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2型糖尿病性骨质疏松骨质量改变研究

来源:CSOBMR 发布日期:2019-08-29 10:53:27浏览:2049次

作者:杨蕾 付勤

单位:中国医科大学附属盛京医院脊柱、关节外科

摘要:尽管糖尿病和骨质疏松症是两种不同的慢性代谢性疾病,但糖尿病患者由于血糖异常、胰岛素缺乏或不足、降糖药物应用等诸多因素,经常会影响骨量与骨质量,导致骨质疏松。因此,糖尿病性骨质疏松症(diabetic osteoporosis,DOP)已经被认定为糖尿病的慢性并发症之一。我国2型糖尿病患者众多, 影响较之1型糖尿病更为广泛。多项临床研究显示,2型糖尿病性骨质疏松症、骨折风险增高的原因并非是骨密度的减少,而是多种原因导致的骨质量改变,主要包括骨结构与骨质材料属性等。本文就近年来2型糖尿病性骨质疏松骨质量改变相关的研究进展进行综述。
关键词:2型糖尿病性骨质疏松;骨微结构;骨细胞网状结构;糖基化终末产物


随着社会经济发展,与生活方式密切相关的代谢性疾病已经成为威胁国人健康的主要公共卫生问题。糖尿病和骨质疏松症是两种最为常见的慢性代谢性疾病。早在1927年研究就发现,糖尿病患儿随着病程的延长逐渐出现骨生长发育迟缓和骨萎缩。1948年,有研究发现糖尿病与骨量丢失、骨质疏松相关,并首次提出糖尿病骨减少(diabetes osteopenia,DOP)的概念

2型糖尿病是引起骨骼损伤以及骨脆性增加的独立危险因素一项总结了12个临床研究的Meta分析得出结论,2型糖尿病患者髋部骨折风险增加1.7倍传统的双能X线吸收检测法(dual-energy X-ray absorptiometry,DXA)骨密度检测与世界卫生组织(World Health Organization,WHO)的骨折风险评价工具(fracture risk assessment tool,FRAX)评分(包括年龄、性别、现阶段吸烟状况、骨折病史等)都在一定程度上低估了糖尿病患者的骨折风险甚至DXA检测2型糖尿病患者的骨密度略有升高倾向因此,骨质量的改变是2型糖尿病性骨质疏松、骨折风险增高的主要原因,但具体机制仍不明确。本文主要从骨结构,骨材料属性以及可能作用机制三方面简要综述2型糖尿病性骨质疏松相关的研究进展。


2型糖尿病骨结构改变

在骨形态与微结构研究领域,显微CT(micro computed tomography,Micro CT)与定量计算机断层照相(quantitative computed tomography,QCT)是最常用的非侵害性研究手段。利用Micro CT与QCT可以收集骨骼几何信息、计算其材料信息。同时可以通过有限元分析软件,对骨骼进行非破坏性的力学测定,模拟应力状态Micro CT由于扫描空间范围有限,仅用于局部标本或小动物骨骼扫描,尚未用于在体研究。QCT则是在临床CT基础上添加定量分析软件,既可应用于科学研究,也被用于临床检查与诊断,但由于其分标率不高,检测不够精确。高分辨率外周CT(high-resolution peripheral quantitative computed tomography,HRpQCT),兼有3D成相、高分辨率以及低辐射暴露的优点。可以分层分析皮质骨、松质骨骨结构特点,也可采用有限元软件分析骨质生物力学性能,甚至可以重建骨内微血管,分析其数目、走形分布情况目前HRpQCT最常用于扫描远端肢体,桡骨与胫骨远端的骨质分析,尚未应用于椎体检测Liu等研究证实远端肢体的骨微结构特点与中轴骨如脊柱,髋部的骨质情况存在联系,使得的HRpQCT的研究结果得以推广应用。


2型糖尿病松质骨结构改变特点

松质骨结构是糖尿病性骨质疏松最先研究的部分。大量在体研究结果趋向于共识,即在松质骨面积骨密度(areal bone mineral density, aBMD)与体积骨密(volumetric bone mineral density, vBMD)度方面,2型糖尿病组比对照组略有增高或无差异,但无减少。第一个采用HRpQCT对19名2型糖尿病患者与其年龄、身高匹配的对照研究表明,2型糖尿病组在其近皮质骨处小梁骨体积骨密度增高10%。在胫骨远端,骨小梁厚度增高13.8%

一项研究对60名女性绝经后2型糖尿病患者,校正体质量、年龄差异之后, 2型糖尿病组在松质骨骨微结构以及骨密度较对照组无差异,但桡骨远端骨皮质孔洞率较对照组有所增加Shu等同样应用HRpQCT对2型糖尿病患者骨结构进行检测得出两组患者在骨小梁结构、体积骨密度、骨皮质厚度方面差异无统计学意义。除以上针对白种人的研究,非洲后裔绝经后2型糖尿病女性研究中,糖尿病组松质骨的aBMD、vBMD与对照组亦无明显差别。但2型糖尿病组骨小梁更粗大,骨小梁数目较同龄对照组减少对伊朗110例糖尿病患者与其对照组的研究则得出两组的骨小梁、骨转换指标无差异的结论。但该文章检测条件有限,骨转换指标缺少PINP与CTX等特异性指标。对于微结构的检测也没有应用HRpQCT进行更精细检测,使得其结果有一定局限性

2型糖尿病对骨质的影响不局限于女性绝经后患者。Patsch等对男性2型糖尿病患者的骨质结构研究表明,其骨质同样受到体内高血糖及高糖基化终末产物(advanced glycation end products,AGEs)的损害,主要表现为骨小梁肥大,分离度增高,胫骨骨皮质损害程度似乎最低。这与前期研究中发现的2型糖尿病患者骨质损害程度与骨质负重情况呈负相关的结果相符合2型糖尿病小鼠模型的HRpQCT也得出同样结论,2型糖尿病组骨小梁厚度增加,数目减少,骨小梁体积分数减少,分离度增加。而同年龄正常老龄鼠与年轻鼠相比仅出现骨小梁分离度增加,变薄,但是数目并未减少


2型糖尿病皮质骨结构改变特点

近年,皮质骨结构的改变在糖尿病性骨质疏松研究中引起广泛关注。相对于松质骨,占骨骼组成90%的骨皮质结构在骨骼的承重能力、抗创伤能力方面均起到更为重要的作用。在股骨颈处,40%~90%的抗弯力由皮质骨承担即使在松质骨丰富的椎体中,占总骨量30%~40%的皮质骨仍承担着40%~75%的轴向负荷。65岁以上老人四肢主要骨流失在于皮质骨,而非松质骨四肢皮质骨骨折占所有65岁以上老年骨折的80%,有更高的骨折相关病死率由此可见皮质骨结构的改变,对骨折风险增加起到更为重要的作用。2型糖尿病绝经后女性患者中,已有脆性骨折病史的患者其皮质骨密度明显降低非洲后裔2型糖尿病绝经后女性皮质骨体积骨密度与组织矿物密度明显减低

除此之外,皮质骨孔洞率也是影响皮质骨结构强度的重要因素。75%的年龄相关骨强度的损失与皮质骨孔洞增多相关皮质骨孔洞每增加4%,骨皮质内穿透性裂缝将增加84%。孔洞率增加4%~10%,将会使得骨的承力峰值减少近一半或一半以上。皮质骨孔洞增加10%~20%会使得骨抗裂隙能力降低3倍2型糖尿病绝经后女性患者桡骨远端骨皮质孔洞较非糖尿病对照组增高,且皮质骨孔洞增多的程度(>+50%,P<0.05)与骨强度下降程度相符合胫骨处皮质骨孔洞数目两组差异减弱,差异有统计学意义(+118%,P=0.100) 既往脆性骨折患者的桡骨远端皮质骨孔隙较无脆性骨折病史的2型糖尿病患者高出4.7倍如将皮质骨分为外、中、内3层,2型糖尿病患者外层皮质孔洞有轻度升高,中层增多最为明显。如合并骨松骨折病史,2型糖尿病患者中层孔洞率比无骨折的对照组增高14倍之多越靠近外层皮质,其孔洞对机械强度的影响越大由此可见,明确皮质骨孔洞增多的机制可能是预防与治疗糖尿病患者骨折风险的重要方向。


2型糖尿病皮质骨血管孔洞改变

血管病变是糖尿病常见的并发症。不难推测,2型糖尿病骨内血管的退变损伤也可能是引起骨结构、强度改变的原因。Kerckhofs等第一次对皮质骨内血管管道进行单独观察,得出结论2型糖尿病大鼠的骨皮质血管孔洞比对照组减少。血管孔洞作为容纳供养血管的重要结构,其数目减少间接反映骨质的营养状态下降与骨折愈合能力降低。但这种改变发生的机制,目前不明。是糖尿病本身血管病变,影响了骨质结构;还是骨质结构的改变首先导致骨血管微孔洞结构的减少,从而进一步导致了血管的缺陷,也将是另一个糖尿病骨微结构改变机制研究方向。


2型糖尿病骨细胞间网状结构改变

骨组织的90%~95%由骨细胞组成。过去几十年间,人们对骨细胞的认识局限于其是埋藏在骨基质中的终末细胞,在生理功能方面并不活跃。然而,随着研究逐步深入,科学家发现这个骨组织中最庞大的细胞群体,能够分泌重要的细胞因子以及功能蛋白例如(骨硬化蛋白),在调节成骨与破骨平衡中起到重要作用骨细胞存在于骨陷窝中,其发出多个树状突彼此相连,也与骨内毛细血管、骨表面成骨细胞相联系,形成骨细胞网状结构,使得骨组织细胞间得以进行信号传递、物质交换对孕期大鼠骨陷窝研究表明,骨细胞可以主动吸收重塑骨陷窝周围的骨基质

2型糖尿病大鼠皮质骨陷窝周围矿化分布改变,虽然均值较对照组无异,但在临近骨陷窝处的矿化值(钙含量)明显较对照组减低。骨陷窝洞直径增大,骨细胞肥大,骨细胞树突数目、连接结点数目虽无差异,但连接方式呈现杂乱无章,而对照组各结点的连接清晰,每个连接点树突的数目平均可见,2型糖尿病可导致骨细胞以及网络结构功能异常。同时,骨陷窝周围矿物质的含量也代表了骨细胞自我重塑的能力,间接证明2型糖尿病骨细胞自我更新能力减低2型糖尿病鼠中有骨细胞网状结构的破坏,融合同时,骨细胞也是破骨诱导因子RANKL的主要来源,甚至比成骨细胞与骨髓间充质细胞在促进破骨分化方面具有更重要作用可见,骨细胞功能的异常以及网络结构的破坏,可能是2型糖尿病骨质材料强度降低的又一可能原因。


2型糖尿病骨小梁分数改变

除了应该用MicroCT、QCT、HRpQCT等直接研究骨结构之外,也有间接指标提示骨结构的改变。而最常用的即为骨小梁分数(trabecular bone score,TBS)。它是应用2D图像(如DXA结果),测量相邻两个像素点之间灰度值的差异,进而对骨小梁纹理进行分析。TBS并不是骨质结构的直接测量工具,但其结果却与3D骨参数,如骨小梁数目、分离度以及连续骨密度相关。TBS增高,代表抗骨折性能良好的骨微结构。TBS被认为可以区分拥有相同骨密度的2D影像中,3D骨微结构的不同因此TBS也被应用到继发性骨质疏松例如糖尿病患者骨质情况及骨折风险的评估中虽然TBS能够一定程度反映骨质情况,却无法直观分析其改变特点。但由于其具有不受到大型器械如MicroCT以及QCT等器械的局限的优点,更易于在临床上评估患者的骨质结构情况。


2型糖尿病骨质材料强度(bone material strength,BMS)的改变

除了骨质结构,骨质的材料组成也是影响骨骼强度的重要因素。然而,在很长一段时间,直接活体取材检测骨质强度,由于技术本身的侵害性致使该技术可行性不足。因次,对非侵害性检测骨质材料属性的技术的需求十分迫切。Hansma与其团队发明的手持便携式骨质探测仪器——Osteo-probe device,填补了这一空白。该探测器无须参考探针,无须骨膜剥离,无须活体取材,是非侵害人体骨材料属性检测的理想器械,被广泛应用

Farr等应用Osteo-probe对2型糖尿病绝经后女性患者患者骨质情况进行检测,发现与对照组相比,2型糖尿病组BMSi(bone material strength index,BMSi)显著降低(-11.7%,P<0.001),在校正BMI指数以后,仍有显著降低(-10.5%,P<0.001)。BMSi的降低程度与长期血糖控制不良相关,特别是过去10年内的糖化血红蛋白含量成负相关。另一项人体横断面研究中包含16例绝经后2型糖尿病女性组与匹配的对照,发现BMSi与糖尿病病程呈反比,皮肤AGEs与BMSi减少、骨形成指标(一型胶原氨基末端前肽)降低相关,皮肤AGEs的水平占BMSi变化原因的26%除了皮肤AGEs,血清、尿液中的AGEs含量也证明与BMS相关

最新研究表明,骨脆性增高并非单纯由于2型糖尿病时骨质无法形成生物力学有效的微结构,与此同时糖尿病也能够通过限制胶原纤维形变从而降低骨组织顺应性,导致骨最大承重能力降低


2型糖尿病性骨质疏松机制

成骨破骨不平衡

目前常用的骨转化指标分为骨形成指标,包括血清Ⅰ型原胶原N-端前肽(procollagen type 1 N-peptide, P1NP)与血清骨钙素(osteocalcin,OC)等;骨吸收指标包括血清Ⅰ型胶原C-末端肽交联(serum C-terminal telopeptide of type Ⅰcollagen, s-CTX)等。而近年来,多个临床研究得出结论:糖尿病患者的骨转换指标对比正常患者组有显著的降低除以上的骨代谢指标以外,2型糖尿病组患者,外周血检测到骨硬化蛋白以及DDK1 (dickkopf-related protein 1)表达增高。这两种蛋白都是骨细胞分泌的特异性蛋白,是Wnt/β-catenin成骨通路的抑制剂。糖尿病患者骨转换率降低,成骨破骨失衡,骨质修复微小裂隙能力降低,从而导致骨质强度降低,最终导致骨折风险增高。


骨内血管改变

血管与骨质的基质更新有相似过程,特别是钙化过程,共享着许多调控机制与因子血管病变是糖尿病的重要并发症之一,而血管作为骨质营养代谢的重要组成,其结构的改变,也会对骨结构产生影响2型糖尿病伴有微血管病变的患者,与没有血管病变的对照组相比,桡骨远端皮质骨体积骨密度与皮质骨厚度减低应用HRpQCT分析2型糖尿病小鼠皮质骨中血管通道情况,发现其密度、直径、数目皆较对照组明显较少。经过HE染色,发现2型糖尿病小鼠的血管壁内皮细胞数量明显减少皮质骨中血管体系的破坏表明糖尿病对骨质营养供应缺乏。此外,糖尿病状态能够miR-155/FOXO3a/p21/p27kip1信号通路,影响CD34阳性前体细胞的更新抑制,建造造血始祖细胞以及血管前体细胞,对人体骨髓干细胞及其周围微血管结构有抑制作用


内分泌因子影响2型糖尿病骨代谢

骨是继脂肪组织、肝脏以及肌肉之后,第四大储存葡萄糖的组织近年来,骨在能量代谢以及内分泌调节中的重要作用也得到广泛认可。骨主要是通过旁路调节参与能量代谢,尤其是葡萄糖代谢骨能够分泌多种因子对糖代谢进行正反馈调节。例如成骨细胞分泌的骨钙素即有促进胰岛素分泌的功能,同时还可以通过刺激脂肪细胞分泌脂联素间接的增强胰岛素功能同时,胰岛素也可以促进骨形成。在胰岛素缺乏的糖尿病大鼠模型中,骨流失明显增多2型糖尿病中,由于胰岛素抵抗的出现,这种相互作用遭到破坏,导致骨组织对糖代谢调控失衡。动物实验研究表明,胰岛素抵抗可能是通过改变成骨细胞内的正常的胰岛素通路——MAPK/PI3-k/Akt通路,从而影响成骨细胞的生长分化而过高的血糖又进一步影响了骨细胞代谢(2型糖尿病患者骨转换指标皆降低)。细胞实验证明,2型糖尿病患者的高骨吸收,低骨重建可以用高糖导致的骨硬化蛋白增多来解释

某些内分泌因子也同样具有改善骨质,促进骨折愈合的作用。例如,由肠内分泌细胞分泌的葡萄糖依赖性胰岛素释放多肽(glucose-dependent insulinotropic polypeptide,GIP)以及胰高血糖素样肽键1(glucagon-like peptide-1,GLP-1)都可以通过作用于胰岛β细胞,进而影响骨质健康。Mansur等采用新的稳定的GIP与胃泌素酸调节素(oxyntomodulin)混合肽治疗2型糖尿病大鼠,结果其骨组织中平均基质钙含量、骨强度明显增高。其对骨质改善作用主要在小梁骨,以及骨质的材料属性方面,但对皮质骨孔洞的改善作用微弱。此外,Khorsand等则采用转基因技术,在糖尿病兔模型中转染成纤维细胞生长因子23(FGF-23)、骨形成蛋白2(BMP-2)基因,对其桡骨远端的骨缺陷起到了一定的修复作用。


AGEs相关的分子机制

AGEs作为公认的2型糖尿病病理过程中重要的致病因子。其对骨质的影响以及机制一直是研究热点,大量文献证实AGEs同2型糖尿病骨质脆性增加密切相关,其形成过程本身就可以导致骨基质成分异常。AGEs是非酶促蛋白质、氨基酸、脂类或核酸等的游离氨基与葡萄糖或者其他还原糖的醛基通过系列反应产生的一组稳定的终末产物。骨基质内丰富的胶原蛋白是非酶促糖基化反应的主要攻击对象。胶原蛋白在正常酶促吡啶交联反应下,于特定位点相互连接,结构规律,可以为矿化提供良好的结构基础。然而非酶促糖基化反应使胶原连接混乱,从而导致细胞外基质矿化异常。一方面使得骨质受力以后难以发生弹性形变以缓解应力冲击,另一方面由于矿物质异常沉积,导致骨质强度下降,最终引起2型糖尿病患者骨折风险增高除此之外,AGEs还可以降低骨基质的吸收更新速度,干扰正常的破骨细胞形成同时能够刺激分解代谢以及炎性因子的生成,从而进一步破坏骨质稳态

AGEs可以影响成骨细胞的功能以及存活其可以通过caspase-3,8,9,MAPK等途径诱导成骨细胞凋亡同时,AGEs也能够抑制胶原蛋白、骨钙素、钙结节的形成此外,AGEs也同样参与调节成骨细胞的自噬水平,这一作用主要是通过RAGE受体参与的Raf/MEK/ERK信号通路实现AGEs处理后的成骨细胞内自噬增强,可以在一定范围内逆转AGEs诱导的成骨细胞凋亡,这是由于自噬可以清除AGEs诱导的细胞内增多的ROS,阻止其进一步损伤,激活细胞凋亡因此,自噬可能也是治疗2型糖尿病骨质量改变的新靶点。另外,AGEs还可以通过TGF-β通路促进骨细胞分泌骨硬化蛋白,其是近年发现的Wnt通路有效抑制剂AGEs也能够通过降低RANKL表达,进而抑制破骨细胞的骨吸收作用,进一步影响骨质的更新重塑可见AGEs的累积可以从抑制成骨,促进破骨,以及干扰骨细胞调节作用等多方面导致糖尿病骨质的损害。


高血糖相关的分子机制

在体外细胞机制研究方面,高糖可以直接或间接的影响成骨功能急性高血糖以及高渗透压会抑制骨钙素蛋白表达以及其他成骨成熟相关的基因表达慢性高血糖会下调骨钙素基因(bone gamma-carboxyglutamate protein,BGLAP)的表达以及降低成骨细胞对周围钙的摄取高糖引起的酸中毒会增强骨吸收高糖以及氧化应激可能会影响间充质细胞分化,导致其更多向脂肪细胞而不是成骨细胞分化,这种过程是通过ROS形成而实现的目前关于血糖控制对糖尿病患者的骨质脆性的影响仍缺乏可靠的前瞻性临床研究。回顾性研究建议,控制血糖水平,使得糖化血红蛋白低于8%,可以降低糖尿病患者的骨折风险

AGEs与高糖作为糖尿病重要的致病因素,其对骨质的影响机制并不完全相同。在糖尿病患者中,不同的患病过程及治疗过程对骨质的影响存在差异。明确各时期骨质损伤的特点,有针对的进行预防治疗,可能会起到事半功倍的效果。

目前,尚没有针对糖尿病患者何时开始进行抗骨质疏松治疗的相关指南。这与糖尿病型骨质疏松的发展过程、致病特点以及发生机制的认识不足密切相关。迄今为止,尚没有临床证据支持任何传统抗骨质疏松药物在高骨折风险的糖尿病患者(即使其骨密度正常)中也同样具有抗骨质疏松的作用。因此进一步明确糖尿病型骨质疏松的特点及其机制,仍是关系到国民健康的重要课题。积极发展新型抗骨质疏松药物,如骨硬化素的抑制剂,特异性的提高骨细胞功能、改善皮质骨微结构以及骨材料属性,可能为治疗2型糖尿病型骨质疏松治疗提供新的思考方向。

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