基于“骨肉不相亲”理论骨与骨骼肌关系的探讨

戚晓楠 姚啸生 郑洪新 任璐

1.辽宁中医药大学，辽宁 沈阳 110847 2.辽宁中医药大学附属医院，辽宁 沈阳110032

骨质疏松症(osteoporosis，OP)和肌肉减少症(sarcopenia)是常见的增龄性肌骨疾病。随着全球人口的老龄化，其患病率越来越高，给医疗工作带来了巨大的挑战。现代研究表明[1]，骨与骨骼肌作为共同的功能单位参与此类疾病的病理过程。对肌骨关系的探索已成为此类疾病现代研究的热点。

中医对骨与骨骼肌的关系早有论述，《灵枢经·经脉》云：“少阴者，冬脉也，伏行而濡骨髓者也，故骨不濡，则肉不能著也；骨肉不相亲，则肉软却；肉软却……骨先死。”“骨肉不相亲”理论是中医对肌骨关系的高度概括。

肌骨关系，虽表述骨肉之亲疏濡著，实乃论脾肾五行的生克制化、脏腑的功能盛衰。肾属水，藏精，生髓，主骨，为先天之本；脾属土，主运化，合肉，主四肢，为后天之本。脾肾二脏相辅相成，密不可分：肾精充盈，骨髓生化有源，髓以养骨，则骨骼坚固有力；脾主运化，水谷之精充盛，气血化生有源，肌肉丰满，四肢有力。肾藏精气，受五脏六腑之精而藏，可助脾之运化；脾气散精，气血充盈，滋养肾中精气。先天之本与后天之本，相资相助，互相为用，使人体骨骼肌肉强健有力，反之则骨枯肉痿。

虽然目前“骨肉不相亲”现代医学机制仍不明确，但骨应力生物力学机制已成为现代研究的热点，意识到肌肉、骨密度和OP之间的关系密切。增强肌肉力量具有促进骨重建，提高骨密度，提高防跌倒能力，预防骨折的作用。基于中医学“骨肉不相亲”理论和肌骨关系的现代研究成果，本文从生物力学、内分泌、能量代谢、基因和信号通路等机制讨论肌骨关系，为OP和肌肉减少症(简称肌少症)的研究提供新思路。

1 生物力学机制

骨与骨骼肌作为运动系统的两大重要组成部分，解剖上毗邻，功能上相互影响。使骨骼形变的应力主要是由骨骼肌收缩产生的[2]。控制“废用性”骨重建过程和“保留性”骨重建过程相互转换的最小有效应变值称为骨重建阈值(minimum effective strain of remodeling，MESr)。骨应变超过骨重建阈值时，骨就会进入保留模式，使骨吸收和骨形成达到平衡；但当其低于骨重建阈值时，如肌少症，骨就会进入废用模式，吸收多于形成，使骨量减少。适当频率和强度的机械刺激可有效改善肌量和骨质量[3]，甚至逆转骨骼肌的年龄依赖性衰退[4]，但增龄后的低机械应力刺激异常则会产生OP和肌少症[5]。骨骼细胞包含骨细胞(osteocytes)、成骨细胞(osteoblast)和破骨细胞(osteoclast)。最新研究发现[6]，骨组织内的骨细胞是感受骨骼肌应力的主要力学敏感细胞，骨细胞通过产生如Wnt、骨形态发生蛋白(BMP)、一氧化氮(NO)和前列腺素E2(PGE2)、骨钙素(OCN)等信号因子的方式[7]，将机械应力转换为生物信号，进而调节成骨和破骨细胞的分化、集聚及功能，影响骨形成。同时，骨骼细胞产生的部分因子还对骨骼肌有调节作用，如PGE2、OCN是原发性成肌细胞、肌管中肌源性分化的有效刺激物，可以显著增强骨骼肌强度[8]，其中骨细胞分泌的PGE2是骨骼肌细胞的100倍以上[9]。但骨细胞是如何感知机械应力的？一种观点认为是应力引起骨基质形变，在骨小管内产生间质流(interstitial fluid flow)[10]，增大组织压力，促使骨细胞分泌信号因子。另一观点认为负荷是通过产生液压来激活骨细胞的。实验表明，低至13 kpa的循环压力就可成功激活鸡小腿原始骨细胞产生PGE2[11]。第三种观点认为是基质压力直接作用的结果[12]。然而，具体的机制尚未彻底阐明[13]。作为提高骨密度、维持骨矿含量最有效的刺激，骨骼肌产生的机械应力不仅能改善骨质疏松，还可增强骨骼肌力量，进而提高身体的平衡性和稳定性，最终降低骨质疏松性骨折的发生率[14]。

2 内分泌机制

2.1 骨骼肌作为内分泌器官对肌骨的作用

骨骼肌早在2010年就被作为内分泌器官提及[15]，通过分泌肌动因子(myokines)和代谢产物参与内分泌调节。已知的肌动因子包括肌肉生长抑制素(myostatin，MSTN/GDF-8)、白血病抑制因子(LIF)、IGF-1、成纤维细胞生长因子2(FGF2)、卵泡抑素样蛋白1、脑源性中性粒细胞因子(BDNF)、鸢尾素(Irisin)、IL-8、IL-5、IL-6。代谢产物如β-氨基异丁酸(BAIBA)。

2.1.1肌肉生长抑制素：肌肉生长抑制素简称肌抑素，主要由骨骼肌分泌，是骨骼肌与骨生长的强力负调节因子[16]。其上调细胞周期依赖性蛋白激酶抑制剂(p21)表达水平，从而抑制成肌细胞增殖。同时激活Smad3，通过Smad3与MyoD结合，抑制MyoD的活性和表达，实现对成肌细胞分化的抑制[17]。肌抑素通过激活T细胞核因子(NFATc1)的转录因子Smad2，从而明显增强介导破骨细胞形成的RANKL受体活性[18]。对肌抑素的抑制可有效增加骨骼肌质量，改善成骨不全，提高骨密度[19]。作为肌抑素的抑制剂，肌抑素诱饵受体(ACVR2B/FC)作用于肌营养不良模型鼠，可有效阻止骨骼肌和骨量的丢失[20]。由于作用显著，肌抑素常作为骨骼肌与OP之间直接生化通讯存在的标志性因子[21]，并且作为新的药物靶标纳入研究。

2.1.2鸢尾素：鸢尾素是新发现的主要由运动介导调节的骨骼肌因子[22]，由肌跨膜蛋白FNDC5水解后进入血循环。鸢尾素可以通过自分泌方式提高肌细胞PGC-1a、核呼吸因子1(NRF-1)、线粒体转录因子A(TFAM)、葡萄糖转运蛋白4(GLUT4)、UCP-3和鸢尾素的表达，提高肌细胞能量消耗和氧化代谢水平[23]。鸢尾素还可以通过内分泌方式作用于成骨细胞。一方面，上调体内骨组织中成骨基因如骨桥蛋白(OPN)和硬化蛋白(SOST)的表达。另一方面，鸢尾素在体外通过激活P38丝裂原活化蛋白激酶和细胞外信号调节激酶，增强成骨细胞的增殖、分化及矿化[24]，通过抑制RAW264.7细胞中的RANKL/NFATC1来抑制破骨细胞形成[25]。多项研究提示[26-27]，鸢尾素与骨质疏松性骨折的发生率呈负相关，可作为评估骨骼肌与OP系统紊乱的重要骨骼肌因子。实验表明，补肾健脾类中药可以通过上调FNDC5的表达促进骨髓间充质干细胞的成骨化[28-29]。

2.1.3IGF-1与FGF2：IGF-1与FGF2是两个重要的成骨因子[30]，由肌管分泌，并在肌组织中大量存在。IGF-1通过激活PI3K/Akt/mTOR和PI3K/Akt/GSK3通路参与骨骼肌质量调节，并通过与IGF结合蛋白(IGF bonding protein，IGFBPs)结合调节成骨[31]。通过调节Wnt通路，使骨组织适应逐步增加的机械负荷[32]。除此之外，IGF-1也能够以旁分泌形式直接作用于骨骼，在机体生长旺盛期间作用十分明显。FGF-2是广泛存在于机体组织的一种多聚肽，为强烈的有丝分裂剂。FGF-2/FGF-2R通过激活BMP2和Runx2通路调控骨组织合成代谢，增强骨再生能力[33]。通过活化蛋白激酶MAPK/ERK通路促进肌细胞增殖，对骨和骨骼肌的生长均有积极作用。

2.1.4其他：近来发现，BDNF通过快速激活TrkB/ERK1/2通路调整成骨细胞分泌VEGF，参与调节骨折愈合的过程[34]。BAIBA可防止肢体长期无应力刺激导致的骨丢失[35]。

2.2 骨骼作为内分泌器官对肌骨的作用

骨骼作为内分泌器官在2006年被首次提出，其可通过分泌骨因子(osteokines)来行使内分泌功能[36]。与骨骼肌及OP相关的骨因子包括OCN、TGF-β、RANKL、硬化(sclerostin)、DKK1(Dickkopf-1)、骨保护素(osteoprotegerin，OPG)、PGE2、ATP、NO等。

2.2.1骨钙素：OCN主要由成骨细胞合成分泌，大部分与羟基磷灰石结合，沉积于骨基质中。在酸性环境中，约20%的OCN羧基化，并与Gprc6a结合，进入血循环，影响机体多种代谢[37]。OCN对骨骼肌质量和功能有重要影响。实验表明，外源性OCN通过激活骨-骨骼肌的前馈内分泌轴，修复小鼠受损的运动能力，并使15个月月龄的小鼠恢复3个月月龄的运动能力，扭转增龄引起的运动能力下降。同时有氧运动增加循环中活性OCN的水平，促进骨骼肌中OCN信号传导，诱导肌动因子IL-6的产生，影响骨代谢[38]。

2.2.2TGF-β：转化生长因子β(TGF-β)主要由成骨细胞合成并贮存于骨基质中。TGF-β通过较低的酸碱度环境和骨骼的机械拉伸来实现激活，活化后的TGF-β不仅可以促进成骨细胞的增殖与分化，刺激骨形成，还可以促进基质非胶原蛋白的沉积[39]。这些蛋白促进细胞外基质的形成，在调控骨矿化及矿物质成熟中起十分重要的作用，其含量不足将使骨脆性增加[40]。TGF-β在骨与骨骼肌的信息传递中起作用。一项乳腺癌骨转移小鼠体内实验发现，过量的TGF-β可导致骨骼肌的萎缩[41]。补肾类中药治疗OP的机制之一可能就是通过调节TGF-β，促进I型胶原的表达来实现的[42]。

3 能量代谢机制

Ca2+-Mg2+-ATP酶与骨骼肌收缩及能量代谢密切相关，Na+-K+-ATP酶是骨骼肌产生动作电位的能量基础，异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶都是三羧酸循环重要的调节酶，其活性对线粒体的能量代谢和活性氧生成有重要作用。以上4种酶活性的下降均影响骨骼肌的收缩和能量代谢水平，减少对骨的应力刺激，间接促进OP的进程。实验表明，补肾和健脾中药能提高OPG基因敲除小鼠骨和骨骼肌Ca2+-Mg2+-ATP酶[43]、Na+-K+-ATP酶[44]、α-酮戊二酸脱氢酶[45]和异柠檬酸脱氢酶[46]的含量。显著提高骨骼肌的能量代谢，增强其收缩力，促进骨形成。

4 基因机制

在胚胎发育早期，骨与骨骼肌细胞共同起源于间充质细胞，有共同的风险因素和生物学途径，其中60%的风险因素与遗传有关[47]。Wnt16基因被认为与皮质骨厚度[48]和骨小梁质量[49]显著相关，该基因的发现被认为是OP基因研究的巨大成功。英国生物银行及其他全基因组关联研究GWAS发现了基因双向性作用于骨与骨骼肌的证据[50]，所涉及的基因包括AHNAK、AQPI、BCKDHB、DAAM2、DLEUI、MPP7等。多变量GWAS鉴定了同时与骨和骨骼肌代谢相关的性状基因，这些基因包括：①在3844名欧洲人中发现的PRKCH和SCNNIB[51]；②在1 627名独立的中国成人中发现的HK2、UMOD、MIR873、MIR876[52]、HTR1E、COL4A2、AKAP6、SLC2A11、RYR3、MEF2C[53]；③在1 627名中国成人中发现的GLYAT[54]。但这些基因仍有待于进一步的生物学验证。其中METTL21C是已被确认的双向基因，其通过调节NF-κB通路与骨和骨骼肌相关联[55]，有助于中国男性的骨量峰值[56]，与年轻健康的老人相比，虚弱者该基因表达水平升高[57]，其同源物METTL21D被发现与VCP/97结合，在肌少症中发挥作用[58]。

5 细胞信号通路机制

5.1 Ihh信号通路

Ihh通路主要参与细胞的生长、分化、调节和骨骼的生长发育。Ihh/PTHrP通过调节TGF-β、BMP6、Sox等来调节其反馈环，调控骨代谢。骨与骨骼肌协调性下降可能与Ihh/PTHrP通路表达异常有关。而补肾和健脾中药可以提高绝经后OP大鼠骨和骨骼肌PTHrP的含量[59]。还可分别提高绝经后OP和OPG基因敲除大鼠骨和骨骼肌Ihh的含量[60-61]，从而起到防治OP的作用。

5.2 NF-κB信号通路

NF-κB通路在成骨细胞的增殖、分化和凋亡中都有重要作用。RANKL主要由骨细胞分泌，促进破骨细胞的分化与活化[13,36]，其受体RANK在破骨细胞与骨骼肌中表达[62]，骨骼肌中RANKL可以调节Ca2+的储存和肌内质浆网Ca2+-ATP酶的活性，RANK的表达会抑制骨骼肌量及功能[63]，导致营养不良小鼠的虚弱。补肾健脾中药通过提高骨的IкBα含量，抑制NF-κB 异常活化，减缓成骨细胞的凋亡，使骨形成多于骨吸收，有效地防治OP。补肾和健脾方法也可以通过提高骨骼肌的IкBα含量，抑制NF-κB表达，提高骨骼肌的能量[64]。

5.3 Notch信号通路

Notch通路的活化与阻断影响着间充质干细胞向骨细胞的分化，对成骨和破骨细胞的分化和平衡也起着重要作用[65]。补肾中药可以增加绝经后OP模型大鼠骨密度，提高OPG表达，降低RANKL表达，同时提高Notch1、JAG1和HES1在骨及骨骼肌中的蛋白表达，提示补肾中药通过激活Notch通路，促进成骨细胞分化，调节RANKL/OPG比值，抑制骨吸收，起到防治OP的作用[65]。

5.4 Wnt/β-catenin信号通路

Wnt/β-catenin通路在骨细胞中与机械载荷信号向骨表面细胞的传递紧密相关[66]，是通过与前列腺素途径的crosstalk来响应负载而触发的，其减少骨形成负调节因子Sclerostin及DKK1，增加骨形成调节因子(如Wnt)。研究发现[13]，Sclerostin在骨细胞中高度表达，抑制成骨细胞的功能。DKK1主要由成骨细胞分泌，也可抑制成骨。目前尚无直接证据证明这些β-catenin信号传导抑制剂是否对骨骼肌有影响，但由于Wnt可通过支持肌生成和肌功能影响骨骼肌，因此判断Sclerostin及DKK1也会对骨骼肌具有负效应。研究发现[67-68]，Wnt1在骨细胞中高度表达，Wnt3a在剪切力作用下由骨细胞产生，Wnt1和Wnt3a支持骨骼肌的生长和功能。

6 维生素D机制

维生素D是治疗OP的常用药，但近年研究发现，补充维生素D能提高肌力和平衡能力，65岁者以上者效果更好[69]。直接作用体现在：1,25(OH)2D可以通过与维生素D受体(VDR)结合，调节钙结合蛋白、细胞内生肌调节因子(MRFs)、IGF-Ⅰ、IGF-Ⅱ、Myostatin、FGF-Ⅰ的靶基因转录，或促进肌细胞发育；还可以通过快速跨膜信号通路，促进Ca2+内流，增强骨骼肌的收缩功能。维生素D还可能通过维持正常的血钙和血磷水平间接维持正常的骨骼肌功能。

另外也有研究[70]发现，相比骨骼肌前体细胞，成熟骨骼肌细胞表达较低水平的VDR和CYP27B1，不具备产生1,25(OH)2D的能力，同时，1,25(OH)2D抑制原代骨骼肌前体细胞增生和分化。这项研究提示，维生素D的基因组效应可能只是通过抑制骨骼肌前体细胞的增生和分化而起作用。前体细胞的增生和分化受抑制后，可能有利于骨骼肌前体细胞的储备，从而促进骨骼肌的再生。

7 小结与展望

遵循整体观念，中医学经典著作《黄帝内经》对骨-骨骼肌疾病的病机进行了论述。“骨肉不相亲”理论高度概括了肌骨在病理状态下的内在关系，为增龄性肌骨疾病的机制研究指明了方向。补益脾肾及其指导下的中药方剂是治疗OP的常见治则与方药[71]。今后，以中医学“骨肉不相亲”理论为指导，以现代先进的生命科学技术为研究方法，继续从整体、器官、组织、细胞和分子水平开展系统、深入研究，将会对临床增龄性肌骨疾病的精准防治提供新的思路和有效药物。