Cell Rep Med丨上海大学研究团队揭示糖尿病骨矿化障碍的分子机制

糖尿病骨病（Diabetic Bone Disease, DBD）是糖尿病患者常见的并发症之一，尽管这些患者的骨矿物质密度（BMD）正常甚至偏高，但他们却更容易发生骨折，这一现象被称为“糖尿病骨质悖论”（Diabetic Bone Paradox, DBP）。

近年来，研究人员开始关注高级糖基化终产物（AGEs）在这一悖论中的作用机制。

近日，由上海大学转化医学研究所苏佳灿等研究团队于2024年8月21日发表在《Cell Reports Medicine》期刊上，题为“Advanced Glycation End Products Mediate Biomineralization Disorder in Diabetic Bone Disease”的文章，该研究通过体内和体外实验，深入探讨了AGEs对骨矿化过程的影响，并验证了胍类化合物在糖尿病骨病治疗中的潜力。

上海大学研究团队揭示糖尿病骨矿化障碍的分子机制

图1.文章信息^[1]

^{01 研究材料和方法}

在该研究中，研究团队使用了多种研究材料，包括糖尿病小鼠模型（db/db小鼠和链脲佐菌素诱导的小鼠）和体外细胞模型。其中，赛业OriCell^®提供的MC3T3-E1前成骨细胞系（货号M7-0201）在模拟高糖环境下的矿化实验中发挥了关键作用。这些细胞被用于评估高糖条件下AGEs的积累及其对细胞矿化过程的影响，帮助研究人员揭示了糖尿病环境中骨细胞的病理变化。

研究采用了多种先进的实验技术，以全面分析AGEs对骨矿化的影响。主要方法包括：

高糖培养细胞模型：利用赛业OriCell^®的MC3T3-E1细胞，模拟高糖环境下的矿化过程。
免疫组化和ELISA：检测AGEs在糖尿病骨中的积累情况。
扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）：观察糖尿病骨的微结构变化。
三点弯曲试验和扭转试验：评估骨的力学性能。
生物化学分析：包括碱性磷酸酶（ALP）活性和矿化结节的染色分析。

02 技术路线

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图2. 技术路线图（作者自制）

03 研究结果

糖尿病小鼠骨密度增加但机械强度下降

研究人员利用两个糖尿病小鼠模型（db/db小鼠和STZ诱导的小鼠），发现尽管这些糖尿病小鼠的骨矿物质密度（BMD）较正常小鼠有所增加，但它们的骨机械强度却显著下降。通过微计算机断层扫描（micro-CT）分析，糖尿病小鼠表现出较高的骨体积与组织体积比（BV/TV），但骨的结构厚度降低，皮质骨的孔隙率增加。三点弯曲测试进一步表明，糖尿病小鼠的骨在受力时更易发生断裂，这与糖尿病患者的临床观察相吻合。

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图3.糖尿病小鼠骨矿物质含量较高，骨强度较低^[1]

糖尿病骨表现出不规则的矿化沉积和胶原纤维分布

通过扫描电子显微镜（SEM）分析，研究发现糖尿病小鼠的骨组织中存在明显的矿化沉积不均和胶原纤维排列紊乱。对比正常小鼠，糖尿病小鼠的骨组织在断裂后显现出更为光滑的表面，表明矿物质与胶原纤维之间的整合较差。此外，长期高糖环境下导致了矿物质的沉积出现方向性错位，进一步说明糖尿病对骨组织的负面影响。

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图4. 糖尿病骨骼显示矿化障碍^[1]

AGE在糖尿病骨中的积累增加

免疫组化（IHC）和ELISA实验结果显示，在糖尿病小鼠和高糖培养的赛业OriCell^®MC3T3-E1细胞中，AGEs的积累显著增加。糖尿病小鼠的骨组织中，AGEs的表达明显高于正常对照组。这一发现支持了AGEs通过非酶促胶原交联阻碍骨矿化过程的假设。

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图5. 赛业OriCell^®MC3T3-E1细胞在高糖培养下的改变^[1]

(A)＆(B)细胞切片TEM图像；(C)＆(D)细胞内外的AGEs ELISA实验结果；(E)＆(F) 赛业OriCell^®MC3T3-E1的ALP染色结果及定量分析；(G)＆(H) 赛业OriCell^®MC3T3-E1的ALP染色结果及定量分析。

AGE交联抑制胶原纤维内矿化

研究进一步通过透射电子显微镜（TEM）观察到，在高糖环境下，AGEs的积累使得胶原纤维内矿物质的渗透受到抑制，导致矿化不完全。赛业OriCell^®MC3T3-E1细胞实验显示，AGEs的抑制剂（如氨基胍）对矿物产生影响不大，帮助排除了矿物产生量对BMD参数的干扰因素。

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图6. HG 中的 AGE 积累导致胶原纤维内矿化降低，胍类抑制 AGE 积累会增加胶原纤维内矿化^[1]

胍类化合物改善糖尿病骨的微结构和机械性能

在实验中，研究人员通过口服胍类化合物（如氨基胍和二甲双胍）对糖尿病小鼠进行治疗，发现这些化合物显著改善了小鼠的骨微结构和机械性能。micro-CT数据显示，接受胍类化合物治疗的小鼠骨密度降低，但骨的总孔隙率下降，微结构得到改善。三点弯曲试验和弹性模量测试结果也表明，胍类化合物提高了糖尿病小鼠骨的抗断裂能力和整体力学性能。

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