張朝棟,曹芹芹,徐婷婷,林露茜,岳 珂,鄭晶晶,黃淑成
(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院,河南 鄭州 450002)
骨碎補(bǔ)又稱毛姜、崖姜,為水龍骨目骨碎補(bǔ)科骨碎補(bǔ)屬附生蕨類植物根莖。其性溫而補(bǔ),具有壯骨益腎、化瘀消痛功效[1]。 骨碎補(bǔ)含有主要活性成分——骨碎補(bǔ)總黃酮,該物質(zhì)具有促進(jìn)骨形成、抑制骨吸收、促進(jìn)骨骼血管生成、抑制炎癥反應(yīng)等作用[2]。 近年來,骨碎補(bǔ)總黃酮在治療骨缺損及骨折愈合、膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎、骨質(zhì)疏松和牽張成骨方面取得一定進(jìn)展, 但對(duì)骨骼疾病潛在作用以及分子調(diào)控機(jī)制還存在很多未知因素,仍需深入研究。筆者就骨碎補(bǔ)總黃酮對(duì)骨代謝的影響及其作用機(jī)制進(jìn)行綜述。
骨組織形態(tài)計(jì)量學(xué)是一種骨組織定量研究方法,主要通過對(duì)顯微鏡下骨組織二維平面的測(cè)量,根據(jù)體視學(xué)原理,推測(cè)或轉(zhuǎn)換獲得三維參數(shù),包括靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)[3]。 骨體積分?jǐn)?shù)是骨組織體積與組織體積的比值, 是檢測(cè)骨量變化狀況的重要指標(biāo)。骨小梁厚度指骨小梁的平均厚度,其變化可影響骨量,在一定條件下,骨小梁的厚度越大,代表其骨量越多,抵御外力、受到損害后恢復(fù)的能力越強(qiáng)[4]。 骨小梁間距指骨小梁之間的平均距離。骨碎補(bǔ)總黃酮可增加骨體積分?jǐn)?shù), 提高骨小梁厚度,減少骨小梁間距,改善骨三維結(jié)構(gòu),從而增強(qiáng)骨密度,改善骨礦化。 另外,還可通過抑制脛骨干骺端組織蛋白酶K (cathepsin K)mRNA 表達(dá)量抑制破骨細(xì)胞的骨吸收, 從而提高脛骨干最大彎曲載荷增加骨骼強(qiáng)度。
骨是一種高度血管化的組織, 依靠血管系統(tǒng)的血液和營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)維持骨骼的正常生長(zhǎng)、 維護(hù)和重塑。骨組織中的血管系統(tǒng)除了是輸送氧氣、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、新陳代謝的管道系統(tǒng),還為骨祖細(xì)胞的自我更新提供微環(huán)境以及為骨髓內(nèi)的造血干細(xì)胞提供細(xì)胞來源和滋養(yǎng)環(huán)境[5]。 一些細(xì)胞因子相互協(xié)調(diào)、相互作用是骨骼形成和穩(wěn)定的重要依靠。 血管分泌因子和血管生成因子相互聯(lián)系、相互作用,共同協(xié)調(diào)骨微環(huán)境的細(xì)胞間聯(lián)系, 以及血管生成與成骨的耦合[6]。 血清內(nèi)皮素(ET)對(duì)血管起收縮作用,血管內(nèi)皮舒張因子(NO)可使血管舒張,微血管循環(huán)是否穩(wěn)定取決于二者動(dòng)態(tài)平衡,若平衡打破,微血管循環(huán)受損,從而影響骨代謝。骨碎補(bǔ)總黃酮具有維持ET/NO 平衡的能力,從而促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖[7]。 骨碎補(bǔ)總黃酮可促進(jìn)血管生長(zhǎng)因子VEGF 表達(dá),從而促進(jìn)局部血管生成,進(jìn)而影響骨形成[8-9]。 由此可知,骨碎補(bǔ)總黃酮可通過促進(jìn)骨組織局部血管生成改善骨質(zhì)強(qiáng)度。
成骨細(xì)胞是骨基質(zhì)的合成、 分泌與礦化過程中重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。 成骨細(xì)胞在其細(xì)胞增殖期數(shù)量增加,成骨細(xì)胞相互堆疊,構(gòu)成一個(gè)多層結(jié)構(gòu),合成并分泌成骨相關(guān)蛋白,最終礦化成骨[10]。骨碎補(bǔ)總黃酮可促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖、成熟與分化,提高處于S 期的細(xì)胞比例, 以及抑制細(xì)胞發(fā)生早期凋亡, 還可對(duì)成骨增殖及基質(zhì)成熟相關(guān)基因的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控,如骨形態(tài)發(fā)生蛋白2(BMP-2)、骨形態(tài)發(fā)生蛋白6(BMP-6)、堿性磷酸酶(ALP)、骨鈣素(OCN)、骨橋素(OPN)[11-12]。因此,骨碎補(bǔ)總黃酮可通過調(diào)控成骨細(xì)胞的增殖分化以及相關(guān)基因的表達(dá)促進(jìn)骨的形成。
破骨細(xì)胞是由來自骨髓中高度分化的巨噬細(xì)胞形成的多核細(xì)胞, 通過復(fù)雜的分子生物機(jī)制介導(dǎo)骨吸收,破骨細(xì)胞、淋巴細(xì)胞與巨噬細(xì)胞三者相互作用,分泌多種細(xì)胞因子,調(diào)控某些細(xì)胞活性,從而影響骨吸收與骨形成[13]。有研究表明,骨碎補(bǔ)總黃酮可通過提高半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(caspase-3)及細(xì)胞色素C 的表達(dá),抑制B 淋巴細(xì)胞瘤-2(Bcl-2)的表達(dá),抑制破骨細(xì)胞增殖分化及其活性,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)破骨細(xì)胞凋亡的調(diào)控[14]。由此可見, 骨碎補(bǔ)總黃酮不僅具有促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖分化的作用, 還可通過調(diào)控破骨細(xì)胞凋亡相關(guān)基因的表達(dá)起到抑制骨吸收的作用。
軟骨細(xì)胞是軟骨中存在的唯一細(xì)胞, 在軟骨代謝、細(xì)胞外基質(zhì)的合成與更新、維持基質(zhì)完整過程中,軟骨細(xì)胞發(fā)揮重要作用[15]。骨碎補(bǔ)總黃酮可以調(diào)控促進(jìn)細(xì)胞凋亡的Bax 蛋白、 抑制細(xì)胞凋亡的Bcl-2 蛋白、 抑制凋亡執(zhí)行因子Caspase-3,從而抑制軟骨細(xì)胞凋亡; 骨碎補(bǔ)總黃酮可提高軟骨細(xì)胞活性,促進(jìn)其增殖分化從而影響骨代謝[16-17]。由此可見, 骨碎補(bǔ)總黃酮對(duì)軟骨細(xì)胞的調(diào)控與其對(duì)破骨細(xì)胞的調(diào)控相似, 都是對(duì)細(xì)胞凋亡相關(guān)基因的調(diào)控。
Wnt/β-catenin 信號(hào)通路是骨代謝中發(fā)揮關(guān)鍵作用的信號(hào)通路之一,是骨骼生長(zhǎng)發(fā)育、調(diào)節(jié)骨穩(wěn)態(tài)的重要信號(hào)通路[18]。 胞質(zhì)內(nèi)散亂蛋白(Dsh)、核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子TCF/LEF 家族、 分泌蛋白Wnt 家族、跨膜受體Frizzled 家族、 酪蛋白激酶1 與Axin 蛋白、糖原合成激酶-3β(GSK-3β)、激活蛋白C、β-連環(huán)蛋白(β-Catenin)是Wnt/β-catenin 信號(hào)通路重要成分。 分泌型配體蛋白Wnt 特異性結(jié)合膜表面受體蛋白Fzd, 活化胞內(nèi)蛋白Dsh 蛋白,Dsh 蛋白與受體相互作用與一些胞質(zhì)蛋白的相互作用使β-catenin 逐漸在胞漿內(nèi)累積,與胞核內(nèi)TCF/LEF轉(zhuǎn)錄因子家族聯(lián)系,從而激活下游靶基因的轉(zhuǎn)錄,并發(fā)揮其生物學(xué)效應(yīng)[19-20]。
Wnt/β-catenin 信號(hào)通路可通過調(diào)控成骨細(xì)胞增殖分化、礦化及凋亡影響骨代謝,從而促進(jìn)骨形成[21-22]。Wnt 蛋白可通過與Fzd、LRP5/6 結(jié)合,降低GSK-3β 蛋白活性,使β-catenin 處于穩(wěn)態(tài),而βcatenin 可調(diào)控下游TCF/LEF 促進(jìn)骨細(xì)胞成熟分化。 Runx2 蛋白可調(diào)控骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSC)向成骨細(xì)胞的分化過程, 并對(duì)成骨細(xì)胞增殖成熟進(jìn)行調(diào)控,進(jìn)而調(diào)控軟骨內(nèi)和膜內(nèi)成骨進(jìn)程。該信號(hào)通路還可通過促進(jìn)β-catenin 的表達(dá),激活下游基因Runx2 的表達(dá),進(jìn)而促進(jìn)BMSC 分化為成骨細(xì)胞,從而促進(jìn)骨形成、修復(fù)骨缺損[23-24]。 有報(bào)道發(fā)現(xiàn),骨碎補(bǔ)總黃酮可通過調(diào)控BMP-2 的表達(dá)激活Wnt/β-catenin 信號(hào)通路使早期BMSC 增殖、分化、成熟,促進(jìn)骨形成[25]。 骨碎補(bǔ)總黃酮可增加Wnt/β-catenin 信號(hào)通路中TCF/LEF 轉(zhuǎn)錄因子、βcatenin、Runx2 及Osteriex 的表達(dá), 抑制GSK-3β的表達(dá)使血清堿性磷酸酶(ALP)含量上升,進(jìn)而促進(jìn)骨形成[26]。 骨碎補(bǔ)總黃酮可通過增加骨膜蛋白的表達(dá), 抑制硬化蛋白的表達(dá), 激活Wnt/βcatenin 信號(hào)通路進(jìn)而影響成骨細(xì)胞的成熟與分化[27]。 因此,骨碎補(bǔ)總黃酮可通過Wnt/β-catenin信號(hào)通路促進(jìn)成骨細(xì)胞的成熟分化, 進(jìn)而促進(jìn)骨形成。
OPG/RANKL/RANK 信號(hào)通路在破骨細(xì)胞成熟、骨建模以及骨重建中具有重要作用。破骨細(xì)胞核因子-κB(RANK)、核因子-κB 受體活化因子配體(RANKL)和骨保護(hù)素(OPG)是該信號(hào)通路主要成分。 RANKL 由成骨細(xì)胞分泌,可活化RANK,并由破骨細(xì)胞及其前體表達(dá);RANKL 可調(diào)控破骨前細(xì)胞成熟分化, 并在之后破骨細(xì)胞的激活與維持中發(fā)揮作用;OPG 由成骨細(xì)胞和成骨基質(zhì)干細(xì)胞分泌, 可與RANKL 特異性結(jié)合, 從而達(dá)到與RANK 競(jìng) 爭(zhēng)RANKL 的 目 的, 降 低RANKL 與RANK 的結(jié)合率, 從而降低因過度骨吸收造成的骨骼損傷[28-29]。OPG 與RANKL 的表達(dá)量是骨代謝中骨質(zhì)量和骨強(qiáng)度的重要決定因素, 且RANKL/OPG 比例失衡可能導(dǎo)致過度的骨吸收。 成骨細(xì)胞可通過控制OPG 與RANKL 的表達(dá)量間接調(diào)控破骨細(xì)胞,以達(dá)到成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞耦聯(lián)的目的,破骨細(xì)胞可通過RANK 與RANKL 的特異性結(jié)合,促進(jìn)破骨細(xì)胞成熟分化[30]。 研究發(fā)現(xiàn),骨碎補(bǔ)總黃酮可以協(xié)同1α,25-二羥基維生素D3促進(jìn)成骨細(xì)胞、 破骨細(xì)胞以及骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中OPG的表達(dá), 提高血清中OPG 的含量, 改變OPG/RANKL 的比例,抑制破骨細(xì)胞的增殖、成熟、分化與活力,同時(shí)抑制破骨細(xì)胞的骨吸收功能,從而對(duì)骨形成進(jìn)行調(diào)控[31-32]。 因此,骨碎補(bǔ)總黃酮可通過OPG/RANKL/RANK 信號(hào)通路調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的分化機(jī)制,抑制骨吸收,促進(jìn)骨形成。
研究發(fā)現(xiàn)骨碎補(bǔ)總黃酮不僅參與Wnt/βcatenin 信號(hào)通路的調(diào)節(jié)促進(jìn)成骨細(xì)胞的成熟分化,還可以通過調(diào)節(jié)BMP-Smads 信號(hào)通路發(fā)揮促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖分化的功能。 BMP-Smads 信號(hào)通路可通過促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖分化和礦化細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)影響骨代謝。
骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP),是TGF-β 家族中一種高度保守且具有高度相似結(jié)構(gòu)的功能蛋白。BMP 可通過促進(jìn)BMSC 分化為成骨細(xì)胞并產(chǎn)生骨與軟骨形成相關(guān)因子, 從而對(duì)骨骼的生長(zhǎng)發(fā)育與再生修復(fù)發(fā)揮重要作用。 BMP 可通過激活Smads信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)發(fā)揮成骨作用,TGF-β 由Smads 蛋白家族傳導(dǎo),TGF-β/激活素信號(hào)由Smad2 和Smad3 傳導(dǎo),Smad1、Smad5、Smad8 和Smad9 調(diào) 節(jié)BMP 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),Smads 蛋白家族可將TGF-β 信號(hào)由細(xì)胞膜傳至細(xì)胞核,BMP 激活Smads 信號(hào),隨后激活細(xì)胞核內(nèi)成骨細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子核心結(jié)合蛋白因子2(Runx2)及成骨細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子(Osterix)等靶基因的表達(dá),隨后促進(jìn)成骨細(xì)胞成熟分化[33-34]。骨碎補(bǔ)總黃酮通過調(diào)控血清中BMP-2 和骨髓微環(huán)境中Smad1、Smad5、Smad8 mRNA 的表達(dá)水平,提高BMP-2 的分泌水平, 激活BMP-Smads 信號(hào)通路相關(guān)成骨基因Runx2 和Osterix 表達(dá),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)骨形成的調(diào)控。其主要作用體現(xiàn)在兩方面,一方面可促進(jìn)BMSC 向成骨細(xì)胞分化; 另一方面也可促進(jìn)成骨細(xì)胞分化成熟,對(duì)骨骼生長(zhǎng)發(fā)育、再生修復(fù)、提高骨密度發(fā)揮重要作用[35-37]。 另外,柚皮苷作為骨碎補(bǔ)總黃酮的主要成分, 也可通過Akt的磷酸化和AP-1 的組件c-fos 和c-jun 的激活促進(jìn)BMP-2 的表達(dá),從而發(fā)揮成骨作用[38]。 由此可見, 骨碎補(bǔ)總黃酮及其主要成分柚皮苷均有調(diào)節(jié)BMP-Smads 信號(hào)通路促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖分化相關(guān)基因表達(dá)的作用。
MAPK 信號(hào)通路是促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖分化與礦化的主要通路,它是一種保守的三級(jí)激酶模式,該信號(hào)通路由MAPK 激酶激酶(MKKK)、MAPK激酶(MKK)和MAPK 構(gòu)成,三種激酶可依次激活,進(jìn)而對(duì)成骨細(xì)胞進(jìn)行調(diào)控。 MAPK 信號(hào)通路又可分為細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)蛋白激酶 (ERK) 信號(hào)通路、p38 絲裂原活化蛋白激酶(p38)信號(hào)通路、c-Jun 氨基末端激酶(JNK)信號(hào)通路。ERK 信號(hào)通路可調(diào)控ALP 的表達(dá),進(jìn)而影響成骨細(xì)胞的增殖分化與礦化及其細(xì)胞功能。與此同時(shí),該信號(hào)通路通過促進(jìn)BMSC 分化為成骨細(xì)胞,在維持骨骼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)方面也發(fā)揮著重要作用。 p38 信號(hào)通路與JNK 信號(hào)通路對(duì)成骨細(xì)胞的增殖分化與礦化的調(diào)控主要通過BMP 蛋白與氧化應(yīng)激活化完成,而且p38 信號(hào)通路可促進(jìn)ALP 的表達(dá),JNK 信號(hào)通路在成骨細(xì)胞分化后期發(fā)揮作用[39-40]。 有研究表明, 骨碎補(bǔ)總黃酮可作用于成骨細(xì)胞的ERK受體,成為激活ERK 信號(hào)通路的第一信號(hào),促進(jìn)成骨細(xì)胞ALP 的表達(dá),進(jìn)而對(duì)成骨細(xì)胞增殖分化與礦化進(jìn)行調(diào)控[41]。 骨碎補(bǔ)總黃酮可調(diào)控成肌細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化的過程, 提高核結(jié)合因子a1和ALP mRNA 的表達(dá),而核結(jié)合因子a1 和ALP 是p38 信號(hào)通路的主要參與因子,所以,骨碎補(bǔ)總黃酮可通過p38 信號(hào)通路對(duì)骨代謝進(jìn)行調(diào)控[42]。JNK 磷酸化水平升高, 可抑制成骨細(xì)胞增殖分化,骨碎補(bǔ)總黃酮可抑制JNK 的磷酸化,促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖分化,減少其凋亡[43]。 因此,骨碎補(bǔ)總黃酮可通過MAPK 信號(hào)通路促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖分化,發(fā)揮成骨作用。
CTSK 信號(hào)通路是一種通過促進(jìn)骨膠原纖維的降解促進(jìn)骨吸收的信號(hào)通路。 溶酶體半胱氨酸組織蛋白酶K(CTSK)是破骨細(xì)胞主要的蛋白酶,CTSK 參與破骨細(xì)胞分化的全過程,主要作用在于對(duì)骨有機(jī)基質(zhì)的降解以及調(diào)控破骨細(xì)胞的凋亡。CTSK 對(duì)Ⅰ型膠原等骨有機(jī)基質(zhì)的降解是通過其在成熟的破骨細(xì)胞中以酶原形式合成并裂解活化發(fā)揮的作用。 因此,通過抑制CTSK 信號(hào)通路,可減少骨有機(jī)質(zhì)的降解,抑制骨吸收,而且對(duì)骨形成無明顯影響。 骨碎補(bǔ)總黃酮通過該信號(hào)通路影響骨代謝的機(jī)制與類雌激素相同, 通過減少血清中CSTK 的含量,抑制脛骨干骺端CTSK mRNA 的表達(dá), 從而抑制破骨細(xì)胞的生成及其對(duì)骨有機(jī)基質(zhì)的降解作用[44-45]。 結(jié)果表明,骨碎補(bǔ)總黃酮可通過CTSK 信號(hào)通路對(duì)破骨細(xì)胞進(jìn)行調(diào)控,抑制破骨細(xì)胞對(duì)骨有機(jī)基質(zhì)的降解。
Notch 信號(hào)通路是一條高度保守的重要信號(hào)通路,Notch 調(diào)節(jié)分子、Notch 受體、Notch 配體及CSLDNA 結(jié)合蛋白是該信號(hào)通路的主要成分。 其在機(jī)體的分化與成熟中發(fā)揮重要作用。 該通路Notch 配體與Notch 受體特異性結(jié)合后,Notch 信號(hào)通路激活,進(jìn)而激活其下游靶基因Hes-1 的轉(zhuǎn)錄。 Notch 對(duì)骨形成與骨吸收過程不是單一的促進(jìn)或抑制作用, 而是多種調(diào)節(jié)因子參與的雙向調(diào)節(jié)。 在骨骼發(fā)育過程中,Notch 信號(hào)通路可以通過調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的分化與成熟參與軟骨的形成[46]。有研究表明,骨碎補(bǔ)總黃酮可以通過下調(diào)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中受體Notch-1及下游靶基因Hes-1 mRNA 的表達(dá), 進(jìn)而抑制Notch 信號(hào)通路,促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖,改善成骨質(zhì) 量[47]。
在骨組織中, 谷氨酸信號(hào)通路的組成與中樞神經(jīng)系統(tǒng)類似,由谷氨酸(Glu)、相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)體、轉(zhuǎn)運(yùn)囊泡、受體、鈣信號(hào)、環(huán)磷酸腺苷(AMP)信號(hào)的級(jí)聯(lián)和Glu 代謝相關(guān)酶組成。 谷氨酸信號(hào)通路不僅參與成骨細(xì)胞的成熟分化, 還能對(duì)成骨祖細(xì)胞的分化進(jìn)行調(diào)控。Glu 離子型受體的激活主要與鈣信號(hào)有關(guān),并由此觸發(fā)各種鈣—依賴酶的級(jí)聯(lián)反應(yīng),導(dǎo)致各種細(xì)胞的生理變化, 離子型谷氨酸受體可通過激活Cbfa-1 促進(jìn)成骨祖細(xì)胞分化, 促進(jìn)骨形成, 也可通過激活核因子-κB 對(duì)破骨細(xì)胞的成熟分化與凋亡進(jìn)行調(diào)控, 促進(jìn)骨吸收。 有研究表明, 骨碎補(bǔ)總黃酮可顯著提升代謝性谷氨酸受體mGluR5 的表達(dá),也可降低血清中谷氨酸脫羧酶水平,減少股骨GABA 和GABABR1 的表達(dá),從而加速骨形成[48-50]。 因此,骨碎補(bǔ)總黃酮可以通過提升谷氨酸信號(hào)通路中谷氨酸受體的表達(dá)對(duì)骨組織進(jìn)行調(diào)控,從而促進(jìn)骨骼強(qiáng)健。
綜上所述, 骨碎補(bǔ)總黃酮作為中藥骨碎補(bǔ)中提取的主要活性成分, 通過大量的試驗(yàn)證實(shí)骨碎補(bǔ)總黃酮不僅可以提高骨密度, 增強(qiáng)骨骼機(jī)械強(qiáng)度,降低疼痛,還可通過促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖,促進(jìn)骨骼局部血管形成,也可通過促進(jìn)成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞增殖,破骨細(xì)胞凋亡,從而對(duì)骨骼的形成發(fā)揮作用。骨碎補(bǔ)總黃酮可通過Wnt/β-catenin 信號(hào) 通 路、OPG/RANKL/RANK 信 號(hào) 通 路、BMPSmads 信號(hào)通路、MAPK 信號(hào)通路、CTSK 信號(hào)通路、Notch 信號(hào)通路和谷氨酸信號(hào)通路促進(jìn)骨形成,抑制骨吸收。 但是,骨碎補(bǔ)總黃酮作為治療骨骼疾病的熱門藥物, 在對(duì)骨骼疾病潛在作用以及分子調(diào)控機(jī)制方面,仍需要研究。