利拉鲁肽调节骨代谢促进骨再生的研究进展

　摘要：利拉鲁肽是一种治疗糖尿病的新型药物，具有降低血糖、控制体重的重要作用。近些年大量实验证明利拉鲁肽可以通过多种信号通路调节骨代谢和炎症反应，在骨质疏松症、糖尿病、牙周炎等多种疾病中起骨保护作用。本文将对利拉鲁肽影响骨代谢的机制及其在不同疾病中的促进成骨作用进行综述，为利拉鲁肽在口腔疾病中的治疗应用提供理论基础。

　　关键词：利拉鲁肽;免疫系统;骨再生;

Research Progress of Liraglutide Regulating Bone Metabolism and Promoting Bone Regeneration

　　Abstract：Liraglutide is a new drug in the treatment of diabetes, which plays an important role in reducing blood glucose and controlling body weight. In recent years, a large amount of experimental evidence has shown that liraglutide can regulate bone metabolism and inflammatory response through a variety of signaling pathways, which plays a bone protective role in osteoporosis, diabetes, periodontitis, and other diseases. This article reviews the mechanism of liraglutide affecting bone metabolism and its osteogenic effect in different diseases, which provides theoretical basis for the application of liraglutide in the treatment of oral diseases.

　　Keyword：liraglutide; immune system; bone regeneration;

　　颌面部肿瘤、创伤、牙周病常造成颌骨缺损、牙槽骨丧失、牙齿脱落等一系列不可逆的硬组织损害，严重影响患者的生理功能和身心健康，颌面部骨损伤后的修复一直是临床急于解决的难题。传统的骨移植方法存在易发生排异反应、相容性差等问题，随着组织工程学的发展，人们发现通过生物活性材料搭载具有成骨作用的细胞因子或药物具有更高效、稳定的优势。利拉鲁肽(Liraglutide, Lira),是一种长效的胰高血糖素样肽受体激动剂，具有维持人体血糖稳定和控制体重的重要作用，现已应用于临床治疗糖尿病和肥胖症[1]。利拉鲁肽除了对大脑、胰腺、肝脏等多种组织和器官表现出多效性作用外，越来越多了实验证实了利拉鲁肽对骨合成代谢具有一定的促进作用，可以提高骨质疏松症、糖尿病、牙周炎等不同疾病状态下的骨密度，改善骨质条件。本文将对新型降糖药物利拉鲁肽对骨代谢的影响及其在多种疾病中的促进成骨作用进行综述。

　　1 利拉鲁肽调节骨代谢

　　骨代谢涉及多种骨细胞及信号通路，其中由成骨细胞参与的骨形成与破骨细胞参与的骨吸收是骨代谢的两个基本过程。成骨细胞和破骨细胞分泌的旁分泌因子如趋化因子、生长因子、细胞因子在数量和功能上相当，有利于维持骨代谢的平衡，当体内破骨细胞异常增多，骨代谢平衡被打破，将引起骨质疏松症等骨代谢疾病。现有研究证实利拉鲁肽可以调控骨髓间充质干细胞、脂肪间充质干细胞、成骨细胞和破骨细胞的增殖、分化及凋亡，并且通过免疫调节影响骨代谢过程。

　　1.1 利拉鲁肽对干细胞的影响

　　骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs)是一种在特定条件下可以诱导分化为成骨细胞、脂肪细胞、软骨细胞的多潜能干细胞。研究发现利拉鲁肽可以促进BMSCs的成骨分化，抑制其成脂分化，提高了Runt相关转录因子2(Runt-related transcription factor 2,RUNX2)、Ⅰ型胶原蛋白(collagen type-Ⅰ,Col-Ⅰ)、碱性磷酸酶(alkaline phosphatase, ALP)等成骨分化标志物的表达，与浓度呈正相关关系[2],将磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)抑制剂加入培养体系后，利拉鲁肽显着提高了PI3K和蛋白激酶B(Akt)的磷酸化水平，证明利拉鲁肽通过激活PI3K/Akt信号通路促进BMSCs的成骨分化[3]。脂肪间充质干细胞 (adipose-derived stem cells, ADSCs)的前体为BMSCs, 被认为是骨组织再生领域的研究热点。利拉鲁肽可以通过激活Wnt/GSK-3β/β-catenin信号通路影响hADSCs的“肠-脂肪-骨”轴，上调细胞中Runx2等成骨标志物的表达，抑制了GSK-3β的表达[4]。以上结果提示利拉鲁肽影响干细胞的分化过程，在减少脂质形成的同时促进成骨分化，干细胞是目前组织工程学的重点研究对象，通过局部注射或药物搭载等方式将利拉鲁肽应用于干细胞再生技术，对骨骼的再生与修复具有重要意义。

　　1.2 利拉鲁肽对成骨细胞的影响

　　成骨细胞由间充质干细胞(mesenchymal stem cells, MSCs)分化而来，主要通过合成Ⅰ型胶原和沉积矿物质来促进新骨的形成。利拉鲁肽可以作用于MC3T3-E1表达的GLP-1受体(GLP-1 receptor, GLP-1R),激活cAMP/PKA、ERK5等信号通路，增加Runx2、Col-Ⅰ、骨保护素(osteoprotegerin, OPG)等成骨分化标志物的表达，显着增强细胞内ALP活性水平和矿化结节数量，促进了成骨细胞的增殖与分化[5]。此外，利拉鲁肽可以通过激活cAMP/PKA /β-catenin 、PI3K/AKT /GSK3β和Notch/Wnt/Hedgehog信号通路，对血清剥夺诱导的成骨细胞凋亡起抑制作用[6,7]。由于成骨分化过程需要能量代谢参与，在大鼠颅骨的成骨细胞中，利拉鲁肽增加了线粒体的生物发生，使GLP-1R和线粒体发生因子AdipR1的表达均被提高，推断利拉鲁肽刺激了线粒体的功能进而促进成骨细胞的增殖与分化[8]。最新研究发现，利拉鲁肽可以通过IRE1-XBP1信号通路刺激成骨细胞的内质网应激反应来促进成骨细胞的增殖与分化[9]。

　　1.3 利拉鲁肽对破骨细胞的影响

　　破骨细胞由造血干细胞分化而来，在巨噬细胞集落刺激因子和细胞核因子κB受体活化因子配体(receptor activator of NF-κB ligand, RANKL)的共同刺激下分化成熟[10],通过向局部释放酸性物质及蛋白酶行使骨吸收功能。OPG/RANKL/RANK系统对破骨细胞的增殖分化起着主要的调节作用，其中RANKL与其受体NF-κB受体活化因子(receptor activator of NF-κB,RANK)的结合作用会被OPG竞争性的抵消，RANKL/OPG可以用来表示破骨细胞的活化状态[11]。利拉鲁肽可以降低RANKL/OPG的比值，抑制糖尿病或骨质疏松症诱导的破骨细胞增多，这可能是因为利拉鲁肽影响了NF-κB和MAPK通路，降低了Nfatc1及其介导的下游破骨细胞标记基因的表达，进而起到抑制骨吸收的作用[12]。此外，由于糖基化终产物(advanced glycation end products, AGEs)可以直接诱导骨细胞的凋亡，并在高糖环境下促进骨吸收及抑制骨形成，利拉鲁肽通过AMPK信号通路减少细胞表面AGE受体的数量，从而减轻AGEs产生的不利影响[13],有效抑制了破骨细胞的发生，改善骨代谢过程。

　　1.4 利拉鲁肽通过免疫细胞调节骨代谢

　　“骨免疫学”这一概念于2000年由Arron等人提出，首次阐明了骨骼系统与免疫系统在发生与发展上的紧密联系。T细胞是影响骨骼功能的重要免疫细胞，在特定条件下可以分泌TNF-α、RANKL等多种骨吸收因子。利拉鲁肽阻断了T细胞中的糖酵解并降低了Glut1 mRNA 表达，抑制T细胞增殖[14]。此外，调节性T细胞(regulatory T cells, Tregs)可以通过调节成骨细胞的增殖分化促进骨合成。利拉鲁肽可以通过免疫调节作用增加体内Tregs的数量和抗炎因子IL-4、IL-10的分泌，调节Tregs的产生与功能，促进骨形成[15]。巨噬细胞作为机体重要的固有免疫细胞，主要分为经典活化巨噬细胞(M1型)和替代性活化巨噬细胞(M2型),在骨组织愈合的过程中分别调控炎症早期的破骨过程和中后期骨组织的修复，是骨折愈合的必要条件。利拉鲁肽可以调节糖尿病患者体内的炎症反应，通过影响巨噬细胞的表型减少炎性巨噬细胞的数量，促进M2型巨噬细胞特征性分泌因子IL-10的表达。在体外BMDMs细胞实验和ApoE-/-小鼠的体内实验中，Lira在减弱CCR7、TNF-α、IL-6、IL-1β的表达的同时增强了MR、Arg-1、CD163的表达[16],证明利拉鲁肽推动了M1型巨噬细胞向M2型巨噬细胞极化，在成骨微环境中通过免疫调节作用促进骨代谢。

　　2 利拉鲁肽在多种疾病中的促进成骨作用

　　利拉鲁肽作为一种新型降糖药，近年来在降糖和降脂领域表现优异，由于利拉鲁肽对心血管、肾脏、神经系统等组织器官均具有保护作用，其联合治疗也逐渐在其他疾病中广泛应用。其中利拉鲁肽对骨组织的保护作用值得我们关注，研究发现利拉鲁肽在糖尿病、骨质疏松症、牙周炎等疾病中起到骨保护作用，这可能对颌面部骨骼的重建与修复、牙周组织再生具有重要意义。

　　2.1 利拉鲁肽对糖尿病的成骨作用

　　2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus, T2DM)是全球最常见的慢性疾病之一，已被证实会对患者体内骨小梁的结构和机械性能产生不同程度的负面影响，增加了骨质疏松症和脆性骨折发生的风险。对糖尿病患者应用具有骨保护作用的降糖药物或许有望缓解糖尿病对骨骼产生的不利影响。Meta分析显示，应用利拉鲁肽治疗糖尿病与骨折风险率的降低显着相关[17],在一项为期26周的临床实验中，随着T2DM患者体重的降低，利拉鲁肽防止了患者体内骨质的流失，保持了髋骨的骨密度[18]。在不同类型的糖尿病动物模型中，均发现利拉鲁肽逆转了糖尿病对骨基质产生的不利影响，提高血清骨钙素的水平，降低RANKL/OPG的比值，改善骨基质的生物力学特性和骨形成部位的骨组织材料性能，保护了骨微结构，在糖尿病骨质疏松大鼠模型中，利拉鲁肽的存在改变了骨髓外泌体介导的miRNA信号通路，升高血清中OC表达的同时降低CTX-1的表达和RANKL/OPG的比值，降低的骨密度得以改善[19,20]。噻唑烷二酮类降糖药物会对骨骼产生骨量减少、增加骨折风险等负面影响，利拉鲁肽对糖尿病患者的抗骨吸收作用为口腔种植修复或骨科手术的糖尿病患者在临床用药的选择上提供了新思路。

　　2.2 利拉鲁肽对骨质疏松症的成骨作用

　　骨质疏松症(osteoporosis, OP)是临床上最常见的一种骨骼疾病，患者常发生全身进行性骨量减少以及骨质结构的改变，会对颌面部骨损伤后的愈合和牙槽骨等牙周硬组织产生不同程度的影响。最近的研究发现利拉鲁肽提高了骨质疏松状态下的骨结合。在卵巢切除术或糖皮质激素诱导的骨质疏松大鼠模型中利拉鲁肽均发挥了骨保护作用，降低体内炎症因子的水平，改善大鼠的骨密度、骨强度和骨微结构，逆转了OP[21]。雌激素(estrogen, E2)具有调节骨代谢的作用，E2缺乏可以直接导致OP的发生，利拉鲁肽改善E2缺乏对组织产生的不利影响，两者协同调节组织代谢[22]。此外，常用的双磷酸盐类抗骨质疏松药物还伴随着依赖性强，易引发药物性下颌骨坏死等不容忽视的问题，利拉鲁肽的成骨效应为长期受抗骨质疏松药物的不良反应困扰的患者带来了福音。

　　2.3 利拉鲁肽在口腔疾病中的成骨作用

　　牙周炎是最常见的口腔疾病之一，是一种基于炎症、不可逆的牙周组织破坏，表现为不同程度的牙槽骨丧失。利拉鲁肽对牙周炎有抑制炎症发展和保护牙槽骨丢失的作用。利拉鲁肽通过JAK2/STAT3信号通路下调了牙周炎大鼠血清中炎症因子的表达，改善炎症反应的同时抑制了破骨细胞的活性，提高牙龈组织中Ranx2和ALP的表达，减少牙槽骨吸收的同时促进新骨的形成[23]。在体外，利拉鲁肽可以显着增强人牙周膜细胞(human periodontal ligament cells, hPDLCs)的增殖，通过Wnt/β-catenin信号通路增强ALP和Runx2的表达，增加矿化节点的形成，减少牙周炎导致的大鼠上颌第一磨牙牙槽骨的丧失，同时抑制了脂多糖诱导的IL-6和TNF-α等炎症因子表达的增加，缓解了牙龈出血、发红等炎症[24]。利拉鲁肽还可以通过免疫调节减少M1型巨噬细胞对牙龈的浸润来改善牙周炎症[25]。目前临床上并没有治疗牙周炎的特效药物，利拉鲁肽可以通过免疫调节缓解牙周炎症，有效防止牙槽骨的丧失。

　　利拉鲁肽还具有促进伤口愈合预防术后感染的作用。血管壁内皮细胞与血管平滑肌细胞维持着血管内环境稳态。利拉鲁肽通过影响mTORC2/Akt、AKT/GSK-3β/β-catenin信号通路促进内皮细胞增殖、迁移、血管分化和血管内皮生长因子的分泌，通过PCSK9/LDLR通路抑制血管平滑肌细胞的增殖、迁移，下调IL-1B和IL-6的表达显着降低氧化应激和炎症反应[26,27]。Yu等[28]制作了一种搭载利拉鲁肽的聚乳酸-羟基乙酸/明胶(PLGA/Gel)纳米纤维支架缓释系统，显着缩短了糖尿病患者皮肤创面的愈合时间，同时血管密度增加，胶原沉积和排列升高。由于良好的血供是骨折愈合的必要条件，血管化可以明显促进新骨生成，利拉鲁肽对内皮细胞的积极作用间接影响成骨。由此可见利拉鲁肽对软硬组织的愈合均产生积极影响，将其通过药物搭载的方式应用于口腔种植修复，不仅利于提高种植体的骨结合率，还有利于术后伤口的愈合，促进牙周组织再生，避免了术区感染、种植体周围炎等相关并发症的发生。

　　最新的研究发现利拉鲁肽可以通过作用于软骨细胞表面的GLP-1R缓解软骨的降解，在骨关节炎中发挥镇痛、抗炎的效果[29],有望成为治疗颞下颌关节骨关节炎的特效药物，对缓解髁突软骨退化、减少髁突骨质破坏、减轻关节疼痛具有重要意义。

　　3 结论与展望

　　综上所述，利拉鲁肽可以通过影响成骨相关细胞、免疫细胞调节骨代谢过程，在多种疾病中发挥积极的成骨作用。将其应用在口腔领域，有助于缓解牙周炎症，在种植修复中提高种植体周围骨结合率，促进牙周软硬组织的愈合，还有望成为治疗颞下颌关节骨关节炎的有效药物。此外，利拉鲁肽对骨骼、心血管、脏器的多效作用或许将“一药多治”变成可能，提高患者的药物依从性，减少了不同药物之间不良事件的发生，大大减轻了患者的药物负担与多药治疗带来的经济负担。因此，将利拉鲁肽通过高分子材料应用到组织工程技术，或者通过最新研发的干细胞药物输送系统应用于再生医学，对修复口腔颌面部硬组织缺损具有重要意义。

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