骨钙素与认知功能障碍关系的研究进展

杨倩 顾朋颖

1. 安徽医科大学附属省立医院老年医学科，安徽 合肥 230032 2. 安徽医科大学附属省立医院南区干部病房，安徽 合肥 230036

认知功能障碍是一种普遍的公共健康问题，主要分为轻度认知功能障碍和痴呆两大类。全球每年大约有460万人被诊断为痴呆，每20年增加2倍，到2050年痴呆患者将达到1.315亿。在老年人群中，认知功能障碍已带来严重后果，痴呆对健康看护和社会花费负担巨大[1]。骨钙素(osteocalcin，OC)不仅参与骨代谢，影响骨密度，而且参与糖脂代谢，改善动脉硬化，影响神经递质的合成。最近许多研究表明糖尿病、动脉硬化、骨质疏松与认知功能障碍关系密切[2-4]，而OC作为代谢调节因子，可能通过不同方式影响认知功能，本文就二者关系的研究进展进行综述。

1 OC的结构和功能

OC是由1号染色体(1q25-q31)上的BGLAP(bone gamma-carboxyglutamate protein)基因编码，由成骨细胞特异分泌的，一种维生素K依赖性的非胶原蛋白，OC含有γ-氨基蛋白，又称γ-羧基谷氨酸蛋白，完整的OC分子是由49个氨基酸组成的多肽，可以用胰蛋白酶水解成3个片段，即N末端、中端和C末端[5]。OC含有3个(17、21和24位)依赖于维生素K的γ-羧基谷氨酸，这3个残基是依赖维生素K和CO2羧化酶复合物作用下由谷氨酸转变而来的，根据这3个残基是否被完全羧化，分为羧化不全骨钙素(uncarboxylated osteocalcin，ucOC)和完全羧化骨钙素(carboxylated osteocalcin，cOC)[6]。成骨细胞和破骨细胞分泌OC并将之存储于骨基质中，在生理情况下通过骨吸收脱羧后以uc OC形式释放入血，研究表明uc OC为OC的活性形式，而c OC无活性[7]。既往研究表明OC参与骨代谢，具有维持骨的正常旷化并抑制异常羟基磷灰石形成的生理功能，通过促进造骨细胞钙化为成骨细胞而参与骨骼发育。但近年来不断发现骨骼也是一种内分泌器官，OC作为一种激素，具有旁分泌、自分泌和循环分泌的作用，OC和靶器官形成的骨-靶器官内分泌循环如图1(图片引自文献[8])所示。OC和靶器官之间存在反馈调节，如胰岛细胞产生胰岛素刺激成骨细胞分泌OC，反过来OC不仅可以增加胰岛素敏感性，刺激β-细胞增殖，还可作用于骨骼肌、脂肪组织、睾丸等来调节全身代谢功能，而OC作用于大脑调节神经递质的合成并影响认知功能，开启了人们对OC的重新认识。

图1 骨-靶器官内分泌循环Fig.1 Endocrine cycle in bone-target organs

2 OC对认知功能的直接作用

在动物模型中，Oury等[9]发现体内不含OC的小鼠其行为异常主要表现为与焦虑和抑郁有关的认知功能损害。有研究表明OC在大脑中生成并作为一种神经肽参与紧张感觉刺激的信息传输[10]。OC可以穿过血脑屏障作用于脑干、中脑和海马来影响几种与学习和记忆形成有关的神经传导物质的合成，已证实OC通过以下途径直接作用于大脑[9]：OC诱导神经元中钙离子聚集，激活脑干和蓝斑中神经元的动作电位，同时抑制脑干γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid，GABA)中间神经元动作电位频率，进而刺激5 -羟色胺、儿茶酚胺合成的基因表达，抑制GABA生物合成相关基因的表达，因此影响相应神经递质的合成。另外，OC还可直接阻止海马中神经元凋亡，从而保护与空间学习和记忆相关的认知功能。研究进一步发现，孕鼠体内OC对正常胎儿的大脑发育有潜在影响，在胎儿骨发育之前，OC即存在于胎儿血中；去除OC的母鼠可以增加其幼儿海马体中神经细胞的凋亡[9]。这些研究表明OC对大脑发育和认知功能有直接影响，但具体机制还需更深一步研究。

衰老导致人体骨密度及ucOC水平降低[11]。低骨密度和认知功能损害共存，骨质疏松增加了轻度认知功能损害到阿尔茨海默病的进展速度，甚至阿尔兹海默病的发生[4]。调节OC表达的主要基因是Runx2，该基因突变导致锁骨颅骨发育不全，日本学者[12]观察到，锁骨颅骨发育不全患者常出现认知功能缺陷。我国学者研究发现抑郁症的患者其体内有较低水平的ucOC，并且ucOC与抑郁呈负相关，另外该团队在2型糖尿病患者中经多元逐步回归校正分析发现血清ucOC水平降低，其认知功能也下降[13]。Josep等[14]利用核磁共振成像液体衰减反转恢复(fluid-attenuated inversion recovery，FLAIR)技术研究OC对大脑及认知功能的影响发现，低OC水平的患者在其尾状核及壳核区有较低的FLAIR强度，而FLAIR技术对认知功能的预测敏感性较高，经统计分析发现低OC是认知损害的独立危险因素(F=3.551，P=0.01343；R2=0.103)，其研究数据表明OC可能通过作用于基底节的微观结构来影响认知功能。目前国内外对OC与认知关系的研究仍较少，还有大量未知领域有待进一步探索。

3 OC与认知功能障碍的危险因素

3.1 OC与糖代谢

骨骼作为一个内分泌器官，其分泌的OC对机体能量代谢平衡起着重要的调控作用。Ferron等[15]给予小鼠皮下持续泵入ucOC 4周后，发现小鼠体内血糖降低、胰岛素分泌增加及胰岛素敏感性提高。Lee等[7]研究OC基因敲除(Ocn-/-)小鼠显示β-细胞增殖降低，葡萄糖耐受不良和胰岛素抵抗。临床研究[16]也发现OC通过刺激胰岛素的分泌和胰岛素的敏感性来加强机体对葡萄糖的作用，它的水平与血糖和糖化血红蛋白(hemoglobin A1c，HbA1c)呈负相关，高血糖可影响OC的合成，在高血糖状态下由于胰岛素分泌及作用缺陷，成骨细胞上表达的胰岛素受体数量减少，成骨细胞功能被抑制，从而导致OC合成减少。

长期高血糖可引起慢性糖尿病性脑病，即通过氧化应激、微血管病变等机制使大脑神经元数量减少、形态异常或功能失调，导致相关学习和记忆功能障碍[2]；而长期应用胰岛素的糖尿病患者血糖波动较大，易引起低血糖，造成海马萎缩，引起认知损害。OC对血糖具有调节作用，推测OC可以通过血糖的变化来影响认知功能。

3.2 OC与脂代谢

Lee等[7]研究发现，在食欲不受影响的情况下，胚胎干细胞磷酸酶敲除(Esp-/-)小鼠体内OC活性增加，其能量消耗也增加，脂肪含量及甘油三酯水平低于对照组野生型小鼠，而向野生型小鼠中持续输注OC，其甘油三酯水平明显降低，同样OC基因敲除(Ocn-/-)小鼠则表现为肥胖及高脂血症。另外，Fernand ez-Real等[17]对健康人群的研究以及我国学者[18]对骨质疏松患者的观察均发现，OC水平与血浆甘油三酯水平呈负相关(r=-0.54，P=0.01[17]；r=-0.499，P=0.03[18])。

脂代谢紊乱可加重动脉粥样硬化的进展，而动脉硬化是血管性认知障碍的重要危险因素之一。我国学者[19]研究发现高脂饮食可引起血管内皮细胞损伤，导致炎症因子增加，加速动脉粥样硬化过程，而向高脂饮食组小鼠体内注射OC后，其体内各种炎症因子如肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白介素-1(IL-1)和白介素-12(IL-12)水平明显降低，表明OC对高脂血症引起的动脉硬化具有保护作用。高血脂还可通过载脂蛋白来调节β淀粉样蛋白(amyloid-β，Aβ)的形成并妨碍神经突触的完整性，因此导致阿尔兹海默病的病理改变[20]。OC对脂代谢的影响与动脉硬化及阿尔兹海默病相关，推测OC可能通过血脂水平的调节间接参与认知功能的改变。

4 OC与认知功能障碍的保护因素

4.1 OC与瘦素

瘦素是由脂肪组织特异分泌的一种小分子多肽类激素，其受体LRb除分布于下丘脑多个核团区表达神经肽Y的细胞膜上外，还分布于调节学习与记忆的海马等其他脑区[21]。研究表明瘦素参与神经突触的形成和轴突生长，增加海马区脑源性神经营养因子的表达，具有神经保护作用；基础实验及临床研究均发现瘦素不仅能够减少磷酸化的tau蛋白，减轻神经纤维缠结，而且可以减少Aβ含量，进而能够改善阿尔兹海默症患者的记忆功能[22]。

瘦素可通过外周及中枢双重作用实现其对OC的功能调节。在外周通路中，瘦素作用于成骨细胞，激活转录激活因子4(ATF4)，而ATF4可诱导成骨细胞中胚胎干细胞磷酸酶(embryonicstem cell phosphatase，Esp)基因表达增加，进而骨细胞中Esp基因编码的蛋白酪氨酸磷酸酶(osteotesticular protein tyrosine phosphatase，OST-PTP)含量升高，最终大量OC转化为ucOC，促进骨骼发育[23]。在中枢性通路中，瘦素通过向脑干神经元发出信号来阻止5-羟色胺的合成，该神经物质减少了交感神经活动，反过来抑制骨形成及增加骨吸收，进而影响OC的合成[21]。相反ucOC可以作用于脂肪组织，促进脂肪细胞分泌瘦素。以上表明OC与瘦素之间通过中枢神经系统形成反馈调节(见图2，图片引自文献[24])，瘦素影响5-羟色胺的合成并改善阿尔兹海默病病理结构，猜测OC可能通过瘦素对认知功能起保护作用。

图2 瘦素和骨钙素间的反馈调节Fig.2 Feedback regulation between leptin and osteocalcin注：OCN：骨钙素；VMH：腹内侧下丘脑；Arc：下丘脑弓状核；SNS：交感神经系统

4.2 OC与脂联素

脂联素是由脂肪细胞分泌的一种内源性生物活性多肽，在血浆中含量极其丰富。脂联素通过与脂联素受体1和脂联素受体2结合, 既调节脂肪代谢，又参与骨代谢[25]，影响OC的合成。相反，Lee等[7]研究显示去除OC的小鼠较对照组野生小鼠血脂联素水平降低，临床研究进一步发现血液中ucOC可作用于脂肪细胞，促进脂联素的分泌[26]。

脂联素受体除分布于成骨细胞外，还分布于大脑组织中，高脂联素水平对大脑具有保护作用[27]。Sakr[28]在患有糖尿病的大鼠中应用西格列汀治疗后，其体内脂联素水平及下丘脑脂联素受体1信使RNA的表达均增加，进而使小鼠的记忆及认知功能提高。脂联素可有效降低阿尔兹海默病患者体内促炎细胞因子水平，并预防Aβ的神经毒性作用[29]。另外，脂联素增加胰岛素敏感性，并通过调控胰岛素信号转导来维持大脑葡萄糖水平，进而影响海马中神经元胆碱能受体功能和GABA的合成，最终改善空间学习和记忆行为有关的认知障碍和记忆障碍[30-31]。以上研究表明脂联素参与认知功能的调节，而OC与脂联素合成与分泌相互影响，推测脂联素作为OC与认知障碍之间的保护因子起作用。

5 展望

骨代谢的标志物OC以低羧化活化形式进入血液循环，作用于骨以外的靶器官，如胰腺、脂肪组织和大脑，并通过不同途径直接或间接影响认知功能。目前国内外对骨钙素与糖脂代谢，糖尿病、动脉硬化、骨质疏松与认知障碍之间的研究较多，而骨钙素与认知功能之间的直接作用研究较少，如果能够从分子和基因方面深入了解OC在大脑中的功能，将有助于探索认知干预的新方法。