胰高血糖素样肽-1对骨代谢的影响和潜在机制

赵辰荷(综述) 梁 璟 杨吟秋 于明香(审校)

(复旦大学附属中山医院内分泌科 上海 200032)

胰高血糖素样肽-1对骨代谢的影响和潜在机制

赵辰荷(综述) 梁 璟 杨吟秋 于明香△(审校)

(复旦大学附属中山医院内分泌科 上海 200032)

胰高血糖素样肽-1 (glucagon-like peptide-1,GLP-1)受体激动剂作为新型2型糖尿病治疗药物,其对骨代谢的影响受到广泛关注。本文综述了GLP-1对骨代谢的影响及其潜在机制:增加骨密度和改善骨质量,并可能通过促进骨形成、抑制骨吸收和影响两者间的偶联机制而发挥作用。

胰高血糖素样肽1; 骨生成; 骨质吸收; 骨质疏松; 糖尿病

骨质疏松症和糖尿病之间存在着紧密联系。1型和2型糖尿病都能影响骨密度和骨折风险[1]。胰高血糖素样肽-1(glucagon-like peptide-1,GLP-1)受体激动剂作为新型2型糖尿病治疗药物[2],其对骨代谢的影响和潜在机制受到广泛关注。有报道称GLP-1能够增加骨密度和改善骨质量,但GLP-1和骨折风险之间的关系仍存在争议;GLP-1能促进骨形成,并抑制骨吸收,但GLP-1作用于骨组织的具体过程与相关分子通路仍不完全明确。本文针对GLP-1对骨代谢的影响和潜在机制,综述了目前相关的研究进展。

GLP-1对骨代谢的影响

GLP-1对骨密度的影响 实验研究显示GLP-1的使用能够增加糖尿病和非糖尿病状态下的骨密度。针对糖尿病或异常代谢状态,在动物实验中,GLP-1和艾塞那肽(GLP-1类似物)的使用都能逆转高脂和高卡路里喂养Wistar大鼠股骨和椎骨的骨量降低[3]。在临床试验中,69例2型糖尿病患者在使用二甲双胍的基础上,对其中36例加用艾塞那肽,33例加用甘精胰岛素,经过44周治疗后,艾塞那肽组与甘精胰岛素组相比,体重虽有显著降低,但骨密度水平却无显著差异[4]。这提示艾塞那肽在减重的同时,可能对骨密度有保护作用。而针对非糖尿病状态,研究显示对非糖尿病且卵巢切除的Wistar雌鼠使用艾塞那肽后其骨密度增加[5]。而对该种模型使用利拉鲁肽同样能增加股骨和腰椎骨密度[6]。

GLP-1对骨质量的影响 GLP-1可能改善骨质量。针对非糖尿病状态,对卵巢切除后骨质疏松的老年小鼠使用艾塞那肽,能增加其骨强度,并防止骨小梁微结构的破坏进一步恶化[7]。而对卵巢切除的Wistar非糖尿病雌鼠分别使用艾塞那肽与利拉鲁肽,都能改善股骨和腰椎的骨小梁体积、厚度和数量,并降低骨小梁间隙[5-6]。而针对患有糖尿病和胰岛素抵抗的小鼠,其骨小梁结构参数中的骨体积分数和骨小梁数量减少,骨小梁分离度、骨小梁模式因子、结构模式指数增加,表明其骨小梁的各向异性增加,正常的骨结构受到破坏。而GLP-1能相应地降低该趋势,修复正常的骨结构[8]。另外,将26周的GLP-1和GIP敲除(double incretin receptor knock-out,DIRKO)小鼠与野生型小鼠对比发现,DIRKO小鼠的松质骨骨量和骨小梁增加,而骨外径、皮质骨厚度和皮质骨面积减少。在骨整体水平上,DIRKO小鼠骨折所需的屈服应力、极限应力和屈服后做功显著减少。在组织水平上,DIRKO小鼠的胶原成熟度下降9%,从而导致最大负荷、硬度和耗散能量的降低[9]。

GLP-1对骨折风险的影响 目前针对GLP-1对骨折风险的影响仍不完全明确。一项英国临床实践研究数据链(Clinical Practice Research Datalink,CPRD) (2007—2012)队列研究显示,GLP-1受体激动剂与降低骨折风险并无关联,且这项结果不受药物种类(艾塞那肽或利拉鲁肽)及同一药物不同剂量的影响[10]。与之一致的是,另一项Meta分析研究了GLP-1受体激动剂对比其他降糖药治疗2型糖尿病患者(>24周)的随机对照试验,结果发现GLP-1受体激动剂与其他降糖药相比,并不能改善骨折风险(OR=0.75,95%CI)为0.28～2.02,P=0.569)。但由于缺乏所研究患者的骨质状态数据,如骨密度、骨质量、骨微结构、钙代谢、磷代谢等,不能对研究对象的差异性进行全面评估。并且GLP-1受体激动剂具有降低体重的作用,而减重可能促进骨折发生,从而掩盖GLP-1受体激动剂对骨的潜在保护作用。另外,GLP-1受体激动剂易产生恶心、呕吐、腹泻等不良反应。营养物质和电解质的吸收不良可能会干扰GLP-1受体激动剂对骨代谢的作用[11]。另外,为了进一步研究不同的GLP-1药物对骨折风险的影响是否相同,一项Meta分析纳入了截止到2013年12月的随机对照试验,发现与安慰剂或其他降糖药相比,利拉鲁肽可能降低骨折风险(OR=0.38,95% CI为0.17～0.87),而艾塞那肽可能增加骨折风险(OR=2.09,95% CI为1.03～4.21)。利拉鲁肽和艾塞那肽对骨折风险的影响不同,其原因可能有两点。第一,两者的分子结构不同,故药代动力学模式不同。利拉鲁肽与内源性GLP-1有97%的相似性,而艾塞那肽只有50%的相似性。这提示了利拉鲁肽模拟内源性GLP-1作用的效果可能更佳。第二,艾塞那肽相比利拉鲁肽降低体重和血糖的程度更高,故导致骨折的风险可能更高[12]。总的来说,目前现有研究的平均时间和骨折例数尚不足以得出对GLP-1和骨折风险间关系的肯定结论;并且研究中骨折的发生仅作为用药的不良反应来记录,并未常规对每一病例进行骨折风险的数据采集,这也同样不利于得出GLP-1对骨折风险影响的肯定结论。

GLP-1影响骨代谢的可能机制

在骨代谢中,骨形成和骨吸收的循环往复维持着人体正常的骨质和骨量。而GLP-1对骨形成和骨吸收都有作用。

GLP-1促进骨形成及其潜在机制

GLP-1促进骨形成:GLP-1能够增加成骨细胞的数量。对卵巢切除小鼠使用艾塞那肽16周后,通过对骨组织形态进行分析发现,松质骨表面的成骨细胞数量增加[7]。这一结果在其他实验中也得到证实[13]。

GLP-1促进骨形成相关基因的表达。Runx2是成骨细胞分化和骨形成的重要转录因子[14]。碱性磷酸酶(alkaline phosphotase,ALP)、骨钙蛋白(osteocalcin,OC)是评价骨形成的重要标志物。对卵巢切除诱发骨质疏松的老年小鼠注射艾塞那肽,能够促进Runx2、ALP和OC的mRNA表达水平增加[7]。在糖尿病模型研究中,GLP-1的使用对正常、2型糖尿病、胰岛素抵抗小鼠的OC mRNA表达水平,分别都有显著的增加作用[8]。在成骨性MC3T3-E1细胞上,GLP-1也有类似作用[15]。另外,对小鼠和人类骨髓间充质干细胞使用利拉鲁肽,也都能增加其Runx2和ALP的表达[16]。这些数据都从基因层面进一步说明GLP-1能够促进骨形成。

GLP-1能促进血清中骨形成标志物水平的增加。对卵巢切除诱发骨质疏松的老年小鼠使用艾塞那肽,包括ALP、OC和Ⅰ型前胶原氨基端延长肽(N-terminal propeptide of type I procollagen,P1NP)在内的骨形成标志物在血清中的水平增加[5]。而对健康的肥胖妇女应用利拉鲁肽52周后,血清P1NP水平同样增加16%[16]。

GLP-1受体在成骨细胞膜上的表达:GLP-1受体是一种表达在胰腺和胰腺外多种组织上的cAMP介导的G蛋白偶联受体,具有多种生理功能。已证明GLP-1能够与GLP-1受体结合。故针对GLP-1受体在成骨细胞上表达情况及其性质功能的研究具有重要意义。实验发现在研究最广泛的鼠成骨细胞系MC3T3-E1细胞系上,有GLP-1受体表达,且受血糖水平调节[17]。除此以外,脂肪源性干细胞具有包括成骨分化在内的多种分化潜能。在该细胞成骨分化过程中发现有增加的GLP-1受体基因表达,说明GLP-1受体在成骨分化过程中可能具有一定作用[18]。

一项由Bernardo等进行的研究表明,与人类GLP-1结合的鼠MC3T3-E1细胞系上的相应受体,并非是以往所提出的cAMP介导的G蛋白偶联受体,而可能是另一种具有时间和温度依赖性的功能性受体。GLP-1受体在GLP-1结合作用下,先导致糖基磷脂酰胆碱(glycosylphosphatidylinositols,GPIs)迅速水解,接着促进肌醇磷酸多糖(inositolphosphoglycans,IPGs)、磷脂酰肌醇-3-激酶和丝裂原活化蛋白激酶活性增加,从而产生作用。而艾塞那肽同样能诱导GPIs水解,但与人类GLP-1化合物相比,作用发挥较迟[15]。总的来说,GLP-1可能通过GPI/IPG受体直接作用于成骨细胞。

GLP-1通过Wnt通道增加骨形成:硬化蛋白是SOST基因表达的蛋白产物。它由骨陷窝细胞分泌,与骨形态生成蛋白结合,从而抑制ALP活性及Ⅰ型胶原合成与骨矿化,故对骨形成起抑制作用[19]。对患2型糖尿病的OLETF鼠使用艾塞那肽,其血清硬化蛋白水平降低。而该小鼠股骨的骨样MLO-Y4细胞在艾塞那肽作用下,硬化蛋白的mRNA和蛋白表达水平也下降。该研究还表明艾塞那肽可能与GLP-1受体结合,激活蛋白激酶A,经由骨陷窝细胞上的Wnt/β-catenin通道介导,进而抑制硬化蛋白分泌,促进骨形成[20]。

GLP-1抑制骨吸收及其潜在机制

GLP-1抑制骨吸收:GLP-1能够影响破骨细胞的数量和功能。对卵巢切除诱发骨质疏松的小鼠使用艾塞那肽16周,组织学分析发现松质骨表面的破骨细胞数量显著降低[7]。而对卵巢切除小鼠分别注射利拉鲁肽、艾塞那肽和生理盐水,艾塞那肽组的破骨细胞数量增加且呈剂量相关性,利拉鲁肽组在1 000 nmol/L剂量时出现破骨细胞数量增加。虽然与前一实验中GLP-1对破骨细胞数量的影响相反,但该实验中破骨细胞的骨吸收效率降低,故总的来说仍减少了骨吸收[21]。

GLP-1可能降低血清中骨吸收标志物的水平。对卵巢切除诱发骨质疏松的老年小鼠注射艾塞那肽,能降低血清骨吸收标志物水平,包括血清Ⅰ型胶原C终端肽(C-terminal crosslinked telopeptides of type I collagen,CTX-Ⅰ)、尿脱氧吡啶并啉(deoxypyridinoline,DPD)/肌酐的比值[5]。而对健康的肥胖妇女应用利拉鲁肽52周后,血清CTX-Ⅰ水平却无显著差异[16]。但总的来说,GLP-1仍可能抑制骨吸收。

GLP-1可能通过降钙素间接抑制骨吸收:有研究认为GLP-1对破骨细胞无直接作用。例如在牙齿上,GLP-1不能抑制1β,25-(OH)2D3诱导的破骨细胞生成和成熟破骨细胞活性[22]。人们继而试图寻找GLP-1作用于骨吸收的间接方式。研究显示,GLP-1受体表达于甲状腺C细胞,并能由cAMP介导促进降钙素分泌[23]。野生型小鼠在艾塞那肽作用下,甲状腺降钙素mRNA表达水平升高。而GLP-1受体敲除小鼠的降钙素mRNA水平降低,且尿DPD水平增加,故骨吸收水平增强。而对缺乏GLP-1受体的小鼠使用降钙素后,尿DPD增加趋势有所缓解。因此可以推论,GLP-1通过促进甲状腺C细胞分泌降钙素,从而间接抑制骨吸收[22]。

但上述动物实验的研究证据在临床研究中受到质疑。啮齿动物甲状腺C细胞上表达着丰富的GLP-1受体并对血钙平衡具有重要作用,而人类甲状腺C细胞表达GLP-1受体的水平较低且生理功能并不确切[24]。另外,实验显示人类TT甲状腺C细胞系与鼠C细胞系MTC 6-23和CA-77相比,对GLP-1反应并产生cAMP、释放降钙素的能力较差[25]。

综上所述,GLP-1可能通过降钙素间接抑制骨吸收,但对此仍需通过进一步的实验证实。

GLP-1对骨形成和骨吸收间平衡的影响 人体正常的骨代谢需要骨形成和骨吸收协同合作,并保持两者间稳定的平衡状态。而该过程由成骨细胞、破骨细胞及包埋于基质的骨陷窝细胞共同参与[26]。成骨细胞和脂肪细胞来源于间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)[27]。研究发现GLP-1受体不但表达在MSCs上,而且在成骨细胞上的表达水平高于脂肪细胞。故可推测GLP-1对MSCs分化为成骨细胞或脂肪细胞有潜在导向作用,可能会促进成骨细胞分化[28]。而破骨细胞来源于造血干细胞,造血干细胞的成熟过程受到成骨细胞源性的细胞因子调节[29]。其中骨保护素(osteoprotegerin,OPG)、核因子κB受体活化因子配体(receptor activator for nuclear factor-κB ligand,RANKL)和核因子κB受体活化因子(receptor activator for nuclear factor-κ B,RANK)三者共同构成了影响破骨细胞分化、活化和凋亡的至关重要的三角调节关系,同时也偶联着骨形成与骨吸收。大多数促进破骨细胞生成的因素都通过刺激成骨细胞上RANKL表达,从而间接作用于破骨细胞。对卵巢切除小鼠使用艾塞那肽治疗4周后,OPG的mRNA水平显著升高而RANKL的mRNA水平显著降低[7]。对2型糖尿病和胰岛素抵抗小鼠分别使用GLP-1,OPG/RANKL的比值皆增加[8]。更有进一步的研究指出,GLP-1增加OPG表达水平的作用胜过对RANKL表达的影响[3]。故GLP-1不但能促进骨形成,还能抑制骨吸收。因而GLP-1能够维持两者间平衡,并帮助骨量丢失的2型糖尿病患者重建平衡状态。

结语 针对肠促胰岛素类药物对骨代谢的影响和机制的研究颇丰。具体来说,在对骨代谢的影响方面,GLP-1对骨代谢可能有正面作用,能够增加骨密度和改善骨质量,但GLP-1和骨折风险之间的关系仍存在争议。在对骨代谢的作用机制方面,GLP-1能促进骨形成,并抑制骨吸收。另外,骨形成和骨吸收间的平衡状态对正常的骨代谢至关重要,而GLP-1有益于维持或重建这一平衡。但GLP-1作用于骨组织的具体机制过程仍不完全明确。综上所述,未来仍需要更多的实验数据,分析GLP-1作用于骨代谢的具体过程和相关分子通路,从而进一步阐明其对骨代谢的影响和作用机制。

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The impact and potential mechanism of glucagon-like peptide-1 on bone metabolism

ZHAO Chen-he, LIANG Jing, YANG Yin-qiu, YU Ming-xiang△

(DepartmentofEndocrinology,ZhongshanHospital,FudanUniversity,Shanghai200032,China)

Glucagon-like peptide-1 (GLP-1) receptor agonists are a novel type of drugs for type 2 diabetes mellitus (T2DM),and its impact on bone metabolism has drawn great attention nowadays.This review reveals the impact and potential mechanism of GLP-1 on bone metabolism:GLP-1 enhances bone mineral density and improves bone quality and it may act on bone by promoting bone formation,inhibiting bone resorption and affecting the coupling mechanism of them in order to play its role in bone metabolism.

glucagon-like peptide-1; osteogenesis; bone resorption; osteoporosis; diabetes mellitus

R977.1+5

B

10.3969/j.issn.1672-8467.2017.03.020

2016-09-05;编辑:沈玲)

△Corresponding author E-mail:yu.mingxiang@zs-hospital.sh.cn