糖尿病骨量丧失的病理基础

于晓华 于晓红 刘树泰 柳忠豪

【摘要】糖尿病是由于缺乏胰岛素或胰岛素敏感性降低引起的病理状态。糖尿病的严重并发症之一，是I型和II型糖尿病患者骨量丧失，骨折的危险增加。在口腔领域，糖尿病一直是牙种植的绝对或相对禁忌症，并且糖尿病通常和牙周病同时存在，造成牙周损伤。本文主要就糖尿病与骨量丧失的关系进行综述，旨在探讨糖尿病与骨量丧失的相关性及其机制，为临床预防、治疗提供参考。

【关键词】糖尿病；骨代谢；晚期糖化终产物（AGE）；成骨细胞；脂肪细胞因子；炎症因子；牙槽骨

【中图分类号】R722.12 【文献标识码】B【文章编号】1004-4949(2014)07-0401-01

基金项目 泰山学者海外特聘专家项目 （编号tshw20120233）

糖尿病（diabetes mellitus，DM）是一组以高血糖为主要特征的代谢紊乱性疾病。有三种主要类型：I型糖尿病、II型糖尿病、妊娠期糖尿病。本文重点介绍I型和II型。糖尿病的并发症包括冠状动脉疾病、视网膜病变、肾病、高血压、高脂血症、神经病变与血管疾病，除此之外，越来越多的证据表明，糖尿病会直接影响到骨组织改建［1］。

骨改建是一个复杂的过程，伴随着骨密质和骨松质的更新来维持骨骼的完整性和特性。骨组织健康是由骨吸收和骨形成之間的平衡来调控的，主要依赖于骨改建过程中成骨细胞(osteoblast，OB)和破骨细胞(osteoclast，OC)的数目及活性。当骨吸收增加（OC活性增加）和（或）骨形成减少（OB活性减少）时就会导致骨量减少。

1糖尿病与骨量丧失

骨量减少、骨质疏松和骨折风险增加是成年人I型糖尿病潜在的并发症。在大多数的I型糖尿病患者中，骨密度是下降的。一项针对48名青少年男性和女性糖尿病患者（平均年龄15岁）的研究，采用双能X线测量仪（dual-energy X-ray absorptiometry，DXA)评价腰椎和股骨近端的骨量和骨结构，同对照组相比，糖尿病男孩的骨矿物质含量低10%，女孩低5%［2］。

而与健康对照组比较，II型糖尿病通常伴随骨密度正常、减少或增加。差异被认为可能与不同的患病病程、疾病多样性、治疗方法各异相关，甚至可能因为测量骨密度的方法不同而导致差异。动物实验也显示糖尿病可影响新骨形成，骨量减少，Shyng通过腹腔注射佐链脲菌素（STZ）建立大鼠糖尿病模型，发现糖尿病大鼠平均股骨骨松质量为40.9%，而非糖尿病组平均股骨骨松质量为54.3%，且具有明显差异性（P<0.01）Claudia Kelly通过腹腔注射佐链脲菌素（STZ）建立糖尿病大鼠动物模型，并且通过丝线结扎牙颈部建立牙周炎动物模型，研究表明糖尿病可增加牙周炎大鼠的牙槽骨吸收水平（6.36±2.41,3.58±2.44）［3］，Wilmowsky通过观察糖尿病小型猪种植体周围骨结合状态研究发现糖尿病可影响软硬组织的病理改建过程，种植体-骨结合（BIC）明显下降（DM 60.95±17.45，对照组83.95±14.81）。研究表明糖尿病可影响种植体周围骨矿化和新骨形成［4］。

2 糖尿病骨量丧失增加的细胞学原因分析

2.1 OB和OC

OB分化成熟过程中，分泌骨钙素（osteocalcin，OCN）并促进骨形成。在糖尿病患者和糖尿病小鼠动物模型中，血清OCN水平下降。在基因表达水平上，研究发现OCN mRNA水平表达降低，伴随I型糖尿病小鼠的矿物沉积率下降，骨形成减少。

同样地，在I型糖尿病小鼠模型中OB也减少高达10%，糖尿病（高血糖）可以抑制体外培养的OB增殖，导致成骨相关因子的表达下降。此外，一些研究表明，同对照组相比，糖尿病患者中末端脱氧核苷酸转移酶介导的dUTP缺口末端标记（terminal deoxynucleotidyl transferase dUTP nick end labeling，TUNEL）阳性染色细胞增加，并且在炎症状态下阳性率增加，表明OB的死亡也可能是OB的数量和下降的原因之一。

在大多数I型糖尿病患者中，OC活性似乎并未发生改变甚至下降。在I型糖尿病小鼠模型中，OC参数指标通常是不改变或者降低的，只有少数的研究发现OC因子表达增加。相反，在II型糖尿病男性患者，OC的活性明显增加，血浆中抗酒石酸酸性磷酸酶和尿中骨吸收标记物（如I型胶原羧基末端肽和I型胶原N-端肽）也明显升高。这些结果表明，OC的活性在II型糖尿病患者显著增加［5］。

2.2 骨髓脂肪和脂肪细胞因子的作用

骨髓脂肪和骨密度往往呈现负相关联系，由于来自共同的间质细胞前体，成脂肪变取代成骨转化是常见现象。在I型糖尿病中，过氧化物酶体增殖物激活受体（peroxisome proliferator activated receptor -γ, PPARγ）激活可促进干细胞向脂肪细胞分化，增加骨髓中脂肪组织的含量，同时伴有骨密度的下降和间充质细胞分化的转变［6］。因此，某些降糖药物（如罗格列酮）通过激活PPAR-γ，降低II型糖尿病高血糖状态、高胰岛素血症、高甘油三酯血症，同时可以诱导骨髓脂肪组织的增多进而增加骨折的风险。

瘦素是一种脂肪细胞因子，可以通过改变骨重建过程而影响骨骼健康，缺乏瘦素在小鼠表现出骨量减少及骨髓脂肪增多。在I型糖尿病小鼠动物模型中，瘦素水平明显受到抑制，瘦素缺乏小鼠表现出骨松质增加。另有研究表明，瘦素对骨皮质具有促进成骨的作用，并促进间充质干细胞向OB分化，抑制向脂肪细胞分化。

2.3 炎症因子和感染的作用

除了对PPARγ和脂肪细胞因子的影响，慢性高血糖还可诱导炎性因子肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNFα）的表达，TNFα可抑制OB分化和活性，增加OB凋亡。I型糖尿病小鼠除了表现出血浆TNF-α浓度升高外，骨组织的TNF-α mRNA表达水平也较正常对照组水平明显升高，应用TNF-α抑制剂可减少糖尿病所诱导OB凋亡。健康和糖尿病小鼠OB体外共培养发现：糖尿病小鼠OB可见大量细胞凋亡，加入TNF-α中和抗体之后，可减少OB的凋亡，进一步证实了炎症和TNF-α在诱导OB的凋亡中的作用。

有研究表明II型糖尿病可增加脂肪沉积，进而促进促炎性细胞因子和脂肪的合成和分泌，脂肪组织分泌的细胞因子，如白细胞介素6（Interleukin-6，IL-6），白细胞介素8（Interleukin-8，IL-8）、TNFα，可以同时激活OC的骨吸收和减少OB的分化［7］。

3 糖尿病骨量减少的分子机制

3.1 糖基化终产物

非酶糖基化蛋白又称晚期糖化终产物(advanced glycation end products，AGE)，是通过碳水化合物和蛋白质之间的酶促反应形成，随着时间的延长，在糖尿病机体中逐渐增加，并且这一酶促反应是不可逆过程。体内AGE含量与糖尿病并发症的程度密切相关，AGE影响骨代谢主要的原因是大多数骨基质的构成成分、I型胶原蛋白，都是AGE的作用靶点［8］。此外，AGE可促进胶原交联，从而减少骨组织韧性和延展性、增加脆性。因此，AGE可部分解释I型和II型糖尿病患者中骨量减少。

除此之外，AGE也可以通过与AGE特异性受体（receptor for AGEs，RAGE）相结合，当AGE和RAGE结合之后，核转录因子kappa B(nuclear transcription factor-KB，NF-κB)活性和活性氧水平相应的增加，导致OB的分化下降，OC导致的骨吸收增加

3.2 胰岛素信号

糖尿病的严重程度与胰岛素的分泌量密切相关，已经有研究证明胰岛素有促进骨细胞内氨基酸蓄积、刺激骨胶原合成和核苷酸形成的作用，胰岛素缺乏使成骨细胞数目减少，活性降低，通过对骨细胞的多种代谢作用而影响骨的形成和转换胰岛素不足将导致OB的数目和活性下降。付永伟 何红兵发现胰岛素处理之后可促进体外培养OB增殖和减少OB凋亡。OC表面也可表达胰岛素受体，体内实验研究发现胰岛素能够抑制体内OC活性。胰岛素对骨的合成代谢作用是通过胰岛素样受体因子-1（insulin like growth factor-1,IGF-1）和IGF-1受体（IGF-1 receptor,IGF-1R）介导的。胰岛素缺乏导致IGF-1结合蛋白（IGF-1 binding protein,IGFBP-1）增加，使游离IGF-1水平下降，对骨合成代谢的作用降低［9］

除胰岛素外，胰岛素信号缺失导致胰岛素抵抗也可能是糖尿病骨损伤的另一个原因。最新公布的数据表明，OB表面的胰岛素受体可被胰岛素激活，触发OC介导的骨吸收，而敲除该受体基因的小鼠，表现出胰岛素抵抗、肥胖、骨质疏松、骨形成减少和骨折愈合缓慢。

3.3 钙调节激素水平和信号转导的失衡

糖尿病另一个微血管并發症是糖尿病肾病，糖尿病肾病可能导致糖尿、蛋白尿，并增加尿中丢失的钙、镁、磷，进而影响骨形成和骨转化。

另外，维生素D对维持骨骼健康发挥重要作用，血清1-25羟基维生素D（1,25-(OH)2D3）可反映个人维生素D含量。Lozano D发现，糖尿病高风险患者，通过提高血清中1,25-(OH)2D3水平可降低其风险因素，维生素D直接影响OB活性，缺乏将导致高骨折风险。

同样，甲状旁腺激素（parathyroid hormone，PTH）是血清钙离子水平和骨重建的一个关键的调节因子，在糖尿病患者中，PTH水平下降，这可能是II型糖尿病患者骨转化减少的一个潜在原因。对糖尿病大鼠应用PTH治疗可补偿已发生的骨损伤和已减少的骨密度，改善骨组织强度。一些研究表明PTH可促进小鼠OB中 OCN、IGF-1、成纤维细胞生长因子（Fibroblast Growth Factor，FGF）、基质金属蛋白酶-1/-13(Matrix metalloproteinases -1/-13，MMP-1/13)的表达，促进骨形成和骨转化［10］。因此，甲状旁腺激素水平失衡（高或低）将导致骨丧失和骨折风险性增加。

4 糖尿病与牙槽骨骨改建

牙槽骨吸收和感染是糖尿病患者常伴有的口腔症状，主要表现为：拔牙窝的延迟愈合、种植体周围骨形成减少和骨吸收增加，牙周炎加重牙周骨吸收增加。大量研究表明糖尿病患者牙槽骨丧失明显增加。

4.1 细胞凋亡

细胞凋亡是有特定的信号分子启动，在基因调控下自我消亡的过程，大量研究表明：细胞凋亡可能是糖尿病牙周损伤的另一原因，骨细胞的数量及活性对骨量的维持起着重要作用，付永伟等在研究中发现：糖尿病牙周病与成骨细胞凋亡存在密切联系，对牙槽嵴部位的骨细胞计数结果表明，糖尿病牙周炎组（DP）单位面积骨细胞数目较牙周炎组（P）数量减少，此外细胞凋亡检测发现DP组具有较高的细胞凋亡率，这提示糖尿病可能通过加强炎症过程中骨细胞的凋亡减少骨细胞的数量，促进牙周炎骨丧失。

Juliete Aparecida F通过建立糖尿病大鼠牙周炎模型，通过组织和形态学分析，破骨细胞计数发现牙周炎可导致牙槽骨吸收，牙槽嵴部位破骨细胞数目增多，而单独糖尿病也可促进牙槽骨吸收和破骨细胞数目的增多,研究表明破骨细胞数目和活性增强在糖尿病牙槽骨吸收中发挥重要作用［11］。

4.2炎症

炎症是糖尿病和牙周炎及种植体周围炎的共同特征，Dieudonne等通过对糖尿病加重牙周组织的破坏的内在机制进行了大量的研究，认为糖尿病可能通过延长炎症反应的时间来改变细菌和宿主之间的相互作用，加重牙周组织之间的破坏［12］。

牙周炎患者的龈沟液中可检测出高浓度的炎症介质TNF-α,IL-1β，其中以TNF-α作用最为显著，TNF-α可以使组织表面胰岛素受体数目减少，活性降低，引起胰岛素抵抗，同时，TNF-α还可调节中性多形核白细胞（PMN）的浸润与激活，进一步加重胰岛素抵抗和血糖水平升高，造成恶性循环。

TNFα对骨代谢的影响是通过对破骨细胞的增殖、分化及成熟而介导的。国内外研究均证实，它既能直接促进破骨细胞前体细胞的有丝分裂和分化，又能间接激活成熟的破骨细胞，增强其吸收功能。

除糖尿病患者表现为高浓度IL-1，TNF-α,PGE2外，同时还伴随有多形核白细胞（PMN）缺陷，通常具有吞噬、趋化和杀菌功能方面的缺陷。与非糖尿病患者相比，糖尿病伴有牙周炎患者伴有明显PMN趋化功能下降以及中性粒细胞凋亡增加，进而导致滞留于牙周组织中的中性粒细胞增加，导致MMPS和ROS释放进而促进牙周组织进一步损伤

AGE在牙周组织中的积聚可能在糖尿病牙周骨丧失中发挥重要作用，AGE与其受体相结合促进炎症介质如：IL-1β，TNF-α和IL-6的合成上调，另外AGE的合成导致ROS合成增加，促进氧化应激的发生，进而内皮细胞的变化和血管损伤。此外AGE可造成中性粒细胞呼吸爆发，显著增加牙周炎症的局部组织损伤，最后，AGE通过抑制骨修复和骨形成，减少骨基质的合成从而抑制骨组织代谢

4.3 胰岛素抵抗

有研究证实：骨组织也是胰岛素敏感组织，成骨细胞表面存在高亲和性的胰岛素受体，胰岛素通过葡萄糖转运蛋白1和3调控葡萄糖的吸收，刘洪臣等研究表明高糖状态下，下颌骨成骨细胞葡萄糖摄取无明显变化，但GLUT1表达明显增加，提示细胞存在着应激性的调控机制，应用胰岛素对葡萄糖摄取也无明显影响，但下调了GLUT1的表达，说明胰岛素刺激的糖转运活动的反应性明显下降，即成骨细胞发生了胰岛素抵抗。高糖引起的胰岛素抵抗的状态可能是导致糖尿病骨改变的发病机制之一［13］。

4.3血管内皮生长因子（VEGF）

血管内皮生长因子（VEGF）是已知的最强的的促血管生长因素，可增加微血管通透性，诱导新血管的形成，提高组织血供。高秀秋等研究发现，糖尿病能显著增加牙龈组织VEGF阳性表达，且表达主要定位于牙龈上皮细胞、血管内皮细胞和炎细胞（巨噬细胞和浆细胞）的细胞浆中，可能的机制是：炎症状态下的牙龈组织，血管周围结缔组织破坏，胶原崩解，组织内部产生空隙由炎症细胞和结缔组织填满，糖尿病患者由于体内代谢紊乱，血管内外氧交换障碍，导致广泛缺氧，进而刺激VEGF的增多，VEGF与其受体结合而介导血管内皮增殖，导致新生血管的形成，加重炎症细胞在局部的堆积。另一方面，诱导毛细血管通透性的提高，使炎症细胞核液体渗出增多，局部组织水肿，继发局部缺氧，加速炎症发展，又加剧VEGF的产生，形成恶性循环。提示通过控制VEGF的分泌抑制血管的增生达到控制牙周炎和糖尿病的发展的目的，可能是未来的发展方向。

综上所述，糖尿病会导致骨质流失，增加骨折的风险。糖尿病骨质丧失的机制是复杂的，其中可能涉及多个介质，分子机制仍未完全明确，未来的方向需要进一步研究糖尿病对骨改建的影响，了解其中的分子机制，为临床预防和治疗提供参考。

参考文献

［1］刘建民,许曼音.糖尿病性骨病.国外医学内分泌学分册，2003，23(2)：133-135.

［2］Khazai NB,Beck GR Jr,Umpierrez GE.Diabetes and fractures: an overshadowed association［J］.Curr Opin Endocrinol Diabetes Obes,2009,16(6):435–45.

［3］ Claudia Kelly de Oliveira Diniz, M?nica Grazieli Corrêa, Marcio Z. Casati,et al Diabetes Mellitus May Increase Bone Loss After Occlusal Trauma and Experimental Periodontitis. J Periodontol. 2012 Oct;83(10):1297-303

［4］ von Wilmowsky C, Stockmann P,Harsch I,Amann K,et al. Diabetes mellitus negatively affects peri-implant bone formation in the diabetic domestic pig［J］.J Clin Periodontol. 2011 Aug;38(8):771-9

［5］ McCabe L,Zhang J,Raehtz S. Understanding the skeletal pathology of type 1 and 2 diabetes mellitus［J］. Crit Rev Eukaryot Gene Expr,2011,21(2):187-206.

［6］Lecka-Czernik B. Bone loss in diabetes: use of antidiabetic thiazolidinediones and secondary osteoporosis［J］. Curr Osteoporos Rep,2010,8:178–84.

［7］ Donath MY, Shoelson SE. Type 2 diabetes as an inflammatory disease［J］. Nat Rev Immunol ,2011,11:98–107.

［8］ Motyl KJ, Botolin SIrwin R, et al. Boneinflammation and altered gene expression with type I diabetes early onset［J］. J Cell Physiol, 2009,218(3):575–83.

［9］ 付永偉，和红兵.糖尿病与骨丧失关系的研究进展.华夏医学,2007(2) 164-166.

［10］ 曲攀，高秀秋.2型糖尿病伴牙周病大鼠牙槽骨中转化生长因子β1m RNA的表达［J］.中国组织工程研究与临床康复, 2010,14(46):8576-80.

［11］ Juliete Aparecida F, Garnero P, et al. Pentosidine and increased fracture risk in older adults with type 2 diabetes［J］. J Clin Endocrinol Metab,2009,94:2380–6.

［12］ Dieudonne DT，Liu R，Alikhani M，et al.diabetes enhanced inflammation and apoptosis impact on periodontal pathology［J］.J Dent Res, 2006, 85(1):15-21.

［13］ 高秀秋，赵靓，杜阳.VEGF在糖尿病伴发牙周炎患者牙龈组织中的表达.辽宁医学院学报；2011 Jun.32(3):196-198