高糖环境下骨髓间充质干细胞分化能力的影响因素

张洁 综述 贺纯静 审校

(1.贵州医科大学,贵州 贵阳 550004；2.贵州省人民医院疼痛科，贵州 贵阳 550002)

糖尿病(DM)是一种以血糖升高为特征的全身性代谢性疾病。糖尿病可并发多种急、慢性并发症，严重危害患者健康。超过一半以上糖尿病患者可并发骨质疏松[1]，两者的并存可使骨折风险进一步增加，本文对相关研究作一综述。

1 糖尿病性骨质疏松症概述

DOP是糖尿病引起的一种慢性骨代谢疾病，临床早期症状不明显或症状轻微，随着病情的发展，可表现为全身骨骼疼痛，骨脆性增加，易发生骨折，可导致糖尿病患者的致残率增加。糖尿病骨质疏松的可能发病机制包括肌醇破骨活性增高、成骨细胞活性降低及凋亡、间充质多潜能干细胞脂肪分化增加等[2-3]，但其具体发病机制目前仍不十分清楚。目前临床针对DOP的治疗仍以单纯糖尿病治疗和骨质疏松治疗为主，治疗方法主要是中医治疗、西医治疗、中西医结合治疗。目前对DOP的治疗有一定疗效，但专门针对DOP的治疗研究仍比较单一。在正常生理条件下，骨改建处于动态平衡状态；而在病理条件下，如DOP的骨改建模式则打破了骨吸收和骨形成的平衡，BMSCs的功能改变与功能障碍是这种病态式骨改建的根本原因[4]。因此人们开始研究成骨细胞的起源细胞-BMSCs,来阐明骨质疏松的发病机制。

2 骨髓间充质干细胞特点及与DOP的关系

BMSCs来源于发育早期的中胚层和外胚层，主要存在于骨髓中且具有多向分化潜能的多能干细胞，可定向分化为成骨细胞、脂肪细胞、软骨细胞、血管内皮细胞等多种类型细胞[5]。BMSCs作为成骨细胞的来源细胞，在骨形成和修复中发挥重要作用。在糖尿病的发生发展中，高糖微环境可抑制BMSCs成骨分化能力。而多种糖尿病相关因素、细胞因子、生长因子、信号通路、糖基化终末产物等对BMSCs的成骨、成脂分化发挥着重要的调控作用[6]。P.Jin等[7]研究发现，在链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠中，其BMSCs生物学特性发生明显改变，其增殖分化能力及抗凋亡功能明显受损。高糖环境可致BMSCs数量、功能活性下降，增殖分化能力受损，抑制其向成骨方向分化成熟，导致骨形成减少，而糖尿病性骨质疏松最可能就是由于BMSCs的耗竭所致。因此，DOP的发生发展与BMSCs的功能活性密切相关。

3 各种因子对高糖环境下骨髓间充质干细胞分化能力影响

多种生长因子、转录因子、细胞因子对BMSCs成骨、成脂分化有着重要的调控作用。有些细胞因子可以调控BMSCs向成骨方向分化成熟，而有些因子可以调控BMSCs向成脂方向分化成熟。

3.1细胞因子、生长因子 碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)是具有生物学活性一种细胞因子，不仅在骨修复和再生过程中是具有重要调控作用的因子,还能调控人骨髓间充质干细胞(hBMSCs)的分化迁移从而参与血糖的调节。L.Quan等研究[8]表明在骨折愈合早期，bFGF与成骨细胞表面的受体结合后，能使其向成骨细胞分化。bFGF在骨形成过程中，能调控BMSCs向成骨方向分化，是骨再生过程中重要的细胞生长因子。

人成纤维细胞生长因子21(FGF-21)具有多重内分泌功能，可通过β-Kloth跨膜蛋白与成纤维细胞生长因子(FGF)受体结合形成的FGF-21受体复合物起作用[9]。在糖代谢中，FGF-21具有降低血糖及抑制胰高血糖素分泌，提高血清胰岛素水平、胰岛素敏感性。有研究[10]表明，FGF-21转基因小鼠骨体积分数、骨小梁数、骨小梁厚度、骨矿物质密度减少，从而引起小鼠的骨量丢失。在体外FGF-21能促进BMSCs成脂分化，抑制成骨分化，并可抑制小鼠BMSCs成骨分化。李茜等[11]研究表明在高糖环境下FGF-21能明显抑制hBMSCs骨向分化作用。FGF-21虽然可用于治疗糖尿病等代谢性疾病，但FGF-21能抑制hBMSCs向成骨方向分化。

3.2转录因子 Runxx相关因子(Runxx)家族主要有Runxl、Runx2和Runx3，其中Runx2对成骨细胞、破骨细胞、软骨细胞的分化成熟及细胞外基质的分泌都有重要的调控作用[12]。且Runx2的表达是成骨细胞开始分化的标志，因此它是骨形成过程中最早和最具特异性的标志基因。Osterix(OSX)是由Runx2所调控的Runx2下游基因，在诱导前成骨细胞向成骨细胞分化过程中起重要调控作用的含锌指特异转录因子，表达于成骨细胞、软骨细胞[13]，是在小鼠体内发现，也是骨形成过程中所必需的转录因子之一，缺失时会影响成骨细胞的分化成熟。彭俊等[14]研究表明，mir-125b可通过调控Runx2/Osx而促进BMSCs向成骨细胞分化，继而可能在骨折愈合发挥重要作用。Runx2、Osx转录因子在骨形成和重建中具有重要的调控的作用，能够促进BMSCs向成骨方向分化，如果相关基因缺失，可能会导致骨发育不全。有研究证实，高糖环境能使骨髓间充质干细胞可过早衰老、死亡，并抑制其分化成熟，因此，可通过调控各种骨形成相关的信号通路来增强Runx2/Osx基因的表达，从而来促进BMSCs向成骨细胞分化成熟。

核转录因子过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)是葡萄糖代谢、脂肪代谢过程中的重要调控因子，可广泛表达于BMSCs及多种特定分化的母细胞中。在BMSCs分化过程中，PPARγ激活后可导致BMSCs向成骨与成脂分化比例失调，且PPARγ2是调节脂肪细胞分化的主要调控因子。有研究表明[15]，将小鼠PPARγ基因敲除后，不仅造成脂肪细胞的生成减少的同时促进了成骨细胞生成，而且促进成骨相关转录因子Runx2、Osx的表达。S.Botolin等[16]研究发现成年糖尿病鼠胫骨较正常对照组松质骨明显减少，而骨髓中的脂肪组织明显增多；与此相应的是骨组织中PPARγ2 mRNA的表达增加而骨钙素mRNA表达明显降低。因此，PPARγ在BMSCs向成骨细胞及脂肪细胞分化过程中扮演极其重要的角色，在高糖环境下其可诱导BMSCs向成脂方向分化成熟并通过抑制成骨相关因子来干扰其向成骨方向分化。糖尿病并发骨质疏松患者不推荐使用噻唑烷二酮类降糖药，避免在降糖过程中加重骨质疏松程度，影响患者的愈后。

3.3其他生物活性分子 1-磷酸神经鞘氨醇(S1P)是一种具有重要生理功能且具有活性的脂质分子，可以调控细胞炎症、免疫、凋亡等一系列生物学过程[17]。S1P在骨代谢中发挥着十分重要的作用，是骨吸收和骨生成重要的联络因子。有研究[18]发现S1P可同时作用于两种成骨样细胞系SaOS-2和MC3T3-E1，S1P可激活细胞的PI3K/Akt通路，上调成骨分化标记物如骨保护素(OPG)、ALP的表达。另外，有研究[19]发现，在高糖环境下，SPHK活性增强，S1P生成增加，导致胰岛素分泌增多，也就是说，S1P可以促进葡萄糖刺激胰岛素分泌(GSIS)。因此，可以看出S1P在葡萄糖代谢调节过程中有重要作用。S1P不仅可促进成骨系细胞向成骨细胞分化，也可以在高糖环境下促进胰岛素的分泌来降低血糖，但S1P是否可在高糖环境下促进BMSCs向成骨方向分化成熟的研究鲜有报道，还需进一步研究证明。

4 信号通路激活对高糖环境下骨髓间充质干细胞分化能力影响

骨改建过程是骨吸收与骨形成相互协调的过程,其中BMSCs向成骨、成脂方向分化过程中可以受多种信号传导通路如Wnt/β-catenin、MAPK、Notch、NF-KB受体活化因子(RANK)信号通路调控。因此，以下各信号通路对BMSCs分化影响作详细介绍。

4.1Wnt/β-catenin信号通路 Wnt/β-catenin信号通路在细胞增殖、分化过程中具有重要调控作用，可分为经典Wnt通路与非经典Wnt通路两条信号通路。G.Bain等研究[20]发现间充质干细胞C3HIOT1/2过表达基因β-catenin可促进ALP mRNA表达，故Wnt/β-catenin信号通路可促进BMSCs向成骨方向分化。廖锋等[21]人的研究也表明，高糖环境下能抑制Wnt/β-catenin信号通路的激活，但ASP可能通过激活Wnt/β-catenin信号通路来促进高糖环境下BMSCs成骨分化能力,从而促进其向成骨方向分化。Wnt/β-catenin信号通路激活后能够增强BMSCs成骨作用，并抑制BMSCs向成脂方向分化的双向调节作用。在高糖环境下，可以通过使用Wnt/β-catenin信号通路的激活剂来促进BMSCs的表达。

4.2MAPK信号通路 细胞丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路可调节细胞生长、发育增殖、凋亡、死亡等一系列生命活动，尤其对成骨细胞分化以及骨骼发育的调控起至关重要作用。MAPK信号通路可分为经典的MAPK信号通路、非经典的MAPK信号通路(JNK MAPK通路和p38MAPK通路)、ERK信号通路三条[22]。Y.Zhao等[23]发现雌激素可能通过同时激活ERK/MAPK和JNK/MAPK信号通路而促进大鼠颅面骨的BMSCs向成骨方向分化。李茜[11]等研究发现，在高糖环境下加入ERK、JNK、P38信号传导的抑制剂，hBMSCs骨向分化标志物mRNA表达减低，说明FGF-21可能通过抑制MAPK信号通路来抑制hBMSCs的成骨分化或矿化。MAPK信号通路活化后，既可以促进BMSCs增殖又可促进成骨分化的作用，说明BMSCs向成骨方向分化过程中受MAPK信号通路调控。高糖环境下可以抑制BMSCs成骨分化，因此，我们可通过激活MAPK信号通路来调控高糖环境下BMSCs成骨分化。

5 小 结

DOP的可能发病机制错综复杂，具体是由哪种机制或几种机制引起的还不是十分明确，但其可能机制与BMSCs的活动有着密不可分的联系。综上所述，在分子水平上多种细胞因子、转录因子、生长因子、信号通路对高糖环境下BMSCs向成骨、成脂方向分化起着至关重要的调控作用，各种因子及各条信号通路之间又具有一定联系且相互影响，关系错综复杂。虽然大部分研究表明，这些因子和信号通路对BMSCs活动有着影响作用，但其具体分子机制及有效干预措施还有待进一步明确。