探究二甲双胍在高氟摄入引起的骨损伤中的作用

《Toxicology and Applied Pharmacology》：Exploring the role of metformin in high fluoride ingestion-induced bone lesions

氟骨症模型中二甲双胍抑制骨 turnover 机制研究。采用大鼠氟骨症模型，联合给药12周，发现二甲双胍显著降低骨代谢标志物（PINP、CTX、TRAP），改善骨微结构（Tb.N、Tb.Th、Conn.Dn）和力学性能（MOE）。机制研究表明，二甲双胍通过AMPK信号通路抑制破骨细胞分化（降低RANKL、NFATc1），促进成骨细胞功能（增加SOST、OPG），并调节Wnt/β-catenin和cAMP信号通路。

　　### 骨质氟中毒与二甲双胍的潜在机制研究

氟中毒是一种由于长期摄入过量氟化物而导致的全身性疾病，尤其在骨骼和牙齿中表现显著。根据研究，氟中毒在全球范围内影响着大量人群，特别是在亚洲和非洲的一些国家。氟中毒的严重程度与氟化物的摄入剂量和持续时间密切相关，长期暴露于高浓度氟化物会导致骨骼结构的异常，如骨硬化、韧带钙化以及晚期出现的骨质疏松和骨量减少，这些变化增加了骨折的风险。此外，氟中毒还可能引发神经系统并发症，影响整体健康。研究发现，加速的骨代谢（骨重塑）是氟中毒的重要病理生理特征之一，这一现象在生物实验中也得到了验证。

骨代谢是一个动态过程，主要由成骨细胞（osteoblasts）和破骨细胞（osteoclasts）之间的相互作用调控。成骨细胞负责骨形成，而破骨细胞则负责骨吸收。此外，骨细胞（osteocytes）在调节这一过程方面也发挥着重要作用，它们通过分泌多种信号分子来维持骨骼的平衡。Wnt10b/β-catenin信号通路是调控成骨细胞和破骨细胞分化的重要机制之一。近年来的研究表明，骨细胞是调节这一过程的关键分子来源，因此，研究氟中毒对骨细胞的影响，以及如何通过药物干预来恢复骨代谢平衡，具有重要意义。

在这一背景下，二甲双胍（metformin）作为一种常用的降糖药物，其对骨代谢的潜在影响引起了研究者的关注。已有研究指出，二甲双胍能够减少骨代谢率，这一发现与临床研究结果一致，即二甲双胍治疗可以改善多囊卵巢综合征患者的骨代谢症状。此外，二甲双胍通过激活5′-AMP激活蛋白激酶（AMPK）发挥其药理作用。已有研究表明，高剂量的二甲双胍可以显著降低老年2型糖尿病患者的PINP（I型胶原蛋白N端前肽）和CTX（I型胶原蛋白C端肽）水平，这些指标反映了骨形成和骨吸收的动态变化。此外，系统综述的荟萃分析也显示，二甲双胍的治疗显著降低了这些骨代谢标志物的水平，从而表明其在抑制骨代谢方面的潜力。

本研究旨在探讨二甲双胍对氟中毒相关骨代谢的调控作用。研究采用了一种动物模型，通过灌胃给予氟化物以诱导氟中毒，并在部分动物中同时给予二甲双胍，观察其对骨代谢的影响。研究发现，氟化物的高剂量处理显著提高了血清中的骨代谢标志物水平，并增加了股骨中与骨代谢相关的分子表达。同时，氟化物对长骨的骨小梁微结构和机械功能造成了损害。然而，二甲双胍的共治疗显著降低了氟中毒大鼠血清中的骨代谢标志物水平，并改善了氟中毒大鼠股骨中的骨代谢相关分子表达。此外，二甲双胍还能够恢复氟中毒大鼠长骨的骨小梁微结构和机械功能。这些结果表明，二甲双胍通过抑制破骨细胞生成和调节骨细胞功能，可能在氟中毒的治疗中发挥积极作用。

为了进一步探究二甲双胍的作用机制，本研究还进行了体外实验，分析了氟化物对成骨细胞、破骨细胞和骨细胞的影响。结果显示，低剂量的氟化物刺激了破骨细胞的活性，并促进了其分化，而二甲双胍能够显著抑制这种刺激作用。尽管氟化物的暴露增加了破骨细胞和成骨细胞的凋亡率，但二甲双胍反而加剧了氟化物对破骨细胞的凋亡，同时减轻了对成骨细胞的凋亡影响。此外，二甲双胍能够促进骨细胞中SOST（ sclerostin）的表达，并抑制RANKL（Receptor Activator of Nuclear Factor κ B Ligand）的表达。这些变化与骨细胞中通过RNA-Seq分析得到的KEGG富集通路一致，包括破骨细胞分化和Wnt信号通路。这表明，二甲双胍可能通过调控这些关键信号通路，从而抑制骨代谢的异常。

在研究中，我们还观察到二甲双胍对氟中毒大鼠的体重增长、血糖水平、肝肾功能的影响。氟中毒组大鼠的体重增长明显减缓，而二甲双胍的共治疗显著改善了这一情况。此外，氟中毒大鼠的血糖水平也有所升高，但二甲双胍的共治疗并未显著影响这一指标。同时，氟中毒组大鼠的肝肾功能指标（如ALT、AST、ALP、尿素、肌酐和尿酸）出现异常，而二甲双胍的共治疗则有助于恢复这些指标至正常水平。这表明，尽管二甲双胍在抑制骨代谢方面表现出良好的效果，但其对肝肾功能的影响较小，因此在氟中毒的治疗中具有一定的安全性。

此外，研究还分析了二甲双胍对骨代谢相关蛋白表达的影响。结果表明，氟中毒组大鼠的骨代谢相关蛋白（如Runx2、RANKL、OPG、SOST、AMPK、Wnt10b、β-catenin、DKK1、RANK和NFATc1）的表达发生了显著变化。例如，氟中毒显著促进了Runx2的表达，这可能是成骨细胞分化的标志。同时，氟中毒组大鼠的RANKL表达水平显著升高，而二甲双胍的共治疗则显著降低了这一表达。此外，二甲双胍还能够显著抑制氟中毒诱导的破骨细胞分化相关蛋白的表达，如TRAP和RANK。这些结果进一步支持了二甲双胍在抑制骨代谢方面的潜力。

通过RNA-Seq技术对骨细胞进行转录组分析，我们发现二甲双胍处理后，骨细胞中一些关键基因的表达发生了显著变化。这些基因主要富集在钙信号通路、cAMP信号通路、破骨细胞分化、Wnt信号通路以及缺氧诱导因子1（HIF-1）信号通路等。这些通路与骨代谢的调控密切相关，其中cAMP水平的升高已被证明能够促进AMPK的激活，而AMPK在调节骨代谢过程中起着重要作用。此外，Wnt信号通路和RANKL/SOST的表达也被认为是骨代谢调控的关键环节。这些数据表明，二甲双胍可能通过影响这些关键通路，从而调节骨代谢。

总的来说，本研究的结果表明，二甲双胍能够有效抑制氟中毒导致的骨代谢异常，恢复长骨的微结构和功能。这些作用不仅改善了骨质量，还为氟中毒的治疗提供了理论依据。然而，研究也指出，二甲双胍的剂量对其抑制骨代谢的效果具有重要影响，因此需要进一步探讨不同剂量对氟中毒的具体作用。此外，二甲双胍在调节AMPK信号通路中的具体机制仍需深入研究，以更好地理解其在氟中毒治疗中的作用。未来的研究应进一步验证这些发现，并探索二甲双胍在临床中的应用潜力。