二甲双胍对2型糖尿病患者骨代谢影响的机制研究

翟婧秀，李骏然，邢磊

骨质疏松症(osteooporsis，OP)是一种以骨组织微结构损坏，导致骨骼脆性增加为特征的全身性骨病[1]，我国60岁以上人群OP患病率为36%[2]，而60岁以上2型糖尿病(type 2 diabetes，T2DM)患者合并OP的发生率却超过50%[3]，两者相差悬殊。由于缺乏高龄患者使用二磷酸盐类药物的循证学依据，故尚不推荐老年患者长期应用二磷酸盐类药物治疗OP[4]。二甲双胍对T2DM患者的骨代谢有保护作用[5]，这为高OP发生率的T2DM患者预防及治疗OP提供了新的方向。本文就二甲双胍对T2DM患者骨代谢影响的相关机制综述如下。

1 降糖作用

血糖增高是T2DM最主要的特征，其对成骨细胞、破骨细胞增殖及钙、磷代谢有重要影响[6]。短期血糖增高可增加肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)及巨噬细胞集落刺激因子(macrophage Colony-stimulating factor，MCSF)等细胞因子水平，激活骨保护素(osteoprotegerin,OPG)/NF-κB受体活化因子配体(receptor activator nuclear factor-κB ligand，RANKL)/NF-κB受体活化因子(receptor activator nuclear factor-κB,RANK)系统，促进破骨细胞增殖，增加骨吸收作用[7]。长期血糖增高则会使血糖相关的晚期糖基终化末产物(advanced glycation end products，AGEs)大量沉积[8]。AGEs不仅可进一步增加体内细胞因子水平，促进破骨细胞分化[9]，还可激活cAMP/PKA/ERK信号通路抑制成骨细胞增殖及功能，削弱骨形成作用[10]。另外，由于T2DM患者血糖升高，导致机体渗透压变化，通过渗透性利尿作用造成钙、磷等物质流失增加，引起体内钙、磷失衡，危害骨微环境[11]。

二甲双胍作为T2DM治疗的首选药物，主要通过抑制肝细胞线粒体功能、激活磷酸腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase,AMPK)等途径，增加胰岛素敏感性[12]。DeFronzo等[13]进行多中心随机、双盲、平行对照研究发现，单独使用二甲双胍对T2DM患者进行降糖治疗，短期即可使空腹血糖、餐后血糖及糖化血红蛋白分别降低3.2 mmol/L、4.0 mmol/L及1.8%。因此，二甲双胍可通过其明显的降糖作用有效缓解高血糖引起的破骨细胞功能增强、成骨细胞功能受抑制及钙、磷丢失状况，降低高血糖对骨代谢产生的负面作用。

2 影响骨髓间充质细胞分化

骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchyml stem cell，BMSCs)是具有分化形成骨、软骨、脂肪等多种分化潜能的细胞亚群，成骨细胞及脂肪细胞均来自BMSCs分化[14]。在模拟T2DM高糖条件下，Barbagallo等[15]通过细胞实验发现，人工BMSCs可抑制成骨细胞分化，并诱导BMSCs向脂肪细胞方向分化。王俊成[16]通过动物实验发现，雄性C57小鼠的BMSCs可通过刺激其细胞内某种microRNA的水平增加，导致骨形态发生蛋白-2(bone morphogenetic protein,BMP-2)水平减少，进而抑制BMSCs向成骨细胞分化。由此说明，BMSCs在高糖状态下向成骨细胞方向分化的功能受到抑制。二甲双胍可通过激活AMPK及抑制过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferators-activated receptorγ，PPARγ)途径，促进BMSCs向成骨细胞分化[17]。

AMPK是调控细胞代谢能量稳态的重要激酶，负责监管细胞输入和输出[18]。BMP-2和骨桥蛋白(osteopontin,OPN)是成骨细胞分化、成熟的重要因子[19]。二甲双胍通过激活AMPK代谢途径，不仅可增强BMP-2及OPN的表达与分泌[20]，促进成骨细胞分化及成熟，还能加速核转录受体相关转录因子2与成骨细胞中小异二聚体伴侣蛋白形成复合物，调节成骨细胞相关靶基因表达水平，诱导BMSCs向成骨细胞方向分化，增强骨形成作用[20-21]。Budoff等[22]还发现，激活AMPK途径可减少同型半胱氨酸诱导的骨细胞凋亡。因此，二甲双胍在激活AMPK途径后，一方面可增加BMSCs向成骨细胞分化，促进成骨细胞增殖，另一方面还可抑制骨细胞凋亡，改善骨代谢。

PPARγ是一种核激素受体，与触发OP的关键因子有关[23]。Akune等[24]发现，纯合子PPARγ缺陷的胚胎干细胞不能分化为脂肪细胞，但可自发分化成骨细胞，且这些缺陷可通过重新引入PPARγ基因恢复。动物实验表明，当PPARγ在成骨细胞中特异性表达时，激活PPARγ会降低雄性小鼠的骨形成和骨密度，并加速雌性小鼠雌激素缺乏相关性的骨丢失[25]；当PPARγ在成骨细胞缺失时，小鼠破骨细胞分化受损，发生以骨量增加为特征的骨硬化[26]。这些实验结果说明抑制PPARγ介导的信号通路可减少BMSCs向脂肪细胞分化，增加成骨细胞功能，减少骨丢失。兰天等[27]研究指出，二甲双胍可通过抑制脂肪代谢基因Galectin-3的mRNA及其蛋白表达，从而抑制PPARγ基因的mRNA及蛋白表达。因此，通过对PPARγ的抑制，二甲双胍同样可以诱导BMSCs向成骨细胞分化，改善骨代谢状况，增加骨量。

总之，二甲双胍对BMSCs分化方向可产生影响，进而促进成骨细胞增殖，增强骨形成作用，减少骨密度下降，改善T2DM患者骨代谢。

3 减少血糖相关晚期糖基终化末产物

AGEs是过量的糖和蛋白质结合的产物，在长期高血糖状态下，骨胶原中的高糖可以产生高浓度的AGEs，如戊糖苷等[8]。AGEs及其受体一方面可直接抑制成骨细胞功能[28]，还可通过修饰骨周胶原物质令骨组织丧失柔韧性和弹性，增加骨骼脆性[29]。Sanguineti等[30]证实，成骨细胞内戊糖苷含量增高可致骨转换标志物显著减少。Schwartz等[31]发现，尿液中较高的戊糖苷水平是成年T2DM患者骨折的危险因素。这些说明戊糖苷会抑制成骨细胞功能，阻碍骨生成，同时增加骨骼脆性。同时，这些结论在糖尿病动物模型分离的骨骼中也得到印证。张燕等[32]发现，AGEs可通过干扰模型小鼠Wnt/LRP5/β-catenin通路阻碍BMSCs向成骨细胞分化。Saito等[33]研究结果指出，戊糖苷含量增加与模型小鼠骨骼力学性能受损一致。以上均说明T2DM患者体内过量的AGEs，可通过多种途径抑制成骨细胞增殖及功能，损伤骨胶原，降低骨强度，增加骨骼脆性。

二甲双胍可削弱AGEs及其受体对骨骼的影响。除经发挥降糖作用减少体内AGEs生成及沉积外，二甲双胍还可抑制AGEs受体的表达，即二甲双胍在减少AGEs的沉积的同时，还能解除AGEs及其受体对成骨细胞的抑制作用，逆转骨损害[34]。Schurman等[35]还发现，二甲双胍也通过抑制RAGE蛋白表达上调的途径，减轻AGEs对原代成骨细胞外基质成熟和矿化的抑制作用，促进原代成骨细胞的碱性磷酸酶活性及钙化。由此说明，二甲双胍可经由多种途径降低体内AGEs及其受体水平，减轻骨骼脆性增加程度，减弱成骨细胞及其细胞外基质的抑制作用，促进成骨细胞成熟及骨骼矿化。

4 缓解氧化应激作用

氧化应激作用是指细胞内氧自由基的产生与清除失衡，导致活性氧(reactive oxygen species,ROS)等氧化应激指标在体内或细胞内蓄积而引起的氧化损伤过程[36]。T2DM患者体内过多的血糖可通过各种代谢途径生成ROS族产物，损伤胰岛β细胞功能，发挥糖毒性[37]。由于氧化应激与高血糖互相作用，因此氧化应激作用既是T2DM的病因，也是其结果[37-39]，故T2DM患者体内氧化应激水平较高。Manolagas等[40]发现，ROS在骨细胞内可抑制骨细胞的生成及存活，在成骨细胞内可抑制成骨细胞的发生并刺激成骨细胞凋亡。姚娜等[41]发现，氧化应激作用产生的TNF-α可作为刺激破骨细胞增殖及分化的细胞因子，通过多种途径如促进破骨细胞上V-ATP酶的表达，增加破骨细胞活性。值得注意的是，当氧化应激和糖基化增加与衰老及与生活方式有关的疾病(如T2DM等)相关时，骨基质中的胶原分子之间的非生理交联增加，使骨强度减低[42]。因此，T2DM患者(尤其老年患者)体内氧化应激水平增高，会抑制机体骨细胞及成骨细胞增殖及活性，刺激破骨细胞功能增强，降低骨强度，即在减少骨生成并增加骨吸收作用的同时，还使骨骼脆性增加。以上也说明，T2DM与OP在发生机制上存在一定联系，能够部分解释T2DM患者合并OP发生率较高的原因。

二甲双胍能够在多种组织发挥抗氧化特性[43]。除利用降糖作用减少氧化应激产物生成外，Venu等[44]最新研究发现，二甲双胍还可通过影响小鼠Nr4a1脯氨酸P505/P549序列(对应于人类P501/P546)激活AMKP信号途径，降低机体ROS水平。此外，甄东户等[45]还指出，二甲双胍可通过降低AGEs含量，减少AGEs诱导下成骨细胞内ROS的形成。即二甲双胍可通过降低体内氧化应激指标ROS的水平，减弱机体氧化应激作用，从而增加骨细胞和成骨细胞生成及存活，抑制破骨细胞活性，改善骨质及骨质量。

5 影响OPG/RANKL/RANK系统

OPG/RANKL/RANK系统作为维持骨重建的核心系统，在维持骨代谢平衡及骨免疫应答调控中扮演极其重要的角色[46]。OPG可竞争性抑制RANK与RANKL的结合，若OPG/RANKL/RANK系统失衡，则可形成以破骨细胞介导为主的负性骨重建失衡状态，此时MCSF与RANKL发生协同作用，诱发OP级联的发生[46-47]。OPG与RANKL的比例是调节骨吸收和骨形成平衡的重要因素，当OPG/RANKL比例上调时，成骨活性增强，骨代谢为正向骨平衡，反之则处于破骨活性效应增强下的负性骨平衡[48]。二甲双胍是RANKL的抑制剂。Lee等[49]研究发现，二甲双胍可通过影响AMPK的上游激酶CaMKK和TAK1，使AMPKα亚基172位苏氨酸磷酸化，从而负调控RANKL水平。Mai等[50]研究发现，二甲双胍激活AMPK途径后可影响OPG/RANKL mRNA和蛋白表达，使成骨细胞OPG上调并下调RANKL水平，增加OPG/RANKL比例。即二甲双胍可通过对AMPK信号通路的影响，引起RANKL水平下降，这有助于提高OPG/RANKL比例，实现骨代谢的正向调节。

6 影响去乙酰化酶6表达及B细胞核因子κ-轻链增强子水平

B细胞核因子κ-轻链增强子(B Nuclear factor kappa - light chain enhancer，NF-κB)是一个关键点转录因子[51]，其作用较多，其中之一是限制骨祖细胞向成骨细胞、破骨细胞、骨细胞和软骨细胞的分化[52]。去乙酰化酶(sirtuin，SIRT 6)是沉默配型信息调节因子家族的成员，主要在细胞核中表达[53]。SIRT 6与NF-κB在骨代谢中有相互作用，类似OPG/RANKL的相互作用[54-56]，即SIRT 6表达增加，促进正向骨代谢，NK-κB水平增高则出现负向骨代谢。D′Onofrio等[54]研究结果显示，SIRT6参与了肥胖糖尿病前期患者腹部皮下脂肪的炎症通路，但肥胖糖尿病前期患者接受二甲双胍治疗后，其腹部脂肪组织SIRT6表达水平升高，而NF-κB表达水平降低。Mu等[56]通过动物实验证实，二甲双胍可通过调节AMPK-mTORC2和AKT-mTORC1信号轴促进SIRT6的表达，抑制NF-κB[56]。Sardu等[57]指出，二甲双胍也可通过降低炎症参数、瘦素水平等途径增加体内SIRT6水平。由此可见，二甲双胍可通过多种途径增加体内SIRT6表达，减弱NK-κB的作用，改善骨代谢状态。

综上所述，虽然研究者已在二甲双胍对T2DM患者骨代谢产生影响的相关机制领域方面取得了诸多进展，但T2DM对骨代谢负面影响的机制仍未完全了解，仍需要在许多领域进行深入研究，如从细胞培养和动物模型中获得的知识需要在人体中得到验证，而且骨骼中数量最丰富的骨细胞在糖尿病条件下对骨健康的贡献仍不明确。另外，临床还需要更可靠和敏感的骨质量生物标记物对骨骼疾病进行早期检测。临床试验证实，运动可改善高危人群的胰岛素作用[58]。尽管药物干预也有效，但包括运动和饮食在内的生活方式管理似乎是防止发展为T2DM等代谢性疾病的最有效策略[59-60]。有报道称，在骨质疏松高危人群中，一定的运动方案可有效改善骨密度[61-62]。因此，对高危患者采取运动、饮食和药物干预相结合的预防计划很有可能产生有益效果，这方面研究也值得进一步深入研究。

利益冲突：所有作者声明无利益冲突。