鐘夢伊 李 瀟

骨折在人們?nèi)粘Ｉ钪谐３０l(fā)生，特別是在人口老齡化的國家中，對骨折的發(fā)生及治療所帶來的問題日益突出。骨折風險的提高與各種代謝疾病有關(guān)，例如糖尿病、肥胖癥和骨質(zhì)疏松癥等[1]。在世界范圍內(nèi)，2 型糖尿病(T2DM)的發(fā)病率正在迅速上升，并已被視為是全球公共衛(wèi)生突發(fā)問題。據(jù)國際糖尿病聯(lián)合會(IDF)預(yù)測，患病人數(shù)將會從2015年的4 億1500 萬上升到2040 年的6 億4200 萬[2]。而具體到口腔醫(yī)學領(lǐng)域中，糖尿病已被證實為牙周炎的重要促進因素[3]。骨折滿意的預(yù)后依賴理想的骨再生修復(fù)，牙周炎的治療同樣涉及到骨再生修復(fù)。二甲雙胍(metformin，Met)是一種親水性雙胍類藥物，從1998 年以來Lancet 雜志建議作為2 型糖尿病患者的一線藥物而逐漸被廣泛認可[4]。許多研究顯示Met 的應(yīng)用可降低該類患者發(fā)生骨折的風險[5，6]，最近的一項回顧性研究及meta 分析進一步驗證了這一結(jié)論[7]。那么這些研究的背后是否提示Met 具有成為良好的促骨修復(fù)藥物的潛能？因此，下文將對Met 促進成骨相關(guān)研究作一綜述。

1.二甲雙胍與AMPK

Met 是一種帶正電荷的小分子藥物，作為AMPK的一種經(jīng)典激動劑，其主要通過活化AMPK 而發(fā)揮生理作用已得到共識[8]。AMPK 是一種細胞內(nèi)感受器，其功能包括調(diào)控細胞內(nèi)的能量和物質(zhì)進出，在骨代謝中有重要作用。研究證明，Met 經(jīng)細胞膜有機陽離子轉(zhuǎn)運蛋白(Cell Membrane Organic Cation Transporters，OCT)進入細胞后主要作用于線粒體，通過抑制線粒體呼吸鏈復(fù)合物1，從而導(dǎo)致細胞內(nèi)的磷酸腺苷(adenosine monophosphate，AMP)/ 三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)比例升高，變構(gòu)激活A(yù)MPK[9，10]。

2.二甲雙胍具有直接促進成骨作用

Met 作為2 型糖尿病患者的一線治療藥物被廣泛應(yīng)用后，其在降低該類型患者發(fā)生骨折的風險方面表現(xiàn)出優(yōu)秀的潛能[5，6]，在骨再生修復(fù)領(lǐng)域備受關(guān)注。許多研究認為Met 主要通過激活A(yù)MPK 通路來促進成骨樣細胞及MSCs 的成骨向分化；部分學者認為Met 還可磷酸化ERK，刺激e/ iNOS，或抑制GSK3β/ Wnt/ β-catenin 通路，進而促進成骨細胞的成骨分化，這些研究共同表明Met 具有直接的促成骨作用。此外，Met 還可抑制炎癥因子的釋放以及抑制脂肪生成，對骨組織具有保護作用，表明Met 可以間接地促進成骨。

2.1 二甲雙胍經(jīng)AMPK 信號通路直接促進成骨 骨愈合的過程與動員各種細胞群遷移至骨缺損部位有關(guān)，其中間充質(zhì)干細胞(Mesenchymal stem cells，MSCs)具有支持造血、調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)、促進組織再生等功能，在修復(fù)骨缺損中發(fā)揮這關(guān)鍵作用[11]。多項細胞及動物實驗先后證實了Met 具有直接促成骨作用，但作用機制眾說紛紜，迄今，較多學者認為Met 主要經(jīng)AMPK 促成骨細胞及MSCs成骨分化。Molinuevo 等[12]在一系列研究中，證明了Met 可促進前成骨細胞系(小鼠MC3T3-E1 及大鼠UMR-106)和大鼠來源的骨髓祖細胞(bone marrowprogenitor cells，BMPCs)的骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(bone morphogenetic protein-2，BMP-2)的表達，增加堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)活性和I 型膠原的生成，表明Met 具有促進細胞增殖、成骨分化的生物學特性，驗證了Cortizo等[13]的實驗現(xiàn)象；在后續(xù)的成骨機制探討中，Molinuevo 等[14]證明了Met 經(jīng)激活A(yù)MPK 通路和成骨細胞特異性轉(zhuǎn)錄因子Runt 相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2/ 核心結(jié)合因子1(Runt-Related Transcription Factor 2/ core binding factor a1，Runx2/ Cbfa1)的表達，從而介導(dǎo)BMPCs 成骨分化[5]，并在動物實驗中發(fā)現(xiàn)Met 可促進骨缺損修復(fù)。

值得注意的是，近年來Agnieszka 等[15]用不同的細胞系進行體外研究時，得到相似促成骨結(jié)論。Agnieszka 等[15]發(fā)現(xiàn)Met 通過活化大鼠脂肪組織來源的MSCs 的AMPK，促進成骨向分化，其上調(diào)AMPK 活性水平與經(jīng)典AMPK 激動劑AICAR 的作用相似；而在大鼠雙側(cè)顱骨缺損模型中，進一步觀察到Met 組的新生骨量和骨體積均顯著高于對照組。Wang 等[15]利用濃度為10μM 的Met 處理與磷酸鈣骨水泥支架(calcium phosphate cement，CPC)共培養(yǎng)的人類誘導(dǎo)多能干細胞衍生的間充質(zhì)干細胞(induced pluripotent stem cells-derived MSCs，iPSC-MSCs)時，發(fā)現(xiàn)可顯著誘導(dǎo)iPSC-MSCs 成骨分化，Agnieszka[15]、Wang 等[16]的機制研究再次提示：Met 是通過激活A(yù)MPK 信號通路從而直接促進成骨進程，且Met 的促成骨作用不局限于成骨樣細胞。

具體到口腔醫(yī)學，Met 也備受關(guān)注，特別是在牙周病治療的領(lǐng)域中。Pradeep 等[17]在牙周治療后患者的牙周袋內(nèi)局部涂敷Met 凝膠發(fā)現(xiàn)，與對照組相比涂敷組的患牙附著喪失最小，探診深度最低，提示Met 具有促進牙周骨組織再生的潛能。Pradeep[18，19]課題組的后續(xù)研究結(jié)果表明1%Met 凝膠可以顯著誘導(dǎo)慢性牙周炎患者的骨再生。最近，幾位學者的體外研究也顯示了Met 對牙周病治療的潛能，并展現(xiàn)出Met 具有優(yōu)秀的骨組織工程應(yīng)用前景。Yang[20]等將Met 聯(lián)合聚多巴胺模板化羥基磷灰石支架(Polydopamine-templated hydroxyapatite，tHA)處理人牙周膜干細胞(Human periodontal ligament stem cells，hPDLSCs)，發(fā)現(xiàn)Met 可通過增加磷酸化AMPK 的表達促hPDLSCs 增殖和成骨分化。而Zhao 等[20]利用hPDLSCs 在CPC 支架上的體外種植實驗同樣表明了的Met 優(yōu)秀的直接促成骨性能。Zhang[22]、Kuang 等[23]的實驗共同表明Met 能顯著上調(diào)hPSLSCs 的ALP、骨鈣素、骨橋蛋白、Runx2 等成骨標志物的基因表達水平及蛋白表達，這些研究都提示Met 具有成為牙周組織再生輔助藥物的潛能。

綜上學者的研究可知，這些細胞及臨床實驗都提示了Met 在頜骨缺損修復(fù)及牙周組織再生領(lǐng)域方面有著廣闊的研究前景。

2.2 二甲雙胍經(jīng)其他通路直接促進成骨 盡管許多研究強調(diào)AMPK 在成骨分化過程中的重要作用，但是亦有部分學者的研究顯示Met 可經(jīng)其他通路直接調(diào)控細胞成骨。如最初發(fā)現(xiàn)Met 對成骨細胞具有直接促成骨作用的Cortizo 等[13]，他們于2006 年研究Met(25～500μM)對兩種成骨樣細胞的影響，首次發(fā)現(xiàn)Met 具有直接促成骨細胞分化作用的同時，在機制探索上，認為Met 通過誘導(dǎo)磷酸化ERK 的活化和重分布，并呈劑量依賴性地刺激e/ iNOS 的表達從而促進成骨。此外，Met 還可調(diào)控AMPK 和絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶(serine/threonine-specific protein kinase，AKT)通路之間的交通。Pantovic 等[24]的研究發(fā)現(xiàn)，AKT 和AMPK的活性呈負相關(guān)，活化的AMPK 可通過激活A(yù)KT/ mTOR 信號通路來促進人骨髓間充質(zhì)干細胞(Human Bone mesenchymal stem cells，hBMSCs)的成骨分化。Ma 等[25]的研究發(fā)現(xiàn)，Met 通過抑制GSK3β/ Wnt/ β-catenin 通路促進hBMSC 的成骨分化。Met 促成骨研究的多樣性表明了其研究前景的廣闊。

3.二甲雙胍間接促進成骨

骨修復(fù)是一個復(fù)雜且精密的過程，與機體內(nèi)的其他進程密切相關(guān)，包括高胰島素血癥、炎癥產(chǎn)物的沉積以及脂代謝紊亂等在內(nèi)的過程，都會間接地影響細胞成骨分化及骨缺損的修復(fù)[26]。

3.1 抑制炎癥因子的釋放 在骨損傷修復(fù)初期，炎性的發(fā)生可阻礙細胞的成骨分化及骨組織再生。在炎癥過程中，轉(zhuǎn)錄因子NF-κB(nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells)的磷酸化可減弱成骨細胞的功能，造成細胞損傷和骨基質(zhì)成熟的延遲；而抑制NF-κB 磷酸化則可增加抗炎因子白細胞介素-6(IL-6)、白細胞介素-1β(IL-1β)和白細胞介素-8(IL-8)的釋放[27]。Mai[28]、Son[29]等的研究發(fā)現(xiàn)，Met 可通過調(diào)節(jié)成骨細胞內(nèi)細胞因子的釋放，促進骨保護素的分泌，并降低NF-κB 的表達，從而抑制破骨細胞的分化途徑，進而間接促進成骨。最近，Mu 等[30]發(fā)現(xiàn)Met 在高糖條件下可促進小鼠前成骨細胞的增殖和分化，并且在體外高糖條件下Met 增加沉默信息調(diào)節(jié)因子2 同源蛋白6(silent mating type information regulation 2 homolog 6，SIRT6)的 表 達，抑 制NF-κB 的磷酸化，并且下調(diào)OCT4，從而促進成骨分化，而該課題組在SIRT6 基因敲除小鼠的動物實驗，進一步驗證了Met 抑炎促成骨的作用。

3.2 調(diào)控脂代謝，抑制成脂分化 骨代謝調(diào)控除了與干細胞的成骨向分化以及炎癥因子的水平相關(guān)以外，其和脂代謝也有著密切的聯(lián)系。因為BMSCs 可分化為骨代謝中的成骨細胞和脂代謝中的脂肪細胞，當兩者的平衡被打破時，會導(dǎo)致骨代謝相關(guān)疾病[31]。

AMPK 除了在成骨過程中發(fā)揮重要作用之外，亦是脂代謝途徑的關(guān)鍵酶之一。Luo 等[32]發(fā)現(xiàn)Met對骨組織的保護作用與其抑制脂肪生成的作用有關(guān)。接著，Wang 等[33]研究發(fā)現(xiàn)Met 通過AMPK/Gfi1/ OPN 信號通路，抑制脂肪生成從而刺激MC3T3-E1 細胞成骨分化。近年來，Chava 等[34]的研究表明，Met 可通過穩(wěn)定Runx2 來抑制糖尿病誘導(dǎo)的骨脂肪生成，并且該研究結(jié)果首次表明成骨相關(guān)標志物Runx2 是AMPK 和Runx2-s118 磷酸化的新底物，而應(yīng)激誘導(dǎo)的Runx2 降解程度取決于AMPK 的活性水平。這些的研究表明：Met 可調(diào)控脂代謝的活動進程從而間接促進細胞成骨分化。

4.展望

如何修復(fù)牙周炎所致的骨缺損，儼然已成為口腔臨床醫(yī)學中的一大難題，一直以來缺乏良好的輔助治療藥物。Met 具有良好的生物安全性，價格相對低廉以及降糖效果良好，已經(jīng)多年被廣泛臨床使用。然而，近年來研究發(fā)現(xiàn)它的作用不僅僅局限于降糖，已有的臨床和實驗研究表明Met 具有優(yōu)秀的促成骨性能，有望成為應(yīng)用于牙周組織再生、頜骨缺損修復(fù)等骨組織工程領(lǐng)域的新型促成骨藥物。盡管越來越多的學者已經(jīng)關(guān)注Met 并取得一定成骨，但對于Met 的臨床應(yīng)用研究則仍處于起步階段，這意味著Met 在該領(lǐng)域中仍有廣闊的研究前景。隨著國內(nèi)外研究環(huán)境的持續(xù)發(fā)展、研究內(nèi)容的不斷深入以及研究技術(shù)的更新進步，未來有望完全闡明Met 的具體促成骨機制，使其在骨缺損修復(fù)及牙周組織再生領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。