基于GSK-3β信號通路防治骨質疏松的天然產物作用研究進展

鐘燕婷，楊亞軍，李嘉曉，廖紅波，崔 燎，2

(廣東醫科大學1.藥學院藥理學教研室、2.廣東天然藥物研究與開發重點實驗室，廣東 湛江 524023；3.華南理工大學醫學院，廣東 廣州 510110)

骨代謝是通過骨形成和骨吸收活動維持骨量和骨質量的動態平衡過程。該平衡被打破，就會引起骨代謝疾病，最常見的是骨質疏松。全世界有超過2億人患有骨質疏松。雌激素缺乏、衰老、藥物、不良生活方式等因素常常會引起骨代謝疾病，導致骨質疏松。促骨形成藥和抗骨吸收藥是當前最常見的兩大類抗骨質疏松藥物。雙磷酸鹽類等抗骨吸收藥通過抑制破骨細胞活性，顯著減少骨質流失，但存在惡心、嘔吐、消化不良等不良反應，甚至頜骨壞死[1]；特立帕肽等促骨形成藥通過刺激骨形成，顯著增加骨量，提高骨強度，但價格昂貴成為了該藥的瓶頸。Wnt/β-catenin是調節骨發育和骨代謝過程的重要信號通路[2]，而糖原合酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)作為Wnt信號通路的下游靶點，其對骨代謝的調節作用也逐漸受到重視。目前，從植物中提取天然產物是一個研究熱點。來源于植物的天然產物是一類具有不同結構的次生代謝物，具有多種活性成分和藥理作用，可作為傳統藥物用于預防和治療各種疾病。本文就天然產物如何通過GSK-3β信號通路調節對骨代謝疾病的潛在作用進行綜述。

1 GSK-3β對骨代謝的作用

骨代謝是通過成骨細胞負責的骨形成和破骨細胞負責的骨吸收進行骨轉換的一種新陳代謝過程。影響調節骨代謝的信號通路，就會影響骨代謝的發生和發展。GSK-3β作為一種骨代謝的負性調節因子，它主要通過磷酸化的方式來調控骨代謝疾病。GSK-3β氨基端的絲氨酸-9(ser-9)磷酸化后會抑制酶活性，促進骨形成；而酪氨酸-216(tyr-216)的磷酸化則增強其活性，抑制骨生成[3]。因此，有必要分析GSK-3β與成骨細胞和破骨細胞之間的聯系，詳細闡明其對骨代謝的影響。

1.1 GSK-3β與成骨細胞GSK-3β對成骨細胞的形成具有抑制作用。據報道，GSK-3β通過介導成骨細胞線粒體的凋亡，誘發股骨頭壞死[3]，這是引發骨質疏松的1個獨立風險因素。此外，GSK-3β可以影響其他細胞因子的生理作用，進而調控成骨分化功能。當GSK-3β受到抑制時，通過刺激BMP信號通路降低硬化蛋白(sclerostin)的表達，可進一步促進成骨細胞的分化[4]。另據報道，來源于骨髓成骨細胞和脂肪細胞的脂聯素受體1(AdipoR1)，其過表達可以觸發GSK-3β信號通路，進而調控小鼠的成骨細胞分化，增加骨密度[5]。目前，在成骨細胞的形成、分化和骨形成活動當中，GSK-3β如何調控骨代謝過程當中的信號通路，是否GSK-3β與前述上下游的信號分子相互作用并抑制骨形成活動，尚需進一步的研究。

1.2 GSK-3β與破骨細胞破骨細胞是一類多核巨噬細胞，由單核/巨噬細胞系前體通過一系列的增殖、分化、融合而成，具有骨吸收功能。GSK-3β在破骨細胞誘導和分化的過程中亦至關重要。據報道，在核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor-κB ligand, RANKL)誘導破骨細胞分化過程中，PI3K/Akt介導的GSK-3β(Ser9)磷酸化后以ERK依賴方式引發異質核內核糖核蛋白K(hnRNPK)的核質易位，增強GSK-3β和hnRNPK的胞質共定位和相互作用，而hnRNPK基因的敲除是導致破骨細胞吸收能力喪失的重要原因[6]。眾所周知，成骨細胞通過骨保護素(osteoprotegerin,OPG)/RANKL信號通路調控破骨細胞的形成與功能。然而，是否GSK-3β將成骨細胞與破骨細胞聯系起來完成骨重建活動，是否GSK-3β可以作為抗骨質疏松的藥靶，目前尚不清楚。

2 GSK-3β抑制劑對骨代謝相關疾病的影響

目前，科研工作者對GSK-3β抑制劑的研究取得了一些進展。鋰(Li)是最早被發現的一種GSK-3β抑制劑。據報道，氯化鋰(LiCl)對類風濕性關節炎(rheumatoid arthritis,RA)患者產生的炎癥介質具有抑制作用，但其抗炎作用的確切機制尚不清楚[7]。在脂多糖和甲基潑尼松龍誘導的大鼠股骨頭非創傷性骨壞死模型中，LiCl 能有效抵抗GSK3β (ser-9)磷酸化的降低和成骨細胞的凋亡[8]。此外，6-溴靛二脲-3′-肟(BIO)[9]和GSK-3β抑制劑能夠提高成骨分化能力，增強骨密度，促進骨重建[10]。綜上所述，GSK-3β抑制劑對骨代謝相關疾病具有良好的防治作用，它們有可能直接防治骨質疏松，也有可能通過改善原發病的癥狀治療繼發性骨質疏松。

3 天然產物通過調控GSK-3β信號通路防治骨質疏松

骨質疏松是一種慢性代謝性疾病，平衡成骨細胞和破骨細胞是維持骨骼健康的必要條件。來源于植物的天然產物主要包括黃酮類、異黃酮類、多糖和皂苷類、酚類、生物堿類、胺的衍生物類等。該類化合物因具有強抗氧化性和抗炎作用，可以通過GSK-3β信號通路，有效調節骨代謝相關指標，進而發揮抗骨質疏松作用。具體機制如下：一方面，天然產物主要通過誘導(ser9位點)或抑制(tyr216位點)GSK-3β 磷酸化，使核內β-連環蛋白聚積，進而促進成骨細胞的增殖、分化或抑制破骨細胞的生成；另一方面，天然產物通過抑制與GSK-3β相關的氧化損傷和神經元以增強成骨活性，或以雌激素依賴方式激活GSK-3β信號轉導以促進成骨，從而達到防治骨質疏松的作用。骨代謝相關指標是代表成骨細胞和破骨細胞活性的相關離子、分子及其調控激素，主要包括骨形成標志物(COL-I、Runx2、OSX、OCN、BMP2、ALP、OPN、OPG等)和骨吸收標志物(RANKL、CTSK、DC-STAMP、NFATc1、TRAF6、TRAP等)兩大類，它們對維持骨動態平衡具有重要意義。以下將以表格形式列舉各類天然產物與GSK-3β和骨質疏松的密切聯系(Tab 1)。

Tab 1 Origin， classification and pharmacological effects of natural products

4 總結與展望

骨質疏松是一種危害骨骼健康的慢性疾病，抗骨質疏松藥物的開發日益成為了國內外研究的熱點。來源于植物的天然產物是一類具有多種藥理作用的活性成分，大量研究證明，植物藥物有良好的抗骨質疏松作用，它們在體內和體外主要通過調控成骨細胞和破骨細胞之間的平衡，實現對骨質疏松的防治作用。黃酮類、異黃酮類、多糖和皂苷類、酚類、生物堿類、胺的衍生物類等天然產物防治骨質疏松的靶點眾多，GSK-3β信號通路是其中之一。在機制上，GSK-3β引起的磷酸化可能是天然產物調控骨質疏松發病的一個重要因素，促進GSK-3β ser9位點的磷酸化可以刺激骨形成，反之，觸發GSK-3β tyr216位點的磷酸化會導致骨吸收。此外，GSK-3β抑制劑同樣具有對抗骨質疏松的潛力。因此，來源于植物的天然產物和GSK-3β信號通路有望成為防治骨質疏松的新靶點。隨著研究的不斷深入，有必要深入研究天然產物的藥效學、毒理學和構效關系，以便進入臨床用于骨質疏松的治療。