能量代謝介導炎癥反應在運動促進T2DM骨質疏松中的作用機制

余慧琳 陳祥和 楊康 唐鶯

(1揚州大學體育學院，江蘇 揚州 225127；2蘇北人民醫院康復醫學；3常州紡織服裝職業技術學院體育部)

2型糖尿病(T2DM)抑制骨形成，促進骨吸收、骨代謝失衡，引起骨質疏松(OP)。T2DM患者患OP的風險遠高于正常人。在分子機制研究層面，T2DM OP的發生與胰島素抵抗(IR)、長期高血糖狀態使糖基化終產物(AEGs)積聚、和炎癥反應等因素有關。能量代謝或炎癥反應介導T2DM骨代謝改善OP是進來研究的熱點。能量代謝紊亂，會導致脂肪過度積累，脂肪細胞增多，體積增大和脂肪組織內大量巨噬細胞浸潤，引起胰島素抵抗(IR)，胰島素分泌減少〔1〕。持續的IR會造成血糖升高致使T2DM〔2〕。T2DM抑制骨形成以減少骨量，伴隨著骨形態發生蛋白(BMPs)、骨鈣素(OCN)、Ⅰ型膠原蛋白(Col)Ⅰ及正核心結合因子(Runx)2表達下調〔3〕。如今，有關能量代謝介導T2DM骨代謝的學術研究有很多。如T2DM會致使腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)表達下調，經內皮型一氧化氮合酶(eNOS)/一氧化氮(NO)抑制骨形態發生蛋白(BMP)-2及下游Runx2，抑制T2DM的成骨細胞(OB)分化〔4〕；沉默信息調節因子(SIRT)1作為能量傳感器和Wnt/β-catenin途徑的調控因子，通過磷酸化下游Runx2、Osx、OCN等關鍵因子，促進骨形成〔5〕。AMPK、哺乳動物雷帕霉素(mTOR)和SIRT1等能量代謝因子通過影響護骨素(OPG)/核因子(NF)-κ B受體活化因子配體(RANKL)/NF-κB受體活化因子(RANK)分子軸與其下游的BMP/Smad及鈣調磷酸酶(CN)/活化T細胞核因子(NFAT)等信號通路，對OB與破骨細胞(OC)產生影響，致使骨代謝紊亂?，F在發現，IR會引起炎癥因子腫瘤壞死因子(TNF)-α、C反應蛋白(CRP)、白介素(IL)-6和IL-1β等表達上調，同時加快胰島素受體底物2的降解，促進胰島β細胞凋亡。IL-6、TNF-a和IL-1β等主要來源于巨噬細胞、脂肪細胞和內皮細胞，促進破骨細胞的增殖與活化，降低成骨細胞的活性，導致骨吸收增強和骨形成減少，引起OP。研究顯示，炎癥反應參與T2DM發病，且在T2DM發病中起媒介作用〔6〕。此外，T2DM患者體內有較多的糖化終末產物(AGEs)，加重炎癥反應，加重T2DM。炎癥反應中最關鍵的信號通路是NF-κB通路，其一旦被激活，相關的TNF-α、CRP、IL-6和IL-1β等炎癥因子或蛋白表達上調，加重T2DM，導致OP。如T2DM會引起NF-κB表達上調，NF-κB通過減少經典β-catenin抑制成骨分化〔7〕。而運動改善T2DM骨代謝紊亂，抑制OC骨吸收并促進OB骨形成。研究證實，能量代謝調節因子AMPK、mTOR和SIRT1在運動改善骨代謝中具有重要的作用，主要通過OPG/RANK/RANKL、eNOS/NO、Wnt/β-catenin和磷脂酰肌醇三激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)途徑來發揮調控T2DM骨代謝的作用。而炎癥反應在T2DM發生中有重要作用，會加劇胰島素抵抗和胰島β細胞的凋亡，加重T2DM〔8〕。運動會改善炎癥反應，進而改善T2DM OP〔9〕。本文對能量代謝介導炎癥反應在運動促進T2DM OP中的作用機制進行綜述。

1 T2DM OP

T2DM IR和胰島素分泌不足，會讓機體一直處于高血糖的狀態〔10〕，機體內多種器官系統會受到損害，如骨組織。骨組織受到損害表現為OB和OC發生異常，骨代謝平衡被破壞，導致骨代謝紊亂。IR會促進OB分化和骨形成能力及增強OC骨吸收能力，抑制骨重塑，減少ColⅠ，導致OP的發生，主要表現為骨形成下降和骨吸收增強。T2DM IR與肥胖有關，肥胖的T2DM患者體內的脂肪組織能分泌前炎癥因子，而炎癥因子會引起骨代謝異常致使骨丟失〔11〕。徐飛等〔12〕研究得出T2DM小鼠的骨吸收加快而骨形成不足，導致其骨量下降及骨折風險增大。T2DM一直處于高血糖的狀態，這種狀態會抑制胰島素樣生長因子(IGF)-1的合成，使其減少釋放，IGF-1的下降會影響OPG/RANKL/RANK系統，與OP的發生緊密聯系〔13〕；同時增加AGEs，抑制OB增值及骨形成，同時作用于AGEs受體，產生IL-1、IL-6，促進OC分化，致使骨吸收增強，有研究顯示T2DM高血糖對OC分化有正性調節作用，從而導致OP。而高糖亦可通過抑制NF-κB活性影響RANKL誘導的OC形成和分化，影響骨轉換〔14〕。因此，T2DM骨代謝紊亂的發生主要還是因為IR和高血糖破壞了OB和OC骨穩態的平衡，最終導致OP。

2 能量代謝介導T2DM病骨代謝

AMPK、SIRT1、mTOR和OCN作為能量代謝轉換器，在T2DM骨代謝中發揮著重要作用〔15〕。有研究顯示，能量代謝紊亂會使腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)/腺嘌呤核糖核苷酸(AMP)比值下降，下調AMPK表達，引起T2DM，而AMPK可通過OPG/RANKL/RANK，PGC-1Β，PI3K/AKt，應激活化蛋白激酶(SAPK)和SAPK/c2Jun氨基末端激酶(JNK)調控OC分化及骨吸收的能力，或通過抑制BMPS/Samd信號途徑、胰島素樣生長因子(IGFs)和激活IL-6和含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(Caspase)-3來抑制OB分化及骨形成〔16，17〕；同時AMPK與SIRT1結合調控mTOR和輔助激活因子(PGC)-1α，作用于OB和OC分化。能量代謝因子SIRT1調節糖功能異常亦是T2DM重要的病理機制，而SIRT1表達下調抑制T2DM的OB分化及骨形成〔18〕。支力強等〔19〕研究證實SIRT1對大鼠成骨細胞分化的影響可能是通過PI3K-AKT通路進行調控，進而影響OP；mTOR是AMPK下游的重要信號分子，其對OC的分化和功能起著關鍵作用，巨噬細胞集落刺激因子(M-CSF)、TNF-a和RANKL通過mTOR信號來促進OC的功能。

OCN影響糖、脂代謝，導致胰島素濃度、分泌和血糖的表達，當OCN缺失時，血糖升高、胰島素濃度下降和胰島素分泌減少〔20〕。而T2DM因IR和胰島素分泌不足而引起的，OCN的缺失可能會致使T2DM。有研究顯示，OCN在骨吸收過程中也發揮作用，其介導瘦素是通過交感神經系統(SNS)作用于成骨細胞上的受體，誘導RANKL表達，有利于OC的分化〔21〕。

3 炎癥反應介導T2DM OP

3.1炎癥因子與IR 炎癥反應是T2DM的病理基礎之一，貫穿T2DM的始終，IR是T2DM發病機制之一，炎癥反應和IR有著密切的聯系，表現為血液中炎癥因子TNF-α和IL-6濃度增加，炎癥蛋白NF-κB表達量異常增加〔22〕。TNF-α通過誘導胰島細胞的凋亡導致或加重T2DM，同時通過激活NF-κB抑制因子激酶(IKK)，使κB抑制因子(IKB)磷酸化而激活NF-κB，而反過來NF-κB又促進TNF-a轉錄，從而形成低度炎癥信號的正反饋環，導致或加重IR〔23〕。IL-6是活化的T細胞產生的一種細胞因子，能促進B細胞活化，分泌大量IgG，造成殺傷性T細胞的過度活化，引起胰島β細胞的死亡，其通過降低葡萄糖轉運蛋白(GLUT)4mRNA的表達，削弱胰島素刺激的葡萄糖轉運功能，升高血清游離脂肪酸，促進脂質氧化，抑制脂肪組織脂蛋白脂酶活性等途徑對抗胰島素作用〔24〕。研究顯示由巨噬細胞、脂肪細胞產生的炎癥因子TNF-α、IL-6、CRP和IL-1β引起IR，會下降IRS-絲氨酸磷酸化和GLUT4活性導致胰島素信號轉導下降；同時下調脂聯素和瘦素，降低胰島素敏感性；還可降血脂，使外周FAA含量上升；可激活炎癥通路蛋白(如IKK、NF-κB和JNK1等)；最終導致持續的IR，加劇炎癥反應。IKK-β/NF-κB是炎癥反應中最關鍵的信號通路，在IR中起中心作用〔25〕。如骨骼肌IR的發生，游離脂肪酸(FFA)通過激活IKK蛋白進一步激活NF-κB蛋白，被活化的NF-κB會轉錄釋放TNF-α、IL-6和IL-1β等促炎因子和激活JNK1蛋白，同時抑制骨骼肌胰島素受體底物-1的表達及其磷酸化，阻礙胰島素信號的傳遞，降低葡萄糖吸收及糖原合成，導致血糖升高，加重T2DM〔26〕。

另一類是改善IR的炎癥因子：瘦素、內臟脂肪素、脂聯素和IL-10；也會激活JNK、NF-κB、絲裂原活化蛋白酶(MAPK)和信號轉導及轉錄激活因子(STAT)通路干擾胰島素信號通路。脂聯素和瘦素是對立的兩個細胞因子，較高的瘦素水平會抑制脂聯素發揮其胰島素增敏作用。通常較低的脂聯素水平，是T2DM預測的指標。T2DM瘦素水平較高，瘦素抑制了骨骼肌 AMPK磷酸化，導致瘦素抵抗，高瘦素水平使得瘦素/AMPK/胰島素作用途徑受阻，導致IR加劇，加重T2DM。黃彩華等〔27〕采用GEE線性模型的分析方法，研究發現瘦素水平下降伴隨著胰島素敏感性提高，而未發現脂聯素水平與胰島素敏感性之間的關系。得出脂聯素對T2DM患者具有胰島素增敏作用，若是患者瘦素水平較高，則可抑制脂聯素發揮其作用。因此，只有在瘦素水平較低的情況下，脂聯素才能發揮其生理作用。提示T2DM IR會引起炎癥因子的釋放，導致炎癥反應。

3.2炎癥反應介導T2DM對骨的影響 OB由骨髓間充質干細胞(BMSCs)分化產生〔28〕。OC由造血干細胞(HSC)分化產生。OB、OC和軟骨細胞一起維持機體骨代謝平衡，而影響骨代謝的主要信號通路是OPG/RANKL/RANK、轉化生長因子(TGF)-β/Smad、BMPs/Smad、Wnt/β-catenin、CN/NFAT和環磷酸腺苷(cAMP)/環磷腺苷效應元件結合蛋白(CREB)/激活轉錄因子(ATF)4等。T2DM抑制OB分化，促進OC分化，導致骨代謝紊亂發生，受眾多信號途徑或分子調控。T2DM可激活MAPK途徑，IL-1、轉化生長因子(TGF)-α等炎癥因子可激活p38絲裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)途徑，上調基質金屬蛋白酶(MMP)-13表達，抑制軟骨細胞分化產生。作為慢性低度炎癥，炎癥反應會加重T2DM和骨代謝紊亂的發生〔29〕。

研究顯示，TNF-α、IL-6和IL-1β是最強的骨吸收刺激因子，促進OC的增值和分化。大量研究證實，細胞因子如TNF-β、IL-1，IL-6 等，通過OPG/RANKL/RANK來調節骨代謝。由巨噬細胞產生的TNF-α，通過影響胰島素的信號轉導通路促進脂肪分解和游離脂肪酸的增多，引起IR〔30〕。調節一系列免疫應答包括炎癥反應、細胞增殖和凋亡，是骨代謝和重塑的重要調節因子，可通過影響RANKL及RANK導致骨代謝異常。研究證明炎癥因子TNF-α通過NF-κB抑制Samd活化減少骨形成〔31〕。由脂肪細胞分泌的IL-6在T2DM炎癥狀態形成過程中發揮重要的作用，同時IL-6是TNF-α調節OC活性的下游細胞因子，可抑制OB功能，同時可作用于RANKL-骨保護素功能軸，降低骨保護素的表達并抑制其功能〔32〕。也可通過誘導Tho細胞向輔助性T細胞(Th)17細胞分化，Th17細胞可募集并激活其他免疫細胞產生細胞因子IL-1β和TNF-α，從而影響RANKL/OPG，上調RANKL的表達，減少OPG的表達，對OC產生影響〔33〕。而IL-6還能刺激增加血清淀粉樣蛋白(SA)A的合成和分泌，SAA的增加能夠刺激IL-6的分泌增多，IL-6通過與受體結合促進OC的增值與活性，降低OB的活性，打破OB和OC活性的平衡，加強IR，從而導致OP〔34〕。

4 能量代謝介導炎癥反應在T2DM骨代謝中的機制

在前文中已證實能量代謝因子AMPK、SIRT1和mTOR及炎癥相關因子TNF-α、IL-6、NF-κB、IL-β、脂聯素和瘦素，都影響T2DM骨代謝，其中能量代謝因子介導炎癥相關因子的炎癥反應研究有很多，如有研究表明AMPK介導炎癥反應的發生，NF-κB為AMPK的下游作用蛋白，p-AMPK可通過抑制NF-κB向細胞核內的轉移，從而阻止促炎性細胞因子的產生〔35〕。在能量代謝因子影響T2DM骨代謝過程中炎癥因子也起著關鍵作用。

脂聯素是由脂肪細胞合成、分泌的一種血清蛋白，可與胞外基質相互作用從而有減輕IR及抗炎的作用，可抑制NF-κB的激活，間接地發揮抗炎作用，也可通過抑制CRP、IL-6減少TNF-α達到抗炎作用。在對T2DM的研究中發現脂聯素能減輕高血糖誘導的氧化應激和炎癥反應，而這一作用也與AMPK密切相關，主要是通過與其Ⅰ型受體結合激活AMPK，而AMPK可通過增強SIRT1活性、mTOR、PI3K/Akt/糖原合酶激酶(GSK)-3β/cAMP反應原件結合蛋白(CREB)來抑制炎癥反應，脂聯素通過激活p38MAPK發揮改善IR和抗炎。而IR會下降OB的分化和增強OC的分化，脂聯素可通過AMPK影響IR，并且有研究關于脂聯素通過AMPK信號通路促進T2DM小鼠骨骼肌支鏈氨基酸(BCAA)分解代謝〔36〕，而骨骼肌不僅是IR發生的重要部位，同時也是參與骨代謝的重要器官，那么脂聯素就可通過AMPK信號通路來調節炎癥因子促進T2DM骨代謝。有研究發現，T2DM合并OP患者血清APN的水平明顯比正常的T2DM患者低，APN影響T2DM骨代謝。且APN水平降低會使機體對胰島素敏感性下降，是導致T2DM骨密度降低，發生OP的原因之一〔37〕。已有大量的研究證實參與T2DM的炎癥反應對骨代謝具有一定的影響。

由肥胖引起的T2DM會伴隨瘦素抵抗，主要是由于瘦素發揮不了其功能，導致過度的堆積，且瘦素與胰島素成正相關。瘦素主要是通過與分布于中樞神經系統和外周組織的瘦素受體結合發揮其生理作用。在OB中，瘦素通過OPG/RANKL信號通路促進OB的增殖分化。瘦素作用于BMSCs使得BMSCs形成骨保護素的量增多，并減少了RANKL的分泌，從而抑制了OC的分化。同時，瘦素還抑制BMSCs向脂肪細胞分化，促進骨髓基質細胞系中的成骨基因表達誘導成骨分化〔38〕。作用于下丘腦，調節脂肪代謝從而使體重下降，其可通過中樞作用抑制骨形成，通過刺激交感神經而影響骨質的生成。方妙貞〔39〕研究表明，瘦素影響T2DM患者骨代謝，且其水平越高越容易發生OP。

5 能量代謝介導炎癥反應在運動促進T2DM骨代謝中的機制

長期適當的強度運動訓練，能有效降低血糖水平，降低IR，改善骨代謝紊亂，緩解炎癥反應和氧化應激。研究顯示，T2DM小鼠骨骼肌分泌的促炎因子TNF-α、NF-κB、MCP-1和CRP可通過直接或間接形式抑制胰島素信號，導致糖代謝紊亂加重IR和T2DM，由此形成一個惡性循環，使得炎癥反應不斷惡化。AMPK可通過增強SIRT1活性抑制炎癥反應，通過激活AMPK/SIRT1信號通路抑制NF-κB活性，且NF-κB是炎癥相關的重要信號通路〔40〕。研究顯示AMPK/SIRT1/NF-κB信號通路與骨骼肌炎癥反應存在一定的聯系。AMPK/SIRT1/NF-κB信號通路中AMPK的表達受抑制導致NF-κB轉錄水平顯著上調，進而減少下游靶基因IL-10mRNA表達，加速促炎因子的產生〔41〕。T2DM小鼠骨骼肌中AMPK蛋白表達及活性顯著下降，張坦〔41〕通過6 w游泳運動觀察運動對糖尿病小鼠骨骼肌AMPK/SIRT1/NF-κB炎癥信號通路的影響，發現運動能夠顯著增加AMPK基因表達，能緩解糖尿病所引起的AMPK/SIRT1/NF-KB通路被抑制效應。因此，運動可上調AMP/二磷酸腺苷(ADP)的比值，激活AMPK，激活后的AMPK通過高濃度的NAD+激活SIRT1和PGC-1α，最終SIRT1去乙?；疦F-κB復合而抑制其介導的炎癥反應，減少促炎因子TNF-α、IL-6和IL-1β的釋放，增加IL-10的釋放，緩解IR，從而改善T2DM骨代謝紊亂。

在小鼠爬梯運動模型中發現，28 d爬梯訓練小鼠，骨髓間充質干細胞(MSC)的成骨潛能顯著增加，骨髓中脂肪細胞數量下降，OB數量升高，增加OCN的分泌量。急性有氧運動后，OCN羧化水平提高，血清uOCN含量上升，促進胰腺分泌胰島素，或提高胰島素敏感性，進而降低T2DM的血糖水平〔42〕。運動可引導T2DM中MSC的分化途徑，提高T2DM中OB/骨細胞的合成，增加OCN的含量，提高運動者血清uOCN水平，從而調節葡萄糖水平。骨鈣素可介導瘦素促進OC分化，主要是通過SNS作用于成骨細胞上的受體，誘導RANKL表達，有利于OC的分化，而運動會下調RANKL的表達，抑制OC分化，提高骨質量來預防T2DM。因此運動可上調OCN介導瘦素，來改善T2DM骨代謝紊亂〔42〕。

脂聯素主要通過與骨骼肌的脂聯素受體(AdipoR)1或者肝臟上AdipoR2結合，進而調節下游多種信號通路，如脂聯素通過AdipoR1/AMPK/ SIRT1通路對骨骼肌產生影響，而SIRT1通過加強叉頭框蛋白(FOX)O1轉錄活性反過來促進脂肪細胞脂聯素的分泌，耐力運動會升高脂聯素水平、激活AMPK、上調SIRT1，研究表明脂聯素介導耐力運動促進SIRT1表達〔43〕。激活的AMPK促進T2DM OB分化及骨形成，并抑制OC分化及骨吸收，改善OP〔44〕。上調SIRT1表達，可激活下游Notch、Wnt和MAPK途徑，進而改善軟骨細胞。因此運動可升高脂聯素水平，通過AdipoR1/AMPK/SIRT1通路改善T2DM骨代謝紊亂。

綜上，關于能量代謝和/或炎癥反應介導T2DM引起OP的研究較多，而關于能量代謝介導炎癥反應在T2DM OP中的作用的研究很少。通過對已有相關文獻分析，炎癥因子TNF-α、IL-6和IL-1β等不僅可增強IR，還可通過OPG/RANKL/RANK等途徑對骨代謝產生影響，而能量代謝因子AMPK、SIRT1和OCN不僅自身可引起T2DM，也可通過介導炎癥反應發生T2DM，使T2DM病情加重，骨代謝紊亂加重。運動作為改善T2DM OP的有效手段，在能量代謝介導炎癥反應促進T2DM OP中發揮著重要作用。運動可上調AMPK，OCN和脂聯素分別通過AMPK/SIRT1/NF-κB、瘦素/OPG/RANKL和AdipoR1/AMPK/SIRT1途徑減少炎癥因子TNF-α、IL-6和IL-1β等產生，抑制炎癥反應，改善IR，從而改善T2DM骨代謝紊亂，影響OP。而關于能量代謝介導炎癥反應在運動促進T2DM OP中的作用機制的相關研究很少，有待進一步研究。