瘦素对骨及软骨作用研究的新进展
赵晓萌 赵文国 任文清
摘要：由OB基因编码的分子量为16-KD的瘦素，是一种与食欲和代谢相关的激素。它作用于下丘脑，目前研究认为它是由白色脂肪组织分泌的。因此肥胖患者体内瘦素含量要高于正常体重者，而由于高水平瘦素的持续作用，导致了其特异性受体敏感性降低。在不断的研究过程中，还发现瘦素是一种作用于中枢和外周的多效性激素，并通过中枢和外周机制影响摄食、骨量、软骨修复、脂质、糖代谢、产热、生殖和内分泌等功能。
关键词：瘦素，骨，软骨，保护
瘦素缺乏时会导致小鼠许多症状的出现，如体重增加、骨密度改变、血糖异常、不育以及体温波动异常等。通过瘦素的治疗，上述表现可以减轻。瘦素因有可能在骨与软骨的保护与修复过程中发挥作用而越来越被关注，成为一新的研究热点。本文将对近些年来瘦素对骨代谢及软骨影响的最新进展做一综述。
1瘦素受体
瘦素通过结合到其特异性的受体（OB-RS）发挥作用，OB-RS通过选择性剪切分为几种亚型，表达不同的生物活性，并在中枢及外周器官介导瘦素发挥作用。由Lep基因编码的长链形式（LRb）是主要的受体，存在于下丘脑的各个区域。在LRb上磷酸化的Tyr-1077和Tyr-1138吸引并激活潜在的转录因子STAT3和STAT5，LRB也常磷酸化为Tyr-985，它们与SOCS3结合减弱LRb信号。瘦素受体的短链形式，几乎分布在所有的外周组织中。包括卵巢、前列腺、睾丸、骨及软骨组织。提示瘦素对这些组织器官有着直接的影响。
2瘦素对骨的影响
2.1瘦素对骨的作用
瘦素是骨代谢的主要调节因子，维持在骨发育过程中代谢的平衡。但其在啮齿类动物及人类的骨质量的影响实验中，实验的结果和数据是矛盾的。
（一）瘦素对骨的正性作用
在兔下肢骨折愈合过程中，瘦素促进骨折处生长因子的产生，增加骨小梁的形成，从而使得骨折处愈合时间缩短；在骨皮质层的矿质化受阻病变。通过瘦素的治疗可以减轻甚至完全恢复；瘦素缺乏型小鼠在腰椎骨矿物含量增加。而其他部位的骨基质中有机物和无机物流失严重，如胶原合成减少，钙—磷固体结晶形成的羟基磷灰石分解加速。与正常小鼠相比，这种小鼠，由于较股骨皮质矿物和有机物含量相对较低，密度和柔韧可屈方面的变化，使骨强度结构完整性受损。在这种情况下，动物的股骨长度和骨密度可以通过注射瘦素增加；瘦素通过内分泌系统对骨也有一定的正性作用。绝经期机体内分泌系统会发生改变。这些改变导致骨骼中无机物晶体和非晶体形式平衡受到破坏，骨负荷能力减弱。易发生较大的变形甚至骨断裂，电镜扫描见骨小梁变细，骨板层结构紊乱。注射瘦素后，患者血清降钙素增加，抑制骨吸收作用。不稳定骨钙流失减少，拮抗骨的溶骨作用。
（二）瘦素对骨的负性作用
通过组织形态计量学分析，发现新生骨的表面骨母细胞较多，电镜下见骨母细胞内被粗面内质网占据，且有基质生成，说明骨形成活跃。而侧脑室注入瘦素后，则表现为新生骨密度降低，骨母细胞内粗面内质网减少；瘦素会使骨基质内有机物和无机物含量下降，软骨与骨交界处矿化和基质退化，骨小梁厚度减少，抑制骨形成并降低骨力学性能。
3-6月龄的瘦素缺陷小鼠与野生型（WT）小鼠相比。在皮质骨中有较厚的骨小梁和较高的骨形成率。同样，组织形态计量学分析也表明，缺陷型小鼠的骨小梁体积增加了近两倍。此外，对6月龄的上述两种品系小鼠，和去卵巢小鼠的长骨生物力学分析，发现ob/ob小鼠比去卵巢小鼠的骨骼更硬。这种瘦素缺陷导致的高骨质量的表型，影响体内所有的骨骼，导致大量增加骨形成。
阻断瘦素后，椎体骨质羟基磷灰石晶体不断形成，提示骨的钙化增加。检查见骨体积分数、骨密度、骨小梁厚度和数量明显高于对照组。然而骨小梁的厚度虽然有所增加，但不明显。同时，PEG-SMLA（阻断剂）处理的小鼠骨骼也会显示力学性能的变化。通过测试胫骨的弯曲强度，发现两组在第一月底治疗的胫骨的力学性能有显著差异。PEG-SMLA处理的骨骼有显著较高的最大荷载，整骨的韧度，AUC（衡量骨断裂所需的能量）和屈服荷载。
2.2瘦素对骨代谢的作用途径
目前瘦素的作用机制仍存在争论，瘦素可能通过多种机制作用于骨，目前被接受的观点包括两个。途径一：间接地通过对神经内分泌轴的影响或/和直接作用于成骨细胞和破骨细胞；途径二：也有人认为瘦素发挥作用仅通过神经途径进行。
途径一：瘦素通过影响降钙素、和IGF-1等因子作用于骨。绝经期女性通常伴有低转换性骨质疏松病。检查见骨胶原和基质合成减少。使用下丘脑注射瘦素治疗，降钙素水平升高，从而骨质疏松症状缓解；生长因子缺乏使破骨细胞中溶酶体增加。瘦素也抑制上述情况的发生；瘦素也可与直接作用与骨表面受体。促进基质成分与磷灰石与骨矿质化边缘结合，直接诱导成骨。
途径二：瘦素通过神经方式调节骨代谢。这种调节独立于能量调节。即作用于下丘脑神经元受体，激活的交感神经，使骨母细胞形成减少，增强破骨细胞吸收矿化骨能力。利用突变的1/1小鼠品系。用来检验是否瘦素是骨量起负调控作用。在1/1小鼠体内通过从成骨细胞和神经元中特异性诱导瘦素受体（Lepr）缺失，在非脱钙骨段通过组织性形态学及x线断层扫描显示，骨形成和骨吸收参数不会在Lepr基因缺失的成骨细胞受影响。相反，缺乏瘦素受体神经元的小鼠显示相反的结果。其抗成骨作用是通过瘦素与下丘脑腹内侧核神经元上的受体发挥作用。
3瘦素对软骨的影响
3.1瘦素对软骨细胞的作用
关节软骨中软骨细胞与基质相比，细胞很少。而且由于软骨中含有乳酸和糖酵解代谢的各种酶，含氧低，因此细胞增殖缓慢。体外培养的软骨细胞不易存活。在加入瘦素情况下，无论平面还是立体培养，软骨细胞活性均升高。主要表现在以下几个方面：1）营养因子经培养基弥散速度加快；2）细胞亲水性增加，说明蛋白多糖分泌增加；3）培养基中的三螺旋结构的胶原大分子增加；4）多肽类生长因子分泌增加。并检测到胰岛素样生长因子Ⅰ及Ⅱ型胶原酶的分泌明显增加。
瘦素也促进软骨内成骨过程，在软骨内成骨过程中，首先形成软骨组织，然后逐渐被骨组织所取代，在这一过程中，软骨细胞形成的骨模型中轴软骨局部增生肥大，与此同时，血管开始侵入、分支，并向骨化中心的两端生长，随后骨祖细胞分化为成骨细胞，并开始对软骨进行钙化。瘦素可明显促进这一过程的进展，并促进软骨细胞的有丝分裂。同时在原发性膜内成骨的过程中，与血管相邻的软骨细胞核肿胀，染色质减少，陷窝融合导致细胞肥大。这些都与瘦素的高表达相关。
3.2瘦素对软骨组织作用机制及浓度对相关因子的影响
瘦素对体内软骨组织的作用是通过外周和中枢作用。但瘦素在外周和局部对软骨细胞的作用更为明显。有充分的证据表明在软骨形成过程中，某些细胞发生死亡，而后被其他细胞代替。这种现象的发生以及瘦素促进这一过程的机制尚未完全明了。如骨骺与干骺端的交界处软骨的有丝分裂和骨松质的形成，瘦素在这一过程中扮演着重要促进角色。以上是瘦素的外周作用。
瘦素可调节多肽类生长因子的合成。多肽类生长因子在调节正常或病理状态下软骨的合成过程中发挥重要作用。这些因子作用于软骨细胞的机制没有完全明了。但主要与应答细胞表面位点的相互作用受体有关。以上是瘦素的中枢作用。
在体内，瘦素可刺激这些因子的产生与其浓度相关。高水平瘦素可干扰转录机制，导致细胞对瘦素的敏感性受损。相同浓度的瘦素在不同个体，诱导这些因子升高的程度不同，这可能是机体的病理状态、体重、敏感性、药物导致的。
机体对不同的瘦素浓度，产生的反应不同，例如在骨性关节炎（OA）患者体内，瘦素浓度在20ng/ml时，无法调节软骨细胞基因表达。生长因子TGF-B 1和IGF-I的诱导作用对不同瘦素浓度反应也不同，对于TGF-β1，当瘦素浓度升高无论多少，其表达保持不变，相反瘦素对IGF-1的表达呈剂量依赖效应，在体重正常或略微超重的OA患者中，瘦素浓度100ng/ml时，增加软骨细胞IGF-I的mRNA表达。然而当浓度在100ng/ml以上逐步升高时。这种促进作用逐渐减小，直至消失。
综上所述，瘦素的骨和软骨的影响是复杂的，因骨骼部位及发育阶段的不同而不同。
瘦素并不影响体内所有骨骼，这可以解释在这一领域的一些争议。然而，不同品系的小鼠所得出结论不同。1）WT小鼠：在阻断后，表现为胫骨和脊椎骨作用相似。它增加胫骨和脊椎骨小梁骨和皮质骨的厚度，且BV/TV升高。2）OB小鼠：腰椎骨细胞分泌的非胶原基质蛋白分泌增加，说明腰椎密度是升高，而股骨改变却与此相反。这表明在躯干和四肢的骨骼，瘦素信号对骨的影响的变化存在明显的差异。这可能是在不同部位骨骼和骨骼的部分之间有不同的瘦素受体信号转导导致的。
实用的研究对象不同可能是造成这些差异的原因。ob/ob小鼠从胚胎阶段和任何时期都不表达瘦素。而WT小鼠，从出生到4周的年龄这个阶段，才有瘦素信号表达。由于骨反应启动的阻断治疗（在第1个月时），完全缺失与暂时性瘦素信号阻断所导致的不同结果并不意外，这表明瘦素对骨骼的影响是复杂的。也说明在早期的年龄，骨仍处于生长阶段时，瘦素的作用是非常重要的。
瘦素对软骨的保护作用。在OA患者的体内，促炎介质的表达之间未发现任何差异，而OA与炎症有关，提示炎症介质是由于OA本身的慢性炎症所导致的结果，而不是瘦素刺激TGF-B、IGF-1和TIMP-2高表达导致的。瘦素表达明显升高，蛋白聚糖、TGF-B，IGF-1、Ⅱ型胶原酶合成增加，即上调保护性因子。这属于一种代偿作用。
此外影响瘦素作用的另一个重要方面是体重指数。肥胖是一种内分泌状态或病理状态，它的特点是胰岛素抵抗和低度炎症。肥胖者循环中炎症介质的水平和来源于白色脂肪组织的瘦素有适度的增加，这些将影响胰岛素敏感性和葡萄糖代谢，导致胰岛素抵抗。从而产生代谢综合征，影响骨骼和软骨的发育及质量。软骨与骨的发育由一个复杂的内分泌信号网络调控，包括胰岛素、生长激素（GH）、IGF-I、糖皮质激素、雌激素、维生素D、和瘦素等，通过复杂的机制调控作用在骨和软骨。在这些严格的调节过程中，任何干扰都将导致其发育异常。众多干扰因素的存在，使得瘦素研究困难，因此得出了不同的结论。
这些争论的存在给我们提出了新的研究方向，但瘦素对骨与软骨的作用毕竟给予研究者新的期冀，进一步的深入研究瘦素对骨及软骨的作用及机制，使其可能成为骨与软骨保护与修复的可干预点。
