中藥活性成分靶向激活A(yù)MPK防治骨質(zhì)疏松癥的研究進(jìn)展

孫娜 張麗妍 徐鋼 李忠海

1.大連市第三人民醫(yī)院，遼寧 大連 116091 2.大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院，遼寧 大連 116011 3.遼寧省骨相關(guān)疾病修復(fù)重塑分子機(jī)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116011

高致殘和致死率的骨質(zhì)疏松骨折是嚴(yán)重影響個(gè)體生活質(zhì)量的棘手難題。在防治方面，缺少靶點(diǎn)明確和藥效顯著的特效藥已成為亟待解決的臨床難題[1-2]。AMP活化蛋白激酶(AMPK)，是由一個(gè)催化α亞基和兩個(gè)調(diào)節(jié)亞基(β和γ)組成的異源三聚體酶復(fù)合物，是細(xì)胞的能量感受器。據(jù)研究表明，在由骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)、成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞等構(gòu)成的骨多細(xì)胞單位中，以激活A(yù)MPK為中心的信號(hào)網(wǎng)在骨質(zhì)疏松的關(guān)鍵病因——骨重建失衡中發(fā)揮著重要作用，在骨質(zhì)疏松癥發(fā)病機(jī)制中占據(jù)重要地位[3-4]。本文以中藥激活A(yù)MPK靶點(diǎn)防治骨質(zhì)疏松癥為研究證據(jù)，論證靶向激活A(yù)MPK作為防治骨質(zhì)疏松癥的新方向。

圖1 促進(jìn)BMSCs成骨分化抑制成脂分化、促進(jìn)成骨細(xì)胞分化和抑制破骨細(xì)胞分化的AMPK信號(hào)通路Fig.1 The AMPK signaling pathway that promotes BMSCs osteogenic differentiation, inhibits lipid differentiation, promotes osteoblast differentiation, and inhibits osteoclast differentiation

1 AMPK促進(jìn)BMSCs向成骨細(xì)胞分化，抑制其向脂肪細(xì)胞分化

在小鼠間充質(zhì)干細(xì)胞C3H10T1/2中，激活A(yù)MPK可以通過(guò)Wnt/β-catenin信號(hào)通路而促進(jìn)成骨分化抑制成脂分化，通過(guò)PPAR-γ促進(jìn)成脂分化而抑制成骨分化[5]。在BMSCs的成骨分化過(guò)程中，AMPK通過(guò)ERK途徑而影響Runx-2和PPAR-γ的表達(dá)等[6]，AMPK/mTOR信號(hào)軸控制BMSCs向成骨細(xì)胞分化[7]。另外，在模擬BMSCs成骨分化和成脂分化的小鼠前成骨細(xì)胞MC3T3-E1和小鼠前脂肪細(xì)胞3T3-L1模型中，過(guò)表達(dá)AMPK均通過(guò)AMPK/Gfi1/OPN信號(hào)軸分別促進(jìn)前者的成骨分化和抑制后者的成脂分化[8]。綜上，激活的AMPK可以通過(guò)以上4條信號(hào)通路來(lái)促進(jìn)BMSCs成骨分化，抑制其成脂分化(圖1)。

中藥虎杖、桑椹等所含多酚類化合物白藜蘆醇通過(guò)激活A(yù)MPK而抑制內(nèi)源性活性氧的產(chǎn)生從而改善衰老BMSCs的成骨分化作用，其可能通過(guò)SIRT1或者LKB1激活A(yù)MPK/mTOR信號(hào)軸而抑制活性氧的產(chǎn)生，進(jìn)而促進(jìn)成骨分化[9]。

2 AMPK促進(jìn)成骨細(xì)胞分化

AMPKα1催化亞基敲除小鼠出生后發(fā)育遲緩，松質(zhì)骨體積和皮質(zhì)骨長(zhǎng)度和密度均減少，而股骨皮質(zhì)疏松增加，并出現(xiàn)顱骨缺損；在原代培養(yǎng)的顱骨AMPK-/-成骨細(xì)胞中，成骨標(biāo)志物均顯著減少，而骨轉(zhuǎn)換增加[10]；較早研究報(bào)道脂聯(lián)素通過(guò)脂聯(lián)素受體激活A(yù)MPK信號(hào)通路而誘導(dǎo)人源成骨樣細(xì)胞hFOB中骨形成蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)-2表達(dá)[11]；在小鼠MC3T3E1成骨細(xì)胞中，激活的AMPK通過(guò)BMP-2/Smad信號(hào)通路[12-13]和Smad/Dlx5/Runx-2信號(hào)通路[12]促進(jìn)成骨分化，增加I型膠原蛋白(type I collagen，Col-Ⅰ)和成骨相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子Osterix(Osx)的mRNA表達(dá)，增加堿性磷酸酶(alkaline phosphatase, ALP)和骨鈣素(osteocalcin，OCN)的蛋白表達(dá)量；在大鼠UMR-106成骨細(xì)胞中，激活的AMPK可以通過(guò)磷酸化β-catenin的Ser552位點(diǎn)促進(jìn)后者核移位，導(dǎo)致淋巴增強(qiáng)因子(lymphoid enhancer factor，LEF)/T細(xì)胞因子(T-cell factor，TCF)轉(zhuǎn)錄因子的激活，促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖和分化[14]；另外，經(jīng)典的激活的Wnt與低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白(low-density lipoprotein receptor-related protein，LRP)等結(jié)合促使糖原合酶激酶(glycogen synthase kinase，GSK)-3β失活而增加胞質(zhì)內(nèi)β-catenin積累并促進(jìn)核移位進(jìn)而通過(guò)LEF/TCF可以激活MC3T3-E1成骨細(xì)胞中BMP-2的表達(dá)發(fā)揮促成骨作用[15]。綜上所述，激活的AMPK可能包括直接通過(guò)BMP-2/Smad/Runx-2信號(hào)通路促進(jìn)成骨分化或者通過(guò)Wnt/β-catenin信號(hào)通路來(lái)促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖和分化(圖1和2)。

人參皂苷Rd激活A(yù)MPK/BMP-2信號(hào)途徑促進(jìn)成骨細(xì)胞MC3T3-E1的成骨分化和礦化[13]；博落回、白屈菜和血水草中血根堿激活A(yù)MPK/BMP-2/Smad1信號(hào)途徑促進(jìn)成骨細(xì)胞MC3T3-E1的分化，其促成骨的效果在卵巢切除致骨質(zhì)疏松模型大鼠中得到驗(yàn)證[16]。骨碎補(bǔ)等所含柚皮苷可以激活A(yù)MPK/β-catenin信號(hào)途徑促進(jìn)大鼠UMR-106成骨細(xì)胞增殖和分化[14]；當(dāng)歸、黃芪、葛根和雞血藤等所含芒柄花黃素激活A(yù)MPK/β-catenin信號(hào)途徑抑制脂肪形成，改善高脂飲食誘導(dǎo)C57BL/6小鼠的肥胖和骨丟失[17]。此外，毛果魚藤(土甘草)中黃銅活性成分高山異黃酮(Alpinumisoflavone)通過(guò)激活A(yù)MPK/NOX-2信號(hào)途徑抑制活性氧產(chǎn)生而緩解糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)的骨細(xì)胞凋亡[18]。

圖2 成骨細(xì)胞中AMPK/β-catenin/BMP-2促成骨信號(hào)通路Fig.2 AMPK/β-catenin/BMP-2 signal pathway to promote osteogenesis in osteoblasts

3 AMPK抑制破骨細(xì)胞分化

在AMPK催化亞基敲除小鼠中，多核的破骨細(xì)胞形成增加，加速破骨細(xì)胞的分化[19]。在原代培養(yǎng)的小鼠破骨細(xì)胞中，激活A(yù)MPK能夠通過(guò)抑制NF-κB、JNK、p38、Akt、c-Fos和NFATc1而抑制破骨細(xì)胞形成和骨吸收[20]，通過(guò)c-Fos/NFATc1信號(hào)通路來(lái)負(fù)調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞分化[20-22]。綜上，激活的AMPK可以通過(guò)c-Fos/NFATc1信號(hào)通路來(lái)抑制破骨細(xì)胞分化(圖1)。

在卵巢切除誘導(dǎo)的小鼠模型中，豚草中高車前素激活A(yù)MPK信號(hào)途徑而發(fā)揮抗骨質(zhì)疏松作用[23]。綠茶中兒茶素沒(méi)食子酸酯(綠茶多酚)通過(guò)下調(diào)c-Fos的表達(dá)、抑制NF-κB信號(hào)途徑而抑制破骨細(xì)胞生成[24]；兒茶素沒(méi)食子酸酯還可以激活A(yù)MPK抑制骨吸收而緩解卵巢切除誘導(dǎo)的大鼠骨丟失[25]。

4 總結(jié)與展望

在BMSCs中，Wnt/β-catenin信號(hào)通路對(duì)于促進(jìn)其成骨分化、抑制成脂分化等起到重要作用[26]；此外，ERK和mTOR信號(hào)通路也均受AMPK調(diào)控而影響其成骨成脂的分化調(diào)節(jié)[27]。最近研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)表達(dá)AMPK可以影響一種多域、多功能的轉(zhuǎn)錄因子Gfi1，從而上調(diào)OPN，調(diào)控成骨成脂分化[8]。在成骨細(xì)胞中，除經(jīng)典的Wnt/β-catenin信號(hào)通路外，BMP/Smad/Runx-2信號(hào)通路與骨形成密切相關(guān)，BMP-2可以激活Smad調(diào)節(jié)成骨轉(zhuǎn)錄因子Runx-2和Osx等發(fā)揮作用[28]。在破骨細(xì)胞中，c-Fos和NFATc1是破骨細(xì)胞生成的兩個(gè)重要因子，能夠促進(jìn)下游降鈣素受體和抗酒石酸酸性磷酸酶等的基因表達(dá)[29]。

中醫(yī)根據(jù)骨質(zhì)疏松起病于中、老年，以腰背痛、駝背、易骨折為主癥的特點(diǎn)，將其歸屬中醫(yī)學(xué)“骨痿”“骨枯”“骨縮”的范疇。常見(jiàn)抗骨質(zhì)疏松中藥包括淫羊藿、骨碎補(bǔ)、補(bǔ)骨脂、蛇床子、杜仲、續(xù)斷、地黃和狗脊等[30-35]。其中，淫羊藿、骨碎補(bǔ)、蛇床子、補(bǔ)骨脂可通過(guò)上調(diào)BMP-Smads、Wnt/β-catenin信號(hào)通路中BMP-2、Smad1/5/8、Wnt3a及β-catenin等關(guān)鍵蛋白及基因的表達(dá)，促進(jìn)成骨細(xì)胞的骨形成[28，30]；淫羊藿、骨碎補(bǔ)和補(bǔ)骨脂等通過(guò)介導(dǎo)OPG/RANKL/RANK信號(hào)通路，上調(diào)OPG和OPG/RANKL的表達(dá)，抑制破骨細(xì)胞的骨吸收[30]。淫羊藿中的淫羊藿苷、骨碎補(bǔ)中的柚皮苷和補(bǔ)骨脂中的補(bǔ)骨脂素等既可以通過(guò)調(diào)控BMP-Smads、Wnt/β-catenin等信號(hào)通路促進(jìn)骨形成，又可以活化OPG/RANKL/RANK、CTSK等信號(hào)通路抑制骨吸收[30]。這些抗骨質(zhì)疏松中藥及活性成分作用的促成骨和抑破骨信號(hào)通路均為AMPK信號(hào)途徑的下游，其是否同時(shí)激活A(yù)MPK信號(hào)途徑尚不明確，仍有待后續(xù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。此外，對(duì)于地黃和狗脊及其活性成分的抗骨質(zhì)疏松作用機(jī)制是否與激活A(yù)MPK相關(guān)等問(wèn)題，仍有待深入研究[33-35]。

從該綜述的文獻(xiàn)結(jié)果中可以看出，靶向激活A(yù)MPK信號(hào)途徑發(fā)揮抗骨質(zhì)疏松作用的中藥活性成分既包含上述常見(jiàn)抗骨質(zhì)疏松中藥活性成分如柚皮苷和白藜蘆醇等，又包含一些新的抗骨質(zhì)疏松中藥活性成分如血根堿、高車前素和綠茶多酚等，關(guān)于這些活性成分對(duì)于成骨細(xì)胞的影響報(bào)道較多，而對(duì)于BMSCs和破骨細(xì)胞的研究報(bào)道較少，后兩者中AMPK的靶向激活情況仍待后續(xù)研究和挖掘。抗骨質(zhì)疏松中藥的主要作用靶標(biāo)為骨髓中BMSCs以及骨中成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞，能夠充分發(fā)揮其多成分協(xié)同作用的優(yōu)勢(shì)；然而，各有效成分分別對(duì)于上述細(xì)胞分化、增殖以及凋亡作用的效果主次、大小、優(yōu)劣等卻鮮有衡量和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，這方面也亟待日后深入研究。

總而言之，AMPK作為細(xì)胞的能量感受器，被靶向激活后既促進(jìn)骨髓中BMSCs成骨分化抑制成脂分化，又促進(jìn)骨中成骨細(xì)胞分化、抑制破骨細(xì)胞分化，在骨質(zhì)疏松發(fā)病機(jī)制——骨代謝失衡中扮演重要角色，這為常見(jiàn)抗骨質(zhì)疏松中藥和活性成分以及篩選抗骨質(zhì)疏松中藥和活性成分均提供新靶點(diǎn)和研究目標(biāo)，很有可能成為抗骨質(zhì)疏松中藥及活性成分研究的新方向。