運動、飲食對肥胖小鼠Sost與骨代謝的影響

（沈陽體育學院 遼寧 沈陽 110102）

前言

隨著現代人們生活品質不斷提高，肥胖原因引起的代謝失調綜合征癥狀呈現逐年快速上升的發展趨勢。據臨床流行病病理學資料分析顯示，肥胖與導致骨質疏松疾病的發生有密切關聯。骨質疏松(OP)骨病是由多種不同致病病理因素綜合引起的一種以軟骨量、骨量明顯減少，骨骼組織微結構受到破壞，導致的骨骼脆性程度增加，易反復發生急性骨折、骨變形為發病特征的典型全身性多發骨病。據統計估算2006年以來我國OP疾病患者累計近7000萬，骨量明顯減少者累計超過2億多人。骨質疏松癥雖然號稱“沉默的殺手”，但由于早期發現癥狀并不明顯，不易被人們及早發現和廣泛關注,一旦其繼續發展演變為重度慢性骨質結構疏松甚至嚴重脆性鈣質骨折，將嚴重影響我們個人日常生活、工作質量，同時給我們家庭生活帶來諸多沉重負擔。OP已經成為我們急需解決的問題。以往醫學研究一直認為肥胖可能會增加人們身體體重負荷從而直接增加骨骼密度，但近年來最新研究結果發現，肥胖人群的骨折畸形發病率、骨質疏松癥仍然要明顯高于正常勞動人群。而運動、飲食作為防治肥胖的有效方式，那么肥胖與運動、飲食干預與骨代謝之間的關系有待探討。

1、肥胖對Sost及骨形成的影響

1.1、骨硬化蛋白Sost

Sost新型基因序列是首先由vanhul等和balemans等在骨硬化關節病(主要特征：骨皮質組織過度生長)和新型vanbuchem癥(特征為全身多發性骨皮質組織增生癥)中進行研究結果發現，其主要特征為由于病人的一個Sost序列基因在骨皮質組織生長中的基因表達速度受到很大限制，因而將新的Sost基因分離出來獲得并被人們稱為“骨硬化蛋白”。目前大量臨床研究成果表明，骨硬化蛋白與慢性骨質疏松、糖尿病、慢性腎盂腎病、骨肉瘤、前列腺癌、骨轉移、脂肪性骨細胞惡性分化等之間均存在較為密切關系骨硬化抑制蛋白已經逐漸成為當前臨床研究中的熱點之一。Shu等實驗證明，抑制Sost基因后，能夠改善卵巢切除術導致的骨質疏松小鼠的骨種植后的固定。并且有研究發現，當對肥胖小鼠體內Sost施加控制時，骨形成通路得以繼續形成、表達、發揮作用。說明骨硬化蛋白Sost在骨代謝過程中起著負性調控作用。

1.2、肥胖與 Sost

炎癥反應作為肥胖與骨質疏松的橋梁，研究表明炎癥因子TNF-α水平在肥胖患者血清中明顯升高，Sost基因和蛋白的表達會受多種因素和細胞因子的調控，而慢性肥胖引起的炎癥因子TNF-α能夠通過調節Sost來調控骨代謝。beak等研究發現通過12周高脂的飲食方式喂養過的小鼠會形成肥胖，小鼠血清中TNF-α表達水平及小鼠股骨骨組織中TNF-α表達濃度明顯高于對照組小鼠。vincent的實驗結果說明，TNF-α表達能夠有效誘導出成骨細胞中具有mapk細胞依賴性的基因調節細胞sost的基因表達，且體外實驗結果證明，在多個mc3t3-e1細胞及不同原代的人成骨細胞中，對骨細胞加以不同濃度、不同控制時間的TNF-α，發現血清TNF-α表達增加可調節Sost濃度及表達水平，并且這種基因調控劑的作用還會隨調控時間的不斷延長或基因濃度的不斷增加而越來越明顯。sandi等將11周的成年小鼠切除囊性卵巢后，多次進行低劑量藥物注射（使用鏈脲佐菌素），造成小鼠高血糖合并肥胖Ⅱ型糖尿病模型，通過自體免疫組化和細胞檢測，結果發現在雙股骨中TNF-α因子含量明顯相對于假手術組顯著有所增多，并且細胞培養也可以發現，在機體炎癥變化狀態的強烈刺激下，成骨細胞中TNF-α的異常表達又可能會明顯加劇，嚴重影響了骨的健康。Beak等研究通過12周高脂飲食喂養造成小鼠肥胖，檢測其股骨中TNF-α表達有所增加，并在體外細胞培養實驗中發現TNF-α增加時Sost表達也有所增加。通過免疫組化和mRNA檢測發現股骨中TNF-α含量相對假手術組顯著增多，并且細胞培養也發現，在炎癥狀態的刺激下，成骨細胞TNF-α的表達又會加劇，嚴重影響了骨的健康。NF-κB表達作為大鼠TNF-α與大鼠Sost分泌間的關鍵通路因子，在其他相關研究中也有得到充分證明，與肥胖慢性骨髓炎癥、甚至骨質疏松發生是密切相關的。cortez等研究通過對兩個月的雄性肥胖wistar大鼠進行喂養高糖高脂增脂飲食12周后，分離出大鼠骨髓間充質干細胞，對大鼠TNF-α以及NF-κB表達進行了定量基因檢測，發現高糖高脂增脂飲食方式喂養大鼠能夠直接導致大鼠TNF-α以及NF-κB的表達增加。許建國以雄性wistar雄性肥胖大鼠為主要實驗研究對象，采用高脂高糖飲食方式喂養并將其結合鹽酸鏈脲佐菌素進行腹腔輸液注射，造成典型Ⅱ期糖尿病性肥胖癥小鼠并伴有骨質疏松癥的模型，RT-PCR分別檢測小鼠骨髓間組織中β-catenin、Runx2表達，較正常對照組的表達均明顯降低，而NF-κB在其中的表達明顯增加。由此可見，炎癥因子TNF-α極大程度上是通過NF-κB通路調控Sost而影響骨形成。

1.3、Sost與破骨作用

之前的研究認為Sost只能通過妨礙成骨細胞的分化來抑制骨形成，但最近幾年研究發現Sost還能夠增加RANKLmRNA表達,并且是呈劑量依賴性的。具體通過使它的opg mRNA的活性表達比值減少，使RANKL/OPG的表達比值上升，并且通過依賴它的rankl，進一步激活其他破骨細胞的生成功能，發揮它的活性破骨促進作用。對健康類型受試者的臨床研究中我們發現，sclerostin的聯合抗體能有效降低Ⅰ型的骨膠原羧基細胞末端肽(pinp)等骨骼的吸收功能指標，并使其呈現在劑量上的依賴性。這也就說明Sost不僅顯著抑制磷酸成骨酶，還有可能通過磷酸介導骨細胞性的骨皮質溶解從而促進骨的細胞分解以及代謝改變情況。和Sost對骨形成的作用相比較來說，Sost對骨吸收的作用機制情況目前還不是十分明確的，有待于今后的更深入的研究。

2、運動、飲食干預對Sost的影響

生物力學負荷是能夠調節骨骼的生長、骨的發育和重建骨的一個重要又關鍵的因素。研究發現，骨硬化蛋白Sost是一個對力學負荷敏感的蛋白，因為它的表達能夠被力學負荷所調控。有關小鼠在體實驗研究如下：Robling等對C57B1/6J雄性小鼠和Lewis大鼠的尺骨施加了壓力負荷，發現經過施加24h的壓力負荷后，實驗組小鼠Sost的表達量顯著降低，相比較對照組下降了73%，而在為減少應力負荷而懸吊尾部的實驗小鼠中則表現為Sost表達升高。還有一些研究人員發現，同時對Sost已被敲除后的小鼠和野生型小鼠采取相同的尾部懸吊措施，發現在尾部懸吊后，野生型小鼠的后雙下肢wnt/β-catenin尾部信號網絡通路的活性明顯下降，但是對sost-/-小鼠在尾部懸吊后，小鼠后肢前雙下肢的尾部wnt/β-catenin尾部信號網絡通路沒有表現出明顯改變，對于失去負荷性的表現不敏感，骨骼的丟失情況未發生。這些臨床實驗結果充分提示了內應力和負荷機制能夠通過內源性途徑，有效地使骨細胞對骨中Sost的信號表達能力下降，進而使Wnt中的信號轉導通路能夠得到有效激活，從而有效促進骨形成，骨細胞的數量增殖和細胞分化，促進骨的骨骼形成。由此可見，sclerostin通路是直接使骨細胞結構感受失去機械介導應力運動負荷的直接刺激，骨細胞形成結構得以被有效調節，這兩個過程的重要橋梁,而其中的wnt/β-catenin信號傳輸通路系統，便是用于介導機械應力及其失去介導應力機械負荷時，對人體骨骼細胞生長發育造成影響的關鍵的一種信號傳輸通路。tu等在對小鼠的臨床實驗醫學研究中已經證實，Sost基因的表達能被機械負荷作用影響下調，從而間接起到通過調節wnt基因信號表達通路作用，而直接影響骨的骨質生成。morse的臨床實驗也充分證實了，骨在適當的機械性和應力下的刺激，能夠通過有效調節骨的Sost生理表達變化情況，而有效促進骨的骨骼形成，對骨骼的代謝功能起到重要調節作用。Laleh等通過實驗證明，經過高脂飲食喂養造成肥胖小鼠Ⅱ型糖尿病的模型，然后進行為期8周的游泳運動干預。其中，施加游泳運動干預的糖尿病小鼠的骨中SostmRNA蛋白的表達水平比安靜組顯著降低，進行游泳運動干預的糖尿病小鼠的骨密度得到了改善。Amrein K等通過橫斷面調查發現得出，人體內sclerostin蛋白的含量與身體骨密度以及骨量是成負相關的，這提示我們在正常情況下Sost基因表達是呈負反饋的調節形式。同時發現在體力活動較多、活動水平較高的人群中，sclerostin蛋白含量是顯著低于體力活動水平相對較低的人群的，這提示我們運動能夠減少機體內sclerostin的表達，從而促進骨的形成。

但總結發現，目前研究大多關注在運動對Sost的調節上，而有關飲食干預對Sost影響方面的研究尚無，可能原因是由于Sost是一個力學負荷敏感蛋白，因此學者的關注點多集中在運動影響上，有關飲食干預的影響還有待更多的研究探討，并且不同的運動干預手段、干預周期對骨質是否都有利，具體有怎樣不同的影響還有待證實。

3、總結

運動和通過飲食進行控制干預作為減肥也是減脂的兩種主要方式，其具體成效在肥胖個體上已是有目共睹的，但通過參加運動或進行飲食控制干預可以降低小鼠體重，是否真的會有效改善肥胖相關的骨質疏松還仍然存在很大學術爭議，但目前已有大量臨床實驗結果證明通過運動、飲食進行控制干預可以有效改善肥胖小鼠體內的慢性炎癥狀態，炎癥反應作為肥胖與慢性骨質疏松的重要橋梁，炎癥反應因子中的TNF-α表達水平在肥胖小鼠患者體內血清中明顯顯著升高，研究表明TNF-α與抑制成骨作用的骨硬化蛋白Sost基因表達關系密切，而Sost可通過抑制經典Wnt通路影響成骨分化，那么是否可以通過運動、飲食干預改善炎癥因子TNF-α水平，同時改善Sost的抑制作用以達到促進成骨目的，防治肥胖引起的骨質疏松，還有待探討證實。