骨骼对维持血糖稳态的作用

骨骼对维持血糖稳态的作用
来源：中华内分泌代谢杂志
作者： 刘冬梅  刘建民  陈名道

骨骼是一种能够调节能量代谢的内分泌组织。传统的骨转换指标骨钙素经过脱羧后所形成的羧化不全骨钙素在糖代谢中发挥积极作用。骨骼可以通过成骨细胞上的葡萄糖转运子1摄取葡萄糖，这是成骨细胞分化和骨形成过程中必不可少的关键环节。此外发生在成骨细胞上的胰岛素抵抗同样会造成全身糖代谢紊乱。人体研究基本上支持小鼠研究的结果，但还需进行大量的前瞻性临床研究证明骨钙素和（或）其他骨转换指标预测胰岛β细胞功能和新发糖尿病的意义，以及骨钙素或其羧化不全形式是否有可能成为治疗糖尿病的药物。

目前研究显示，骨骼可作为一种内分泌器官参与机体多种生理过程的调节。成骨细胞具有改善糖代谢、提高胰岛素敏感性及增加能量消耗的作用。传统的骨形成指标骨钙素由成骨细胞分泌，越来越多的动物研究显示骨钙素可作为一种激素，以依赖骨吸收和胰岛素的方式，促进胰岛素分泌并增加胰岛素敏感性。骨钙素主要通过其代谢活性形式即羧化不全骨钙素(undercarboxylated osteocalcin, ucOC)发挥其内分泌调节作用。另一方面，瘦素通过中枢，增强交感神经兴奋性，后者再作用于成骨细胞对能量代谢起到负性调节作用。动物实验结果促使人们对骨骼、胰腺以及脂肪之间的相互关系进行深入探讨，并进一步发现成骨细胞亦接受来自内分泌器官的信号，高糖及胰岛素抵抗可影响成骨细胞对能量及底物的利用。临床研究同样表明骨骼可调节糖代谢。本文将根据小鼠及人的基础和临床研究结果，就骨对糖代谢的调控作用进行综述。

糖尿病与骨骼

人们最初认为骨骼与糖代谢之间的关联是糖代谢异常后对骨骼产生了影响。糖尿病主要表现为肌肉及脂肪组织糖利用障碍，但这种糖利用障碍又不局限于此。高糖还可以影响成骨细胞分化及骨质量，且骨形成减少通常伴有骨髓腔脂肪含量增加；而这也正是1型及2型糖尿病的典型表现。这些病理生理改变的后果是椎体、股骨及非椎体骨折风险增高。新近研究进一步发现骨骼可作为内分泌器官调节胰岛素分泌及血糖平衡。

骨骼是一种内分泌器官

骨骼、糖代谢和生殖功能之间存在着共同的内分泌调节机制。骨骼可接受来自脂肪、胰腺甚至大脑的信号，它可作为一种内分泌器官，调节糖代谢以及生殖功能。瘦素能抑制骨量增加，这一作用首次证实了三者之间确实存在着相互调节的关系。脂肪组织分泌的瘦素除了经典的抑制食欲和增加能量消耗的作用外，还可以抑制骨矿含量的增加，这种现象在哺乳动物和人类中均存在。传统骨形成指标骨钙素内分泌调节作用的发现则证实了骨是内分泌器官这一假设。

骨钙素是由成骨细胞和骨细胞合成的一种小分子蛋白质，其分子中有3个谷氨酸残基可被维生素K依赖的谷氨酸羧化酶羧化。这种翻译后的修饰使骨钙素与矿物离子和羟磷灰石具有极高的亲和性，这也是骨钙素聚集于骨基质的原因。除了羧化骨钙素，还存在着少量ucOC，虽然浓度很低，但在血循环可以测得。ucOC与羟磷灰石亲和力极低，因此更易释放入血循环，这也是骨钙素的激素活性形式。骨钙素的脱羧及代谢活性受成骨细胞上胰岛素信号的调节。活化的胰岛素受体通过一系列分子信号途径增强骨吸收、酸化骨基质，进而导致骨钙素脱羧。动物研究表明蛋白酪氨酸磷酸酶，即胚胎干细胞磷酸酶(embryonic stem cell phosphatase, ESP)，能使胰岛素受体去磷酸化并失活，而人类成骨细胞上也存在ESP功能类似物，即蛋白酪氨酸磷酸酶1B，已证实在其他细胞中该磷酸酶也可灭活胰岛素受体。

骨骼对糖代谢的调节作用：从动物模型得到的启示

骨钙素纯合敲除小鼠(Ocn－/－)表现为高血糖及低胰岛素血症，并且胰岛β细胞增殖降低导致β细胞量减少。相反，给予野生小鼠注射ucOC，可刺激β细胞增殖及胰岛素合成，改善糖代谢及增加能量消耗，抵抗饮食诱导的肥胖发生。而胚胎干细胞磷酸酶ESP敲除小鼠(ESP－/－)或成骨细胞特异性ESP敲除小鼠(ESPosb－/－)的代谢表型刚好与Ocn－/－小鼠相反，而且这种小鼠血清ucOC水平较高。后续研究显示，ESP可间接抑制骨钙素脱羧，进而调节糖代谢。以上结果表明，骨钙素可促进小鼠胰岛素分泌及增加胰岛素敏感性(图1)。骨钙素的脱羧，尤其是第13位谷氨酸(对应人类第17位谷氨酸)的脱羧，对其代谢活性至关重要。对Ocn－/－小鼠或β细胞特异性骨钙素受体敲除小鼠进行胰岛素耐量实验，以及对Ocn－/－小鼠进行正血糖-高胰岛素钳夹实验，结果均显示骨钙素可增加胰岛素敏感性，但其中的具体机制目前还并不清楚。


图1   骨对能量代谢的调节作用

骨钙素的羧化受成骨细胞内转录水平上的调节以及通过骨吸收进行翻译后的调节。转录因子叉头状转录因子O1(forkhead box O, Foxo1)及激活型转录因子4(activating transcription factor 4, ATF4)通过增加成骨细胞ESP的表达抑制骨钙素的代谢活性(图2)。骨钙素的脱羧还与成骨细胞内胰岛素信号密切相关。胰岛素作用于成骨细胞后有2种方式可以增加ucOC水平：胰岛素抑制Runx2抑制因子Twist2的表达，进而促进骨形成和骨钙素的生成；另一方面胰岛素可降低抗骨吸收因子护骨素的生成，从而导致破骨细胞数量增加、骨吸收增强，由此形成的骨吸收陷窝酸性环境(pH 4.5)则可促进骨基质内的骨钙素脱羧。与上述研究结果相一致的是，成骨细胞特异性胰岛素受体敲除的小鼠其血清ucOC水平低下。在正常饮食情况下，该小鼠即表现出葡萄糖耐量受损及胰岛素抵抗。简言之，胰岛素可作用于成骨细胞增加ucOC的生成，后者又作用于胰岛β细胞，刺激胰岛素的合成及分泌，形成正反馈调节系统(图2)。


图2   成骨细胞胰岛素信号促进ucOC的形成

上述正反馈调节若不受控制而持续发展，最终将导致低血糖的发生。因此，必然存在抑制性调节机制。研究显示这种负性调节至少部分来源于瘦素-中枢神经系统(图1)。脂肪细胞分泌的瘦素通过血脑屏障进入中枢后，抑制脑血清素的合成，消除后者对中枢交感神经兴奋性的抑制作用，增加交感神经活性。大量分泌的交感神经活性物质可作用于成骨细胞Adr 2受体，促进ESP的表达，削弱成骨细胞上的胰岛素信号，降低骨钙素代谢活性，进而减少胰岛素分泌。

骨钙素调节糖代谢的一个重要问题是骨钙素是如何将信号转导至胰岛β细胞内的？已有研究显示，在睾丸间质细胞，骨钙素可通过结合G蛋白耦联受体C家族6组A(GPRC6a)发挥调节雄性生育的功能。该受体在胰岛内亦有表达，将β细胞的GPRC6a敲除，小鼠表现为葡萄糖耐量受损、胰岛素生成减少及β细胞面积及数量下降。同时，该小鼠胰岛中细胞周期蛋白D1表达下降，这与β细胞增殖减弱相一致。骨钙素/GPRC6a信号对β细胞数量的刺激作用早在小鼠胚胎期β细胞增殖的高峰阶段即已出现。然而，这并非骨钙素调节糖代谢的唯一机制。骨钙素亦能增加肌纤维对葡萄糖的摄取，肌纤维特异性GPRC6a敲除小鼠表现出高血糖。同时，分泌胰升糖素样肽1(GLP-1)的小肠上皮细胞亦表达GPRC6a。通过腹腔注射、口服或静脉注射等途径给予小鼠ucOC均可增加血清GLP-1水平。因此，ucOC可能部分通过GLP-1途径促进胰岛素分泌。

总之，骨骼对糖代谢的调节作用非常复杂，受到相互作用、相互制约的两个系统调控。在正反馈调节系统中，骨钙素由成骨细胞分泌，并通过骨吸收转变为活性形式，而后作用于胰岛β细胞，增加胰岛素合成及分泌。胰岛素又可作用于成骨细胞，增加骨钙素和ucOC的生成。另一方面，由瘦素控制的脂肪-大脑-交感神经负反馈调节系统，抑制成骨细胞的骨钙素脱羧。至于ucOC是否确为胰岛素致敏分子，或者体内ucOC是否可增加成骨细胞的葡萄糖摄取，这些问题的探索对深入认识骨骼对能量代谢的意义很有必要。

成骨细胞内的高糖及肥胖信号

骨骼与糖代谢在病理状态下的关系更为复杂。高糖对成骨细胞生物功能起着损害作用，表现为明显的骨形成减少及髓腔脂肪含量增加。在糖尿病状态下的骨髓间充质前体细胞更倾向于向成脂细胞分化，而不是向成骨分化。更重要的是，长期的高糖状态会抑制成骨细胞分化。

在骨塑形以及骨重建过程中，机体对ATP的需求决定了应该利用何种能发挥作用的底物，这就需要上调一些特定的转录因子。早期成骨前体细胞及多潜能干细胞即便在有氧状态下仍以葡萄糖作为主要能量物质。例如，在低密度脂蛋白受体相关蛋白5(LRP5)介导的成骨形成过程中，葡萄糖不进入三羧酸循环，而是通过糖酵解被利用。与肌细胞形成鲜明对比的是，成骨细胞对葡萄糖的摄取并不依赖胰岛素。成骨细胞在分化成熟的全过程中，都主要表达葡萄糖转运子1(Glut1)。当葡萄糖通过Glut1被骨骼摄取后，可增加Runx2在细胞内的积聚，后者是调节成骨分化及I型胶原生成的主要转录因子。葡萄糖进入成骨细胞后下游的信号通路与AMP依赖的蛋白激酶(AMPK)有关。成骨细胞分化过程中对脂肪酸氧化磷酸化的依赖较少，而且有各自的ATP需求(如胶原合成和基质矿化时对ATP的需求不同)。此外，成骨分化过程中的自噬越来越强。

在高糖和(或)肥胖合并胰岛素抵抗状态下，许多因素可以导致骨形成降低，引起糖尿病骨病，无论是1型还是2型糖尿病的骨折风险，尤其是四肢远端骨折风险增加。其可能的机制是多方面的。首先，在小鼠实验中，高脂饮食导致细胞内饱和游离脂肪酸含量增加，最终引起胰岛素受体泛素化和降解。胰岛素受体的降解又引起骨吸收减弱及ucOC的减少，进而影响到胰岛素分泌及葡萄糖代谢。其次，至少在体外研究中，葡萄糖浓度升高则糖酵解增强，氧化磷酸化受到抑制。如果体内同样存在类似的平衡关系，那么脂肪酸氧化受抑制将导致成骨细胞功能受损。最后，骨髓脂肪含量过多可能会导致成骨细胞功能异常。脂肪前体细胞以及新分化形成的脂肪细胞主要通过线粒体呼吸为其代谢活动提供能量。葡萄糖以及脂肪酸氧化通过三羧酸循环后，每克分子葡萄糖所产生的ATP分子(36：1)远远多于糖酵解(2：1)。但这同时也付出了代价，因为线粒体呼吸通过电子传递链同时产生了活性氧簇(reactive oxygen species, ROS)。ROS复合物可抑制线粒体呼吸，促进脂肪生成。脂肪细胞内过量的ROS会损伤线粒体DNA，甚至损伤电子传递链复合体Ⅰ并引起代谢紊乱。对2型糖尿病患者进行正电子成像技术/计算机断层扫描，发现患者骨髓脂肪细胞存在胰岛素抵抗，游离脂肪酸摄取障碍。骨髓中胰岛素抵抗的脂肪细胞可能通过分泌炎症因子，影响邻近成骨细胞，损伤成骨形成。与其他能量储存库不同，骨髓脂肪组织在高脂饮食时含量增加。在缺乏瘦素的ob/ob小鼠中，小鼠表现为骨髓脂肪组织及外周脂肪含量增加。相反，中枢或外周给予ob/ob小鼠瘦素后，骨髓脂肪含量减少，这与外周脂肪库的脂肪分解相似。采用β肾上腺素能激动剂或冷刺激激活交感神经，骨髓脂肪含量减少而没有任何骨髓脂肪棕色化的改变。

骨量的增长与营养物质，尤其是葡萄糖的摄入极其有关。葡萄糖是成骨细胞分化及发挥功能的重要调节分子，故任何影响葡萄糖摄取的饮食或其他因素终将影响骨量。葡萄糖对于成骨细胞分化成熟及骨形成的重要作用解释了为什么当血糖降低时，低瘦素血症状态下的骨量会减少。

骨骼对糖代谢的作用：来自临床的研究

与啮齿类动物相似，人类血循环中同样存在羧化骨钙素与ucOC。更为重要的是，ucOC同样具有刺激人胰岛β细胞的生成并分泌胰岛素、促进β细胞增殖的作用。ucOC在啮齿类动物中的降糖作用促使人们进行各种相关临床研究。大量临床研究提示，人体血清骨钙素水平是糖耐量的一个标志。ucOC促进人β细胞增殖和胰岛素分泌的研究发现，将会激起人们对其用于糖尿病，尤其是在早期2型糖尿病治疗的兴趣。

横断面研究

到目前为止还没有一种方法能像检测小鼠ucOC那样，真正检测出人血清中的活性骨钙素水平。在成人、年轻人以及儿童中，较高的血清总骨钙素(或ucOC)与较低的血糖水平、糖耐量的改善、较好的β细胞功能以及胰岛素敏感性相关，而且这种相关性不受性别影响，在健康人、2型糖尿病、糖尿病前期、妊娠糖尿病以及代谢综合征患者中均存在。较高的血骨钙素水平也与较少的总脂肪量及腹部脂肪含量相关。当矫正多种因素如年龄、血清护骨素、核因子-κB受体活化子(RANKL)、雌激素、血糖以及骨密度后，绝经前女性血清骨钙素水平与瘦体重(lean mass)呈正相关。健康肥胖男性减重3个月后，血清骨钙素水平显著升高，并与较低的体重指数、较少的腹部脂肪含量、降低的血清瘦素水平以及较低的稳态模型评估的胰岛素抵抗指数(HOMA-IR)相关，且这种相关性与血清脂联素或ghrelin水平无关。除此之外，骨钙素的单核苷酸多态性，尤其是由3个单核苷酸多态性组成的G-C-G单体型(rs2758605-rs1543294-rs2241106)与经年龄、性别矫正的体重指数和皮褶厚度等指标相关，表明人骨钙素水平与肥胖相关的表型具有遗传关联性。总体而言，这些临床资料支持骨钙素对糖脂代谢的有益作用。

纵向研究

评估骨钙素对血糖、胰岛素抵抗以及糖尿病发生预测价值的纵向研究很少。在一项纳入162名无糖尿病的老年男性和女性纵向研究中，随访3年，矫正多种混杂因素后，较高的基线羧化骨钙素水平可预测较慢的HOMA-IR、空腹胰岛素以及血糖的增长。一项post hoc分析显示较高的骨钙素暴露水平可预测3年后较低的空腹血糖升高。另一项横断面和纵向研究中，对具有3种以上心血管危险因素(高血压、脂质代谢异常、超重、早发心血管疾病家族史)的老年糖尿病和非糖尿病男性进行分析，发现血清骨钙素水平的升高与β细胞功能的改善相关，并且这种相关性在矫正体重指数、运动、2型糖尿病等多种混杂因素后依然存在。若剔除服用降糖药物的患者，这种相关性则更强。

有一项回顾性随访研究，对1 229例无糖尿病的中年男性平均随访8.4年，观察2型糖尿病的发生。研究显示，基线骨钙素水平与2型糖尿病的发生无任何相关性。另一项巢式病例对照研究中，63例基线无糖尿病随访10年后发生糖尿病的男性受试者与另外63例年龄、体重指数匹配的基线无糖尿病、在随访10年中未发生糖尿病的男性相比，矫正空腹血糖、年龄、体重指数以及运动后，发现较低的基线骨钙素水平是发生糖尿病的独立危险因素。新近临床研究发现，基线时血清骨形成指标和骨吸收指标的升高与随访中2型糖尿病发生率的下降有关。综上所述，现有的大部分纵向研究结果提示血清骨钙素水平与β细胞功能呈正相关，而与胰岛素抵抗及2型糖尿病的发生呈负相关。但是这些研究都还不能证明是由于骨钙素水平降低导致了糖代谢紊乱还是与此相反。目前仍需要更多的前瞻性研究来探讨基线骨钙素水平或骨钙素水平的变化对2型糖尿病发生的影响。

人胰岛素和血糖对骨钙素功能的影响

小鼠研究表明成骨细胞胰岛素信号可促进骨吸收，最终导致ucOC生成增加。为明确人类中胰岛素对骨骼的作用，对先前的一项葡萄糖钳夹试验进行post hoc分析，并没有发现在7 h葡萄糖钳夹试验中，骨转换指标会随胰岛素水平的升高而发生改变。但对该结果的解释需谨慎，因为并不清楚葡萄糖钳夹试验中胰岛素水平的急性变化是否有足够长的时间以及足够高的浓度来诱导骨转换指标的改变。但该研究发现胰岛素敏感性指标即稳态葡萄糖输注率及葡萄糖清除率与骨吸收指标正相关，与ucOC有正相关趋势。

另有一项研究评估了血糖对骨重建的影响。对一组正常年轻受试者进行口服葡萄糖耐量试验，发现包括血清骨钙素在内的骨形成指标和骨吸收指标均下降。由于该试验并非胰岛素钳夹试验，因此不清楚口服葡萄糖后对骨重建指标的抑制作用是由血糖升高引起，还是由胰岛素水平升高引起，抑或是两者的综合作用。但是，2型糖尿病患者血糖水平的改善与血清骨钙素水平的增加有关。虽然目前仍需更多的研究探讨血糖以及胰岛素对骨骼的影响，但现阶段研究提示胰岛素及血糖水平的急性变化几乎不影响骨转换。

抗骨质疏松药物对血糖的影响

小鼠研究表明骨吸收有利于储存在骨基质中的骨钙素活化及释放，如果这一现象也存在于人类，那么就有理由担心用于骨质疏松治疗的抗骨吸收药物可能会影响糖代谢。

双膦酸盐(如阿伦膦酸盐)、激素替代治疗以及选择性雌激素受体调节剂(如雷洛昔芬)是抗骨吸收药物。在绝经后女性中进行的临床试验表明，无论受试者是否患有糖尿病，抗骨吸收药物对代谢性疾病或没有任何影响，或反而降低2型糖尿病的发生，尤其是在长期使用抗骨质疏松药物治疗的患者中，可降低糖尿病风险30%～50%以上。来自于前瞻性人群研究的数据显示，高血清可溶性RANKL水平是预测2型糖尿病发生的独立危险因子，而抑制RANKL的抗骨松药物对糖代谢有益，因为在遗传性或饮食诱导的2型糖尿病小鼠模型中发现该药物可以改善胰岛素敏感性、使血糖或糖耐量改善或恢复正常。两项大型临床试验的研究结果显示，在有高胰岛素血症的绝经后女性中，激素替代治疗可促进胰岛素分泌、增加胰岛素敏感性，并且该作用不依赖于其抗骨吸收的作用，推测可能是激素替代治疗能降低胆固醇活性，或者是通过雌激素对β细胞衰竭的保护作用而实现。

然而，各种抗骨吸收药物所进行的人群试验不能与小鼠研究直接对比。目前只有一项动物研究分析了骨吸收减弱后对糖代谢的影响。抗骨吸收药物对糖代谢的影响即使与动物实验的结果类似，但如果作用非常小，就可能影响不到临床结局。人群研究与模型动物研究结果之间的差异，可能是由于在接受抗骨吸收药物治疗的患者中，药物对骨钙素的抑制作用并没有达到小鼠研究中的那种程度。

对于促进骨合成代谢的药物而言，64例绝经后骨质疏松患者进行PTH(1-34)治疗3个月，血清总骨钙素水平较基线上升1.7倍，患者体重及脂肪含量降低，而血糖及胰岛素水平并没有明显变化。该研究结果与在肥胖2型糖尿病大鼠中的研究结果类似：PTH(1-34)治疗4周后，大鼠血清骨钙素水平升高，同时血糖下降，而胰岛素浓度并无明显变化。这些研究结果提示，人体中可能存在着骨对糖代谢的调节作用。

结论及展望

综上所述，横断面人群研究显示骨钙素与胰岛素分泌、胰岛素敏感性、葡萄糖耐量及血糖之间具有正相关关系。到目前为止，这些研究大部分为描述性及相关性研究，仍缺乏结论性证据，而只有通过遗传学或干预性研究才能得到骨钙素对血糖影响的确凿证据。但是，骨钙素促进人胰岛β细胞增殖及改善人胰岛β细胞功能的研究结果仍支持将小鼠实验结果进行临床转化的价值。另一方面，对骨钙素影响男性生殖功能的研究显示，骨钙素受体突变与男性不育有关。因此，在人群中需进行更多遗传学或流行病学研究以认清骨钙素与糖代谢之间的因果关系。

骨骼调控糖代谢作用的发现开启了探索骨与机体整体功能之间相互联系的新领域。长期高糖及胰岛素抵抗状态下，成骨细胞能量利用及底物摄取能力会受到影响。通过探讨骨与糖代谢相互关联的各种分子机制，很可能会发现新的用于治疗糖尿病相关骨病的方法。随着动物实验及临床研究的进展，骨骼、胰腺、脂肪以及其他糖调节器官之间复杂的关联网络将越来越清晰。

随着临床前期试验及人群试验对骨钙素糖调节作用的深入研究，还有许多问题值得进一步思考。例如，骨钙素和(或)ucOC对糖代谢的调节是否有"阈值"和(或) "限值" ？有研究提示，在糖耐量正常人群及糖尿病前期人群中，骨骼有可能通过加快骨转换、增加成骨细胞及破骨细胞活性，以应对轻微增高的HbA1C。骨细胞可感应施加于骨骼的机械负荷，那么骨骼是否确实可"感知"周围微环境中血糖水平的细微升高？骨骼处于不断的骨重建动态过程中，骨骼是否有最佳的"启动窗"或"时间窗"来保持或发挥其对糖代谢的影响？目前为止，我们仍没有完全了解骨骼的代谢功能，仍需要对骨钙素以及骨组织细胞分泌的其他激素或细胞因子进行研究，以更加全面地了解骨骼所分泌激素的重要性。

来源：中华内分泌代谢杂志,2016,32(12):1015-1022.