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背景随着经济的不断发展与人民生活水平的提高,全球糖尿病的患病率居高不下。而在我国,亦出现类似趋势。糖尿病的并发症会累及心脑血管、肾脏、视网膜等,同时还能够影响成骨细胞矿化,改变骨质代谢等,因此是危害公众生命健康的疾病之一。骨质疏松(osteoporosis,OP)为一种进展缓慢的代谢性骨病,主要以骨量低下,以及骨微体系破坏为特征,与骨吸收增多和骨形成减少有关,临床上多表现为骨的脆性增加以及易发生骨折等。骨质疏松往往伴有脊柱退变,而脊柱融合是治疗脊柱疾病的常用手段。研究证实,糖尿病是造成脊柱手术不良结局的危险因素之一。甲状旁腺激素(parathyroid hormone,PTH)由甲状旁腺产生和释放,为人体内重要的激素之一,具有升高血钙、降低血磷以及酸化血液的作用。PTH能够提高破骨细胞的生物学活性,对骨吸收过程产生促进作用,从而使骨钙释放并进入至血液循环,同时还能增加成骨细胞数量,提高成骨细胞产生和释放骨生长因子的能力,继而促进骨形成以及增加骨量。骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)为近年来研究较多的骨诱导物之一,被认为是最强的骨诱导分化因子,可调控细胞的增殖、分化、凋亡等,同时可促进骨形成。BMP-2为BMP家族的重要成员之一,能够对骨形成和愈合过程起到促进作用。BMPR2为BMP-2的受体,BMP-2与BMPR2后即能发挥生物学功能。大量的动物实验已经证实,BMP-2在脊柱融合的调控过程中发挥着重要的促进作用。但目前依然缺乏关于BMP-2在骨质疏松性脊柱骨折中对脊柱融合的作用,尤其是其对糖尿病性骨质疏松中脊柱融合的影响。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)为一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,其可通过调控细胞蛋白质的翻译、转录以及合成等生物学过程,从而参与细胞、组织和器官的调节。目前大部分研究者认为mTORC1信号通路能够促进成骨细胞分化,同时mTOR的活化也是破骨细胞前体及其成熟体存活的必要条件之一。但目前尚未有关于mTOR在糖尿病性骨质疏松中作用的报道。磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatei-dylinositol3 kinase,PI3K)是可特异性催化磷脂酰肌醇的一类激酶,具有调控多种细胞因子活化的作用,能够促进组织细胞增殖和分化,同时还在细胞凋亡中起重要作用。PI3K对成骨细胞以及破骨细胞的功能具有显著影响,与骨形成、骨吸收有关。研究发现,当PI3K的表达受到抑制后可阻断BMP-2介导的β-catenin的活化,从而影响骨髓干细胞分化为成骨细胞。脊柱融合手术为治疗脊柱疾病的主要手段。但部分研究显示,糖尿病会对骨科手术产生不良后果,同时也是脊柱外科围手术期并发症,疗效不佳的重要原因。目的本研究旨在明确PTH是否能够通过mTOR/PI3K信号通路发挥改善骨质疏松的作用,同时探讨糖尿病对上述作用的影响。方法(1)将92只雄性SD大鼠随机分为2组,其中48只注射STZ建立糖尿病模型,另44只注射相应生理盐水,连续注射4周后,检测大鼠血糖浓度。对大鼠行脊柱融合手术,将大鼠分成糖尿病组与非糖尿病组,每组又分为control和hPTR组,分别注射生理盐水和hPTH。检测上述各组大鼠血清中BMP-2水平。待大鼠处死后采集脊柱样本,检测骨组织中BMPR2蛋白、p-mTOR 和 p-PI3K 蛋白的表达。分别将 hPTH、hPTH+Rapamycin/hPTH+LY294002作用于脊柱融合后的糖尿病大鼠或非糖尿病大鼠,检测大鼠血清中BMP-2水平和脊柱中BMPR2蛋白表达。(2)将ROS1728细胞随机分为非高糖组和高糖组,每组又分为control组和hPTH组,向hPTH组细胞中加入hPTH。检测各组细胞的增殖活性和凋亡情况。检测各组细胞中BMP-2和BMPR2 mRNA的表达,检测细胞中BMP-2、BMPR2、p-mTOR 和 p-PI3K 蛋白的表达。分别将 hPTH、hPTH+Rapamycin/hPTH+LY294002作用于非高糖或高糖环境下的ROS1728细胞,检测上述各组细胞中BMP-2和BMPR2蛋白的表达。结果(1)结果显示,在注射生理盐水的大鼠中,hPTH给药后大鼠血清BMP-2水平和骨组织中BMPR2、p-mTOR和p-PI3K蛋白的表达水平均显著增高(P<0.05);而在注射STZ的大鼠中,hPTH给药后大鼠血清BMP-2水平和骨组织中BMPR2、p-mTOR和p-PI3K蛋白的表达水平则较control组无显著差异。在注射生理盐水的大鼠中,hPTH给药后大鼠血清中BMP-2水平和骨组织中BMPR2蛋白的表达量均显著高于control组(P<0.05);而当将雷帕霉素或LY294002作用于大鼠后,上述对BMP-2和BMPR2蛋白表达的促进作用则被抑制,大鼠血清中BMP-2水平和骨组织中BMPR2蛋白的表达水平均与control组相比无显著差异。在注射STZ的大鼠中,hPTH给药后大鼠血清中BMP-2水平和骨组织中BMPR2蛋白的表达量均与control组相比无显著差异;当将雷帕霉素或LY294002作用于大鼠后,大鼠血清中BMP-2水平和骨组织中BMPR2蛋白的表达量与control组相比仍无显著差异。(2)在非高糖环境下的ROS1728细胞中,hPTH给药后细胞的增殖活性较control组显著增高(P<0.05),凋亡率显著降低(P<0.05);而在高糖环境下,hPTH给药后ROS1728细胞的增殖活性、凋亡率则与control组无显著差异。在非高糖环境下的ROS1728细胞中,hPTH给药后细胞中BMP-2和BMPR-2 mRNA和蛋白的表达水平、p-mTOR和p-PI3K蛋白的表达水平均较control组明显增高(P<0.05);而在高糖环境下,hPTH给药后ROS1728细胞中BMP-2和BMPR-2 mRNA和蛋白的表达水平、p-mTOR和p-PI3K蛋白的表达水平则与control组无显著差异。在非高糖环境下,hPTH给药后ROS1728细胞中BMP-2和BMPR2蛋白的表达水平均较control组明显增高(P<0.05);而当将mTOR抑制剂雷帕霉素作用于细胞后,hPTH对BMP-2和BMPR2蛋白表达的促进作用则被抑制,细胞中BMP-2和BMPR2蛋白的表达水平均与control组相比无显著差异;当将PI3K抑制剂LY294002作用于细胞后,hPTH对BMP-2和BMPR2蛋白的表达无影响,细胞中BMP-2和BMPR2蛋白的表达水平均与control组相比无显著差异。在高糖环境下,hPTH给药后ROS1728细胞中BMP-2和BMPR2蛋白的表达水平与control组相比无显著差异;当将雷帕霉素作用于大鼠后,细胞中BMP-2和BMPR2蛋白的表达水平与control组相比仍无明显差异;当将LY294002作用于细胞后,hPTH对BMP-2和BMPR2蛋白的表达无影响,细胞中BMP-2和BMPR2蛋白的表达水平均与control组相比无显著差异。结论(1)mTOR/PI3K信号通路参与了 hPTH对BMP-2和BMPR2的调控过程。而在糖尿病条件下,hPTH对mTOR/PI3K信号通路的活化作用被削弱,抑制了 BMP-2和BMPR2的表达,最终影响了脊柱融合后的骨形成。(2)mTOR/PI3K信号通路参与了 hPTH对BMP-2和BMPR2的调控过程。而在高糖作用下,hPTH对成骨细胞中mTOR/PI3K信号通路的活化作用被减弱,从而抑制了 BMP-2和BMPR2表达。