葉紫夢瑋 戴璇 劉亞鴿 陳貝貝 朱如愿 王麗麗 張東偉*

1.北京中醫(yī)藥大學中醫(yī)學院糖尿病研究中心，北京 100029 2.北京中醫(yī)藥大學中藥學院中藥藥理系，北京 100029

糖尿病性骨質疏松癥(diabetic osteoporosis，DOP)是一種由糖尿病(diabetes mellitus，DM)引發(fā)的慢性代謝性骨病。隨著DM患者年齡的增加和病程的延長，其骨質量可能受到影響，最終導致骨質疏松癥(osteoporosis，OP)和骨折的發(fā)病風險急劇增加。研究[1]表明，DM引起的骨質量損傷最先反映在骨重塑的變化中，而骨重塑是骨骼新陳代謝的基本模式之一，其速率的高低與骨質量密切相關。因此，骨代謝異常是判斷DM患者是否并發(fā)OP的重要依據(jù)。

骨重塑水平可以通過骨代謝生化標志物進行檢測。骨代謝生化標志物主要包括兩類[2]：①骨轉換標志物，其主要是由成骨細胞或破骨細胞分泌入血的骨基質蛋白或酶類，包括骨形成和骨吸收標志物；②影響骨代謝的間接標志物，如鈣磷代謝調節(jié)相關指標、激素、細胞因子及其他調節(jié)骨重塑的相關蛋白等。臨床檢測骨代謝生化標志物的優(yōu)勢在于[3-4]：①成本低，實用性強，樣本收集簡單；②無輻射，創(chuàng)傷小，安全性能較高；③特異性強，相對靈敏度高，能在相對較短的時間內(nèi)反映全身骨骼的代謝情況。因此，臨床工作者可通過檢測血液中骨代謝標志物的水平來評估DM患者的骨健康情況和骨折風險，同時評價一些降糖藥物對骨質量的影響及監(jiān)測抗OP藥物的預后療效，以便調整后續(xù)臨床治療方案[4]。本文將重點圍繞骨轉換標志物、鈣磷代謝、激素、細胞因子及其他與骨重塑有關的指標進行論述，探討它們在DOP臨床診斷中的應用。

1 骨形成標志物

骨形成標志物是評價成骨細胞的骨形成活性的指標，其主要包括骨堿性磷酸酶、骨鈣素、I型原膠原前肽以及骨保護素等[2]。

1.1 骨堿性磷酸酶

血清骨堿性磷酸酶(bone specific alkaline phosphatase，BALP)是骨形成的標志物，其占血清總堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)含量的一半以上，且不受肝腸疾病的影響，可穩(wěn)定地評價成骨細胞活性[5-6]。血清BALP的臨床參考范圍，男性：11.6～20.1 μg/L，絕經(jīng)前女性：8.5～14.3 μg/L，絕經(jīng)后女性：12.5～22.4 μg/L[2]。

DOP患者血清BALP水平明顯降低，其原因可能與晚期糖基化終產(chǎn)物(AGEs)的過量產(chǎn)生有關[7]：高血糖誘發(fā)的非酶促糖基化反應使患者的骨膠原積累了大量的AGEs，而AGEs又促進成熟骨細胞中硬化素的表達量增加。硬化素是Wnt/β-catenin信號通路的直接拮抗劑，而后者主要負責成骨細胞的分化、增殖及凋亡等。因此，AGEs的過度積累抑制了成骨細胞中BALP基因的表達，使血清BALP水平降低[8]。研究[9]也發(fā)現(xiàn)，DM早期患者的血清BALP與糖代謝紊亂程度、血清胰島素水平呈明顯正相關。這可能是因為AGEs在疾病初期尚未升高至閾值水平，但骨基質的礦化作用仍然受阻，結果導致骨形成活性的代償增加。因此，臨床工作者要結合DM患者的病程綜合分析BALP的臨床意義。

1.2 骨鈣素

骨鈣素(osteocalcin，OC)是反映成骨細胞活性的血清標志物，也是骨骼中含量最豐富的非膠原蛋白。經(jīng)γ-羧化酶催化后，OC與膠原纖維結成網(wǎng)狀結構，促進羥基磷灰石的沉積。同時，其還通過增加骨骼的韌性來提高抗斷裂性能[10]。臨床檢測顯示，不同性別、不同年齡健康人群的血清OC含量會有所差異，如絕經(jīng)前后的健康女性：11～46 ng/mL，18～30歲的健康男性：24～70 ng/mL，30～70歲的健康男性：14～46 ng/mL[2]。

OC也是維持機體葡萄糖穩(wěn)態(tài)的正向調節(jié)劑，其刺激脂肪組織產(chǎn)生的大量的脂聯(lián)素，一方面可促進成骨細胞的增殖、分化和礦化，另一方面還促進胰島β細胞的增殖并維持其分泌功能，進而發(fā)揮提高胰島素敏感性和調節(jié)機體能量平衡的作用[11-13]。研究發(fā)現(xiàn)，血糖控制不佳也會影響OC的變化。例如，T2DM患者的血清OC水平較低，并與空腹血糖、空腹胰島素以及糖化血紅蛋白(HbA1c)水平呈負相關[4]，其原因可能在于：①高血糖癥影響了脂聯(lián)素對成骨細胞的作用，從而降低血清OC水平；②OC來源于成骨細胞，而成骨細胞表面分布有胰島素受體[14]，當胰島素信號轉導受阻時，極有可能降低成骨細胞合成OC的活性。

1.3 I型原膠原N端前肽

I型膠原蛋白在骨有機基質中的占比達到90 %以上，而I型原膠原N端前肽( type Ⅰ procollagen amino-terminal peptide，PINP)是成骨細胞合成I型膠原過程中的主要降解產(chǎn)物，并與I型膠原的合成比是1∶1[15]。因此，PINP是評估膠原合成速率及成骨細胞活性的重要指標。其臨床檢測的參考范圍，女性約為31.7～70.7 ng/mL[2]。

T2DM患者的血清PINP水平顯著降低，這可能是因為DM條件下，AGEs在骨I型膠原中的積累降低了成骨細胞的數(shù)量，并干擾其骨形成活性，進而可能抑制骨膠原蛋白的正常代謝[16-17]。此外，高血糖還通過增加骨細胞中硬化蛋白的表達而直接影響成骨細胞的增殖和分化[8]。但是，有些DM患者的血清PINP水平與HbA1c呈正相關，其原因可能在于：DM患者體內(nèi)較高水平的HbA1c反饋性誘導胰島素的分泌，而胰島素通過刺激Wnt信號通路使PINP代償性增加[13,18]。

1.4 骨保護素

骨保護素(ostoeprotegerin，OPG)是成骨細胞中大量表達的RANKL的誘餌受體，屬于破骨細胞的負性調節(jié)劑。OPG/RANKL的比率在維持骨量方面至關重要，其比率降低時，則提示破骨細胞的骨吸收活性增強[19-20]。

DM患者血清OPG水平的降低可能是DOP發(fā)生發(fā)展的關鍵因素，其原因在于：①DM患者體內(nèi)的AGEs通過激活配體刺激機體產(chǎn)生了大量的活性氧(ROS)，而ROS可降低血清OPG/RANKL比率，導致骨吸收增加[21]；②高血糖刺激了IL-1、IL-6和TNF-α等促炎細胞因子的過度產(chǎn)生，并通過降低OPG/RANKL的比率來影響骨代謝。但是，T1DM患者體內(nèi)的OPG水平卻明顯升高，這可能是因為T1DM患者多為青少年，其骨骼正處于發(fā)育階段，而高水平的OPG是為了響應RANKL介導的骨吸收信號，并對DM引起的過度骨吸收進行適應性保護，以便保持一定的功能性骨量[22-23]。

2 骨吸收標志物

骨吸收標志物是評價破骨細胞的骨吸收活性的指標，其主要包括抗酒石酸酸性磷酸酶-5b、I型膠原交聯(lián)C-末端肽等[2]。

2.1 抗酒石酸酸性磷酸酶-5b

抗酒石酸酸性磷酸酶-5b(tartrate resistant acid phosphatase-5b，TRACP-5b)主要由破骨細胞分泌，是反映破骨細胞數(shù)量和活性的重要指標，且不受其他外界因素的干擾[24-25]。此外，血清TRACP-5b水平還能反映二甲雙胍、伊格列凈等降糖藥物對骨代謝的影響[26]。臨床上利用色譜法測定的血清TRACP-5b的參考范圍是：絕經(jīng)前女性和健康男性約為0.5～3.8 U/L，絕經(jīng)后女性約為0.5～4.8 U/L[2]。

DM患者的血清TRACP-5b水平明顯增加，其原因可能在于：①高血糖誘發(fā)的氧化應激破壞了機體的氧化還原平衡，使RANKL以及一些炎癥因子水平持續(xù)升高，最終導致血清TRACP-5b等骨吸收標志物水平的提高[27]；②胰島素分泌不足引起了一些與骨代謝有關的激素變化，如低胰島素血癥降低了活性維生素D的水平，并導致甲狀旁腺分泌大量的PTH，進而動員骨骼中的鈣離子進入血液，增加了破骨細胞中TRACP-5b的表達量[28-29]。

2.2 I型膠原交聯(lián) C-末端肽

I型膠原交聯(lián) C-末端肽(type I collagen carboxy-terminal peptide，CTX)是骨組織中成熟I型膠原纖維的降解產(chǎn)物，也是評價破骨細胞骨吸收活性的重要指標[30]。血清CTX的臨床參考范圍，絕經(jīng)前女性：均值0.299 ng/mL，絕經(jīng)后女性：均值0.556 ng/mL，男性30～70歲：均值0.3～0.304 ng/mL，70歲以上男性：均值0.394 ng/mL[2]。

CTX在DOP臨床診斷中的變化規(guī)律還需要進一步探索。例如，T2DM患者血清中的CTX明顯降低，這可能是因為血糖控制不佳引起的高水平硬化素通過抑制Wnt經(jīng)典信號通路而減弱了破骨細胞的骨吸收活性[8]。但是，有些DM患者的CTX水平是增加的[4]，其原因可能與高血糖誘發(fā)的持續(xù)性炎癥反應有關，如DM患者體內(nèi)積累的AGEs誘導了IL-1、IL-6和TNF-α等促炎因子的大量產(chǎn)生，從而進一步引發(fā)慢性炎癥，并提高破骨細胞的骨吸收活性。這提示DM病程、血糖控制情況以及機體的糖骨代謝狀態(tài)等可能會導致臨床的檢查結果有所差異[18]。

3 鈣磷代謝調節(jié)相關指標

3.1 甲狀旁腺素

甲狀旁腺素(parathyroid hormone，PTH)是一種由甲狀旁腺合成并分泌的激素，其可通過維持血鈣平衡來調節(jié)骨量[31]。PTH對骨代謝的影響與水平有關，一般低水平或間歇性分泌的PTH可減少成骨細胞的凋亡，對骨骼具有合成作用；而持續(xù)高水平的PTH則會增強破骨細胞的活性，并通過擾亂骨重塑來增加骨質流失[32]。PTH的臨床參考值尚未統(tǒng)一，且不同的檢測方法得出的結果不同，但基本上在14.5～87.1 pg/mL范圍內(nèi)[2]。

DM可能引起滲透性利尿，尿量的持續(xù)增加會降低血液中的鈣濃度，進而引起繼發(fā)性甲狀旁腺功能亢進，并導致血清PTH水平升高。高濃度的PTH通過增強骨吸收而動員骨骼中的鈣離子入血，使骨骼的礦物質含量和抗斷裂性能均降低[33-34]。此外，DM患者體內(nèi)維生素D的缺乏也可能引起PTH分泌增加，并導致患者OP的發(fā)病率顯著升高[32]。這不僅提示PTH的異常分泌是導致DM患者骨質量降低的重要原因，還有助于研究者找出引起骨重塑異常的源頭。

3.2 維生素D

維生素D是骨骼發(fā)育的正向調節(jié)劑，其不僅能增加血漿的鈣磷水平，還通過抑制PTH的代償性分泌來調節(jié)成骨和破骨細胞的活性[35]。因此，體內(nèi)低水平的維生素D是導致OP和骨折發(fā)生的潛在危險因素之一。1,25(OH)2D3是維生素D的主要代謝活性形式，但維生素D缺乏癥的臨床診斷是基于血漿25(OH)D3的總水平而確定的，這可能是因為25(OH)D3的循環(huán)水平較高，而且半衰期也長于1,25(OH)2D3[35]。臨床通過電化學發(fā)光法測得的維生素D的參考范圍為：25(OH)D3<10 ng/mL為維生素D嚴重缺乏，<20 ng/mL為維生素D缺乏，21～29 ng/mL為維生素D不足，>30 ng/mL為維生素D充足，并且40～60 ng/mL是最優(yōu)范圍[36]。

DOP患者體內(nèi)的維生素D水平明顯降低，并與胰島素分泌不足或胰島素抵抗增加有關。正常情況下，維生素D與胰島β細胞表面的維生素D受體結合后，調節(jié)了胰島素的合成和分泌[34]。同時，維生素D還通過增強胰島素信號傳導而加快葡萄糖轉運蛋白對葡萄糖的攝取[37-38]。但在高血糖環(huán)境下，維生素D的合成受阻會進一步影響DM患者的骨代謝，并導致其骨質量下降。

4 激素和細胞因子

4.1 雌激素

雌激素是卵巢和胎盤分泌的一種天然激素，在生殖道、皮膚、骨骼、大腦、肝臟、結腸以及唾液腺等組織中均發(fā)揮調節(jié)作用[39-40]。一般男性血清雌激素水平很低，約為40～115 ng/L，女性約為61～437 ng/L，而孕婦體內(nèi)水平最高，約為700～30 000 ng/L[2]。

雌激素在OP和骨折的發(fā)病機制中發(fā)揮了重要作用，并且也參與了DM的發(fā)展。例如，持續(xù)的高血糖導致了性腺功能降低，使雌激素的分泌量減少。這在對比絕經(jīng)前后女性的DM患病風險中可以得到證實，一般絕經(jīng)后女性更易患有DM。并且，絕經(jīng)后DM患者體內(nèi)的骨質流失情況加重，同時并發(fā)OP的風險增加[41-42]。因此，臨床需要密切關注DM患者雌激素水平的變化，這對于評估DM患者的骨代謝情況十分重要。

4.2 睪酮

睪酮是雄激素的主要成分，主要由睪丸分泌[43]。其在男女體內(nèi)均有分布，并對糖脂代謝、骨骼發(fā)育和心血管系統(tǒng)等均有不同程度的影響。臨床上血清總睪酮和游離睪酮的參考范圍為：女性血清總睪酮為0.21～3.01 nmol/L、游離睪酮為9～13 pmol/L；男性血清總睪酮為9.45～37.45 nmol/L、游離睪酮為196～356 pmol/L[2]。

睪酮是一種隨著年齡的增長而逐漸降低的性激素，很多老年人常因為睪酮水平低下而患有OP。此外，DM患者體內(nèi)睪酮的缺乏會進一步加快OP的發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，DM患者的血清總睪酮水平明顯降低，其原因可能在于：血清中的總睪酮水平與胰島素敏感性呈正相關。DM男性中有約50 %的患者表現(xiàn)出低水平的睪酮，提示DM可能會引起性腺功能降低。但是，DM女性體內(nèi)雌雄激素的作用正好相反，過多的雄激素會誘發(fā)胰島素抵抗，這說明雄激素與DM的關系還取決于性別[44-45]。

4.3 胰島素樣生長因子-1

胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)是青春期骨骼發(fā)育的基礎因子，具有維持成年人骨量和減緩老年人骨質丟失的作用。在骨代謝中，IGF-1與其受體、IGFBP-3三者共同發(fā)揮作用[46]。

IGF-1是與胰島素序列同源的結構類似物，其與胰島素作用相似并協(xié)同調節(jié)機體的糖代謝[47]。正常水平的IGF-1能夠刺激成骨細胞的增殖、分化和成熟，以維持骨代謝平衡。臨床研究[48]發(fā)現(xiàn)，DM患者體內(nèi)的IGF-1水平與骨密度、骨轉換指標、HbA1c和空腹血糖水平等因素之間可能存在一定的相關性。血清中的游離IGF-1隨著DM病程的延長及其并發(fā)癥的存在不斷降低，而低水平的IGF-1會反饋性抑制胰島素的分泌，并且，二者在DM早期均能通過抑制成骨細胞及其祖細胞的分化來減少骨形成[49]。此外，血清IGF-1的降低也會增加胰島素抵抗，使肌肉、肝臟和脂肪組織減少對外周血糖的攝取[50]，從而導致高血糖癥，并進一步降低骨質量。

4.4 白細胞介素-6

白細胞介素-6(interleukin-6，IL-6)是血液中含量最豐富、生物學效應最廣的細胞因子[20]，其在單核-巨噬細胞、骨髓間充質細胞、胰島細胞以及腫瘤相關的細胞中均有表達。正常水平的IL-6可維持人體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，并在免疫應答、炎癥反應、骨骼代謝、內(nèi)分泌和神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)揮作用[51]。當機體出現(xiàn)感染或者組織受損時，單核-巨噬細胞會迅速合成IL-6，并通過激活機體的免疫調控機制來清除病原體。但若體內(nèi)IL-6含量過多或過少時，即會對機體產(chǎn)生病理性傷害[52]。血清IL-6的臨床參考范圍：0.373～0.463 ng/L[2]。

IL-6在糖代謝和骨代謝中均發(fā)揮作用，是參與DM和OP發(fā)病機制的典型炎癥因子[53]。例如，高血糖癥誘發(fā)的全身炎癥反應，使血液循環(huán)中的IL-6水平持續(xù)升高，進而增加胰島素抵抗，并加快T2DM的發(fā)展[54-55]。而IL-6的過量產(chǎn)生，一方面通過直接刺激破骨細胞表面的IL-6受體或增加RANKL/OPG比率來促進骨吸收[56]；另一方面還會刺激其他介導破骨細胞活性的因子產(chǎn)生，如急性期蛋白、IL-1和TNF-α等，它們通過協(xié)同作用使DM患者的骨質流失速率加快[20]。

5 其他相關蛋白

5.1 硬化蛋白

硬化蛋白是一種由SOST基因編碼的糖蛋白，其主要來源于成熟骨細胞，并作為Wnt/β-catenin信號通路的有效拮抗劑。而Wnt經(jīng)典信號通路在成骨細胞的分化和礦化中具有正向調控作用[57]。因此，硬化蛋白的過度表達會強烈地抑制骨質積聚并刺激骨吸收，最終導致OP乃至骨折的發(fā)病風險增高[8,58]。

T2DM患者的血清硬化蛋白水平顯著升高，并與DM的病程、胰島素抵抗程度以及HbA1c水平呈正比，與PINP、CTX和BALP等骨轉換標志物水平呈反比[59]。其原因可能在于：硬化蛋白水平的高低受到骨骼機械負荷的嚴格調控。高血糖癥誘發(fā)的非酶促糖基化反應會限制骨代謝，并降低骨骼的機械性能，其結果是DM患者血清硬化蛋白水平升高[8,60]。而高水平的硬化蛋白通過拮抗Wnt信號通路抑制成骨細胞的增殖并促進骨吸收。此外，T1DM患者體內(nèi)的硬化蛋白水平并沒有明顯變化[61]。

5.2 晚期糖基化終產(chǎn)物

晚期糖基化終產(chǎn)物(advanced glycation end products，AGEs)是蛋白質等大分子物質通過還原糖進行非酶促糖基化反應的產(chǎn)物，戊糖苷是目前研究最多的AGEs[62]。研究[7]表明，ROS水平過高、持續(xù)性炎癥反應以及慢性高血糖癥等均可能是導致AGEs大量產(chǎn)生的重要原因。

DM患者的骨組織中積累了大量的AGEs，并且AGEs與骨強度指數(shù)呈明顯的負相關[7]。其原因可能在于[16]：①骨I型膠原蛋白是非酶促糖基化反應的重要靶標，AGEs可能通過改變膠原纖維特性而對骨重塑產(chǎn)生不良反應，最終導致骨骼結構損傷和機械性能降低；②AGEs不僅刺激RANKL的表達來誘導破骨細胞的增殖，其還促進成骨細胞的凋亡來削弱骨骼的礦化作用；③AGEs可直接通過促進體內(nèi)炎性細胞因子和ROS的產(chǎn)生而增強破骨細胞的骨吸收活性[63]。因此，AGEs的過量產(chǎn)生是導致DM患者骨代謝異常、骨折風險增加以及骨折愈合延遲的主要原因之一。

近些年，醫(yī)學工作者越來越重視AGEs在DOP診斷中的潛在價值，這不僅是因為AGEs在評估病理性疾病中的重要臨床意義，而且臨床上AGEs的檢測手段主要是皮膚自身熒光檢測法，該方法是無創(chuàng)性的[64]，相對比較安全且簡單。

6 結論與展望

本文重點探討了骨轉換標志物、鈣磷代謝、激素、細胞因子及其他與骨重塑有關的指標在高血糖環(huán)境下的變化。這些指標在血液中的水平能夠較為真實地反映骨形成或骨吸收活性。因此，臨床需要重點檢測DM患者的血清標志物水平，以及時篩查出骨代謝異常的患者，并判斷DM患者骨骼的健康情況。

目前，臨床上已經(jīng)開發(fā)出很多新技術來檢測骨代謝指標，如酶聯(lián)免疫吸附分析、化學發(fā)光免疫測定、放射免疫分析、高效液相色譜和皮膚自身熒光檢測法等[2]，然而，這些分析技術在臨床診斷中的應用還不十分廣泛。一些醫(yī)療設施比較完善的醫(yī)院可能具備檢測能力，但像為社區(qū)提供基本醫(yī)療服務的基層醫(yī)院、衛(wèi)生所等處的檢測條件相對落后，這就需要研究者繼續(xù)探索出更簡便的分析方法。此外，研究者還需要提高相關檢測技術的靈敏度、精密度以及準確度，并建立規(guī)范化的檢測流程，這將有助于臨床對DOP診斷。目前，DM可以通過血糖試紙進行檢測。因此，筆者猜想未來檢測骨代謝生化標志物是否也能效仿血糖試紙檢測法，通過某種方法將各種相關的骨代謝生化標志物制成試紙來供DM患者進行骨質量檢測，從而更加有利于DOP的臨床診斷。