线粒体自噬与糖尿病性骨质疏松的关系

李泽锋 黄文锋 胡洲映 苏畅怡

1.广州中医药大学,广东 广州 510006 2.广州中医药大学附属湛江市第一中医医院,广东 湛江 524000

中医认为脾主运化,主管化物及运输精微往周身以为机体活动提供能量,其中“化”指的是将进入人体的食物化生成精微物质,而“运”指的是将所化生出的精微物质输往周身并以此维持人体各类活动所需能量的来源。线粒体通过三羧酸循环产生ATP以为机体活动提供近95%的能量充分体现出了脾主化而生气血、脾主运而行气血的功能[1]。线粒体自噬是清除损伤的线粒体以维持细胞正常生理功能的重要途径,其表达失常与脾失健运密切相关[2]。胰岛素抵抗是2型糖尿病的典型病理特点,而微血管病变和动脉粥样硬化则常见于糖尿病病程较长的患者,这3种与糖尿病相关的病理改变均是糖尿病性骨质疏松发生的重要危险因素,而一定程度的线粒体自噬能够减轻糖尿病患者的胰岛素抵抗程度[3],降低微血管病变及动脉粥样硬化发生的风险[2]。由此看来调节线粒体自噬可以通过减轻上述病理变化程度以防治糖尿病性骨质疏松,而通过健脾恢复其运化功能以调节线粒体自噬可能是从脾论治糖尿病性骨质疏松的潜在作用通路。

1 脾-消渴-骨

消渴一名首见于《内经》,其发生与脾脏功能受损导致精气输布失常密切相关,正如《素问·奇病论》所记载:“五味入口藏于胃,脾为之行精气……故其气上溢,转为消渴”。中医早在战国时期就已经有骨质疏松相关表现的记载,而脾胃虚弱导致的“肉痿”及血行不畅是其发生发展的重要病机,正如《脾胃论》曰:“大抵脾胃虚弱,……是为骨痿,令人骨髓空虚,足不能履地”则有力地阐明了脾胃与骨的关系密切。中医古籍中不乏有糖尿病和骨质疏松的相关记载,而糖尿病性骨质疏松作为糖尿病的并发症之一,现代中医家多认为其属于“消渴合并骨痿”的范畴。糖尿病的发病多责之于脾虚,而以糖尿病为前提而发的骨质疏松亦与脾脏功能虚弱有关,正如《素问·太阴阳明论》曰:“脾病而四肢不用者,何也……脉道不利,筋骨肌肉,皆无气以生,故不用焉”,筋骨肌肉保持强健有赖于脾的运化功能,脾失所化则气血乏源,脾失所运则所化气血无以向四周输布,二者占其一即可导致筋骨肌肉失于濡养而发骨痿。再者,精血同源而可互相转化,血的化生不足必然引起肾精亏虚,肾精不足则无以生髓,髓不足则无以充骨,骨失髓养亦将导致骨痿的发生。

2 线粒体自噬-糖尿病性骨质疏松

线粒体DNA(mtDNA)位于核外的特点导致其缺乏相应的保护,且其自我修复能力较差,而诱导氧化应激发生的活性氧(reative oxygen species,ROS)主要来源于线粒体,故容易因氧化应激损伤而发生退行性病变[4],mtDNA的损伤又会使线粒体产生大量ROS而导致恶性循环的形成并进一步损害结构功能健全的线粒体。线粒体自噬属于选择性自噬[5],主要通过清除损伤的线粒体以维持细胞稳态,目前认为哺乳动物的线粒体自噬的发生主要由Pinkl/Parkin所介导[6],当线粒体发生损伤后,Pink1因不能正常转运至线粒体内膜而聚集在外膜上并泛素化外膜的多种蛋白质,泛素化的蛋白质被自噬的选择底物所识别,最终刺激线粒体发生自噬[7]。骨质疏松是多种原因引起的骨代谢失衡,骨密度下降,骨脆性增加,骨折风险增加的疾病[8],而糖尿病性骨质疏松的发生与胰岛素抵抗[9]、微血管病变[10]及动脉粥样硬化[11]形成密切相关。

肌肉可以通过收缩运动增加骨骼的机械应力刺激而促进成骨[12],其主要机制为胰岛素样生长因子1(IGF-1)的表达在机械应力刺激骨骼的情况下有所增加,并以此促进骨细胞的增殖与分化[13],而相关研究亦发现骨密度的减低与全身肌肉含量减少呈正相关[14]。作为2型糖尿病的典型病理特点,胰岛素抵抗会导致骨骼肌含量下降而影响IGF-1的表达,进而导致骨细胞的增殖和分化能力下降,最终引起骨质疏松的发生。FUNDC1基因是与线粒体自噬发生相关的基因,Wu等[15]通过敲除FUNDC1基因来建立线粒体自噬缺陷的小鼠模型,发现实验小鼠的胰岛素抵抗程度普遍上升。综上所述,可以认为通过调节线粒体自噬以减轻胰岛素抵抗程度从而增加肌肉含量是防治糖尿病性骨质疏松的重要途径。

晚期糖基化终末产物是在长期高糖环境下产生的,其与对应受体结合会引起氧化应激过度激活导致血管内皮细胞产生不可逆损伤,而血管内皮细胞的损伤、坏死最终会引起微血管病变的发生[16]。微血管病变是累及细小血管的病理改变,多表现为相应血管的基底膜增厚、血管瘤形成及血管障碍,其导致骨质疏松的发生主要与微循环障碍及物质交换障碍有关,当微循环障碍发生时,骨组织将因微血管灌注不足致骨营养不良,骨重建受限,最终导致骨质疏松的发生,而当营养骨组织的微血管发生病变时将导致物质交换障碍而增加骨质疏松发生的风险[17-20]。自噬是细胞进行自我保护的重要机制,线粒体自噬则属于其中的选择性自噬,Chen等[21]研究发现自噬可以通过促进损伤的线粒体分解以及减少ROS的产生等途径起到抑制内皮细胞衰老和凋亡的作用。因此可以认为通过调节线粒体自噬以减轻微血管病变能在糖尿病性骨质疏松的预防和治疗中起一定作用。

动脉粥样硬化是常见的糖尿病慢性并发症之一,是在多种因素共同作用下形成的累及大中型动脉的血管疾病,其中高糖环境引起血小板异常的聚集、粘附和活化是其形成的重要原因,而线粒体自噬可以通过清除受损的线粒体以减少ROS的产生,从而抑制血小板的活化以抑制动脉粥样硬化的形成[22]。骨质疏松发生与动脉粥样硬化形成存在诸如高血脂等众多共同致病因素及OPG/RANK/RANKL通路等共同作用通路[11],祁亮等[23]通过相关数据库收集二者的相关疾病靶点并利用韦恩图取交集后获得它们的共同靶点高达202个,这进一步证明二者具有相似的发病机制。因此可以认为动脉粥样硬化与骨质疏松之间存在诸多致病的共同危险因素,且动脉粥样硬化的形成亦会促使骨质疏松的发病,而通过调节线粒体自噬可以延缓糖尿病患者中动脉粥样硬化的形成和进展以防治糖尿病性骨质疏松。

3 脾-线粒体自噬-糖尿病性骨质疏松关系探讨

《素问》云:“四肢懈堕,此脾气不行也”,当脾运化功能失常时,水谷精微无以输布濡养四周会导致机体的活动因缺乏能量来源而无法正常进行。线粒体因其是真核生物体ATP的主要合成部位而被称为“动力工厂”,其进行三羧酸循环为真核生物体提供能量的特点与脾主运化相似,由此看来,脾与线粒体之间存在密切的联系。刘友章等[24]发现脾虚模型的大鼠线粒体数量减少并且结构上有不同程度的损伤,而服用四君子汤后线粒体数量明显上升,而且结构上也得到一定的恢复,这进一步证明了“脾-线粒体”相关理论。动力相关蛋白1(DRP1)是与线粒体分裂密切相关的一种蛋白,Gelmetti等[25]研究发现DRP1活性受抑制时Parkin诱导的线粒体自噬活动减少,而DRP1活性降低与脾运化失常,机体活动所需能量不足的表现具有相似之处,由此看来脾失运化是线粒体自噬活动减少的重要原因。

《素问·太阴阳明论篇》曰:“四肢皆禀气于胃,而不得至经,必因于脾,乃得禀也”,肌肉为脾所主,消渴病人身体瘦削多归因于脾失健运,水谷精微无以濡养肌肉所致,而长期的肌肉含量低下将增加骨质疏松发生的风险。胰岛素抵抗是糖尿病性骨质疏松发病的重要危险因素,其导致骨质疏松的发生主要与其引起的骨骼肌含量下降有关,而相关研究表明胰岛素抵抗的发生与氧化应激导致的线粒体功能损伤密切相关[26],因此通过减轻氧化应激反应以维持线粒体质量是机体减轻胰岛素抵抗,增加肌肉含量,进而增加骨密度的重要调节方式。中医认为脾运失常不散精是胰岛素抵抗的关键病机,糖类食物经由脾转化为精微物质后再由脾的转运功能上输于肺,最终依靠肺朝百脉的特性灌溉四旁以濡养周身,脾失健运,将导致精微物质无以输布,进而聚而成浊,浊邪郁滞进一步阻碍精微物质输布而表现为胰岛素抵抗[27]。胰岛素是由胰岛β细胞分泌的肽类激素,其释放后依赖“血”作为载体运往远距离靶器官,脾失健运,血行不畅将致胰岛素无以进行远距离输送亦会出现胰岛素抵抗的相关表现[28]。LC3Ⅱ和BNIP3是自噬的标志蛋白,能较好地反映出自噬的表达水平,而红景天苷性甘寒,归于脾肺二经,具有健脾益气的功效,Ou等[29]发现红景天苷能提高小鼠骨骼肌中LC3Ⅱ和BNIP3的表达,促进线粒体自噬以改善线粒体质量,从而减轻骨骼肌的胰岛素抵抗程度,增加肌肉含量。综上所述,通过健脾减轻胰岛素抵抗程度从而使肌肉含量上升以增强骨骼的机械应力刺激是防治糖尿病性骨质疏松的重要方式,而这一效应可能是通过调节线粒体自噬来实现的。

脾为生痰之源,脾运化失常易聚液成痰,痰浊久凝血脉则成血脉癥瘕[30]。作为糖尿病性骨质疏松发生的危险因素,动脉粥样硬化的形成与中医认为脾虚导致痰浊的产生显著有关[31],正如《医宗必读》记载:“脾土虚弱,清者难升,浊者难降,留中滞膈,淤而成痰”,而痰浊内聚日久则成血脉癥瘕,血脉癥瘕一经形成,脉道必为所阻,水谷精微无以运行至肌骨,肌骨失养则发为骨痿,因此脾失运化,痰浊内生而成动脉粥样硬化的是糖尿病性骨质疏松发生的重要原因。吕晓濛[32]发现以中医的益气健脾、和血祛痰为法拟方能显著降低人体低密度脂蛋白胆固醇的水平,降低动脉粥样斑块的形成风险。另有研究发现,在动脉粥样硬化发生发展的整个过程中均有自噬的参与[33],而线粒体自噬可以保护血管平滑肌细胞从而起到稳定斑块的作用[34]。相关动物研究发现健脾祛痰方能增加脾虚痰浊型动脉粥样硬化大鼠的Parkin表达,从而促进线粒体自噬的进行以稳定斑块[2]。由此看来,通过调节线粒体自噬是健脾以恢复其运化之功以助津液正常运行,无致壅聚成痰久凝血脉而成血脉癥瘕,维持血脉通利,保证水谷精微得以输布于肌骨从而防治消渴合并骨痿的重要机制。

作为糖尿病性骨质疏松发病的危险因素,微血管病变与中医所说之痰瘀的形成密切相关,相关研究发现糖尿病内有痰瘀的患者实验室检查多有微循环障碍、毛细血管阻塞等血液流变学的异常改变亦证明了这一观点[35]。《内经》有云:“经脉为里,支而横者为络,络之别者为孙”,微血管即为中医所说之孙络,而糖尿病微血管病变则属于“络病”的范畴[36],而叶天士提倡的“络病”理论认为,病初在经,病久入络,邪气侵入络脉会导致痰浊瘀血的形成,而消渴合并络病是由消渴病久发展而来,符合“久病入络”的病理特点,该理论再次印证了痰浊瘀血阻滞脉络与糖尿病微血管病变的相关性。血液运行布散流畅是筋骨强健的必要前提,正如《灵枢·本脏》所云:“是故血和则经脉流行,营复阴阳,筋骨劲强,关节清利矣”,而消渴多责之于脾虚运化失常,脾失健运,将致津液无以输布,聚而成痰,痰阻于脉络,久必致瘀,痰瘀互结更加剧血行不畅,精微物质无以运输于骨,同时因痰瘀粘附于脉道而致精微无以布散于骨,骨失所养则发为骨痿。赵嘉晶等[37]研究发现,从瘀论治糖尿病性骨质疏松能有效调节血液流变学、提高患者骨密度水平,这进一步验证了从通利脉道入手治疗糖尿病性骨质疏松的可行性。周永亮等[38]研究发现糖尿病微血管病变程度与氧化应激水平呈正性相关,而作为ROS的主要产生场所,线粒体质量的下降是氧化应激反应的始动因素,因此调节线粒体自噬以清除受损的线粒体是减轻微血管病变程度的重要途径[6,39],而相关研究发现以健脾祛痰化瘀为法拟方能增加Parkin表达以促进线粒体自噬从而降低氧化应激水平[2]。综上所述,通过健脾促进线粒体自噬从而减轻微血管病变程度可能是防治糖尿病性骨质疏松的重要作用通路。

4 小结

线粒体自噬与糖尿病性骨质疏松的关系比较复杂,可能与胰岛素抵抗、微血管病变、动脉粥样硬化的形成有关。脾脏维持正常的运化功能是线粒体自噬适度进行的重要前提,而胰岛素抵抗、微血管病变、动脉粥样硬化形成作为糖尿病性骨质疏松的重要危险因素与线粒体自噬失常密切相关,故以健脾为法治疗糖尿病性骨质疏松可能是通过调节线粒体自噬而发挥作用,本研究从脾主运化探讨线粒体自噬与糖尿病性骨质疏松的关系,旨在挖掘出“脾-线粒体自噬-糖尿病性骨质疏松”这一可能的潜在通路,为糖尿病性骨质疏松防治的研究提供参考。