖導致細胞代謝和形態改變，以及細胞外基質結構改變，這是由于膠原合成的減少和蛋白多糖分解代謝的增加引起，隨后細胞外基質內的破壞促進了軟骨降解。晚期糖基化終末產物的積累、基質金屬蛋白酶的增多以及自噬能力的降低可能共同促進OA軟骨退變的發展。

隨著人們生活水平的提高，T2DM伴發軟骨退變的患者越來越多，嚴重影響患者的日常生活，給全社會帶來巨大的壓力。目前越來越多的學者在研究軟骨退變的危險因素時將T2DM考慮在內，早期診斷和治療T2DM可能是預防和改善軟骨退變病情的方法。這些新發現為更好地了解T2DM和軟骨退變之間的相關性開辟了道路，我們可以期待更多的前瞻性研究。