“缺氧-高糖”轴对糖尿病性骨质疏松症的影响机制

王剑虹 董万涛 宋敏 赵张凯 常茹梦 张杰 巩彦龙 赵楠

1.甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730000 2.甘肃中医药大学附属医院，甘肃 兰州 730020

糖尿病(diabetes mellitus，DM)与骨质疏松症(osteoporosis，OP)都是与衰老相关的全身性慢性代谢性疾病，高糖缺氧、衰老、氧化应激损伤已被公认是其主要的发病机制。机体摄入大量糖脂类或代谢异常均可引起线粒体损伤，加速氧化应激损伤。现已经证明1型糖尿病(diabetes mellitus type 1，T1DM)患者的骨密度(bone mineral density，BMD)与同龄未患DM的个体相比总体降低[1]。2 型糖尿病患者同样伴随骨密度和骨强度的下降而使得骨骼脆弱，主要是由于糖尿病患者的肥胖增加，影响成骨细胞和破骨细胞的功能[2]，而OP的发生主要是由于成骨细胞与破骨细胞参与的骨动态平衡遭到破环。糖尿病引起的骨质疏松症(DM-OP)是由慢性高血糖以及高血糖导致胶原蛋白中晚期糖基化终产物 (advanced glycation end products，AGEs)[3]的积累和氧化应激引起的[4]，而AGEs会加速人体的衰老。衰老的本质是机体抗氧化能力的下降，可以看作是细胞成分累积氧化应激损伤积累的过程[5-6]，不论内源性还是外源性的氧化应激都会导致组织、器官、结构和功能的进行性丧失[7]，促成疾病的发生发展。随着年龄的增长，缺氧是许多病理条件下特有的微环境成分，且与疾病的进展或严重程度相关。有研究发现糖尿病患者仰卧位和站立位的血氧饱和度都低于健康人，且与并发症有关[8]，而缺氧同样被认为是骨质疏松症发生的主要机制之一，其中和缺氧相关并发挥主导作用的缺氧诱导因子1α(HIF-1α)同样可以介导细胞线粒体功能，和衰老、氧化应激反应相关。以下主要从氧化应激作为糖尿病和骨质疏松症的共病机制出发，以HIF-1α建立的“缺氧-高糖”轴来阐述高糖-缺氧-衰老-氧化应激在糖尿病性骨质疏松症中的影响机制。

1 衰老与糖尿病性骨质疏松症

衰老产生机制包括DNA损伤、活性氧的累积、分泌表型的变化等，细胞衰老与线粒体功能障碍有关，线粒体是活性氧(reactive oxygen species，ROS)的主要来源，氧化应激被认为是参与衰老过程的重要机制理论之一，而线粒体氧化应激反应是加速细胞衰老的关键因素[9]。在机体衰老的过程中，线粒体中 ATP 产生的减少、膜电位的降低和 ROS 水平的增加，致使 DNA 结构和功能异常，导致线粒体氧化磷酸化水平下降，进而引起 ROS 在体内堆积到超出体内清除 ROS 的能力，引起氧化应激介导的细胞及机体的衰老[10-11]。随着机体的衰老，许多组织(包括骨细胞)氧化应激反应增加[12]；而氧化应激又同样可以诱导加速衰老的进程[13]，衰老和氧化应激两者相互促进相互影响。

氧化应激作为糖尿病和骨质疏松症的共病机制，脂质过氧化是活性氧最具破坏性的作用之一，且糖尿病患者的脂质过氧化物抗氧化防御系统参数存在显著的和年龄相关变异性。在糖尿病临床治疗中，抗氧化剂的有效性已得到大量研究证明，抗氧化剂的使用应该是治疗糖尿病过程中很有必要的一部分[14]。氧化防御机制失衡不仅导致了胰岛B细胞功能障碍还影响与胰岛素抵抗相关的信号通路，进而导致糖尿病及其相关并发症的发生；高水平的氧化应激和线粒体功能障碍阻碍骨髓间充质干细胞的存活和骨形成[15]。有研究证实特别是在处于骨质疏松微环境中的骨髓间充质干细胞由于衰老和雌激素缺乏而受到过量的氧化应激，导致成骨能力低下和成脂倾向增高。早期间充质祖细胞中ROS激活的FoxOs也使ss连环蛋白偏离Wnt信号，导致成骨细胞生成减少，这也可能与1型和2型糖尿病的发病机制以及ROS介导的糖尿病对骨形成的不良影响有关[16]。有研究证实具有高脂肪细胞和低成骨细胞分化能力的老年患者的原代骨髓基质干细胞，天然抗氧化提取物可以抑制其成脂分化和衰老相关分泌表型[17]。氧化应激介导的衰老又可以加速炎性反应[18]。糖尿病性骨质疏松症的发展往往伴随着细胞因子介导的慢性低水平炎症反应，氧化应激导致促炎核转录因子B(NF-κB)的激活，使抗蛋白酶防御功能受损，造成细胞DNA损伤，加速细胞衰老，以及自身抗体的产生，通过组蛋白去乙酰化酶2的失活而产生皮质类固醇抵抗，进而加重糖尿病性骨质疏松症。

2 高糖与糖尿病性骨质疏松症

高糖可以诱导各种细胞氧化应激损伤和线粒体功能障碍进而影响细胞的增殖分化。其主要通过使血管内皮细胞中的mtROS增加破坏了线粒体的动力学平衡造成氧化应激，最终导致细胞损伤和内皮功能障碍[19]，也可以使FOXO1蛋白的表达水平升高，并诱导内皮细胞的氧化应激和凋亡，最终延迟血管生成和愈合[20]，还可以诱导胰岛素抵抗[21]。在糖尿病患者病变过程中，机体内持续增强的氧化应激反应是造成胰岛素抵抗和胰岛B细胞损伤的重要因素[22]。而哺乳动物高糖高脂饮食促进了机体氧化应激反应[23]。有关骨结构质量的研究表明，患Ⅱ型糖尿病骨质疏松患者的骨小梁和皮质骨微结构更加脆弱[24-25]。骨质疏松时破骨细胞活性的增强可能归因于以超氧化物形式产生的ROS的增加，氧化应激是衰老、雌激素缺乏和糖皮质激素过量引起的OP的关键因素，并损害骨细胞网络和连接蛋白缝隙连接通讯[26]，而高糖可通过激活p38 MAPK/ERK信号通路和随后的mCx43内化来影响MLO-Y4细胞的Cx43缝隙连接和半通道功能[27]。由此高糖促进氧化应激反应进而影响糖尿病性骨质疏松症的发展进程。

3 “缺氧-高糖”轴对糖尿病性骨质疏松症的影响机制

缺氧是调节血管生成-成骨耦合过程的主要驱动力，组织缺氧可通过HIF-1α途径上调血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)，促进成骨细胞的分化和活性，促进血管生成。有研究发现持续的高血糖能促使磷脂酰肌醇二磷酸(PIP2)转化为磷脂酰肌醇三磷酸(PIP3)，诱导Akt的激活，从而激活下游效应基因缺氧诱导因子HIF-1α的表达[28]。HIF-1α和VEGF与糖尿病及其并发症密切相关，抑制HIF-1α和VEGF的表达可发挥一定的抗炎作用，通过减轻炎症反应，改变细胞与低氧有关的促炎平衡，有效促进糖尿病并发症的恢复[29-30]。长期高血糖可促进VEGF的合成与分泌，VEGF受HIF-1α转录的调控，是介导血管渗漏和诱导缺血部位血管新生增多的主要生长因子。当胰岛B细胞持续暴露于高糖环境下，加速细胞凋亡。高糖亦通过胰岛素抵抗和PI3K-AKT信号通路抑制胰岛B细胞功能，随着衰老进程，细胞线粒体功能障碍导致B细胞功能障碍使胰岛素分泌降低[31]。高糖促进炎症反应和抑制新生血管生成，进而引发一系列并发症，也可诱导骨髓间充质细胞[32]、骨髓干细胞[33]、内皮细胞[34-35]、髓核细胞[36]等各类细胞衰老。有研究证实，当沉默调节蛋白(Sirtuins)活性降低，促炎性因子、氧化应激反应和细胞周期中的一些分子可使Ⅱ型糖尿病发病的易感性增加。对于哺乳动物来说，衰老与 Sirts 活性降低有关，其中调节沉默调节蛋白 1(Sirt1)是胰岛素分泌的正调节因子，具有对抗细胞凋亡、抗氧化及抗细胞炎症性损伤作用[37]。

4 衰老与“缺氧-高糖”轴

随着机体衰老，伴随不同程度的组织缺氧，而发挥主要调控作用的机制因子HIF-1α与正常人细胞生长停滞和衰老相关。HIF-1α通过AMPKα和缺氧诱导因子-α亚型的特异性调控可促进血管生成，帮助细胞适应恶劣条件，还与沃伯格效应、线粒体动力学和细胞衰老相关[38]。有研究证实糖尿病骨髓间充质干细胞(DM-BMSCs)衰老表型增强，说明成骨分化能力降低是糖尿病骨再生修复障碍的主要原因，而线粒体膜通透性抑制剂CsA可有效抑制DM-BMSCs线粒体膜通透性，降低线粒体外氧化损伤水平，抑制细胞衰老，促进成骨分化[39-40]。相对于与骨形成和骨吸收相关的成骨细胞和破骨细胞，导致其死亡的明确机制之一是随着年龄增长出现一定程度的组织细胞缺氧[41]，并促进了与年龄相关的破骨细胞的分化。HIF-1α不仅通过在软骨内骨化中激活血管内皮生长因子来引起增强的骨重建，当组织缺氧时，在骨细胞启动骨重建中HIF-1α通过激活MLO-Y4细胞中的JAK2/STAT3途径促进RANKL的表达，促进骨细胞介导的破骨细胞分化[42]。当组织细胞缺氧时，HIF-1的α亚基发生磷酸化，发生核转位并结合相对应靶基因-VEGF葡萄糖转运体、促红细胞生成素等在内的多种缺氧反应元件，影响糖和能量的代谢、血管张力的调节、红细胞代谢以及细胞凋亡等，增强炎性反应与氧化应激，诱导相关生物活性物质合成以及易感基因的表达，使机体产生一系列病理生理反应[43]。HIF-1α和VEGF因子的表达与糖尿病胃轻瘫(diabetic gastroparesis，DGP)相关[44]，高糖促进VEGF转录失调可能是促进DGP并发症发生的主要机制，胃肠功能失衡，影响机体对营养物质尤其钙磷的吸收以及肠道微生物区系失衡，基于“肠-骨”轴影响，又促进骨质疏松的发生发展[45]。

5 HIF-1α的调控机制

HIF-1α可以介导细胞线粒体功能，促进正常人细胞生长停滞和衰老影响氧化应激反应，调节线粒体产生ROS本属于正常的细胞功能，是适应氧化应激和对抗细胞衰老所必需的。低氧引起的糖酵解通量和线粒体代谢活性的增加，以及随后产生的线粒体活性氧对破骨细胞的形成和吸收是必不可少的[46]，且低氧微环境可驱动破骨细胞介导的骨吸收[47]。HIF-1α表达稳定化可减轻低氧条件下细胞吞噬有丝分裂所致的细胞凋亡和衰老。研究表明线粒体活性氧发挥着维持细胞代谢稳态的作用，是AMPK的生理激活剂。AMPK的激活又触发了依赖于PGC-1α的抗氧化反应，从而限制了线粒体ROS的产生，缺乏AMPK活性的细胞表现为线粒体ROS水平升高，并经历早衰[48]。

HIF-1α调节VEGF以及一系列其他信号如ERK、AKT和NF-κB的表达以应对细胞缺氧[49]，其在骨发育和再生过程中参与血管生成和成骨过程，并通过损害成骨细胞的分化和成熟来调节骨的微结构和重塑[50]，在破骨细胞中表达导致其活化，促进骨吸收。有研究证明HIF-1α和VEGF在骨质疏松骨中的表达水平低于正常骨[51]；HIF-1α减少了地塞米松对缺氧诱导的破骨细胞有丝分裂的抑制，并保护了成骨细胞免于凋亡[52]；B细胞中HIF-1α的缺失可以防止雌激素缺乏导致的小鼠骨质丢失[53]；也有机制研究证明，过表达HIF-1α可显著增加成骨细胞中IL-6和IL-8的水平，成骨细胞中的IL-6和IL-8可通过缺氧诱导因子-1α途径参与血管生成-成骨偶联过程[54]，从而HIF-1α发挥了一个抑制炎性反应的靶向辅助作用，而炎性反应和细胞免疫相关，HIF-1α在抑制炎性反应的同时可能也发挥了抑制免疫衰老的作用。破骨细胞被证明是一种具有丰富的线粒体的高能量细胞，稳定控制HIF-1α的表达，可以促进破骨细胞铁死亡[55]，发挥抑制骨吸收的作用。HIF-1α通过抑制骨髓衍生的巨噬细胞在低氧条件下自噬小体的形成而损害自噬通量[56]。目前已知自噬和线粒体功能障碍也是刺激衰老的因素[57]。

HIF-1α在缺氧和高糖之间发挥着重要桥接作用，把糖尿病和骨质疏松症的结合转变成高糖缺氧在内的与年龄相关共病机制共同介导下的疾病——糖尿病性骨质疏松症。

6 结语

骨质疏松作为糖尿病后期并发症，两者交互并存且相互促进病理进程，临床上称之为糖尿病性骨质疏松症。糖尿病和骨质疏松症的共病机制复杂，现有临床治疗糖尿病性骨质疏松症的方法大多是将糖尿病与骨质疏松症作为两个独立的疾病进行降糖联合抗骨质疏松治疗，尚无用于针对糖尿病性骨质疏松症治疗的特异性方案，因而明确糖尿病骨质疏松症的共病机制是治疗糖尿病骨质疏松症的关键枢纽。

机体衰老伴随着抗氧化能力的下降，细胞线粒体活性氧水平破坏细胞线粒体动力学平衡而造成氧化应激，最终加速细胞损伤、衰老。HIF-1α作为缺氧反应的主要调节因子之一，在骨骼建模、重塑和内环境以及糖尿病及其并发症中发挥着重要作用。现把糖尿病骨质疏松症从单纯的骨质疏松症和糖尿病结合的认识，转变为高糖缺氧在内的骨和氧化应激与年龄相关机制共同介导下的疾病。所以稳定HIF-1α的表达抑制氧化应激、减轻细胞衰老、凋亡等发挥抗骨丢失和控制糖尿病并发症的作用，有必要进一步探讨缺氧诱导因子-1α介导的有丝分裂吞噬在糖尿病性骨质疏松症中的作用。

本文基于“缺氧-高糖”轴概述HIF-1α在糖尿病性骨质疏松症中抗氧化应激的作用机制，提出以HIF-1α为靶点，稳定HIF-1α的表达并调控衰老相关表型在相应组织的表达，通过诱导破骨细胞的凋亡以及抑制衰老引起的氧化应激反应，减缓糖尿病介导的骨质疏松症的发展进程。