T1DM增加骨质疏松性骨折风险的相关机制研究进展

袁雷亮，田发明，刘广源，张柳

(华北理工大学附属医院，河北 唐山　063000)



T1DM增加骨质疏松性骨折风险的相关机制研究进展

袁雷亮，田发明，刘广源，张柳

(华北理工大学附属医院，河北 唐山063000)

糖尿病在全世界范围内发病率逐渐增加[1-2]，其与患者的肥胖、胰岛素抵抗、胰腺的β细胞功能缺陷有关[3-4]，胰岛素代谢功能紊乱影响葡萄糖、蛋白质、脂质的代谢调节，从而引发各种并发症。李健等[5]研究显示糖尿病大鼠模型的骨吸收加快而骨形成不足，导致其骨量下降和骨形态计量学特性改变。研究发现1型糖尿病(type 1 diabetes mellitus，T1DM)患者发生骨折的风险增高，随着人口老龄化的加剧，预计未来发生骨折的T1DM患者将更加常见[6]。但是糖尿病在过去十年中才作为骨折的危险因素而逐渐受到重视。

骨质疏松症是最常见的骨骼疾病，据估计全世界有2亿人罹患该病[7]。30%绝经后女性患有骨质疏松症，其中高达40%的女性会出现骨折[8]。目前，已知多种与骨质疏松症有关的危险因素，这些危险因素有助于骨质疏松的检测与治疗[9-10]。虽然确立糖尿病与骨质脆性有关已至少半个世纪[11]，但糖尿病作为骨质疏松症的一个重要的危险因素得到关注仅仅是最近十几年的事。

本文对有关T1DM患者骨脆性增加具体机制进行深入探讨。阐述这些机制对骨质和骨折风险的影响，且该机制的研究有助于进一步发现新的方法用于骨折患者的治疗和预防。

1T1DM骨脆性增加的病生理学机制

骨重建主要依赖于成骨细胞的骨形成作用与破骨细胞的骨吸收作用二者之间的平衡。这种平衡受到众多的分子信号调控。这些分子途径受到任何干扰都会影响骨代谢的平衡，从而影响骨质。已证实在T1DM中若干参与骨重建的细胞因子、微结构因子以及体液因子发生多种变化。

1.1T1DM对成骨细胞作用的机制成骨细胞活性减低和分化受损是T1DM患者骨脆性增加的关键因素。有研究显示T1DM儿童的骨形成标记物1型胶原羧基末端肽表达下降[12-13]。Gunczler等[12]对成骨细胞活性和分化异常的分子机制做了进一步研究，显示T1DM不仅影响成骨细胞的功能，还调控骨髓中成骨细胞分化途径中的多个步骤。链脲佐菌素诱导T1DM大鼠模型，发现成骨细胞分化异常源自干细胞水平，间充质干细胞以及成骨祖细胞两者总数均明显降低。部分原因是由于骨髓间充质干细胞凋亡增多所致[14-15]。最近的研究也支持该观点，有学者观察到与生长在正常生理浓度葡萄糖环境中的胚胎干细胞(Embryonic stem cells，ESCs)相比，高浓度葡萄糖环境下ESCs中未分化细胞数目减少[16]。因此，T1DM成骨细胞分化异常的部分原因是由于多能干细胞向成骨细胞分化过程受到影响。

一些研究已发现T1DM成骨细胞分化功能异常与基因有关。对链脲佐菌素诱导的T1DM小鼠模型进行骨髓消融实验，检测成骨细胞分化标记物，发现与非糖尿病组相比，T1DM小鼠体内Runx相关转录因子-2(runt-related transcription factor 2，Runx-2)和同源转录因子-5(distal-less homeobox-5，DLX-5)均减少，同时，骨钙素(osteocalcin，OCN)表达下调[17]。利用链脲佐菌素诱导糖尿病大鼠模型，发现Dlx-5，Runx-2和骨钙素水平降低，但硬骨素(sclerostin，Scl)和Dkk1水平却增加，Scl和Dkk1都是Wnt信号通路的负调节物，而Wnt信号对成骨细胞分化至关重要[18]。而胰岛素治疗能提高RUNX-2和DLX-5的表达。骨钙素是由成骨细胞分泌的一种活性多肽，较稳定，不受骨吸收因素的影响，在骨代谢中起重要调节作用。骨钙素可以刺激下游分子Runx-2表达[19]。骨钙素不仅能调控骨稳态，还能促进胰腺β细胞的增殖、刺激胰岛素释放从而对调节骨质与葡萄糖代谢间相互作用具有重要意义[20]。有证据表明，由于体外实验证实胰岛素可以直接提高成骨细胞骨钙素、碱性磷酸酶、胶原蛋白合成等骨形成标记物活性，故这些骨形成标记物减少的原因部分与胰岛素缺乏有关[21]。综上所述，这些研究结果表明为T1DM骨脆性增加提供了较好的见解，同时也为骨细胞间的交互作用和葡萄糖代谢提供了重要线索。

1.2T1DM对骨细胞的作用机制骨细胞在骨组织细胞中所占的比例约为90%～95%，是主要的骨机械感受器[22]。这些细胞在调节T1DM骨脆性中发挥重要的作用。组织形态学分析T1DM大鼠模型发现骨细胞活性标记物减少，包括骨密度和骨矿化含量降低[23]。与非糖尿病相比，T1DM小鼠骨细胞数量减少，部分是由于细胞凋亡的增加[24]。骨细胞能分泌硬化蛋白，硬化蛋白可负性调节成骨细胞分化中必需的Wnt信号通路，因而硬化蛋白在T1DM骨质形成中起关键作用。硬化蛋白活性增加将抑制T1DM大鼠Wnt通路[18]，但T1DM鼠的硬化蛋白活性却是降低的[24]。这是否由于种间变异性或测定中误差，目前还不清楚。尽管如此，这两项研究中Wnt信号活性都是降低的。这些研究结果表明，T1DM影响Wnt信号通路，继而影响骨细胞的分化。

1.3T1DM对破骨细胞的作用机制T1DM对破骨细胞功能的调节作用尚存争议。体外研究显示，与正常培养基中的胚胎干细胞相比，高血糖培养基中的胚胎干细胞向破骨细胞分化能力降低，是由于抗酒石酸碱性磷酸酶(tartrate resistant alkaline phosphatase，TRAP)活性下降[16]。相反，T1DM小鼠的破骨细胞虽然更小，但在核因子κB配体的受体激活剂(receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand，RANK-L)和巨噬细胞集落刺激因子的受体激活剂(macrophagecolony stimulating factor，M-CSF)刺激后骨吸收增加[25]。骨保护素(osteoprotegerin，OPG)是一种RANK-L可溶性受体，OPG能负性调节破骨细胞分化，其在T1DM动物模型骨组织中降低，从而导致骨吸收增加[26]。与上述细胞实验结果不同，动物实验显示与非糖尿病对照组相比，未经治疗的T1DM大鼠破骨细胞活性未见增高，T1DM大鼠牙槽骨区域破骨细胞数目减少，引起骨质的减少[27]。提示上述动物模型骨脆性可能主要由成骨细胞活性降低，或继发于因破骨细胞活性减低而致的骨微结构持续受损。

T1DM除了可直接调控参与骨重塑外，还能影响骨基质，从而调节骨质。糖基化终产物(advanced glycation end products，AGEs)形成影响骨基质的调节，AGEs也称做晚期糖基化终末产物，是人体内的糖类(如葡萄糖)、蛋白质和氨基酸等物质的氨基端不经过酶促反应就能形成的聚合物。AGEs与多种糖尿病并发症有关，且对骨脆性有明显的影响[28]。T1DM大鼠动物模型研究显示与对照组大鼠相比，糖尿病大鼠非酶交联有所增加[29]。非酶AGEs反应可引起骨质降低[30]。酶和非酶的交联都发生在赖氨酸残基上，AGEs的形成竞争性抑制酶交联位点[31]。AGEs还可以通过激活AGE受体引起成骨细胞凋亡。

2T1DM对骨密度的影响

有文献报道骨矿物质密度(bone mineraldensity，BMD)下降可能发生骨质疏松性骨折的部位是髋骨。大部分研究显示与非糖尿病组相比，T1DM患者的髋骨BMD下降[32]。Neumann等[33]发现与非糖尿病组相比，T1DM患者髋骨骨密度评分显著减低，这与Eller-Vainicher等[34]病例对照研究结果相似。一项前瞻性研究发现T1DM男性股骨颈骨密度下降；而女性患者却未观察到[35]。另有针对女性患者的研究显示，T1DM与BMD减少有关，还有研究显示股骨干BMD的减少与T1DM的发病年龄有关[36]。有学者研究发现与对照的相比，T1DM患者腰椎骨密度评分降低[35-37]，且与髋骨的研究结果相似。T1DM患者腕关节BMD改变仍存争议。与髋骨和脊椎BMD的降低不同，使用定量CT在腕关节测定骨小梁体积BMD值，T1DM青年患者与健康对照组相比差异无统计学意义[38]。相似的另一项研究显示，与对照组相比，T1DM男性或女性患者前臂区域骨密度未见明显下降[39]。Danielson等[40]研究发现前臂骨密度的下降可能是只见于病程较长的患者。

3T1DM组织形态学分析

1型糖尿病不仅对骨密度有影响，还会引起骨几何结构的改变。骨几何结构包括骨头的大小、形状和骨质的分布，这些因素决定了其抗弯曲和扭转载荷的能力[41]。应用三维定量计算机断层扫描检测T1DM青少年患者股骨颈的皮质骨BMD明显降低，总BMD明显降低，皮质骨厚度和转子间皮质骨的横截面积降低[42]，应用外周定量计算机断层扫描测量检测分析胫骨皮质和骨小梁体积分数减少[41]。另有学者研究了性别差异，男性或女性T1DM患者骨结构参数如股骨近端、腰椎、桡骨远端、胫骨远端、胫骨干均与性别匹配的非糖尿病患者相比无差异，但T1DM男性患者的桡骨干皮质横截面积显著降低[43]，这些差异是否能长期持续存在尚不明确。T1DM患者骨结构发生改变，从而引起骨折风险的增加，降低患者的生活质量。

4T1DM对骨机械性能的影响

一些研究提示骨质能预测骨折风险，但有学者普遍认为无一项骨质指标能够充分反映骨机械力学性能，但骨机械力学性能可以反过来作为评价骨力学特性及其抗骨质能力的金标准[44]。骨的力学性能取决于骨结构和骨质。临床尚无相关的T1DM患者骨强度力学性能的研究。而有限的动物模型实验研究发现T1DM鼠的骨结构和骨质的机械性能均受损[45-47]。尚不能确定是否可以通过更好的控制血糖来阻止骨强度[45]。Erdal等[46]研究发现控制血糖不能逆转骨生物力学性能。尽管如此，这两项研究都证实在T1DM大鼠骨结构和骨质的机械性能均受损，使骨脆性增加易发生骨折风险。

5结论与展望

综上所述糖尿病对骨组织相关机制影响错综复杂，探讨糖尿病对骨组织的相关发病机理影响显得尤为重要。大多数研究均以高血糖、肥胖、胰岛素抵抗以及骨转化机制为基础对骨组织脆性进行深入研究。而忽略了糖尿病对骨组织脆性增加的细胞和分子信号通路靶点的进行研究。细胞和分子信号通路靶点的研究，为糖尿病骨质疏松性骨折填补了空白，且对该相关机制的研究有了新的认识，为今后的糖尿病骨质疏松性骨折的预防及治疗提供了帮助。

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文章编号：1008-5572(2016)06-0525-04

中图分类号：R683

文献标识码：A

收稿日期：2015-12-03

作者简介：袁雷亮(1985- )，男，研究生在读，华北理工大学附属医院，063000。