鸢尾素(irisin)于2012年由Bruce M. Spiegelman教授团队发现，经运动小鼠骨骼肌中过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子α(peroxisome proliferator-activated receptorγcoactivator 1α, PGC-1α)上调刺激Ⅲ型纤连蛋白结构域包含蛋白5 (fibronectin typeⅢdomain-containing 5, FNDC5)表达，FNDC5是一种跨膜蛋白，胞外域经水解生成鸢尾素，在动物和人类的血清中均可检出[1]。骨骼肌是鸢尾素的主要来源，心包、心脏、直肠、肺、肝、肾和脂肪组织都可以合成，但表达量远远低于骨骼肌[2]。作为一种激素样肌细胞因子，鸢尾素在控制骨量中发挥重要作用[3]。近期研究发现骨骼也可能是鸢尾素的来源之一[4,5],Colaianni等[6]发现，小鼠骨组织FNDC5表达量约为骨骼肌的十分之一。一项成骨细胞系Fndc5-/-研究显示，骨源性的鸢尾素缺失引起血清鸢尾素水平下降，骨骼矿化迟缓，骨密度下降和白色脂肪棕色化减少[4],提示骨源性鸢尾素的存在并具有一定的生理作用。

1、鸢尾素与骨重建

骨重建包括骨吸收与骨生成两个过程，分别由破骨细胞与成骨细胞完成。在发生骨重建的部位，骨细胞募集骨髓和血液中的单核细胞分化为破骨细胞进行骨吸收，形成空腔结构之后由骨细胞募集骨髓间充质干细胞和骨髓祖细胞进一步分化为成骨细胞，成骨细胞分泌类骨质填充空腔并包埋自身，待类骨质矿化后完成骨重建[7]。

1.1体外实验

1.1.1鸢尾素与成骨细胞：

Colaianni等[8]最早提出鸢尾素是影响骨代谢的非机械力因素，并率先验证了鸢尾素对成骨细胞分化的体外作用。Qiao等[9]使用100 ng/mL浓度的鸢尾素体外分别培养成骨细胞和成骨细胞前体，发现鸢尾素能够促进成骨细胞的增殖与分化。需要注意的是，有学者认为使用100 ng/mL的鸢尾素浓度与人血清中鸢尾素的物理浓度接近[10,11]。而Chen等[12]发现高剂量(10 nmol/L)的重组鸢尾素能促进成骨细胞的增殖与分化，低剂量(1 nmol/L)的重组鸢尾素只能促进成骨细胞的分化，对成骨细胞的增殖无明显影响。Jedrychowski等[13]使用绝对定量质谱法测得久坐成年男性血清鸢尾素浓度约为3～4 ng/mL,小鼠血中鸢尾素浓度为0.3 ng/mL[12]。导致以上差异的原因在于Qiao等人使用酶联免疫吸附法(enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA)测得鸢尾素的浓度[9],而ELISA方法本身异质性较大，加上与质谱法测试的原理不同，可能导致鸢尾素浓度存在较大差异。提取成骨细胞系Fndc5-/-小鼠的骨髓基质细胞，经诱导分化后成骨标志物和骨矿化显著减少，表明在骨源性鸢尾素缺失的情况下，成骨细胞的分化和矿化减少[4]。研究表明，鸢尾素可以直接靶向成骨细胞，通过激活p38丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)和细胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase, ERK)通路促进成骨细胞增殖、分化和矿化[9]。同时通过抑制骨形成负性调控因子骨硬化素(sclerostin, SOST)的表达，促进成骨分化[14]。

1.1.2鸢尾素与破骨细胞：

核因子κB配体受体激活剂(receptor activator of NF-κB ligand, RANKL)/核因子κB受体激活剂(receptor activator of NF-κB, RANK)/骨保护素(osteoprotegerin, OPG)轴是调节破骨细胞分化的重要途径，成骨细胞系表达的RANKL与单核细胞上的RANK结合刺激单核细胞分化为破骨细胞[7]。体外分别用低剂量(4μmol/L)和高剂量的鸢尾素(20μmol/L)处理骨髓源性巨噬细胞(bone marrow-derived macrophage cells, BMMs) 3～5 d都可以降低破骨基因标志物的表达，活化T细胞核因子1(nuclear factor of activated T cell 1, NFATc1)的表达，抑制RANKL诱导的破骨细胞分化，其中高剂量组更显著[4]。Zhang等[15]使用鸢尾素(20 nmol/L)处理破骨细胞前体RAW 264.7细胞3 d后，破骨细胞分化标志物抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatase, TRAP)和组织蛋白酶K(cathepsin K, CATH-K)的mRNA水平显著降低。另一项实验也支持50 ng/ml鸢尾素具有抑制单核细胞分化为破骨细胞的作用[16]。在Estell等[5]的实验中，骨髓祖细胞在不同浓度的重组鸢尾素(2～10 ng/mL)处理下，剂量依赖性地刺激破骨细胞分化，但20 ng/mL的鸢尾素浓度对体外破骨细胞数量影响不大，≥100 ng/mL时破骨细胞数量减少(数据未显示)[4]。对此，Estell等认为鸢尾素暴露的剂量和持续时间可能是骨骼反应的关键决定因素，刺激破骨细胞生成的相对较窄的剂量范围可能具有生理意义，类似于甲状旁腺素(parathyroid hormone, PTH)在体内的双向调节作用。

1.1.3鸢尾素与骨细胞：

Kim等[14]最先发现整合素αV/β5是鸢尾素的受体，鸢尾素通过结构类似于RGD基序的环与整合素αV/β5结合。使用RGD肽或添加整合素αV抑制剂可阻断鸢尾素的诱导作用。此外，鸢尾素可以直接作用于骨细胞，用生理浓度范围的鸢尾素(1～500 ng/mL)处理小鼠骨细胞样细胞系(MLO-Y4)16 h,显著减少了过氧化氢(H2O2)诱导的骨细胞凋亡。另一项实验中，使用100 ng/mL的鸢尾素处理MLO-Y4可以明显降低骨细胞凋亡[16]。鸢尾素处理MLO-Y4 8 h显著增加了骨骼肌线粒体转录因子A(mitochondrial transcription factor A, MTFA)的mRNA表达和与细胞凋亡有关的Bcl2/Bax比率[17]。

综上所述，体外实验中鸢尾素对于参与骨重建的骨细胞、成骨细胞和破骨细胞的分化、增殖、活性和凋亡均产生影响。但是对于骨量的总体变化趋势，还需要在体进一步进行观察，以确定鸢尾素对于骨代谢的作用。

1.2在体实验

1.2.1在体鸢尾素敲除：

Zhu等[4]发现成骨细胞谱系Fndc5-/-小鼠骨组织中鸢尾素基因和蛋白质表达显著下降，血清鸢尾素水平显著低于野生型小鼠。在小鼠生长过程中，成骨细胞谱系Fndc5-/-小鼠骨骼的生长发育受到显著影响。内源性鸢尾素的减少也导致成骨细胞谱系Fndc5-/-小鼠从运动中的获益减少。在14 d跑轮运动干预后，野生型小鼠皮质骨明显变厚，成骨细胞谱系Fndc5-/-小鼠无明显变化，而注射了外源性鸢尾素并进行跑轮运动的成骨细胞谱系Fndc5-/-小鼠与野生型小鼠之间没有显著差异[18]。Luo等[19]也观察到Fndc5-/-小鼠骨量减少，骨骼的机械性能出现下降。Kim等[14]的实验发现Fndc5-/-小鼠通过减少骨吸收，对卵巢切除诱导的骨量流失表现出抵抗。另外，该实验还发现，切除卵巢会引起野生型小鼠血中鸢尾素浓度升高(野生型小鼠的血清鸢尾素浓度为0.3 ng/mL,去卵巢后升高到原来的2.4倍)。结合鸢尾素具有直接作用于骨细胞，增加骨细胞存活的作用，Kim等认为骨重建的过程从骨吸收开始，鸢尾素缺失导致了骨吸收减少进而可能导致骨重建的活跃程度下降。一项研究发现SIRT3(去乙酰化酶3, Sirtuin 3)可能在鸢尾素影响骨重建中起作用，在高糖和促炎条件下鸢尾素通过AMPK/PGC-1α途径激活SIRT3,发挥抗氧化应激的保护作用，重新建立牙周韧带细胞的成骨和破骨细胞发生。在牙周炎SIRT3基因缺陷小鼠中，鸢尾素治疗无法对牙周炎模型的牙槽骨的破坏和氧化应激的积累产生作用，挽救骨丢失，表明敲除SIRT3抵消了鸢尾素对氧化损伤和骨破坏的有益作用[20]。同样，在糖尿病条件下鸢尾素通过SIRT3信号调节氧化应激和线粒体自噬促进脂肪源性干细胞的成骨作用[21]。提示SIRT3在氧化应激状态下对鸢尾素的成骨作用可能起到介导作用[20]。

1.2.2外源性注射重组鸢尾素：

在Colaianni等人[6]的研究中，给2月龄的雄性小鼠每周注射一次重组鸢尾素(100μg/kg),持续4周，皮质骨密度增加，但对骨松质没有明显作用。Storlino等[17]的研究中，18月龄的老年小鼠注射重组鸢尾素后(100μg/kg, 1次/周，4周),减少了骨细胞凋亡，同样的注射方案对后肢废用的小鼠也起到了减少骨量流失的作用。对后肢废用大鼠腹腔注射重组鸢尾素，抑制骨吸收，而前肢类骨质数量也高于对照组[22]。对于去卵巢小鼠，注射鸢尾素减少了骨量流失，保存了骨小梁数量、连结密度和骨硬度[23]。在肾衰竭模型中，小鼠的肌肉质量、骨密度显著下降，肾切除导致小鼠腓肠肌Fndc5 mRNA表达减少，注射鸢尾素减轻了肾切除诱导的小鼠骨密度下降[24]。

综上所述，在体研究表明，内源性鸢尾素减少或缺失对于骨的生长发育和骨稳态具有负面影响，外源性注射鸢尾素可以减轻由于衰老、去卵巢和肢体废用导致的骨量流失，对于骨的机械性能也有良好影响。在高糖和炎症的氧化应激状态下鸢尾素对于骨重建的作用可能存在中间媒介SIRT3。

2、运动、鸢尾素与骨代谢

2.1运动诱导鸢尾素表达

安静状态下人体血清鸢尾素在8:00-20:00时间段内保持稳定水平[25]。运动能提高血清鸢尾素水平，仅单次运动后人体血清鸢尾素浓度就会出现急性提高，抗阻运动后血清鸢尾素水平升高最多。相比有氧运动与高强度间歇运动后1 h血清鸢尾素恢复至静息水平，抗阻运动后血清鸢尾素水平维持时间更久，但不超过6 h[25,26],与之对应的是外源性注射重组鸢尾素在小鼠体内的半衰期不超过1 h[12]。通过质谱定量分析测得久坐成年男性的循环鸢尾素水平约为3.6 ng/mL[11],与使用ELISA方法测定的结果相比，这一结果更接近真实鸢尾素水平，因为ELISA方法会因为使用的试剂盒不同产生差异，差别最高可达6个数量级(40 pg/mL vs. 4.3μg/mL)[7],这对使用ELISA的实验结果横向比较鸢尾素水平造成了一定的困难。

运动是诱导骨骼肌合成分泌鸢尾素的关键因素，运动不足可能导致骨骼肌鸢尾素合成分泌减少，进而对骨密度产生负面影响。通过尾部悬吊和双侧坐骨神经切断模拟肢体废用，减少小鼠后肢肌肉对骨骼的机械负荷，发现小鼠肌肉力量与质量减少，肌肉中鸢尾素前体Fndc5 mRNA表达减少，骨小梁密度降低，二者呈显著正相关[27]。由于后肢废用，小鼠前肢受到的运动负荷增多，前肢骨的骨形成率增加，并且具有更高的骨密度，注射重组鸢尾素的小鼠这一效果更加明显[22]。长期中等强度的跑台运动使小鼠股骨和腓肠肌中的Fndc5 mRNA表达显著增加，同时减轻了由去卵巢所引起的骨量流失[28]。有氧联合抗阻运动虽然未能提高HIV患者和肥胖男性鸢尾素水平，但与对照组相比，阻止了骨密度和鸢尾素水平的下降[29,30]。

患有2型糖尿病(type 2 diabetes, T2DM)也会增加骨量流失(继发性骨质疏松),T2DM小鼠模型中观察到miR-150表达上调，并抑制FNDC5/鸢尾素表达，鸢尾素水平的降低进一步引发了糖尿病骨组织中的细胞焦亡反应[31]。运动、N-乙酰半胱氨酸或抗miRNA-150转染恢复了T2DM小鼠FNDC5/鸢尾素的表达和骨形成，通过缓解与炎症相关的细胞焦亡信号转导，防止骨质流失[31]。

2.2运动对不同人群鸢尾素水平和骨密度的影响

健康成年人循环鸢尾素与体力活动水平呈弱正相关[32]。运动员中，鸢尾素与骨密度和骨强度呈正相关[33,34]。在青少年群体中，血清鸢尾素水平与体力活动强度相关，高强度体力活动的个体，血清鸢尾素浓度是久坐少动个体的3倍以上[35]。中年[(50±8.9)岁]短跑精英者血清鸢尾素水平与年轻的无训练经历年轻人相当，且显著高于同年龄耐力运动精英和普通人[36]。以上结果显示长期的体育锻炼与较高的鸢尾素水平有关，而骨密度也受长期运动训练，尤其是抗阻训练的影响。结合鸢尾素主要源于运动诱导刺激骨骼肌产生，并对骨代谢具有调节作用，故此推测鸢尾素可能是解释肌-骨交互作用中骨骼肌调节骨代谢的媒介之一。

2.3运动、鸢尾素与骨质疏松

充足的身体活动能有效预防骨量流失，预防骨质疏松。髋部骨折的发生率随着人口的快速老龄化而增加，随着体力活动的增加髋部骨折发生率出现下降。因此，有规律的体力活动是骨折的一个重要的可改变的保护因素[37]。绝经后骨质疏松症是一种慢性疾病，骨量减少，骨结构改变，导致老年女性骨折的风险更大。一项系统综述发现高强度和高冲击运动能有效改善或至少保持绝经后女性腰椎和股骨的骨密度，并有可能减轻绝经后女性的脆性和压缩性骨折负担，是提高骨密度的有效策略[38]。类似的研究也发现对于65岁以上老年人进行体力活动干预可以增加腰椎骨密度，并可能改善髋部骨密度，其中高运动量、抗阻运动和多种运动类型结合的方式似乎效果最好[39]。

骨质疏松症对老年人的生命健康构成了严重威胁，多项横断面调查结果提示，血清鸢尾素水平与老年人的骨骼健康存在相关，与年龄呈中等负相关。与年龄匹配的骨量正常的同性别老年人相比，患有骨量减少/骨质疏松症的老年人血清鸢尾素水平较低，有骨质疏松性骨折病史患者的血清鸢尾素水平显著低于骨量正常和无骨折病史的个体[40,41]。绝经后女性血清鸢尾素水平与骨密度呈正相关，患有骨量减少/骨质疏松症的女性，血清鸢尾素水平也低于同龄骨量正常女性，低骨量/骨质疏松和是否有骨折史与较低的鸢尾素水平相关[42]。有作者认为irisin是绝经后女性骨折风险评估的敏感因素[43],而运动是否会通过鸢尾素改善中老年人尤其是绝经后女性的骨代谢状况，未见更多研究报道。目前体外实验和动物实验均表明鸢尾素具有成骨潜力，提示鸢尾素有望成为治疗骨质疏松症的新靶点。

3、思考与展望

鸢尾素对于骨代谢的调节在体外和动物实验上均得到了验证，但是目前仍存在一些矛盾性的实验结果，可能与给药方案不同有关。另外，ELISA方法检测鸢尾素浓度存在较大差异也许要考虑在内。最新的研究表明骨组织也是鸢尾素的来源之一，通过自分泌甚至细胞内分泌产生作用。骨源性FNDC5/鸢尾素的缺失导致了骨骼生长发育迟缓和骨量减少。目前关于鸢尾素的基因敲除模型仅有成骨细胞系特异性敲除和全身敲除两种，构建骨骼肌中Fndc5-/-鸢尾素特异性缺失模型，可以排除肌源性鸢尾素的作用，观察骨源性鸢尾素对骨代谢的作用。运动能够诱导内源性鸢尾素产生，单次运动即可引起血清鸢尾素水平升高，而长期运动对于鸢尾素的影响目前研究覆盖的群体仍不够多，并且同时研究运动、鸢尾素与骨密度变化关系的研究较少，需要进一步设计以人体为研究对象的实验，观察运动、鸢尾素水平变化对人体骨密度的影响。

综上所述，鸢尾素对于参与骨重建的骨细胞、成骨细胞和破骨细胞的分化、增殖、活性和凋亡均有影响。内源性或外源性鸢尾素补充对于骨的生长发育、维持骨稳态具有良好作用。鸢尾素可能是运动改善骨代谢的重要媒介，可能的作用机制归纳为图1。

基金资助:上海市运动与代谢健康前沿科学研究基地项目;2023年上海市科委计划项目(2301054400);上海市人类运动能力开发与保障重点实验室(上海体育学院)项目(11DZ2261100);

文章来源:陈明贤,左群.鸢尾素与骨代谢研究进展[J].中国骨质疏松杂志,2024,30(05):739-744.