異補(bǔ)骨脂素調(diào)節(jié)骨代謝的研究進(jìn)展

劉雨昕 孟明星 周茜 徐紅丹 張博 李微*

1. 湖北文理學(xué)院醫(yī)學(xué)部，湖北 襄陽(yáng) 441053 2. 無錫衛(wèi)生高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214028 3. 黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)藥研究院，黑龍江 哈爾濱 150040

1 異補(bǔ)骨脂素的來源及功效

異補(bǔ)骨脂素(Isopsoralen, ISO)是豆科植物中呋喃香豆素類提取物，是補(bǔ)腎中藥補(bǔ)骨脂的主要有效活性成分之一。補(bǔ)骨脂是比較常見的傳統(tǒng)中草藥，以干燥成熟的果實(shí)入藥[1]，據(jù)《雷公炮炙論》記載，其具有補(bǔ)腎、壯陽(yáng)、納氣溫脾等功效，臨床常用于治療陽(yáng)痿早泄，腎虛作喘，腰膝酸痛等病癥。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)骨脂具有多樣化的藥理作用，如雌激素樣作用、抗癌作用、抗骨質(zhì)疏松作用、神經(jīng)系統(tǒng)的保護(hù)和調(diào)節(jié)作用等[2]。另外，外用還可用來治療白癜風(fēng)和斑禿等皮膚病。

2 益腎藥治療骨代謝的機(jī)理

據(jù)《黃帝內(nèi)經(jīng)》中《素問·痿論篇》記載“腎者水藏也……則骨枯而髓虛……發(fā)為骨痿”。明代的醫(yī)學(xué)家張景岳也提出“腎痿者，骨痿也”的理論。《素問·六節(jié)藏象論》也有類似記載 “腎者，封藏之本，精之處也，其華在發(fā)，其充在骨……”。這些內(nèi)容說明腎中精氣決定了骨骼發(fā)育是否健康。人至中老年后，腎精漸虧，骨滋養(yǎng)不足，易誘發(fā)骨量減少、齒松、骨折等癥狀，因此判斷骨質(zhì)疏松癥的根本誘發(fā)原因是腎精虧虛[3]。

基于上述理論很多具有補(bǔ)腎功效的中藥被廣泛應(yīng)用于骨病的防治。比較典型的代表方劑有：滋腎陰的左歸丸、六味地黃丸；補(bǔ)腎陽(yáng)的右歸丸、金匱腎氣丸以及其他補(bǔ)腎方藥[4]；單味中藥包括有：淫羊藿[5]、地黃[6]、補(bǔ)骨脂[7]等。

3 異補(bǔ)骨脂素在骨代謝領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

異補(bǔ)骨脂素是補(bǔ)骨脂發(fā)揮多種藥理作用的重要活性成分之一。近年來，異補(bǔ)骨脂素在骨病領(lǐng)域研究頗多。主要包括以下幾個(gè)方面。

3.1 促進(jìn)成骨細(xì)胞分化

成骨細(xì)胞和骨髓的脂肪細(xì)胞均來源于骨源性骨髓間充質(zhì)細(xì)胞(BMSCs)，ISO可通過促進(jìn)BMSCs向成骨分化，抑制其成脂分化，促進(jìn)骨質(zhì)疏松狀態(tài)下的骨形成。研究[8]表明，經(jīng)ISO處理的BMSCs，堿性磷酸酶(ALP)、骨鈣素(OCN)和Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2 (Runx2)表達(dá)水平均不同程度的升高，且其可直接抑制雷帕霉素復(fù)合物1 (mTORC1)信號(hào)通路的下游效應(yīng)因子 S6 (S235/236)的磷酸化，促進(jìn)4E/BPI (Thr37/46)的磷酸化，提示其可能通過抑制mTORC1信號(hào)來阻止骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞脂肪生成，促進(jìn)成骨細(xì)胞的生成。另有研究[9]也證明，動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中ISO可以增加OVX小鼠的骨參數(shù)(小梁厚度，股骨遠(yuǎn)端干骺端骨體積/總體積和骨小梁數(shù)量)，減少脂肪細(xì)胞數(shù)量，ISO可以促進(jìn)大鼠BMSCs的菌落形成單位及ALP含量，減少干細(xì)胞脂肪滴的數(shù)量和細(xì)胞體積，驗(yàn)證了ISO能夠促進(jìn)大鼠的BMSCs向成骨分化，同時(shí)抑制其成脂分化的作用。另有研究[10]證實(shí)芳香烴受體(arylhydrocarbon receptor, AhR)是成骨分化的負(fù)向調(diào)控因子，該受體被激活后可促進(jìn)骨吸收增加，ISO可與AhR結(jié)合，通過激活A(yù)hR/ERa通路促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，增加骨形成。

3.2 抑制破骨細(xì)胞形成

破骨細(xì)胞是調(diào)控骨吸收的功能細(xì)胞，其作用與成骨細(xì)胞相互對(duì)應(yīng)。在骨骼的發(fā)育和形成過程中二者相互協(xié)調(diào)，維持骨代謝的穩(wěn)態(tài)。破骨細(xì)胞活性增加的主要標(biāo)志物包括抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate resistant acid phosphatase, TRACP)和組織蛋白酶K[11]。研究[12]表明糖皮質(zhì)激素刺激大鼠制作的激素型骨質(zhì)疏松模型，選擇ISO干預(yù)治療一定時(shí)間后，ISO組大鼠血清鈣、磷及TRACP水平明顯低于對(duì)照組，血清ALP水平高于對(duì)照組，表明ISO可有效刺激成骨細(xì)胞的骨形成，且同時(shí)抑制破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收。

3.3 雌激素樣作用

雌激素對(duì)骨生成有促進(jìn)作用[13]，而ISO是典型的香豆素雌激素，其可通過與雌激素受體結(jié)合發(fā)揮雌激素樣作用[14]，能夠明顯抑制脊髓損傷誘發(fā)的神經(jīng)元凋亡[15]。在小鼠性成熟的過程中，ERa促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，而ERa缺乏降低縱向骨生長(zhǎng)[16-17]，研究[10]證實(shí)，ISO可以替代雌激素作用于ER發(fā)揮促進(jìn)成骨細(xì)胞分化和增殖的作用，主要通過抑制AhR的方式增加ERa的表達(dá)，即通過AhR/ERa軸促進(jìn)成骨細(xì)胞分化。

3.4 抗氧化應(yīng)激作用

H2O2處理OB-6成骨細(xì)胞，細(xì)胞凋亡增加和ROS產(chǎn)生增加，細(xì)胞活力降低，OCN、Runx2的表達(dá)水平和鈣沉積降低。這些因子對(duì)骨的形成有至關(guān)重要的作用，故氧化應(yīng)激會(huì)抑制骨的形成。H2O2誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞中，ISO可通過抑制ROS的產(chǎn)生對(duì)線粒體功能發(fā)揮保護(hù)作用，顯著降低了H2O2介導(dǎo)的ROS生成，促進(jìn)OB-6細(xì)胞中鈣的積累，OCN和Runx2 mRNA表達(dá)增加，增強(qiáng)骨保護(hù)作用[18]。

3.5 影響骨代謝信號(hào)通路

Wnt信號(hào)通路是成骨細(xì)胞生成、分化和增殖過程中的關(guān)鍵信號(hào)通路。β-catenin是該通路中的關(guān)鍵靶點(diǎn)蛋白，可以啟動(dòng)Wnt信號(hào)通路，而另外一個(gè)關(guān)鍵的骨架蛋白Axin2則是抑制Wnt信號(hào)通路的主要蛋白。ISO可降低FoxO3a的表達(dá)進(jìn)而啟動(dòng)Wnt信號(hào)通路，改善骨質(zhì)疏松癥狀。實(shí)驗(yàn)[19]表明，ISO可多途徑發(fā)揮作用，一方面通過抗氧化作用抑制FoxO3a信號(hào)通路激活，同時(shí)增加β-catenin蛋白表達(dá)，促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖和誘導(dǎo)骨形成；另一方面通過清除過多的活力氧(ROS), 下調(diào)Axin2的表達(dá)，阻斷Axin2對(duì)Wnt信號(hào)通路的抑制，發(fā)揮防治骨質(zhì)疏松的作用。ISO通過對(duì)Axin2 /PPAR-γ 信號(hào)通路的抑制，進(jìn)而激活 Wnt 信號(hào)通路，參與骨代謝的正向調(diào)節(jié)[20]。另外，BMCSs可通過外泌體加快血管形成、增強(qiáng)免疫調(diào)節(jié)及再生功能，間接促進(jìn)成骨細(xì)胞功能，另有研究反向證明，外泌體表達(dá)譜在成骨分化和增殖過程中會(huì)明顯的增加，對(duì)成骨分化發(fā)揮促進(jìn)作用。因此，BMCSs源性的外泌體不僅可通過促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，促進(jìn)骨髓基質(zhì)細(xì)胞向骨細(xì)胞轉(zhuǎn)變，同時(shí)也通過激活Wnt信號(hào)，進(jìn)而抑制Axin表達(dá)，增加骨形成，且ISO干預(yù)后，BMCSs源性外泌體調(diào)控MC3T3-E1細(xì)胞分化的作用顯著提高[21]。

ISO和鋅對(duì)Ⅰ型糖尿病誘發(fā)的骨量減少均有改善作用且兩者聯(lián)合使用效果更佳，其作用機(jī)制可能是通過激活GSK-3β/β-catenin 信號(hào)通路[22]。絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥(postmenopausal osteoporosis, PMOP)的主要誘因是卵巢功能減低，雌激素水平降低，進(jìn)而引發(fā)骨膠原丟失，而轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(TGF)-β1是促進(jìn)膠原合成的重要細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)因子。ISO可使MC3T3-E1細(xì)胞中膠原蛋白表達(dá)顯著上調(diào)，抑制Smad7蛋白表達(dá)，激活TGF-β1信號(hào)通路，最終促進(jìn)膠原合成[23]。實(shí)驗(yàn)表明，Runx 2 /人基質(zhì)金屬蛋白-13 (matrix metalloproteinase-13 MMP13)信號(hào)通路，在骨質(zhì)疏松大鼠骨組織病變過程中發(fā)揮重要的作用。ISO可上調(diào)骨組織 Runx 2 表達(dá)、抑制MMP13表達(dá)，且提高骨質(zhì)疏松大鼠骨密度改善其骨代謝和骨組織結(jié)構(gòu)[24]。另有研究[15]發(fā)現(xiàn)ISO通過調(diào)節(jié)PI3K/AKT通路磷酸化表現(xiàn)顯著的抗細(xì)胞凋亡作用。見表1。

3.6 異補(bǔ)骨脂素在骨病領(lǐng)域的臨床應(yīng)用

治療關(guān)節(jié)炎的作用：通過建立RA成纖維細(xì)胞樣滑膜細(xì)胞(FLSs)小鼠模型和膠原誘導(dǎo)關(guān)節(jié)炎(CIA)小鼠模型，結(jié)果證實(shí)ISO能夠通過抑制RA FLSs細(xì)胞因子的產(chǎn)生、遷移、侵襲和促血管生成能力來改善RA FLSs的炎癥表型。ISO還可通過降低爪子厚度、關(guān)節(jié)炎評(píng)分、骨損傷和血清炎癥細(xì)胞因子水平顯著降低小鼠CIA的嚴(yán)重程度。且機(jī)制研究表明，巨噬細(xì)胞遷移抑制因子(macrophage migration inhibitory factor, MIF)是炎癥產(chǎn)生過程中的關(guān)鍵蛋白，它是ISO發(fā)揮抗炎作用的特異性靶點(diǎn)[25]。

防治PMOP的作用：DNA甲基化的概念是DNA的甲基轉(zhuǎn)移酶促使甲基轉(zhuǎn)移到DNA分子CpG的胞嘧啶上，則甲基化基團(tuán)阻斷轉(zhuǎn)錄因子與調(diào)控序列的結(jié)合進(jìn)而抑制骨代謝相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄，調(diào)控基因的表達(dá)，預(yù)防骨質(zhì)疏松。研究表明仙靈骨葆膠囊(主要成分含有補(bǔ)骨脂)可逆轉(zhuǎn)卵巢摘除誘發(fā)的骨組織Leptin啟動(dòng)子高甲基化從而抑制其轉(zhuǎn)錄，下調(diào)其表達(dá)，進(jìn)而下調(diào)核心結(jié)合因子α1、ALP、OCN、骨橋蛋白、COL-Ⅰ，抑制成骨細(xì)胞分化和骨形成導(dǎo)致骨質(zhì)疏松[26]。

治療牙周炎的作用：有研究證實(shí)補(bǔ)骨脂素和ISO對(duì)牙周致病菌P.gingivalis具有顯著的抗菌作用，可以抑制P.gingivalis LPS誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，還可促進(jìn)人牙周膜細(xì)胞的成骨向分化，對(duì)牙周炎小鼠具有保護(hù)作用，提示補(bǔ)骨脂素和異補(bǔ)骨脂素具有用于牙周炎預(yù)防和治療的潛在可能[27]。

4 異補(bǔ)骨脂素的藥物安全性

補(bǔ)骨脂是異補(bǔ)骨脂素的主要來源，據(jù)報(bào)道，補(bǔ)骨脂的毒性反應(yīng)主要與呋喃香豆素類成分有關(guān)[28]，異補(bǔ)骨脂素則為呋喃香豆素類的主要代表成分之一，且有研究表明，異補(bǔ)骨脂素和補(bǔ)骨脂素不僅是功能性成分，也是毒性成分[29]，其主要的靶器官為肝臟、腎上腺、前列腺及精囊腺等[30]。研究顯示，異補(bǔ)骨脂素灌胃的大鼠可觀察到肝臟、胰腺和生殖系統(tǒng)組織發(fā)生病理學(xué)變化，且代謝組學(xué)分析顯示許多代謝物發(fā)生變化，尤其是氨基酸代謝發(fā)生顯著性改變[31]。目前對(duì)于異補(bǔ)骨脂素的毒性研究主要集中在肝毒性和血清代謝物改變[32]，據(jù)當(dāng)前報(bào)道其肝毒性的主要致病機(jī)制與線粒體功能障礙、細(xì)胞凋亡[33]和細(xì)胞色素P450有關(guān)[34]。

5 小結(jié)與展望

綜上，異補(bǔ)骨脂素作為典型的天然植物雌激素，其對(duì)維持骨代謝的穩(wěn)態(tài)具有重要的作用，可通過調(diào)節(jié)骨代謝信號(hào)通路促進(jìn)成骨細(xì)胞分化、抑制成脂分化、抑制破骨細(xì)胞的分化和增殖、抗炎、抗氧化應(yīng)激等途徑改善骨代謝紊亂。但目前為止，其具體作用機(jī)制尚未明確，不良反應(yīng)也未探析清楚，故進(jìn)一步探索異補(bǔ)骨脂素防治骨質(zhì)疏松癥等骨代謝紊亂的作用機(jī)制及其毒性作用對(duì)骨代謝相關(guān)疾病有重要學(xué)術(shù)價(jià)值和社會(huì)意義。