骨质疏松症与甲状腺功能亢进的关系

马腾 陈德强 王卫国

1.山东中医药大学第一临床医学院，山东 济南 250355

2.山东中医药大学附属医院骨科，山东 济南 250355

骨质疏松症(osteoporosis，OP)作为一种全身性骨代谢疾病，以单位骨量减少为特征，伴随骨微观结构的退化，参与因素复杂多样[1]，国内调查研究证实全国范围内OP的总患病率约为6.6%～19.3%，且随着我国老龄化趋势渐显，预计未来30年国内OP患者人数将高达2.12亿[2]。甲状腺功能亢进症(hyperthyroidism)是发生骨质疏松的重要因素之一[3]，两者作为两种临床常见内分泌疾病，关系密切。一项纳入114例观察对象的对比研究发现，甲亢组患者骨密度下降幅度和血清骨代谢指标提升程度均较为显著[4]。

甲状腺相关激素水平对骨组织的影响早已被学者们所认识[5]，其中甲状腺素(thyroid hormones，TH)、促甲状腺素(thyroid stimulating hormone，TSH)等对骨骼发育均存在正向调控、维持作用[6-7]。但甲亢患者TH水平过高则会导致骨转换速率升高，骨吸收和骨形成过程的比例失衡[8]，同时TSH水平受到抑制也会影响其发挥骨调节作用，这些因素都会对甲亢患者的骨密度产生负面作用。本研究在临床试验的基础上应用生物信息学整合OP及甲亢的基因数据，不仅能较为科学地从分子层面阐述二者间的互作机制，而且也为药物同时干预两种疾病提供了理论基础。

1 材料和方法

1.1 临床资料

1.1.1一般资料：随机选取2018年10月至2020年10月于山东省中医院就诊的40例甲亢女性患者为观察组。纳入标准：①符合甲亢的诊断标准；②年龄为45～75岁。排除标准：①合并严重心、脑等疾病；②合并其他影响骨密度的内分泌疾病；③严重的意识及沟通障碍。最终观察组患者平均年龄为(60.1±7.5)岁。随机选取同期于我院就诊的甲状腺功能正常女性40例为对照组，年龄45～75岁，平均(60.1±6.0)岁。

1.1.2检测指标：以法国MEDI双能X线骨密度仪分别检测两组受试者右侧髋关节、腰椎(L1～4)、右侧前臂，得到受试者的骨密度和T值。

1.2 骨质疏松-甲亢靶点筛选、映射与PPI分析

分别在三大人类疾病数据库(GeneCards、TTD、OMIM)中筛选OP与甲亢的相关靶点[9-11]。其中GeneCards数据库中选择相关性Score值前300的靶基因。随后将两组基因分别通过Uniprot数据库转换成Uniprot ID筛选已认证靶点同时合并去重。映射两组靶点并将其交集上传至STRING v11.0平台构建蛋白相互作用(protein-protein interaction，PPI)网络[12]。运用Cytoscape 3.7.2平台的Network Analyzer筛选PPI网络连接度(degree)>10的靶点制作核心靶点图。

1.3 骨质疏松-甲亢的GO分析和KEGG通路分析

借助Metascape数据库[13]将靶点以P< 0.01、富集因子(enrichment factor)>1.5的设置分别进行GO(Gene Ontology)分析以及 KEGG (Kyoto encyclopedia of genes and genomes)通路分析，用OmicShare平台将数据可视化。

1.4 统计学处理

2 结果

2.1 临床观察指标

组间比较结果显示，观察组的T值及骨密度均低于对照组(P<0.01)，见表1。

表1 两组样本骨密度及T值比较Table 1 Comparison of bone mineral density and T-score between the two

2.2 骨质疏松-甲亢的靶点筛选分析结果

三大基因库所得靶点经过Uniprot筛选整合后共获得295个OP相关靶基因和291个甲亢相关靶基因。80个交集靶点制作韦恩图及PPI网络(见图1、图2)。筛选到核心靶点12个(见图3)。经Metascape数据库分析，据P值制作前15项生物学过程聚类群的最具代表性过程和前8条KEGG通路聚类群的最具代表性通路图(见图4、图5)。生物过程及通路下所含靶点分别见表2、表3。

表2 GO富集分析所含靶基因(前15条)Table 2 Target genes contained in GO enrichment analysis (top 15)

表3 KEGG通路下所含靶基因(前8条)Table 3 Target genes contained in KEGG pathway (top 8)

3 讨论

TH能够通过骨骼细胞TH受体(TR-α)调节骨重塑，一方面三碘甲状腺原氨酸(T3)可以调节胰岛素样生长因子(IGF)等促进成骨细胞的增殖和分化，另一方面T3又能促进成骨细胞-破骨细胞偶联激活，并诱导IL6等细胞因子参与破骨细胞的活化[14-15]，甲亢性骨质疏松是因TH过多引起机体骨代谢及骨矿化紊乱而导致的继发性疾病。本研究通过临床试验结合生物信息学映射OP与甲亢的核心交集靶点及作用通路，以求进一步预测两病的共同发病机制，探讨两病发病过程中的相互关系。

有分析表明甲亢患者相关细胞因子如IL-6、IL-10、TNF-α等水平显著升高，且与骨密度呈负相关性[16]，而这些细胞因子被证明可以通过影响免疫应答反应来调节甲状腺功能，从而推动甲亢的发生[17]；同样这些细胞因子也通过参与不同的调节机制而对OP产生影响[18]，其中TNF-α和IL6可以上调破骨细胞水平并抑制骨保护素(OPG)的合成[19]，IL-10的表达则能够对破骨细胞活性起到抑制作用[20]。这提示IL-6、TNF-α等基因的表达上调可能是两病的共同发病机制之一。甲亢患者常因TH水平异常而影响糖代谢过程，其亢进状态的机体代谢对胰岛素(Insulin，INS)的需求量明显增高[21]。国内有临床研究显示INS的应用能够对血糖水平的稳定和甲亢症状的缓解起到正向调节作用[22]，Wang等[23]发现葡萄糖浓度与成骨细胞的凋亡速率呈正相关，因此甲亢患者机体INS水平下调进而导致的血糖水平异常，也可能成为继发OP的重要机制之一。过高的TH水平同样会影响人体内蛋白质的代谢速率[24]，导致甲亢患者常因白蛋白(Albumin，ALB)水平降低而加重营养不良表现。ALB水平过低与OP是否存在相关性至今仍存在争议[25]，但有研究[26]表明低蛋白血症可以从调节激素水平、骨代谢和转录翻译等方面推动OP的形成。

IL-6等细胞因子能够通过JaK-STAT信号通路参与调节骨代谢和甲状腺激素水平，Song等[27]研究表明诸多炎症细胞因子在伴有甲亢的Graves眼病患者中表达活跃，且与细胞因子-细胞因子受体相互作用、JaK-STAT等通路密切相关；于雪冰等[28]发现不同的细胞因子激活JaK-STAT通路，能分别上调成骨细胞和破骨细胞的分化水平。PI3K-Akt信号通路因其调节成骨细胞与破骨细胞关系的作用，被认为是维持骨组织稳态的重要通路之一[29]。国内有研究[30]通过对补肾固本方研究发现抑制PI3K/AKT/m TOR信号通路表达，可以保护骨小梁结构，下调破骨细胞分化；同样PI3K/AKT信号通路与Graves病雌鼠的甲状腺组织病理状态和氧化应激反应的调节亦被证明有一定相关性[31]。胰岛素可以通过I型糖尿病信号通路等涉及糖代谢的通路参与调节甲亢和骨质疏松的发生发展过程[21-23]。有研究[32-33]显示HIF-1信号通路的活性水平与骨质疏松有明显的相关性，而该通路的活性通常被缺氧诱导因子亚基HIF-1α的蛋白水平直接决定。HIF-1α在调节成骨细胞增殖、破骨细胞活性、VEGF等血管内皮生长因子水平等方面均参与作用[34]；樊丽娅等[35]报道甲亢患者的HIF-1α水平与其TH水平呈正相关，这提示甲亢与骨质疏松可能通过HIF-1信号通路而产生直接联系。脂肪细胞因子同样能够直接或间接的影响两病进程，研究[36]表明瘦素(Leptin，LEP)有参与调节机体下丘脑-垂体-甲状腺轴的功能，从而与甲状腺激素水平存在相关性；而瘦素同样被认为能因其代谢失衡而导致骨代的谢紊乱[37]。但无论是关于甲亢时瘦素水平的研究，还是瘦素对骨代谢具体影响的研究，都未能得出一个统一明确的结论[38-39]，这需要今后更进一步的研究。

综上所述，OP和甲亢的相互发病机制可能与IL6、TNF、INS、ALB、IGFBP3等基因的上下调表达密切相关，而两病之间相互作用的信号通路主要涉及炎症因子、糖代谢、缺氧、脂肪细胞等方面。本研究在临床试验的基础上，依靠生物信息学探索并可视化骨质疏松与甲亢的关联靶点及信号通路，能够更加清晰的表达两者的互作网络关系，还可以为药物同时调控两种疾病提示潜在靶点。当然，这种基因靶点的信息整合受限于生物信息技术的发展水平及疾病数据库的时效性，同时对于基因表达量及激活程度等也需随数据完善而进一步研究。