基于“脾肾相关”理论探讨鸢尾素在肌少-骨质疏松症中的作用机制

路翀 郑浩 杨鸫祥 戚晓楠 姚啸生*

1.辽宁中医药大学，辽宁 沈阳 110847 2.辽宁中医药大学附属医院，辽宁 沈阳 110032

骨质疏松症(osteoporosis，OP)是一种波及全身的骨病，以骨密度及骨强度下降为特征，易导致骨痛、骨折及二次骨折[1]。而肌少症(sarcopenia)这个名词，则是由Rosenberg于1989 年首次提出[2]，是一种与年龄增加相关的、进行性全身肌量减少，和/或肌肉强度下降、肌肉生理功能减弱的疾病，随着研究的不断深入，发现骨质疏松症多与肌少症常相伴发生[3]。2009年，Binkley等[4]提出“肌少-骨质疏松症”这一概念，首次从病名上明确肌少症与骨质疏松症之间的关系，之后提出可将肌少症和骨质疏松症合并，作为一种“运动障碍综合征”来进行诊治[5]。

随着全球老龄化时代的来临，肌少-骨质疏松症(sarco-osteopenia)的发病率逐年增加，有研究结果表明老年男性发病率为10.4 %，而老年女性的发病率则为15.1 %，并且80岁以上肌少症与骨质疏松症的关联性大大增加[6]。肌肉质量的下降增加行动障碍、住院率、致残率，甚至同髋部及脊柱骨折一样，可提高中年到晚年的未来死亡率[7-10]。肌少-骨质疏松症逐渐成为妨碍老年人日常活动的主要障碍，给社会及家庭带来了极重的心理与经济负担[11-12]。

越来越多的研究表明骨骼肌与骨骼不仅具有毗邻的解剖位置，还在生长发育、旁分泌及内分泌调节、分子信号调节通路、治疗靶点及药物方面具有高度相关性[13-14]。骨骼肌收缩运动产生的负荷可激活骨骼生长和重建的一系列生物力学信号[15]。通过分泌众多肌动因子(myokines)和代谢产物，使骨骼肌成为内分泌器官参与到内分泌调节，进而对骨组织产生影响[14,16-17]。鸢尾素(irisin)为新发现的由运动介导调节的肌动因子[18]，可直接作用于骨细胞改善骨代谢，也可通过调节骨骼基因表达改善骨代谢[19]，但其具体作用机制尚未完全明确。

中医对于肌骨的关系也早有认识，有着“脾肾相关”这一完整的理论体系。深刻总结了肌与骨的关系。

本文梳理总结鸢尾素调控骨骼肌与骨组织代谢的机制，对肌少-骨质疏松症的发生机制进行探讨，试图在分子生物学水平上进一步阐明“脾肾相关”理论，寻找防治肌少-骨质疏松症的新思路，为“脾肾相关”理论提供现代医学理论的支持。

1 “脾肾相关”理论及现代医学对肌少-骨质疏松症认识

中医认为肌骨关系，决以脾肾二脏五行生克制化、功能盛衰。肾藏精，主骨生髓，乃先天之本；脾主运化，合肉主四肢，乃后天之本。肾精充足，则髓生化有源，髓以养骨，故骨骼强健有力，肾封藏精气，助脾之运化，以先天养后天；脾运化水谷精气化生气血，肌肉丰满有力，脾气散精，以滋肾精，以后天滋先天。先天、后天之本，互为所用，互为所养，乃助骨骼肌肉强健有力，反之则骨枯肉痿。正如《内经》所言：“脾主肌肉故脾绝则肉先死”“肾主骨故肾绝则骨先死”，而《黄帝内经太素》亦云：“脾气热……发为肉痿，肾气热……发为骨痿。”《灵枢经·经脉》则对脾肾所主导的筋骨关系进行了概括：“骨肉不相亲……骨先死”。综上，在中医理论中，脾与肾可看做产生储存“生命能量”的两大工厂，脾肾之间的交互关联是“生命能量”转换的重要形式，而脾肾对肌骨的作用则是“生命能源”的重要使用方式之一。“脾肾相关”理论高度概括了中医对肌骨协同退变疾病的理解与认识。

在人的一生中骨骼肌与骨组织总是在发生变化。在发育过程中，肌量的增长先于骨量的增长，这可能意味着早期生长发育过程中骨骼肌对随后的骨量增长有正向作用。年龄的增长、长期缺少运动(石膏固定、长期卧床)、太空飞行中长期处于微重力以及脊髓损伤会导致骨量的流失[20-24]。研究发现在宇航员中，骨骼肌损失比骨质减少更早得到改善，这意味着机械负荷相关的骨骼肌来源因素可能对恢复骨量流失有促进作用，肌肉损伤程度小的骨折愈合速度更快[25]。还有研究[26]表明，肌源性祖细胞对于开放性骨折有明显的促进作用。这些研究成果均与“脾肾相关”理论相符合。

2 鸢尾素及与“脾肾相关”理论的相关性

鸢尾素最先于2012年被发现并命名，是主要由运动介导的肌肉因子[27]。运动增加骨骼肌中PGC-1α表达，PGC-1α表达的上调促进FNDC5表达，FNDC5经剪切后形成的由111个氨基酸组成的蛋白激素(即为鸢尾素)进入血液，之后鸢尾素促进解偶联蛋白(UCP1)的表达使白色脂肪细胞发生褐变[27-28]。此外，鸢尾素还具有其他生理作用，包括改善葡萄糖耐量[27]、调控胰岛素的敏感性[29]、抑制细胞炎症及凋亡保护内皮细胞[30-31]、调控线粒体的相关基因、功能、完整性、分裂及吞噬[32-34]、保护神经元并促进其增殖分化[33,35-36]、改善认知障碍[37]、保护肌肉及骨组织[38-41]等作用。鸢尾素除了在骨骼肌中表达外，心包、心脏、直肠、脑组织、脑脊液也有表达，肾、肝、肺也少量表达，在母乳及新生儿脐带血清也可检测到鸢尾素[42-44]。

长久以来，阐明补肾健脾法治疗肌骨协同退变疾病的作用机制过程中缺少中间环节，健脾如何强骨，没有确切证据。从上文可知，鸢尾素产于肌肉，正向作用于肌骨，提示鸢尾素可能是“健脾-强骨”过程中的桥梁因子，对其机制的研究即可完善补肾健脾法的作用机制。

3 鸢尾素影响骨骼肌及骨组织代谢的共同因素

鸢尾素可通过抑制脂肪组织积累对骨骼肌与骨组织产生间接影响。脂肪细胞和成骨细胞具有同源性，肥胖因素诱导间充质干细胞优先分化为脂肪，从而增加破骨细胞数量和活性，减少成骨细胞分化和骨形成[45-46]。另外过度的脂肪组织会增加脂肪酸和脂肪因子(IL-6、肿瘤坏死因子、WNT10b、IGFBP2、IGF-1、BMP4、脂联素等)的分泌，通过多种途径对其附近的细胞产生脂毒性作用，对肌肉质量及力量和骨代谢产生负面影响[47-49]。鸢尾素可降低成脂基因PPARR和ADIPOQ的表达水平，同时增加参与脂代谢蛋白编码的基因HSL和ATGL表达，抑制脂肪细胞的形成[50]。鸢尾素通过促进白色脂肪褐变及褐色脂肪细胞UCP-1基因表达，增加成熟脂肪细胞能量消耗、代谢酶和代谢物中间体的表达[27,51]。最终鸢尾素抑制脂肪组织的积累，对肌骨代谢产生正向作用。

大量研究表明，鸢尾素可拮抗肌抑素(MSTN)[52-54]，肌抑素表达水平上升后会通过多种途径导致骨骼肌质量下降[55]，同时降低成骨水平并提升破骨水平[56-57]，而鸢尾素可降低肌抑素对肌骨代谢的负面影响。

4 鸢尾素对骨骼肌的影响

有研究对153例绝经后女性与147例年轻女性进行对比检测，发现循环鸢尾素水平与肌少症患病率之间有着高达95 %的相关关系，并认为鸢尾素可以作为筛查绝经后女性肌少症的生物标志物[39]。李雪等[58]研究血浆鸢尾素水平与老年肌少症病情程度的关系，发现二者呈正相关关系，血浆鸢尾素水平越少，患者全身骨骼肌质量、RASM、握力、步速等指标更低；而体脂百分比、内脏脂肪面积更高。郭丽君等[41]的研究结果与之相似。

4.1 鸢尾素对骨骼肌的正向作用

Colaianni等[59]采用后肢悬吊法复制骨骼肌萎缩动物模型，并观察重组鸢尾素防治肌萎缩的效果，结果表明，重组鸢尾素可完全阻止后肢悬吊小鼠肌球蛋白II型表达的减少，保持肌纤维横截面积，抵抗骨骼肌质量下降。另有实验发现鸢尾素可降低氧化应激反应，对骨骼肌缺血再灌注损伤有保护作用[60]。

一项体外研究[61]发现，鸢尾素可激活ERK/Ccl7通路上调增殖标志物Pcna、Mki67、Mcm2的mRNA表达，促进C2C12成肌细胞增殖。相对应的，在一项地塞米松诱导的肌萎缩研究[62]中，鸢尾素可通过增强的IGF-1信号，抑制FoxO活性随后下调泛素连接酶活性，降低C2C12肌管萎缩程度。骨骼肌线粒体含量的减少及产能的降低提示肌肉组织的损伤。重组鸢尾素可上调线粒体含量的关键转录因子TFAMH和NRF1的表达，增加线粒体的含量及代谢，达到减缓肌肉萎缩的目的[63]。Yang等[64]则发现通过模拟运动，使PGC-1α与CREB相互作用，触发C2C12肌管中Fndc5的表达，此时鸢尾素可作为自分泌/旁分泌因子增加线粒体呼吸，增加ATP的产生，促进脂肪酸氧化，减少肌管中的糖酵解。见图1 。

图1 鸢尾素表达水平上升对骨骼肌及骨组织产生正向影响的作用机制Fig.1 The mechanism of positive effect of the increase of irisin expression on the muscle and bone tissue

4.2 鸢尾素对骨骼肌作用的争议

鸢尾素对骨骼肌作用研究并非均得到正向结果。Farrash等[65]采用体内电转移的方法使FNDC5在大鼠后肢骨骼肌过度表达，得到的结论却发现鸢尾素短期内对肌肉合成代谢的影响有限。Xiong等[28]通过DNA靶向技术得到FNDC5突变小鼠，之后的观测中发现FNDC5功能丧失对于骨骼肌的大小、生长、再生和肌纤维类型分布的影响极小。笔者认为出现这种矛盾的结论的原因可能在于实验时间较短，或鸢尾素表达并未处于生理表达范围，而肌骨关系的复杂性导致这种极端的表达触发了某些代偿机制，使得宏观上骨骼肌的生长发育并未受到影响。

5 鸢尾素对骨组织的影响

一项针对中国绝经后妇女的研究表明，血清鸢尾素与骨密度之间呈正向相关性[40]。对去睾丸的雄性小鼠进行研究，发现鸢尾素可挽救雄激素缺乏引起的小梁骨密度的减少[66]。Zhu等[67]构建了一种FNDC5/irisin缺陷小鼠模型，此模型小鼠仅骨源性鸢尾素表达明显减少，发现这种小鼠从出生到成年，骨发育和矿化均明显延迟，骨密度较低。如果在运动中补充注射重组鸢尾素可挽救上述变化。

5.1 鸢尾素对骨细胞的影响

Colaianni等[68]研究发现，鸢尾素可显著增加骨皮质质量和强度，尤其可增加在皮质组织密度、骨膜周长、极惯性矩和弯曲强度，减少骨折的发生，更为值得注意的是上述实验中发现低剂量的鸢尾素(100 μg/kg)不足以诱导褐变反应，却可以有效增强骨骼，这说明与脂肪组织相比，骨组织对鸢尾素更敏感。重组鸢尾素可防止去卵巢小鼠骨小梁的丢失，并使之表现出更大的骨微结构，显著提高其骨密度(BMD)、骨体积/组织体积比、连接密度以及小梁数量参数[69]。Kawao等[70]对进行中度平板运动8周的去卵巢小鼠进行检测发现，其腓肠肌和比目鱼肌中鸢尾素的表达与股骨和胫骨的骨小梁骨密度正相关，皮质骨密度却无明显相关性。鸢尾素下调包括血清骨钙素(OC)、BALP、TRAP、钙、磷在内的血清骨生物标志物水平，增加股骨干重、灰分重量以及骨灰分中钙、磷水平，以维持去卵巢大鼠正常的骨结构[71]。

此外，后肢悬吊小鼠模型中，悬吊期应用重组鸢尾素，发现重组鸢尾素可防止皮质和小梁骨密度降低[59]。但对悬吊4周后已经发生骨量丢失的小鼠而言，重组鸢尾素恢复了皮质和骨小梁骨密度，这说明鸢尾素对废用性骨质疏松有着预防和治疗作用[59]。

鸢尾素通过Erk1/2磷酸化，增加了骨细胞样细胞系(MLO-Y4)活化转录因子4 (Atf4) mRNA的表达[72]。另外通过上调Pdpn mRNA表达，鸢尾素参与了骨细胞树突的形成过程；通过上调Gja1 mRNA水平，对骨细胞合成有正向作用[72]。鸢尾素还可以抑制骨细胞的凋亡[72-73]，通过抑制caspase-9、caspase-3的激活，分别抵抗过氧化氢及地塞米松诱导的凋亡[72]；还可通过激活Erk通路，调节Bax、Bcl-2和OPG/Rankl的表达，保护其免于凋亡，同时实验还表明鸢尾素对软骨还有一定的保护作用[73]。

5.2 鸢尾素对成骨细胞的影响

一项体外实验研究[74]表明，鸢尾素可直接靶向作用于成骨细胞(osteoblast，OB)，研究者先将成肌细胞进行3周的自由轮运动后，证明其鸢尾素的表达增加；之后用这种成肌细胞条件培养基处理骨髓基质细胞，发现ALP和Collagen I (Coll1)表达增加，使其更容易向成骨细胞表型进行分化。除此之外，在一项模拟微重力对骨骼稳态影响的体内外试验[75]中发现，鸢尾素可激活β-catenin表达，上调OB关键转录因子Atf4、RunX2的表达水平，增加ALP活性和钙沉积，从而促进OB分化，但实验未观察到鸢尾素对OB增殖有显著影响。鸢尾素在体外可通过激活P38/ERK MAP激酶信号通路级联反应促进OB增殖和分化[76]。M2巨噬细胞在骨形成和重塑过程中具有核心作用，鸢尾素可激活AMPK信号通路，诱导M0和M1巨噬细胞向M2表型分化，增强成骨细胞的成骨作用，形成明显矿化颗粒[77]。Palermo等[74,78]研究发现鸢尾素还可降低甲状旁腺素(PTH)的表达，减少PTH对OB的分解作用。有研究还证明，鸢尾素可通过有氧糖酵解[79]、下调衰老效应蛋白P21[80]，以促进OB的增殖，维持其活性。

5.3 鸢尾素对破骨细胞的影响

有研究[81]表明，鸢尾素降低RANKL的表达，抑制破骨细胞(osteoclast，OC)的形成。对两种破骨前体细胞RAW264.7细胞和小鼠骨髓单核细胞进行的体外实验[82]表明，鸢尾素可激活P38和JNK信号通路促进破骨前体细胞增殖，同时下调OC分化标志基因(NF-kB受体激活因子、活化T细胞核因子、Cytoplasmic 1、组织蛋白酶K、TRAP)的表达，从而抑制OC分化，并且认为鸢尾素可直接作用于OC，还可减少TRAP阳性的多核细胞和羟基磷灰石吸收坑的数量。在研究微重力对骨骼影响的太空实验[21]中发现，鸢尾素可显著上调骨保护素(OPG)的表达，与地面相同载荷组相比增加了2.8倍，表明鸢尾素可通过调节这一抗破骨细胞因子，从而抑制OC分化、减缓骨吸收过程。Estell等[83]进行体外实验观测到，鸢尾素可降低成骨标志物的表达，显著增加骨吸收标志物Adamts5和Loxl2的表达，同时提高OC关键分化、融合标志物的表达，认为鸢尾素可促使骨髓祖细胞优先向OC分化；之后他们构建了C57BL/6J小鼠过度表达FNDC5模型，发现鸢尾素在早期通过抑制成骨细胞介导的骨形成降低了骨量，后期对OC的显著作用持久影响骨转换。这与以往的研究结果不太一致。

6 小结与展望

综上所述，鸢尾素可通过多种途径保护骨骼肌与骨骼，且机制有重合性。中医基于“脾肾相关”理论形成的补肾健脾法治疗肌少-骨质疏松症具有较好的临床疗效[84-88]，但其作用具体机制的现代研究却不完善，鸢尾素的相关研究为其打开了新思路。

“脾肾相关”是关于“生命能量”产生、转换及使用的理论，所以探讨鸢尾素通过影响机体能量转换对肌骨产生的作用，即通过脂肪及线粒体等共同因素对肌骨产生影响的相关机制，或许对阐明“脾肾相关”理论更具有意义，应是今后研究完善的重点。鸢尾素有潜力成为筛选肌少-骨质疏松症有效药物及治疗手段的一个灵敏指标。