AGEs在糖尿病性骨質疏松發展中的作用及抗AGEs治療研究進展

孔增霞，楊娟，徐蓓蓓，何繼瑞

蘭州大學第二醫院特需內科，蘭州 730030

糖尿病是一種慢性代謝性疾病，在世界范圍內，糖尿病的患病率呈上升趨勢，2021年估計有5.37億20～79歲的成年人患有糖尿病。根據國際糖尿病聯盟（IDF）統計數據顯示，到2030年，這一數字預計將達到6.43億［1］。糖尿病性骨質疏松（DOP）是糖尿病患者常見的嚴重并發癥之一，表現為骨量丟失、骨組織微結構改變、骨脆性增加等。DOP能顯著增加糖尿病患者骨折風險、再入院率及住院費用，給患者家庭及社會帶來了沉重的醫療負擔。2型糖尿病患者發生骨質疏松的病理生理機制復雜，包括高血糖狀態、晚期糖基化終末產物（AGEs）、氧化應激、細胞因子和激素變化等方面［2］。相關研究表明，持續的高血糖導致AGEs明顯增加，AGEs能通過多種機制影響成骨細胞的骨形成、破骨細胞的骨吸收以及骨細胞對成骨細胞和破骨細胞的調節作用，最終導致骨強度降低、骨質疏松和骨折［3］。現就AGEs在DOP發展中的作用機制及相關的治療進展作一綜述。

1 AGEs概述

1.1 AGEs的合成AGEs是一組在蛋白質、脂肪酸或核酸的氨基基團與還原糖的醛基之間發生非酶性糖基化反應（又稱美拉德反應）所形成的一系列具有高度活性終產物的總稱。其具體形成過程［4］如下：①還原糖（包括葡萄糖）與蛋白質、脂肪酸和核酸中賴氨酸和精氨酸殘基的氨基末端部分之間的共價和非酶反應形成不穩定的希夫堿；②希夫堿逐漸發生Amadori重排反應形成相對較穩定的醛胺類物質（Amadori產物），Amadori產物的數量與葡萄糖的濃度相關；③Amadori產物經一系列脫水和重排產生高度活性的羰基化合物，如乙二醛、丙酮醛等，其能同蛋白質的自由氨基反應生成AGEs。在生理狀態下，人體的AGEs維持在較低水平，在某些疾病，如糖尿病和老年性疾病，AGEs的形成會增加，過量的葡萄糖有利于AGEs形成［5］。AGEs是糖尿病腎病、視網膜病變、神經病變、DOP和動脈粥樣硬化的致病因素，其與糖尿病的多種并發癥密切相關。

1.2 AGEs的作用方式AGEs主要通過與細胞表面的特異性受體RAGE結合，參與細胞內信號傳導、刺激細胞因子釋放等而發揮生物學效應。AGEs可與RAGE結合從而激活細胞內途徑（如ERK1和PI3K途徑等）導致NF-κB的激活和移位到細胞核，從而激活大量炎癥 因 子（TNF-α、IL-6、MCP-1、VCAM-1和ICAM-1等），AGEs和RAGE結合還可能激活誘導氧化應激途徑，進而導致細胞功能障礙。在糖尿病患者中，AGEs可與RAGE結合，導致成骨細胞、破骨細胞、骨細胞的功能改變，進而導致骨質疏松的發展。RAGE是細胞表面分子免疫球蛋白超家族中的成員之一，表達于各種類型的細胞，在糖尿病并發癥如糖尿病腎病、糖尿病視網膜病變、糖尿病周圍神經病變、DOP中其表達量明顯升高。該受體通常以全長形式存在，包括細胞外區、細胞內區和跨膜區。RAGE在血漿中亦可以其他兩種形式存在：可溶性RAGE（sRAGE）、內源性分泌RAGE（es-RAGE）。據相關報道，sRAGE和esRAGE亦能與血清中AGEs結合而有助于清除AGEs，從而防止AGEs對全身組織和器官的損傷，sRAGE可作為減少AGEs與RAGE相互作用所導致的不良后果的可能治療靶點［6］。

2 AGEs在DOP發展中的作用機制

2.1 AGEs作用于骨細胞參與骨質疏松發展骨細胞是骨中最豐富的細胞，被認為是骨轉換的主要調節者［7］。骨細胞通過產生硬化蛋白（骨形成的負調控因子）和核因子κB受體活化因子配體（RANKL-破骨細胞分化和活化的關鍵分子）調節成骨細胞和破骨細胞的功能，從而在骨代謝中發揮重要作用。骨細胞的功能障礙或凋亡會嚴重危害骨穩態，導致骨骼疾病。

2.1.1 通過激活ERK1/2、p38和STAT3信號通路誘導骨細胞凋亡IL-6被認為在骨質疏松、類風濕性關節炎和骨惡性腫瘤中發揮關鍵的破壞作用。血管內皮生長因子A（VEGF-A）是參與血管生成、骨形成和骨吸收的重要因子。IL-6和VEGF-A水平的升高在骨破壞中發揮一定作用。有研究表明，AGEs可通過RAGE激活ERK1/2、p38和STAT3信號通路，進一步上調IL-6和VEGF-A表達，誘導骨細胞凋亡，危害骨穩態，進而導致骨質疏松［8］。由此可見，阻斷ERK1/2、p38和STAT3信號通路可能對預防DOP有益。

2.1.2 通過增強TGF-β的表達和分泌促進骨細胞凋亡TGF-β是一種多功能多肽，在生理和病理條件下調節多種細胞功能，包括細胞增殖、分化、遷移和凋亡。近年來，部分利用體內動物模型進行的研究表明，骨中TGF-β信號通路的增強導致骨脆性增加。NOTSU等［7］研究發現，AGE3在骨樣MLO-Y4-A2細胞中通過增強TGF-β的表達和分泌增加了骨細胞凋亡和硬化蛋白表達。因此，抑制AGEs誘導的TGF-β信號可能會通過減少骨細胞凋亡和硬化蛋白表達，在DOP的預防和治療中發揮一定作用。

2.1.3 通過轉錄因子叉頭框蛋白O1（FOXO1）依賴機制誘導骨細胞功能障礙和凋亡FOXO1與細胞凋亡密切相關。FOXO1參與糖尿病的發生、發展，并通過調節RANKL的分泌來調節骨代謝。ZHANG等［9］研究發現，在AGEs作用下，骨樣MLO-Y4細胞FOXO1表達增強，細胞凋亡增加；同時硬化蛋白和RANKL的表達上調，從而嚴重破壞骨穩態，FOXO1的沉默挽救了AGEs增強的骨細胞凋亡、硬化蛋白和RANKL表達，抑制FOXO1可能是預防DOP的一種有效方法。

2.2 AGEs影響成骨細胞分化、凋亡，促進骨質疏松發生、發展成骨細胞是骨形成的主要功能細胞，負責骨基質的合成、分泌和礦化。骨通過破骨細胞的持續再吸收和成骨細胞形成的新骨替換舊骨來重塑，成骨細胞的分化和成熟對新骨的形成尤其重要，而成骨細胞的缺失會導致骨質疏松。相關研究表明，AGEs能抑制成骨細胞分化、促進成骨細胞凋亡，進而促進骨質疏松的發生、發展［10-15］。

2.2.1 通過促進DNA甲基化和抑制Wnt信號通路抑制成骨細胞分化脂肪源性干細胞（ASCs）廣泛應用于骨再生研究，它們有能力分化為成骨細胞。DNA甲基化是一種表觀遺傳修飾形式，可影響細胞的正常分化功能，與疾病的發生、發展密切相關。研究表明，干細胞分化過程中的DNA甲基化在多種骨疾病中均很明顯，包括骨質疏松癥和骨關節炎［16］。LI等［10］在ASCs培養基中添加AGEs發現，AGEs通過激活DNA甲基化和抑制Wnt信號通路進而抑制ASCs成骨分化能力，而經甲基化抑制劑處理后，ASCs在AGEs環境中的成骨分化能力恢復。這與DYBJER等［3］研究結果一致。由此可見，DNA甲基化可能是糖尿病性骨質疏松骨再生的重要途徑，抑制DNA甲基化可能是預防DOP的一種可行方法。

2.2.2 通過激活JNK/p38 MAPK信號通路促進成骨細胞的凋亡MAPK通路是細胞增殖、應激、炎癥、凋亡等的主要信號通路之一。骨髓間充質干細胞（BMSCs）是一類起源于中胚層的成體干細胞，其具有成骨分化潛能。LI等［11］將BMSCs用AGEs處理后發現NF-κB p65、JNK和p38的mRNA和蛋白表達增強，BMSCs的成骨分化受到抑制，凋亡細胞的數量增多。所以，AGEs能通過激活JNK/p38 MAPK信號通路促進成骨細胞的凋亡，進而促進骨質疏松的發生、發展。說明抑制JNK/p38 MAPK信號通路有助于延緩糖尿病患者骨質疏松的發生、發展。

2.2.3 通過增加腫瘤壞死因子α（TNF-α）表達與分泌促進成骨細胞凋亡TNF-α是一種多效細胞因子，在免疫穩態、炎癥中起核心作用，可誘導多種效應，如壞死、凋亡等。AGEs已被證明在多種細胞類型中誘導TNF-α的產生，如成骨細胞、軟骨細胞等。WEINBERG等［12］將大鼠BMSCs暴露于AGEs發現，AGEs能通過刺激TNF-α的產生促進大鼠BMSCs凋亡，抑制成骨分化，用TNF-α抑制劑吡非尼酮劑量依賴性地消除了AGEs誘導的大鼠BMSCs凋亡。表明TNF-α抑制劑在預防DOP中發揮重要作用。

2.2.4 通過增加TGF-β的表達與分泌抑制成骨細胞礦化AGEs可通過增加TGF-β表達促進骨細胞凋亡，而TGF-β信號能抑制體外成骨細胞分化。NOTSU等［17］對小鼠基質ST2細胞進行體外研究發現，AGE3通過與RAGE結合增加TGF-β表達與分泌，從而抑制成骨細胞的礦化。因此，抑制AGEs誘導的TGF-β信號可能會通過促進成骨細胞的礦化對預防DOP發揮一定作用。

2.2.5 通過上調miR-223的表達促進成骨細胞凋亡異常表達的miRNA介導了糖尿病的發生、發展。在糖尿病患者或體外，AGEs與多種miRNA相關，如miR-146a、miR-214和miR-223。IGF-1R在成骨細胞中具有多種調節作用，包括調節細胞的分化和生長。QIN等［18］將成骨樣MC3T3-E1細胞與AGEs共孵育后發現，miR-223水平顯著上調，miR-223靶向抑制IGF-1R表達，細胞凋亡水平升高，miR-223抑制可改善下調的IGF-1R，并阻斷AGEs促進的MC3T3-E1細胞凋亡。表明miR-223可能是一種有效的治療靶點，可拮抗糖尿病患者中AGEs誘導的成骨細胞損傷。

2.2.6 通過激活氧化應激抑制成骨細胞分化、促進成骨細胞凋亡SUH等［13］發現，AGEs的前體物質甲基乙二醛增加了成骨MC3T3-E1細胞中細胞內活性氧、線粒體超氧化物和心磷脂過氧化物的形成，從而抑制了成骨細胞分化，用氨基胍預處理可抑制甲基乙二醛誘導的氧化應激。說明抑制氧化應激可能是預防DOP的一種有效手段。

2.2.7 通過抑制內質網應激傳感器的水平抑制成骨細胞分化內質網應激在蛋白質的生物合成、折疊和修飾中起重要作用。成骨細胞能合成大量蛋白質，并在分化過程中將其分泌到骨基質中，通過適當的內質網應激去除未折疊的骨基質蛋白，對成骨細胞產生高質量的骨基質蛋白尤其重要。研究表明，AGE2或AGE3通過抑制OASIS、IRE1a和ATF6等內質網應激傳感器水平，并在內質網中積累未折疊蛋白抑制小鼠基質ST2細胞向成骨細胞的分化［14］。表明充分刺激內質網應激傳感器的藥物可能是治療糖尿病骨脆性的候選藥物，其能通過激活內質網應激傳感器，去除異常的未折疊蛋白，進而產生高質量的骨基質蛋白，促進基質細胞的成骨分化。

2.2.8 通過誘導鐵死亡破壞成骨細胞功能鐵死亡是一種新的非凋亡性細胞死亡方式，由鐵依賴的毒性過氧化脂質積聚所致。WANG等［19］在2型糖尿病大鼠模型的骨組織中觀察到鐵死亡現象。GE等［15］將成骨細胞在含有AGEs的培養基中培養與對照組比較發現，鐵死亡相關蛋白表達升高，細胞的增殖、分化和礦化受阻，添加鐵死亡抑制劑去鐵胺后顯著逆轉了上述反應。說明AGEs通過誘導鐵死亡破壞成骨細胞的功能，促進骨質疏松的發生，針對鐵死亡的治療可能有助于緩解DOP。

2.2.9 通過干擾成骨細胞與Ⅰ型膠原基質的附著抑制成骨細胞分化成骨細胞與骨細胞外基質（Ⅰ型膠原所占比例＞85%）的黏附可調節其生理學的各個方面，如生長、分化和礦化。成骨細胞附著和擴散到細胞外基質是成骨細胞發育的第一步，整合素可幫助成骨細胞黏附和擴散及細胞內信號轉導。MCCARTHY等［20］發現，當Ⅰ型膠原基質被AGEs修飾時，Ⅰ型膠原基質構象發生變化，成骨細胞不易黏附至Ⅰ型膠原基質上，這將損害其與整合素等細胞受體相互作用的能力進而抑制成骨細胞的增殖和分化。說明增強Ⅰ型膠原與成骨細胞的黏附是治療AGEs積累相關骨質疏松的一種有效選擇。

2.3 AGEs抑制破骨細胞分化，降低骨強度破骨細胞是骨吸收的主要功能細胞，其起源于單核巨噬細胞系統，是一種特殊的終末分化細胞。破骨細胞的骨吸收作用和成骨細胞的骨形成作用共同維持骨代謝平衡，兩者協同在骨發育、生長、修復、重建中發揮重要作用。破骨細胞缺乏或功能障礙會引起骨轉換低，骨重塑不平衡，導致骨強度降低［21］。盡管AGEs能抑制成骨細胞功能，但對其在調節人類破骨細胞中的作用知之甚少。

從健康個體收集的人CD14+單核細胞在體外用常規細胞因子刺激可以誘導其向破骨細胞分化。TANAKA等［22］在體外將人CD14+細胞用AGEs刺激后得出結論，AGEs通過刺激NF-κB誘導IL-10表達從而抑制破骨細胞的分化，引起骨轉換低，骨重塑不平衡，最終會導致骨強度降低，從而增加糖尿病患者骨折風險。

現多數研究集中在AGEs與成骨細胞相互作用的機制上，而對AGEs對于破骨細胞的作用機制研究較少，在后期研究中需開展更多的體內和體外實驗來闡明AGEs對破骨細胞的作用機制，這對尋找有效的DOP的治療靶點至關重要。

3 針對AGEs的相關治療

AGEs與糖尿病性骨質疏松的發生、發展有密切關系，針對AGEs的治療可能會對緩解DOP帶來益處。

3.1 抑制氧化應激的藥物CHENG等［23］研究報道，與厄貝沙坦共孵育可防止成骨細胞中AGEs誘導的氧化應激的改變，進而減弱成骨細胞的凋亡。阿侖膦酸鈉是治療絕經后骨質疏松癥廣泛使用的藥物。研究表明，AGEs能誘導成骨細胞ROS的大量產生，可通過中劑量的阿侖膦酸鈉來預防［24］。PARK等［25］發現，螺內酯通過降低AGEs的前體物質甲基乙二醛誘導的氧化應激和炎癥細胞因子逆轉了甲基乙二醛誘導的成骨MC3T3-E1細胞的骨形成活性和礦化抑制。表明厄貝沙坦、阿侖膦酸鈉、螺內酯等可能通過抑制氧化應激來阻斷AGEs-RAGE信號對成骨細胞的損傷。上述藥物治療可能會為DOP患者帶來益處。

3.2 天然產物Nox4/ROS/NF-κB信號通路激活可導致骨丟失和促進骨質疏松的發展。LIU等［26］發現，桑葉提取物通過調節AGEs/RAGE/Nox4/NF-κB信號通路消除氧化應激，還可通過調節PTH/VDR/CaBP信號通路維持鈣穩態，從而改善骨質量。香豆素以苯丙烷的形式天然存在于許多植物中，香豆素具有抗骨質疏松作用。LEE等［27］研究發現，香豆素通過抑制AGEs-RAGE表達來減弱AGEs-RAGE激活對成骨細胞和破骨細胞的有害影響進而維持骨穩態。黃柏在中國被廣泛用于治療DOP，黃柏的提取物在卵巢切除的雌激素缺乏大鼠中發揮了抗骨質疏松作用。從黃柏樹皮中可分離到一種名為PPCP-1的阿拉伯半乳聚糖，WANG等［28］發現，PPCP-1通過抑制α-葡萄糖苷酶活性改善血糖來阻斷骨骼中的AGEs/RAGE信號，從而預防骨質疏松癥。莫諾苷是一種從天然中草藥山茱萸中分離純化得到的環烯醚萜苷化合物，具有抗氧化、抗凋亡的作用。研究發現，莫諾苷在體內和體外均能通過激活Glo1抑制AGEs-RAGE信號通路來緩解AGEs介導的骨髓間質干細胞成骨分化障礙［29］。桑葉水提取物、香豆素、PPCP-1、莫諾苷等天然產物通過作用于AGEs-RAGE信號傳導通路可能對緩解DOP有益，它們可作為潛在的治療方法來預防糖尿病性骨質疏松的發生、發展，在日后的研究中需進一步體內實驗和臨床實驗對其安全性和有效性加以驗證。

3.3 降糖藥物AGEs通過PKCβ2抑制人牙周韌帶干細胞（hPDLSCs）的成骨分化潛能，一項體外實驗表明，胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）能通過抑制PKCβ2磷酸化，改善AGEs微環境中hPDLSCs的成骨分化潛能［30］，由此我們推測GLP-1類降糖藥物可能在預防DOP中有一定作用。

3.4 其他藥物雷奈酸鍶是一類抗骨質疏松藥物，具有刺激骨形成、抑制骨吸收的雙重作用，現主要用于治療絕經后骨質疏松癥。研究發現，雷奈酸鍶可通過鈣通道、MAPK和β-連環蛋白的激活等機制防止AGEs對體外培養成骨細胞的有害作用，其可能是治療AGEs積累相關骨質疏松的一種有效選擇［31］。

綜上所述，AGEs在DOP的發病機制中起重要作用，厄貝沙坦、螺內酯、雷奈酸鍶、香豆素、桑葉提取物、PPCP-1等可作用于AGEs-RAGE信號通路，有望成為治療和預防DOP的潛在藥物。