秦皮乙素促進成骨細胞分化延緩增齡性骨質疏松的研究

王繼榮 暴一眾 楊舟鑫 呂曉玲 胡細連 王國付

浙江醫院，浙江省老年醫學重點實驗室，浙江 杭州 310013

隨著人口老齡化，目前我國50歲以上的骨質疏松及骨量減少的人數逐年增多，預計到2050年，此數量將達2.12億[1]。目前應用于骨質疏松癥的藥物主要為西藥，但這類藥物多數具有嚴重或潛在的不良反應[2-3]。中醫藥及天然藥物在預防骨質疏松癥方面具有很好的發展潛力。現代藥理學研究顯示秦皮乙素(esculetin，Esc)具有多種藥理作用，如抑制5-脂氧合酶、抗炎、抗氧化、抗腫瘤等[4]。有研究發現秦皮乙素對破骨細胞分化有調控作用[5]，但其對成骨細胞分化尤其是整體動物中對骨量維持的作用尚不得而知。為了避免雌激素的影響，本研究利用增齡性骨質疏松癥小鼠模型觀察秦皮乙素對骨量維持的作用，并進一步利用骨髓來源的間充質干細胞(bone marrow derived stroma cell，BMSCs)初步探討其對成骨細胞分化的影響。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

1.1.1實驗動物：7月齡雄性C57BL/6小鼠，SPF級，購自北京維通利華實驗動物技術有限公司，動物許可證號：SCK(京)2012-0001，合格證編號：11400700163033。在浙江大學城市學院動物實驗中心飼養，醫學實驗動物環境設施為SPF級。

1.1.2主要藥品與試劑：秦皮乙素(成都瑞芬思生物科技有限公司)，RNA提取試劑盒(德國Qiagen公司)，逆轉錄試劑盒(TOYOBO公司)，熒光定量PCR試劑盒(TOYOBO公司)，HE染液(碧云天生物技術研究所)，茜素紅染液(美國Sigma公司)，β-甘油磷酸鈉(美國Sigma公司)，地塞米松(美國Sigma公司)。

1.1.3主要儀器設備：小動物骨密度及體成分分析儀(韓國InAlyzer)，Roche480熒光定量PCR儀(德國Roche公司)，生物安全柜(美國Thermo公司)，石蠟包埋機與切片機(德國Leica公司)，顯微鏡(日本Olympus公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1動物分組與給藥：取7月齡C57BL/6小鼠24只，隨機分為對照組、秦皮乙素200 mg/kg與400 mg/kg給藥組，每組8只。對照組灌胃給予生理鹽水，秦皮乙素組分別灌胃給予秦皮乙素溶液，藥物濃度分別為40 mg/mL與80 mg/mL，給藥體積為0.5 mL/100 g。

1.2.2取材及樣品制備：給藥3個月后，用3%戊巴比妥鈉(4 mL/kg)腹腔注射麻醉處死小鼠，75%酒精消毒后，于生物安全柜中分離小鼠左側股骨與脛骨組織，剔除肌肉組織，用1 mL注射器抽取已經預先配好的小鼠間充質干細胞完全培養液反復沖洗骨髓腔，直至骨發白，收集沖洗液，反復吹打使細胞打散，移至滅菌的10 mL離心管中，4℃1600rpm離心5 min，棄上清，用小鼠間充質干細胞完全培養基重懸細胞，調整細胞密度至5×106/mL，接種到T25培養瓶，置于5% CO2、37 ℃、飽和濕度95%的培養箱中培養3 d，輕輕吸出上清，并加入新鮮培養液繼續培養，獲得骨髓來源的間充質干細胞。將右側脛骨組織置于4%中性福爾馬林，固定72 h后，14% EDTA(pH7.4)脫鈣，每3 d換一次脫鈣液，連續脫鈣1個月。

1.2.3指標檢測：(1)骨密度檢測：取固定好未脫鈣的脛骨組織，置于InAlyzer小動物骨密度測定儀中掃描。(2)茜素紅染色：上述BMSCs細胞種于6孔板中，添加成骨誘導液(10 mmol/L β-甘油磷酸鈉，0.05 mmol/L VC，100 mmol/L地塞米松)誘導，每3 d換液一次，28 d后PBS沖洗3次；95%酒精固定15 min，蒸餾水沖洗后用茜素紅染液(0.1 mmol/L的Tris-HCl 100 mL(pH=8.3)，加入0.1 g茜素紅S)于37 ℃染色30 min，蒸餾水沖洗后晾干拍照。(3)HE染色：脫鈣完成后的脛骨組織用PBS清洗3次，然后進行常規梯度酒精脫水，苯透明，石蠟包埋，待石蠟凝固后Leica切片機進行連續切片，厚度為5 μm。待切片黏附到載玻片后，按照標準方法進行HE染色，染色后進行封片并在光學顯微鏡下觀察拍照。(4)熒光定量PCR：利用RNA提取試劑盒提取各小鼠BMSCs總RNA，用TOYOBO的逆轉錄體系合成cDNA，并使用TOYOBO的PCR Master Mix來進行熒光定量PCR。使用Light Cycler480(Roche)實時定量PCR擴增儀進行 PCR擴增。以β-actin為內參，分析目的基因的相對表達量。擴增產物的特異性通過繪制融解曲線來進行驗證。用于實時定量PCR的引物見表1。

1.3 統計學處理

表1 定量PCR引物

2 結果

2.1 秦皮乙素對小鼠脛骨骨密度的影響

圖2 各組小鼠脛骨組織HE染色比較Fig.2 H& E staining of tibia in each group

圖3 各組小鼠成骨細胞茜素紅染色及定量比較Fig.3 Alizarin-red staining of osteoblasts and quantitative determination in each group

利用小動物骨密度及體成分分析儀檢測各組小鼠脛骨骨密度，結果如圖1所示，200 mg/kg秦皮乙素組骨密度與對照組相比略有增加，而秦皮乙素400 mg/kg組小鼠脛骨骨密度明顯高于對照組。

圖1 各組小鼠脛骨骨密度比較Fig.1 Bone mineral density of the tibia in each group

2.2 秦皮乙素對骨組織形態的影響

取小鼠脛骨組織做石蠟切片與HE染色，結果如圖2所示，10月齡對照組小鼠骨髓腔中骨小梁大量丟失，充斥著大量脂肪細胞；而秦皮乙素200 mg/kg組小鼠脛骨中可見少量骨小梁，但仍有大量脂肪細胞；秦皮乙素400 mg/kg組小鼠脛骨中骨小梁數量與對照組相比明顯增多，僅見少量脂肪細胞。以上結果說明秦皮乙素可以延緩小鼠骨量丟失。

2.3 秦皮乙素影響BMSCs礦化結節形成能力

分離BMSCs細胞，成骨誘導液誘導28 d后進行茜素紅染色，染色結果顯示秦皮乙素400 mg/kg組BMSCs的礦化結節明顯多于對照組，而200 mg/kg組與對照組相比差異并無統計學意義(P>0.05)，見圖3，提示秦皮乙素促進成骨細胞礦化結節形成能力。

2.4 秦皮乙素對成骨細胞分化標記基因表達的影響

圖4 秦皮乙素對成骨細胞分化標記基因表達的影響Fig.4 Effect of esculetin on the expression of osteoblast differentiation marker genes

分離BMSCs細胞進行熒光定量PCR，結果如圖4所示，秦皮乙素劑量依賴地促進成骨細胞分化標記基因ALP、BSP、Col1與Runx2的表達。同時對經典Wnt信號靶基因Dkk1與轉錄因子Lef1的表達進行檢測，結果發現秦皮乙素同樣促進Dkk1與Lef1的表達，此結果提示秦皮乙素可能通過經典Wnt信號調控成骨細胞分化。

3 討論

女性較男性更易出現骨質疏松，因為絕經后的婦女雌激素缺乏，導致成骨細胞分泌核因子-κB受體活化因子配體(receptor activator for nuclear factor-κ B ligand，RANKL)，促進破骨細胞分化，使骨吸收加速，而骨形成沒有相應增加，最終引起骨小梁結構改變，骨脆性增加[6-7]。因此，雌激素缺乏引起骨重建負平衡，使骨量丟失加重，是骨質疏松的一個重要原因。盡管雌激素對于提高骨密度、降低骨折風險有很好的療效，但是長期使用雌激素提高了患乳腺癌、子宮出血與心血管疾病的風險[8-9]。對于非雌激素缺乏引發的增齡性骨質疏松癥的治療仍是一項任重而道遠的工作。C57BL/6小鼠骨量在4～8個月時達到高峰，隨后隨著年齡增大骨量逐漸丟失，類似于增齡性骨質疏松癥[10-11]。本研究利用C57BL/6小鼠構建增齡性骨質疏松癥模型，選取骨密度高峰期7月齡進行干預，避免了雌激素的影響。本實驗結果發現200 mg/kg秦皮乙素組小鼠脛骨骨密度雖有略微增加，但差異并無統計學意義，而且BMSCs礦化結節形成能力也并未見明顯增強。秦皮乙素400 mg/kg能顯著延緩小鼠的骨量丟失，10月齡時與對照組相比，骨小梁數量明顯增多，且脂肪空泡減少。

目前應用于骨質疏松癥的藥物主要為西藥，但這類藥物多數具有嚴重或潛在的不良反應，如長期使用雙膦酸鹽會導致嚴重的骨失常、肌肉疼痛與骨折[12-13]。中藥及天然藥物在預防骨質疏松癥方面具有很好的發展潛力。對傳統中藥進行2次開發，特別是開發有效部位制劑，其質量標準易于和國際公認標準接軌，是中藥現代化發展的趨勢之一。本研究中的秦皮乙素是一類廣泛存在于自然界植物中的香豆素類化合物，容易獲得，且具有安全無毒副作用，具有一定的臨床應用價值。

成骨細胞骨形成與破骨細胞骨吸收動態平衡對維持生理狀態骨代謝平衡具有關鍵作用，目前臨床治療骨質疏松策略是抑制骨吸收，而針對骨形成的靶點藥物尚未有很好的應用[14]。有研究發現秦皮乙素通過調控NFATc1與c-Fos的表達影響破骨細胞分化與功能[5]。本研究發現秦皮乙素可以劑量依賴性地促進BMSCs細胞的礦化結節形成能力，同時提高成骨細胞分化標記基因ALP、BSP、Col1與Runx2的表達，提示秦皮乙素可以促進成骨細胞分化能力，對于骨形成靶點藥物的研發具有一定的提示作用。

Wnt信號通路是生物體內廣泛存在的信號通路，激活經典Wnt信號通路引起β-actin蛋白在細胞質內的穩定、積累并進入細胞核，增加下游淋巴樣增強因子1(lymphoid enhancer-binding factor 1，Lefl)和T細胞因子(T cell factors，TCF)等轉錄因子的活性，促進下游基因轉錄[15]。因此經典Wnt信號通路在胚胎的骨骼發育和個體的骨量維持方面發揮著至關重要的作用[16]。本研究發現秦皮乙素劑量依賴性地增加了BMSCs細胞中經典Wnt信號的靶基因Lef1與Dkk1的表達，因此筆者猜測秦皮乙素可能參與調控經典Wnt信號。

綜上，本研究利用增齡性骨質疏松癥小鼠模型發現秦皮乙素可能通過調節經典Wnt信號促進成骨細胞分化，從而延緩骨量丟失，但詳細的分子機制仍待進一步研究，因此開發新的治療骨質疏松癥藥物仍是一項任重而道遠的工作。