2型糖尿病与软骨退变相关性的研究进展

王凯声，亓建洪

[山东第一医科大学(山东省医学科学院)运动医学与康复学院(运动医学研究所)，山东 泰安 271000)]

随着人们生活水平的提高，越来越多的人患有2型糖尿病(Type 2 diabetes mellitus，T2DM)，它是一种因胰岛素绝对或相对分泌不足和/或胰岛素利用障碍引起的碳水化合物、蛋白质、脂肪代谢紊乱性的疾病，以高血糖为主要标志，长时间的高血糖会导致各种器官衰退[1]。骨关节炎(Osteoarthritis，OA)被认为是一种影响所有关节组织的疾病，包括软骨下骨、韧带、腱鞘和关节囊，这些组织都在不同程度上共同参与了这种疾病的发展，而最重要的是透明关节软骨[2]。关节透明软骨是一种无血管无神经支配的组织，通过滑膜液和软骨下骨的营养扩散而得到营养。它由细胞外基质(extracellular matrix，ECM)组成，主要由水(70%)和有机大分子组成，主要是Ⅱ型胶原、聚蛋白多糖和低分子量的蛋白多糖。Ⅱ型胶原纤维形成由其他非胶原蛋白稳定的三维网络，使组织具有承受拉力的能力；由于富含负电荷的糖胺聚糖(glycosaminoglycan，GAG)侧链的存在，蛋白多糖决定了组织抵抗压力的能力[3]。本病的特征是逐渐出现疼痛、功能障碍和关节畸形，随着时间的推移，这些症状会导致严重残疾和生活质量下降。

目前临床上T2DM合并软骨退变的患者正逐渐增多，此类患者的临床症状较非糖尿病患者更重，影像学表现更典型[4-6]。有研究为了阐明在人类软骨细胞中细胞外葡萄糖浓度在软骨细胞基因表达中的作用，发现在高浓度的葡萄糖中会促使软骨细胞分解基因表达程序的进行，因此可促进关节软骨退化，促进OA的发展[7]。另有研究通过在不同葡萄糖浓度下培养人骨髓间充质干细胞(human mesenchymal stem cells，hMSCs)，观察其分化成软骨的能力，发现高糖浓度下培养的hMSCs比低糖培养的细胞产生的软骨细胞明显少，结果证实局部高糖浓度的负面影响使软骨分化减少[8]。Arellano等[9]通过研究对比T2DM与非糖尿病患者的软骨低聚基质蛋白水平的高低，得出血糖的增高可能是加重软骨退变的一个重要因素。另外，Dawood等[10]在通过对比T2DM小鼠与非糖尿病小鼠的软骨，可以看到T2DM小鼠关节软骨结构严重受损，关节软骨表面不规则，而且退变延伸至软骨更深层的区域。本文由第一作者通过PubMed和中国知网数据库检索近年来发表的文章。通过PubMed检索Mesh词“Diabetes Mellitus，Type 2[Mesh]”、“ Cartilage[Mesh]”以及其自由词进行检索。通过中国知网检索“2型糖尿病(篇摘要)”、“软骨(篇摘要)”进行检索。后对文献进行筛选与归纳，总结T2DM与软骨退变的关系，阐明高血糖能加速软骨退变病情的发展，为有效早期预防和控制OA软骨退变的发生和发展提供依据。

1 流行病学

OA和T2DM是两种慢性病，由于对生活质量、社会支出和预期寿命的重大影响，引起了人们极大的关注[1，2，3，11]。据估计，2019年全球糖尿病患病率为9.3%(4.63亿人)，2030年将升至10.2%(5.78亿人)，2045年将升至10.9%(7亿人)，每2名糖尿病患者中就有1名(50.1%)不知道自己患有糖尿病。据估计，2019年全球糖耐量受损的患病率为7.5%(3.74亿人)，预计到2030年将达到8.0%(4.54亿人)，2045年将达到8.6%(5.48亿人)。此现象给全世界造成极大的负担[1]。OA是全世界最常见的慢性关节病，也是致残的主要原因。总体而言，估计60岁以上的男性约有10%，女性约有18%[12]。这是一种进行性、衰弱性退行性关节疾病，选择性地影响滑膜关节，这一数据给全球敲响了警钟。

目前OA软骨退变伴有T2DM的患者越来越多，OA软骨退变发病率的增加不仅是因为预期寿命的延长，还因为现代的生活方式，尤其是缺乏运动和低纤维、富含糖的饮食[13]。此外，T2DM被认为是一个利于OA软骨退变发展和进展的重要因素，特别是在长期超负荷施加的关节，如膝关节。在一项调查中发现糖尿病患者中患骨关节炎患者的比例很高，在患有糖尿病的人群中，47.1%的患者患有OA，都有或轻或重的软骨退变，这也表明大约每2名糖尿病患者中就有1名软骨退变，而在患有骨关节炎的人群中，糖尿病人数占54.0%[14]。在影像学方面，Neumann等[4]在24个月内对392例OA患者(196例T2DM患者，196例非糖尿病患者)进行膝关节磁共振检查，发现T2DM患者的软骨损伤T2值增加更快，除了髌骨区软骨，胫骨外侧区、胫骨内侧区、股骨外侧区以及股骨内侧区软骨相比于非糖尿病患者都有显著差异，软骨基质退化速度更快，膝关节结构变性明显加重，软骨结构组成更加不均匀，表明关节软骨退化相对更快。Chanchek等[5]对T2DM和非糖尿病患者进行磁共振随访，发现与非糖尿病对照组相比，T2DM患者膝关节软骨在每个间室(髌骨区、股骨内侧区、股骨外侧区、胫骨内侧区、胫骨外侧区)T2值均升高且更不均匀，表明关节软骨变性增加，当使用矢状面T2颜色以及相应的纹理映射软骨损伤时发现T2DM患者显示了更大范围的损伤，软骨基质退变更严重。Foreman等[6]评估T2DM和非糖尿病组软骨深层生物化学组成的差异，发现T2DM患者深软骨层矿化作用增强，最终导致软骨的缺损。以上这些研究说明二者之间有某些相关性，研究二者之间具体的相关性也成为了一项挑战。

2 自 噬

自噬是一种负责维持代谢平衡的细胞稳态机制，主要通过清除和降解受损的细胞内产物，这些产物被隔离在自噬体中进行降解和利用，自噬受许多基因调控，如自噬的主要效应因子微管相关蛋白1轻链3(microtubule-associated protein 1 light chain3，LC3)[15]。关节软骨是一个以细胞低代谢率为特征的组织，而自噬在关节软骨中起着重要作用，如调节功能失调的细胞器和大分子的去除，还可以激活保护人软骨细胞线粒体的功能[16]。更重要的是，自噬是调节高血糖和高胰岛素血症过程中不可或缺的一环。基础水平的自噬活性对于包括软骨在内的许多组织的稳态必不可少，自噬是软骨稳态的中心机制，自噬基础水平的缺陷与各种退行性和代谢性疾病有关[17]。葡萄糖和胰岛素在这一循环通路中的作用仍在探索。

有研究通过测定LC3 Ⅰ脂化和转化为LC3 Ⅱ，把它作为自噬激活和自噬小体形成的标志，分析了高糖和胰岛素对自噬途径的作用，胰岛素对LC3 Ⅱ的表达在治疗6 h后显著降低。基于荧光的LC3亚型检测显示，胰岛素治疗后LC3斑点显著减少，表明自噬小体的形成减少[18]。这些数据表明，人类软骨细胞在高葡萄糖和胰岛素的作用下，自噬活性显著降低，相同的是，自噬的减少可以增加高葡萄糖在人类软骨细胞破坏的风险。此外，糖尿病经常需要长期的胰岛素治疗，可能导致软骨等组织超负荷。事实上，糖尿病患者的关节损伤严重程度更高。

总的来说，高糖环境有利于抑制软骨细胞自噬，比如具有重要抗氧化特性的血红素氧化酶-1，这导致氧化应激的增加，从而促进前列腺素E2(prostaglandin E2，PGE2)、白细胞介素-1(interleukin-1，IL-1)、白细胞介素-6(interleukin-6，IL-6)、白细胞介素-10(interleukin-10，IL-10)和肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNF)的分泌，这些都是强炎性介质[19]，从而促进了软骨损伤病情的发展。最近有研究表明，抑制自噬可以通过降低转化生长因子-cad1(transforming growth factor-cad1，TGF-cad1)的表达，增加基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMPs)/组织金属蛋白酶抑制剂(tissueinhibitor of matrix metalloproteinases，TIMPs)比值，促进细胞外基质降解[20]。另有研究通过确定自噬是否参与了晚期糖基化终末产物(advanced glycation end products，AGEs)影响的软骨细胞的病理过程，并研究自噬在AGEs诱导的细胞凋亡和基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)-3、MMP-13表达中的确切作用，证明了自噬与大鼠软骨细胞的AGEs相关病理有关，并在AGEs诱导的细胞凋亡和MMP-3、MMP-13表达中起保护作用[21]。

3 晚期糖基化终末产物

高胰岛素血症最常由糖尿病早期胰岛素的抵抗引起，可促进软骨降解。例如，晚期糖基化终末产物，即发生糖基化的蛋白质或脂质，会在老化的软骨中积累[22]，蛋白多糖和胶原合成减少，导致软骨脆性降低，更容易发生机械损伤。软骨细胞表现出AGEs受体，表明AGEs在正常的细胞更替和软骨重塑中发挥作用，但是，大量的AGEs会增加慢性退化型疾病发生的风险[23]。研究表明，AGEs通过调节过氧化物酶体增殖物激活型受体(peroxisome proliferator activated-receptors，PPARs)信号通路来诱导人类软骨细胞的炎症反应、MMP-13和IL-6的产生以及Ⅱ型胶原的减少[24]。IL-6是一种具有广泛生物活性的多功能细胞因子，包括介导急性期反应和对骨代谢的影响，OA患者表现出IL-6水平升高[25]。

除此之外，AGEs还可以诱导血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)产生[26]，而VEGF是参与OA进展的破坏因子。通常VEGF的主要功能被认为是参与病理组织中血管内皮细胞的受体结合后的血管生成，在炎症和伤口愈合中发挥核心作用。除此之外，VEGF与内皮细胞上的受体结合刺激了趋化性和MMPs的产生。VEGF及其受体在OA软骨中表达，通过刺激OA软骨细胞产生MMP-1和MMP-3[27]。另有研究发现高血糖相关的AGEs与糖尿病OA患者的磷脂酰胆碱代谢改变有关[28]。AGEs在关节软骨的积累被认为是骨关节炎发展的主要危险因素。为了探讨AGEs在人类软骨细胞中的作用，并确定过氧化物酶体增殖活化受体对AGEs诱导的细胞自噬的影响，研究使用过氧化物酶体增殖活化受体抑制剂或激动剂吡格列酮或使用不同浓度的AGEs处理人类软骨细胞后，测量细胞存活率，结果为高剂量和长时间暴露于AGEs中的细胞被抑制了细胞活力和自噬能力[29]。总的来说，T2DM患者AGEs的积累加速了软骨的降解与损害，增高了软骨损伤的风险。

4 基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMPs)

年龄的增长对各种生理过程都有有害的影响，包括软骨再生。AGEs在关节软骨细胞中表达，可刺激OA软骨细胞增加MMP-3、MMP-13的生成。这进一步诱导基质金属蛋白酶的释放，导致基质金属蛋白酶诱导的Ⅱ型胶原的持续降解[30]。虽然维持体内平衡需要有规律的细胞代谢，但这种降解和再生过程中的任何失衡都可能导致病理性的反应。MMPs的过度表达破坏Ⅱ型胶原是OA发生和发展的关键因素。其中，MMP-3和MMP-13被认为是主要的胶原降解酶[31]。MMP-13不可逆转地降解软骨胶原基质，在骨关节炎的进展中起重要作用。MMP-13具有蛋白水解能力，提示它是一种强大的、具有潜在破坏性的蛋白酶；因此，长期以来人们认为MMP-13不会在大多数成人组织中产生。但最近的研究表明，虽然从健康成人分离的人类软骨细胞表达和分泌MMP-13，但MMP-13迅速被软骨细胞降解，这表明自噬在调节MMP-13中发挥关键作用[32]。换言之，糖尿病患者自噬能力的减弱降低了降解MMP-13的能力。

在早期OA中，Ⅱ型胶原变性水平显著增加，并伴有胶原酶降解导致的分子损失，同时伴有Ⅱ型胶原和蛋白聚糖聚合物等基质分子合成的增加，新合成的分子经常受损，这会损害任何修复受损的软骨细胞外基质。此外，软骨细胞的增殖受限是很重要的，这是由于大块的受损胶原纤维占据了细胞外基质的大部分。最近的研究使用MMP-13抑制剂治疗OA，重点是其酶抑制特性，MMP-13介导的调控可能通过相互作用因子的功能、自噬过程和表观遗传修饰来改善或抑制OA的发生[33]。自噬的失衡使软骨细胞合成代谢和分解代谢途径向后者倾斜，导致骨关节炎关节软骨细胞外基质蛋白的异常转换和丢失。因此，分解代谢导致细胞外基质蛋白损失增加。也有证据表明软骨细胞凋亡频率增加，损害了关节软骨进行修复的能力。

最近的研究集中在观察遗传机制和相关的小分子核糖核酸(microRNAs，miRs)在调节OA软骨基因上的表达。一些miRs被认为是软骨细胞信号通路、凋亡和蛋白酶基因表达的调节因子。例如，在OA软骨中，miRs表达的降低与COL2型胶原(type Ⅱ collagen，COL2)的降低耦合，而MMP-13水平升高，提示MMP-13基因表达与Ⅱ型胶原纤维的α1基因表达相关。这些研究的结果表明，miRs可能成为有用的生物诊断标志物，以及为干预糖尿病OA软骨退变提供新的治疗靶点[34]。

5 总 结

总的来说，过量的葡萄糖导致细胞代谢和形态改变，以及细胞外基质结构改变，这是由于胶原合成的减少和蛋白多糖分解代谢的增加引起，随后细胞外基质内的破坏促进了软骨降解。晚期糖基化终末产物的积累、基质金属蛋白酶的增多以及自噬能力的降低可能共同促进OA软骨退变的发展。

随着人们生活水平的提高，T2DM伴发软骨退变的患者越来越多，严重影响患者的日常生活，给全社会带来巨大的压力。目前越来越多的学者在研究软骨退变的危险因素时将T2DM考虑在内，早期诊断和治疗T2DM可能是预防和改善软骨退变病情的方法。这些新发现为更好地了解T2DM和软骨退变之间的相关性开辟了道路，我们可以期待更多的前瞻性研究。