高糖環(huán)境下骨髓間充質(zhì)干細胞分化能力的影響因素

張潔 綜述 賀純靜 審校

(1.貴州醫(yī)科大學,貴州 貴陽 550004；2.貴州省人民醫(yī)院疼痛科，貴州 貴陽 550002)

糖尿病(DM)是一種以血糖升高為特征的全身性代謝性疾病。糖尿病可并發(fā)多種急、慢性并發(fā)癥，嚴重危害患者健康。超過一半以上糖尿病患者可并發(fā)骨質(zhì)疏松[1]，兩者的并存可使骨折風險進一步增加，本文對相關研究作一綜述。

1 糖尿病性骨質(zhì)疏松癥概述

DOP是糖尿病引起的一種慢性骨代謝疾病，臨床早期癥狀不明顯或癥狀輕微，隨著病情的發(fā)展，可表現(xiàn)為全身骨骼疼痛，骨脆性增加，易發(fā)生骨折，可導致糖尿病患者的致殘率增加。糖尿病骨質(zhì)疏松的可能發(fā)病機制包括肌醇破骨活性增高、成骨細胞活性降低及凋亡、間充質(zhì)多潛能干細胞脂肪分化增加等[2-3]，但其具體發(fā)病機制目前仍不十分清楚。目前臨床針對DOP的治療仍以單純糖尿病治療和骨質(zhì)疏松治療為主，治療方法主要是中醫(yī)治療、西醫(yī)治療、中西醫(yī)結(jié)合治療。目前對DOP的治療有一定療效，但專門針對DOP的治療研究仍比較單一。在正常生理條件下，骨改建處于動態(tài)平衡狀態(tài)；而在病理條件下，如DOP的骨改建模式則打破了骨吸收和骨形成的平衡，BMSCs的功能改變與功能障礙是這種病態(tài)式骨改建的根本原因[4]。因此人們開始研究成骨細胞的起源細胞-BMSCs,來闡明骨質(zhì)疏松的發(fā)病機制。

2 骨髓間充質(zhì)干細胞特點及與DOP的關系

BMSCs來源于發(fā)育早期的中胚層和外胚層，主要存在于骨髓中且具有多向分化潛能的多能干細胞，可定向分化為成骨細胞、脂肪細胞、軟骨細胞、血管內(nèi)皮細胞等多種類型細胞[5]。BMSCs作為成骨細胞的來源細胞，在骨形成和修復中發(fā)揮重要作用。在糖尿病的發(fā)生發(fā)展中，高糖微環(huán)境可抑制BMSCs成骨分化能力。而多種糖尿病相關因素、細胞因子、生長因子、信號通路、糖基化終末產(chǎn)物等對BMSCs的成骨、成脂分化發(fā)揮著重要的調(diào)控作用[6]。P.Jin等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在鏈脲佐菌素誘導的糖尿病大鼠中，其BMSCs生物學特性發(fā)生明顯改變，其增殖分化能力及抗凋亡功能明顯受損。高糖環(huán)境可致BMSCs數(shù)量、功能活性下降，增殖分化能力受損，抑制其向成骨方向分化成熟，導致骨形成減少，而糖尿病性骨質(zhì)疏松最可能就是由于BMSCs的耗竭所致。因此，DOP的發(fā)生發(fā)展與BMSCs的功能活性密切相關。

3 各種因子對高糖環(huán)境下骨髓間充質(zhì)干細胞分化能力影響

多種生長因子、轉(zhuǎn)錄因子、細胞因子對BMSCs成骨、成脂分化有著重要的調(diào)控作用。有些細胞因子可以調(diào)控BMSCs向成骨方向分化成熟，而有些因子可以調(diào)控BMSCs向成脂方向分化成熟。

3.1細胞因子、生長因子 堿性成纖維細胞生長因子(bFGF)是具有生物學活性一種細胞因子，不僅在骨修復和再生過程中是具有重要調(diào)控作用的因子,還能調(diào)控人骨髓間充質(zhì)干細胞(hBMSCs)的分化遷移從而參與血糖的調(diào)節(jié)。L.Quan等研究[8]表明在骨折愈合早期，bFGF與成骨細胞表面的受體結(jié)合后，能使其向成骨細胞分化。bFGF在骨形成過程中，能調(diào)控BMSCs向成骨方向分化，是骨再生過程中重要的細胞生長因子。

人成纖維細胞生長因子21(FGF-21)具有多重內(nèi)分泌功能，可通過β-Kloth跨膜蛋白與成纖維細胞生長因子(FGF)受體結(jié)合形成的FGF-21受體復合物起作用[9]。在糖代謝中，F(xiàn)GF-21具有降低血糖及抑制胰高血糖素分泌，提高血清胰島素水平、胰島素敏感性。有研究[10]表明，F(xiàn)GF-21轉(zhuǎn)基因小鼠骨體積分數(shù)、骨小梁數(shù)、骨小梁厚度、骨礦物質(zhì)密度減少，從而引起小鼠的骨量丟失。在體外FGF-21能促進BMSCs成脂分化，抑制成骨分化，并可抑制小鼠BMSCs成骨分化。李茜等[11]研究表明在高糖環(huán)境下FGF-21能明顯抑制hBMSCs骨向分化作用。FGF-21雖然可用于治療糖尿病等代謝性疾病，但FGF-21能抑制hBMSCs向成骨方向分化。

3.2轉(zhuǎn)錄因子 Runxx相關因子(Runxx)家族主要有Runxl、Runx2和Runx3，其中Runx2對成骨細胞、破骨細胞、軟骨細胞的分化成熟及細胞外基質(zhì)的分泌都有重要的調(diào)控作用[12]。且Runx2的表達是成骨細胞開始分化的標志，因此它是骨形成過程中最早和最具特異性的標志基因。Osterix(OSX)是由Runx2所調(diào)控的Runx2下游基因，在誘導前成骨細胞向成骨細胞分化過程中起重要調(diào)控作用的含鋅指特異轉(zhuǎn)錄因子，表達于成骨細胞、軟骨細胞[13]，是在小鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)，也是骨形成過程中所必需的轉(zhuǎn)錄因子之一，缺失時會影響成骨細胞的分化成熟。彭俊等[14]研究表明，mir-125b可通過調(diào)控Runx2/Osx而促進BMSCs向成骨細胞分化，繼而可能在骨折愈合發(fā)揮重要作用。Runx2、Osx轉(zhuǎn)錄因子在骨形成和重建中具有重要的調(diào)控的作用，能夠促進BMSCs向成骨方向分化，如果相關基因缺失，可能會導致骨發(fā)育不全。有研究證實，高糖環(huán)境能使骨髓間充質(zhì)干細胞可過早衰老、死亡，并抑制其分化成熟，因此，可通過調(diào)控各種骨形成相關的信號通路來增強Runx2/Osx基因的表達，從而來促進BMSCs向成骨細胞分化成熟。

核轉(zhuǎn)錄因子過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)是葡萄糖代謝、脂肪代謝過程中的重要調(diào)控因子，可廣泛表達于BMSCs及多種特定分化的母細胞中。在BMSCs分化過程中，PPARγ激活后可導致BMSCs向成骨與成脂分化比例失調(diào)，且PPARγ2是調(diào)節(jié)脂肪細胞分化的主要調(diào)控因子。有研究表明[15]，將小鼠PPARγ基因敲除后，不僅造成脂肪細胞的生成減少的同時促進了成骨細胞生成，而且促進成骨相關轉(zhuǎn)錄因子Runx2、Osx的表達。S.Botolin等[16]研究發(fā)現(xiàn)成年糖尿病鼠脛骨較正常對照組松質(zhì)骨明顯減少，而骨髓中的脂肪組織明顯增多；與此相應的是骨組織中PPARγ2 mRNA的表達增加而骨鈣素mRNA表達明顯降低。因此，PPARγ在BMSCs向成骨細胞及脂肪細胞分化過程中扮演極其重要的角色，在高糖環(huán)境下其可誘導BMSCs向成脂方向分化成熟并通過抑制成骨相關因子來干擾其向成骨方向分化。糖尿病并發(fā)骨質(zhì)疏松患者不推薦使用噻唑烷二酮類降糖藥，避免在降糖過程中加重骨質(zhì)疏松程度，影響患者的愈后。

3.3其他生物活性分子 1-磷酸神經(jīng)鞘氨醇(S1P)是一種具有重要生理功能且具有活性的脂質(zhì)分子，可以調(diào)控細胞炎癥、免疫、凋亡等一系列生物學過程[17]。S1P在骨代謝中發(fā)揮著十分重要的作用，是骨吸收和骨生成重要的聯(lián)絡因子。有研究[18]發(fā)現(xiàn)S1P可同時作用于兩種成骨樣細胞系SaOS-2和MC3T3-E1，S1P可激活細胞的PI3K/Akt通路，上調(diào)成骨分化標記物如骨保護素(OPG)、ALP的表達。另外，有研究[19]發(fā)現(xiàn)，在高糖環(huán)境下，SPHK活性增強，S1P生成增加，導致胰島素分泌增多，也就是說，S1P可以促進葡萄糖刺激胰島素分泌(GSIS)。因此，可以看出S1P在葡萄糖代謝調(diào)節(jié)過程中有重要作用。S1P不僅可促進成骨系細胞向成骨細胞分化，也可以在高糖環(huán)境下促進胰島素的分泌來降低血糖，但S1P是否可在高糖環(huán)境下促進BMSCs向成骨方向分化成熟的研究鮮有報道，還需進一步研究證明。

4 信號通路激活對高糖環(huán)境下骨髓間充質(zhì)干細胞分化能力影響

骨改建過程是骨吸收與骨形成相互協(xié)調(diào)的過程,其中BMSCs向成骨、成脂方向分化過程中可以受多種信號傳導通路如Wnt/β-catenin、MAPK、Notch、NF-KB受體活化因子(RANK)信號通路調(diào)控。因此，以下各信號通路對BMSCs分化影響作詳細介紹。

4.1Wnt/β-catenin信號通路 Wnt/β-catenin信號通路在細胞增殖、分化過程中具有重要調(diào)控作用，可分為經(jīng)典Wnt通路與非經(jīng)典Wnt通路兩條信號通路。G.Bain等研究[20]發(fā)現(xiàn)間充質(zhì)干細胞C3HIOT1/2過表達基因β-catenin可促進ALP mRNA表達，故Wnt/β-catenin信號通路可促進BMSCs向成骨方向分化。廖鋒等[21]人的研究也表明，高糖環(huán)境下能抑制Wnt/β-catenin信號通路的激活，但ASP可能通過激活Wnt/β-catenin信號通路來促進高糖環(huán)境下BMSCs成骨分化能力,從而促進其向成骨方向分化。Wnt/β-catenin信號通路激活后能夠增強BMSCs成骨作用，并抑制BMSCs向成脂方向分化的雙向調(diào)節(jié)作用。在高糖環(huán)境下，可以通過使用Wnt/β-catenin信號通路的激活劑來促進BMSCs的表達。

4.2MAPK信號通路 細胞絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號通路可調(diào)節(jié)細胞生長、發(fā)育增殖、凋亡、死亡等一系列生命活動，尤其對成骨細胞分化以及骨骼發(fā)育的調(diào)控起至關重要作用。MAPK信號通路可分為經(jīng)典的MAPK信號通路、非經(jīng)典的MAPK信號通路(JNK MAPK通路和p38MAPK通路)、ERK信號通路三條[22]。Y.Zhao等[23]發(fā)現(xiàn)雌激素可能通過同時激活ERK/MAPK和JNK/MAPK信號通路而促進大鼠顱面骨的BMSCs向成骨方向分化。李茜[11]等研究發(fā)現(xiàn)，在高糖環(huán)境下加入ERK、JNK、P38信號傳導的抑制劑，hBMSCs骨向分化標志物mRNA表達減低，說明FGF-21可能通過抑制MAPK信號通路來抑制hBMSCs的成骨分化或礦化。MAPK信號通路活化后，既可以促進BMSCs增殖又可促進成骨分化的作用，說明BMSCs向成骨方向分化過程中受MAPK信號通路調(diào)控。高糖環(huán)境下可以抑制BMSCs成骨分化，因此，我們可通過激活MAPK信號通路來調(diào)控高糖環(huán)境下BMSCs成骨分化。

5 小 結(jié)

DOP的可能發(fā)病機制錯綜復雜，具體是由哪種機制或幾種機制引起的還不是十分明確，但其可能機制與BMSCs的活動有著密不可分的聯(lián)系。綜上所述，在分子水平上多種細胞因子、轉(zhuǎn)錄因子、生長因子、信號通路對高糖環(huán)境下BMSCs向成骨、成脂方向分化起著至關重要的調(diào)控作用，各種因子及各條信號通路之間又具有一定聯(lián)系且相互影響，關系錯綜復雜。雖然大部分研究表明，這些因子和信號通路對BMSCs活動有著影響作用，但其具體分子機制及有效干預措施還有待進一步明確。