骨代谢生化标志物在糖尿病性骨质疏松症临床诊断中的应用

叶紫梦玮 戴璇 刘亚鸽 陈贝贝 朱如愿 王丽丽 张东伟*

1.北京中医药大学中医学院糖尿病研究中心，北京 100029 2.北京中医药大学中药学院中药药理系，北京 100029

糖尿病性骨质疏松症(diabetic osteoporosis，DOP)是一种由糖尿病(diabetes mellitus，DM)引发的慢性代谢性骨病。随着DM患者年龄的增加和病程的延长，其骨质量可能受到影响，最终导致骨质疏松症(osteoporosis，OP)和骨折的发病风险急剧增加。研究[1]表明，DM引起的骨质量损伤最先反映在骨重塑的变化中，而骨重塑是骨骼新陈代谢的基本模式之一，其速率的高低与骨质量密切相关。因此，骨代谢异常是判断DM患者是否并发OP的重要依据。

骨重塑水平可以通过骨代谢生化标志物进行检测。骨代谢生化标志物主要包括两类[2]：①骨转换标志物，其主要是由成骨细胞或破骨细胞分泌入血的骨基质蛋白或酶类，包括骨形成和骨吸收标志物；②影响骨代谢的间接标志物，如钙磷代谢调节相关指标、激素、细胞因子及其他调节骨重塑的相关蛋白等。临床检测骨代谢生化标志物的优势在于[3-4]：①成本低，实用性强，样本收集简单；②无辐射，创伤小，安全性能较高；③特异性强，相对灵敏度高，能在相对较短的时间内反映全身骨骼的代谢情况。因此，临床工作者可通过检测血液中骨代谢标志物的水平来评估DM患者的骨健康情况和骨折风险，同时评价一些降糖药物对骨质量的影响及监测抗OP药物的预后疗效，以便调整后续临床治疗方案[4]。本文将重点围绕骨转换标志物、钙磷代谢、激素、细胞因子及其他与骨重塑有关的指标进行论述，探讨它们在DOP临床诊断中的应用。

1 骨形成标志物

骨形成标志物是评价成骨细胞的骨形成活性的指标，其主要包括骨碱性磷酸酶、骨钙素、I型原胶原前肽以及骨保护素等[2]。

1.1 骨碱性磷酸酶

血清骨碱性磷酸酶(bone specific alkaline phosphatase，BALP)是骨形成的标志物，其占血清总碱性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)含量的一半以上，且不受肝肠疾病的影响，可稳定地评价成骨细胞活性[5-6]。血清BALP的临床参考范围，男性：11.6～20.1 μg/L，绝经前女性：8.5～14.3 μg/L，绝经后女性：12.5～22.4 μg/L[2]。

DOP患者血清BALP水平明显降低，其原因可能与晚期糖基化终产物(AGEs)的过量产生有关[7]：高血糖诱发的非酶促糖基化反应使患者的骨胶原积累了大量的AGEs，而AGEs又促进成熟骨细胞中硬化素的表达量增加。硬化素是Wnt/β-catenin信号通路的直接拮抗剂，而后者主要负责成骨细胞的分化、增殖及凋亡等。因此，AGEs的过度积累抑制了成骨细胞中BALP基因的表达，使血清BALP水平降低[8]。研究[9]也发现，DM早期患者的血清BALP与糖代谢紊乱程度、血清胰岛素水平呈明显正相关。这可能是因为AGEs在疾病初期尚未升高至阈值水平，但骨基质的矿化作用仍然受阻，结果导致骨形成活性的代偿增加。因此，临床工作者要结合DM患者的病程综合分析BALP的临床意义。

1.2 骨钙素

骨钙素(osteocalcin，OC)是反映成骨细胞活性的血清标志物，也是骨骼中含量最丰富的非胶原蛋白。经γ-羧化酶催化后，OC与胶原纤维结成网状结构，促进羟基磷灰石的沉积。同时，其还通过增加骨骼的韧性来提高抗断裂性能[10]。临床检测显示，不同性别、不同年龄健康人群的血清OC含量会有所差异，如绝经前后的健康女性：11～46 ng/mL，18～30岁的健康男性：24～70 ng/mL，30～70岁的健康男性：14～46 ng/mL[2]。

OC也是维持机体葡萄糖稳态的正向调节剂，其刺激脂肪组织产生的大量的脂联素，一方面可促进成骨细胞的增殖、分化和矿化，另一方面还促进胰岛β细胞的增殖并维持其分泌功能，进而发挥提高胰岛素敏感性和调节机体能量平衡的作用[11-13]。研究发现，血糖控制不佳也会影响OC的变化。例如，T2DM患者的血清OC水平较低，并与空腹血糖、空腹胰岛素以及糖化血红蛋白(HbA1c)水平呈负相关[4]，其原因可能在于：①高血糖症影响了脂联素对成骨细胞的作用，从而降低血清OC水平；②OC来源于成骨细胞，而成骨细胞表面分布有胰岛素受体[14]，当胰岛素信号转导受阻时，极有可能降低成骨细胞合成OC的活性。

1.3 I型原胶原N端前肽

I型胶原蛋白在骨有机基质中的占比达到90 %以上，而I型原胶原N端前肽( type Ⅰ procollagen amino-terminal peptide，PINP)是成骨细胞合成I型胶原过程中的主要降解产物，并与I型胶原的合成比是1∶1[15]。因此，PINP是评估胶原合成速率及成骨细胞活性的重要指标。其临床检测的参考范围，女性约为31.7～70.7 ng/mL[2]。

T2DM患者的血清PINP水平显著降低，这可能是因为DM条件下，AGEs在骨I型胶原中的积累降低了成骨细胞的数量，并干扰其骨形成活性，进而可能抑制骨胶原蛋白的正常代谢[16-17]。此外，高血糖还通过增加骨细胞中硬化蛋白的表达而直接影响成骨细胞的增殖和分化[8]。但是，有些DM患者的血清PINP水平与HbA1c呈正相关，其原因可能在于：DM患者体内较高水平的HbA1c反馈性诱导胰岛素的分泌，而胰岛素通过刺激Wnt信号通路使PINP代偿性增加[13,18]。

1.4 骨保护素

骨保护素(ostoeprotegerin，OPG)是成骨细胞中大量表达的RANKL的诱饵受体，属于破骨细胞的负性调节剂。OPG/RANKL的比率在维持骨量方面至关重要，其比率降低时，则提示破骨细胞的骨吸收活性增强[19-20]。

DM患者血清OPG水平的降低可能是DOP发生发展的关键因素，其原因在于：①DM患者体内的AGEs通过激活配体刺激机体产生了大量的活性氧(ROS)，而ROS可降低血清OPG/RANKL比率，导致骨吸收增加[21]；②高血糖刺激了IL-1、IL-6和TNF-α等促炎细胞因子的过度产生，并通过降低OPG/RANKL的比率来影响骨代谢。但是，T1DM患者体内的OPG水平却明显升高，这可能是因为T1DM患者多为青少年，其骨骼正处于发育阶段，而高水平的OPG是为了响应RANKL介导的骨吸收信号，并对DM引起的过度骨吸收进行适应性保护，以便保持一定的功能性骨量[22-23]。

2 骨吸收标志物

骨吸收标志物是评价破骨细胞的骨吸收活性的指标，其主要包括抗酒石酸酸性磷酸酶-5b、I型胶原交联C-末端肽等[2]。

2.1 抗酒石酸酸性磷酸酶-5b

抗酒石酸酸性磷酸酶-5b(tartrate resistant acid phosphatase-5b，TRACP-5b)主要由破骨细胞分泌，是反映破骨细胞数量和活性的重要指标，且不受其他外界因素的干扰[24-25]。此外，血清TRACP-5b水平还能反映二甲双胍、伊格列净等降糖药物对骨代谢的影响[26]。临床上利用色谱法测定的血清TRACP-5b的参考范围是：绝经前女性和健康男性约为0.5～3.8 U/L，绝经后女性约为0.5～4.8 U/L[2]。

DM患者的血清TRACP-5b水平明显增加，其原因可能在于：①高血糖诱发的氧化应激破坏了机体的氧化还原平衡，使RANKL以及一些炎症因子水平持续升高，最终导致血清TRACP-5b等骨吸收标志物水平的提高[27]；②胰岛素分泌不足引起了一些与骨代谢有关的激素变化，如低胰岛素血症降低了活性维生素D的水平，并导致甲状旁腺分泌大量的PTH，进而动员骨骼中的钙离子进入血液，增加了破骨细胞中TRACP-5b的表达量[28-29]。

2.2 I型胶原交联 C-末端肽

I型胶原交联 C-末端肽(type I collagen carboxy-terminal peptide，CTX)是骨组织中成熟I型胶原纤维的降解产物，也是评价破骨细胞骨吸收活性的重要指标[30]。血清CTX的临床参考范围，绝经前女性：均值0.299 ng/mL，绝经后女性：均值0.556 ng/mL，男性30～70岁：均值0.3～0.304 ng/mL，70岁以上男性：均值0.394 ng/mL[2]。

CTX在DOP临床诊断中的变化规律还需要进一步探索。例如，T2DM患者血清中的CTX明显降低，这可能是因为血糖控制不佳引起的高水平硬化素通过抑制Wnt经典信号通路而减弱了破骨细胞的骨吸收活性[8]。但是，有些DM患者的CTX水平是增加的[4]，其原因可能与高血糖诱发的持续性炎症反应有关，如DM患者体内积累的AGEs诱导了IL-1、IL-6和TNF-α等促炎因子的大量产生，从而进一步引发慢性炎症，并提高破骨细胞的骨吸收活性。这提示DM病程、血糖控制情况以及机体的糖骨代谢状态等可能会导致临床的检查结果有所差异[18]。

3 钙磷代谢调节相关指标

3.1 甲状旁腺素

甲状旁腺素(parathyroid hormone，PTH)是一种由甲状旁腺合成并分泌的激素，其可通过维持血钙平衡来调节骨量[31]。PTH对骨代谢的影响与水平有关，一般低水平或间歇性分泌的PTH可减少成骨细胞的凋亡，对骨骼具有合成作用；而持续高水平的PTH则会增强破骨细胞的活性，并通过扰乱骨重塑来增加骨质流失[32]。PTH的临床参考值尚未统一，且不同的检测方法得出的结果不同，但基本上在14.5～87.1 pg/mL范围内[2]。

DM可能引起渗透性利尿，尿量的持续增加会降低血液中的钙浓度，进而引起继发性甲状旁腺功能亢进，并导致血清PTH水平升高。高浓度的PTH通过增强骨吸收而动员骨骼中的钙离子入血，使骨骼的矿物质含量和抗断裂性能均降低[33-34]。此外，DM患者体内维生素D的缺乏也可能引起PTH分泌增加，并导致患者OP的发病率显著升高[32]。这不仅提示PTH的异常分泌是导致DM患者骨质量降低的重要原因，还有助于研究者找出引起骨重塑异常的源头。

3.2 维生素D

维生素D是骨骼发育的正向调节剂，其不仅能增加血浆的钙磷水平，还通过抑制PTH的代偿性分泌来调节成骨和破骨细胞的活性[35]。因此，体内低水平的维生素D是导致OP和骨折发生的潜在危险因素之一。1,25(OH)2D3是维生素D的主要代谢活性形式，但维生素D缺乏症的临床诊断是基于血浆25(OH)D3的总水平而确定的，这可能是因为25(OH)D3的循环水平较高，而且半衰期也长于1,25(OH)2D3[35]。临床通过电化学发光法测得的维生素D的参考范围为：25(OH)D3<10 ng/mL为维生素D严重缺乏，<20 ng/mL为维生素D缺乏，21～29 ng/mL为维生素D不足，>30 ng/mL为维生素D充足，并且40～60 ng/mL是最优范围[36]。

DOP患者体内的维生素D水平明显降低，并与胰岛素分泌不足或胰岛素抵抗增加有关。正常情况下，维生素D与胰岛β细胞表面的维生素D受体结合后，调节了胰岛素的合成和分泌[34]。同时，维生素D还通过增强胰岛素信号传导而加快葡萄糖转运蛋白对葡萄糖的摄取[37-38]。但在高血糖环境下，维生素D的合成受阻会进一步影响DM患者的骨代谢，并导致其骨质量下降。

4 激素和细胞因子

4.1 雌激素

雌激素是卵巢和胎盘分泌的一种天然激素，在生殖道、皮肤、骨骼、大脑、肝脏、结肠以及唾液腺等组织中均发挥调节作用[39-40]。一般男性血清雌激素水平很低，约为40～115 ng/L，女性约为61～437 ng/L，而孕妇体内水平最高，约为700～30 000 ng/L[2]。

雌激素在OP和骨折的发病机制中发挥了重要作用，并且也参与了DM的发展。例如，持续的高血糖导致了性腺功能降低，使雌激素的分泌量减少。这在对比绝经前后女性的DM患病风险中可以得到证实，一般绝经后女性更易患有DM。并且，绝经后DM患者体内的骨质流失情况加重，同时并发OP的风险增加[41-42]。因此，临床需要密切关注DM患者雌激素水平的变化，这对于评估DM患者的骨代谢情况十分重要。

4.2 睾酮

睾酮是雄激素的主要成分，主要由睾丸分泌[43]。其在男女体内均有分布，并对糖脂代谢、骨骼发育和心血管系统等均有不同程度的影响。临床上血清总睾酮和游离睾酮的参考范围为：女性血清总睾酮为0.21～3.01 nmol/L、游离睾酮为9～13 pmol/L；男性血清总睾酮为9.45～37.45 nmol/L、游离睾酮为196～356 pmol/L[2]。

睾酮是一种随着年龄的增长而逐渐降低的性激素，很多老年人常因为睾酮水平低下而患有OP。此外，DM患者体内睾酮的缺乏会进一步加快OP的发展。研究发现，DM患者的血清总睾酮水平明显降低，其原因可能在于：血清中的总睾酮水平与胰岛素敏感性呈正相关。DM男性中有约50 %的患者表现出低水平的睾酮，提示DM可能会引起性腺功能降低。但是，DM女性体内雌雄激素的作用正好相反，过多的雄激素会诱发胰岛素抵抗，这说明雄激素与DM的关系还取决于性别[44-45]。

4.3 胰岛素样生长因子-1

胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)是青春期骨骼发育的基础因子，具有维持成年人骨量和减缓老年人骨质丢失的作用。在骨代谢中，IGF-1与其受体、IGFBP-3三者共同发挥作用[46]。

IGF-1是与胰岛素序列同源的结构类似物，其与胰岛素作用相似并协同调节机体的糖代谢[47]。正常水平的IGF-1能够刺激成骨细胞的增殖、分化和成熟，以维持骨代谢平衡。临床研究[48]发现，DM患者体内的IGF-1水平与骨密度、骨转换指标、HbA1c和空腹血糖水平等因素之间可能存在一定的相关性。血清中的游离IGF-1随着DM病程的延长及其并发症的存在不断降低，而低水平的IGF-1会反馈性抑制胰岛素的分泌，并且，二者在DM早期均能通过抑制成骨细胞及其祖细胞的分化来减少骨形成[49]。此外，血清IGF-1的降低也会增加胰岛素抵抗，使肌肉、肝脏和脂肪组织减少对外周血糖的摄取[50]，从而导致高血糖症，并进一步降低骨质量。

4.4 白细胞介素-6

白细胞介素-6(interleukin-6，IL-6)是血液中含量最丰富、生物学效应最广的细胞因子[20]，其在单核-巨噬细胞、骨髓间充质细胞、胰岛细胞以及肿瘤相关的细胞中均有表达。正常水平的IL-6可维持人体内环境的稳态，并在免疫应答、炎症反应、骨骼代谢、内分泌和神经系统中发挥作用[51]。当机体出现感染或者组织受损时，单核-巨噬细胞会迅速合成IL-6，并通过激活机体的免疫调控机制来清除病原体。但若体内IL-6含量过多或过少时，即会对机体产生病理性伤害[52]。血清IL-6的临床参考范围：0.373～0.463 ng/L[2]。

IL-6在糖代谢和骨代谢中均发挥作用，是参与DM和OP发病机制的典型炎症因子[53]。例如，高血糖症诱发的全身炎症反应，使血液循环中的IL-6水平持续升高，进而增加胰岛素抵抗，并加快T2DM的发展[54-55]。而IL-6的过量产生，一方面通过直接刺激破骨细胞表面的IL-6受体或增加RANKL/OPG比率来促进骨吸收[56]；另一方面还会刺激其他介导破骨细胞活性的因子产生，如急性期蛋白、IL-1和TNF-α等，它们通过协同作用使DM患者的骨质流失速率加快[20]。

5 其他相关蛋白

5.1 硬化蛋白

硬化蛋白是一种由SOST基因编码的糖蛋白，其主要来源于成熟骨细胞，并作为Wnt/β-catenin信号通路的有效拮抗剂。而Wnt经典信号通路在成骨细胞的分化和矿化中具有正向调控作用[57]。因此，硬化蛋白的过度表达会强烈地抑制骨质积聚并刺激骨吸收，最终导致OP乃至骨折的发病风险增高[8,58]。

T2DM患者的血清硬化蛋白水平显著升高，并与DM的病程、胰岛素抵抗程度以及HbA1c水平呈正比，与PINP、CTX和BALP等骨转换标志物水平呈反比[59]。其原因可能在于：硬化蛋白水平的高低受到骨骼机械负荷的严格调控。高血糖症诱发的非酶促糖基化反应会限制骨代谢，并降低骨骼的机械性能，其结果是DM患者血清硬化蛋白水平升高[8,60]。而高水平的硬化蛋白通过拮抗Wnt信号通路抑制成骨细胞的增殖并促进骨吸收。此外，T1DM患者体内的硬化蛋白水平并没有明显变化[61]。

5.2 晚期糖基化终产物

晚期糖基化终产物(advanced glycation end products，AGEs)是蛋白质等大分子物质通过还原糖进行非酶促糖基化反应的产物，戊糖苷是目前研究最多的AGEs[62]。研究[7]表明，ROS水平过高、持续性炎症反应以及慢性高血糖症等均可能是导致AGEs大量产生的重要原因。

DM患者的骨组织中积累了大量的AGEs，并且AGEs与骨强度指数呈明显的负相关[7]。其原因可能在于[16]：①骨I型胶原蛋白是非酶促糖基化反应的重要靶标，AGEs可能通过改变胶原纤维特性而对骨重塑产生不良反应，最终导致骨骼结构损伤和机械性能降低；②AGEs不仅刺激RANKL的表达来诱导破骨细胞的增殖，其还促进成骨细胞的凋亡来削弱骨骼的矿化作用；③AGEs可直接通过促进体内炎性细胞因子和ROS的产生而增强破骨细胞的骨吸收活性[63]。因此，AGEs的过量产生是导致DM患者骨代谢异常、骨折风险增加以及骨折愈合延迟的主要原因之一。

近些年，医学工作者越来越重视AGEs在DOP诊断中的潜在价值，这不仅是因为AGEs在评估病理性疾病中的重要临床意义，而且临床上AGEs的检测手段主要是皮肤自身荧光检测法，该方法是无创性的[64]，相对比较安全且简单。

6 结论与展望

本文重点探讨了骨转换标志物、钙磷代谢、激素、细胞因子及其他与骨重塑有关的指标在高血糖环境下的变化。这些指标在血液中的水平能够较为真实地反映骨形成或骨吸收活性。因此，临床需要重点检测DM患者的血清标志物水平，以及时筛查出骨代谢异常的患者，并判断DM患者骨骼的健康情况。

目前，临床上已经开发出很多新技术来检测骨代谢指标，如酶联免疫吸附分析、化学发光免疫测定、放射免疫分析、高效液相色谱和皮肤自身荧光检测法等[2]，然而，这些分析技术在临床诊断中的应用还不十分广泛。一些医疗设施比较完善的医院可能具备检测能力，但像为社区提供基本医疗服务的基层医院、卫生所等处的检测条件相对落后，这就需要研究者继续探索出更简便的分析方法。此外，研究者还需要提高相关检测技术的灵敏度、精密度以及准确度，并建立规范化的检测流程，这将有助于临床对DOP诊断。目前，DM可以通过血糖试纸进行检测。因此，笔者猜想未来检测骨代谢生化标志物是否也能效仿血糖试纸检测法，通过某种方法将各种相关的骨代谢生化标志物制成试纸来供DM患者进行骨质量检测，从而更加有利于DOP的临床诊断。