膠原蛋白改善骨關節健康的研究進展

馬晨瑋，田曉靜，張凱，汪洋，張亞飛，劉新柱，王穩航,2*

1(天津科技大學 食品科學與工程學院，天津，300457)2(星甲(天津)生物技術有限公司 卡勒貞產品開發中心，天津，300457)

骨關節炎是全球范圍內致殘及致畸率較高的一種慢性、進行性疾病，以關節基質崩解、軟骨細胞的減少為主要特征。公眾對骨關節炎的關注度因人口老齡化的加快和預期壽命的延長而提高[1]。相關研究證實，骨關節炎對年輕人群體的影響日益顯著，并對其生活質量產生負面影響。目前，治療骨關節炎藥物的主要作用途徑是減輕疼痛，而未對內在軟骨細胞及基質大分子的合成起到任何作用。盡管目前在改善骨關節炎方面應用了不同的替代療法，如補充硫酸軟骨素、葡萄糖胺等[2]，但仍存在不足，葡萄糖胺干擾了葡萄糖運輸和胰島素分泌，導致高血糖和胰島素抵抗。近年來，膠原蛋白的安全性已得到認證，且其對骨關節炎的改善帶來了新的啟發，從而彌補了上述療法的不足[3]。然而，目前關于膠原蛋白治療骨關節炎的研究還相對較少，本文系統綜述了膠原蛋白在改善骨關節炎方面的研究進展，為膠原蛋白作為新的營養補充劑提供理論參考。

1 關節軟骨與骨關節炎

軟骨是一種特殊的、堅韌的、有彈性的組織，它覆蓋在關節的長骨末端[4]，具有低摩擦系數和光滑的關節表面。軟骨由 90%的細胞外基質(extracellular matrix, ECM)和10%的軟骨細胞組成。ECM包含大量的水[5]，其余為有機物質。在軟骨的有機物質中，主要的蛋白質是Ⅱ型膠原蛋白，其占軟骨膠原蛋白的 90%～95%。因此，Ⅱ型膠原蛋白被認為是軟骨的特征性膠原蛋白，具有促進軟骨細胞分化的功能。軟骨細胞是軟骨中唯一的細胞結構，其過度凋亡會打破ECM合成和降解的平衡，可加快骨關節炎的發病進程[6]。作為最常見的關節疾病，骨關節炎主要是在機械和生物因素共同作用下，引起軟骨細胞、ECM和軟骨下骨的分解代謝和合成的失衡[7-8]。軟骨細胞在調節合成代謝和分解代謝過程中起著中心作用，二者之間的平衡維持著軟骨基質合成代謝和分解代謝的平衡，二者之間的失衡是ECM的降解和破壞的根本原因。

據統計，我國65歲以上膝骨關節炎患病率高達85%，且女性高于男性，致殘率高達53%[9]；到2050年，全球預計至少有 1.3億人患骨關節炎[10-11]。骨關節炎主要影響負重關節，造成慢性疼痛和功能障礙[12]，極大地降低了人們的生活質量[13-14]，從而加快了衰老的步伐，最終可能導致患者過早死亡[15]，但至今確切病因尚不清楚。

2 骨關節炎發病機制

骨關節炎潛在的病理特征比簡單的軟骨“磨損”更為復雜。它不是一種單一組織疾病，而是涉及整個關節的疾病[16]。隨著骨關節炎的發展，軟骨機制的平衡被打破，導致軟骨結構破壞和軟骨損傷。

2.1 結構成分的損失或破壞

骨關節炎的發病機制涉及多種途徑之間的相互作用，其中，肥胖、衰老、創傷、重復性劇烈關節活動和遺傳均是發病的危險因素。其中Ⅱ型膠原蛋白質的降低和量的減少是關節軟骨喪失其正常生物力學特性的直接原因。如果軟骨中的Ⅱ型膠原蛋白被破壞，則易使軟骨細胞暴露，引起細胞機械性損傷，造成軟骨結構的缺損和破壞，最終引發骨關節炎。

2.2 炎癥因子

骨關節炎的臨床癥狀與滑膜炎及軟骨的損傷有關。在骨關節炎的發展過程中，關節軟骨也會產生幾種與轉化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)作用相反的促炎因子，如白細胞介素-1b(interleukin-1b，IL-1b)[17]、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)和前列腺素E2。

這些促炎因子通過上調基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteases, MMPs)與蛋白聚糖酶等[18-19]多種分解代謝介質，來抑制ECM合成和降解酶的表達，從而影響關節軟骨分解代謝[17]，導致ECM降解，最終引起關節軟骨損傷[20]。IL-1b 和 TNF-α上調軟骨細胞中與軟骨基質破壞相關的因子，如MMPs、誘導酶與自由基等，同時通過抑制軟骨特異性基因的表達抑制軟骨基質的合成[21]。

圖1 促炎因子誘導關節損傷機制[21]Fig.1 Mechanism of joint injury induced by pro-inflammatory factors[21]

2.3 軟骨細胞衰老

年齡是骨關節炎的危險因素之一[22]，骨關節炎與年齡增加引起的軟骨細胞衰老及軟骨損傷修復異常密切相關[23-24]。除此之外，衰老細胞能夠加速軟骨退變進程[24-25]，這些相關的老化改變了基質的組成，使得軟骨失去彈性，更易受外界損傷。GAO等[23]發現在膝骨關節炎受損軟骨組織周圍與衰老相關的 β-半乳糖苷酶染色陽性的軟骨細胞增多，且陽性細胞數量與骨關節炎嚴重程度密切相關。XU等[26]將體外構建的帶熒光標記的衰老軟骨細胞移植入野生型小鼠膝關節中，通過 18-脫氧葡萄糖正電子發射斷層掃描示蹤衰老軟骨細胞，移植衰老軟骨細胞的小鼠表現出典型骨關節炎病理變化。由此可見，軟骨細胞衰老在骨關節炎病理生理過程中發揮了重要作用，但調控軟骨細胞衰老的具體機制暫不明確。JEON等[24]從接受全膝關節置換術的骨關節炎患者的軟骨細胞中選擇性去除衰老細胞，發現了衰老和炎癥標志物的表達降低，同時軟骨組織ECM蛋白的表達有所增加。

3 骨關節炎的營養補充劑——膠原蛋白及其水解物

3.1 營養補充劑

骨關節炎的治療旨在控制疾病的發展進程，緩解疼痛，最終改善或維持軟骨關節的正常功能。雖然傳統的治療藥物(如阿司匹林和雙氯芬酸[27-28])有一定的治療效果，但長時間使用會產生一定的不良反應，例如皮疹、過敏、腎功能損害、心血管疾病風險增加以及胃腸道出血，限制了其作為臨床一線藥物的長期使用[29-30]。而營養補充劑則通過直接供應天然化合物，從而抑制或增強生物介質在維持身體結構和功能完整方面的作用。因此，在改善骨關節炎方面開始傾向于補充營養劑，包括補充硫酸軟骨素、葡萄糖胺和透明質酸以及膠原衍生物，補充營養劑既可以緩解癥狀，又可以對軟骨及軟骨細胞起到調節作用[2]。目前，葡萄糖胺[31-32]和硫酸軟骨素的聯合應用來緩解疼痛和促進軟骨再生最為常見[33-34]。然而，也有研究表明，葡萄糖胺會干擾葡萄糖運輸和胰島素分泌，進而導致高血糖和胰島素抵抗[35]，因此，其療效有待進一步探究。

盡管目前在緩解骨關節炎相關疼痛和抑制炎癥方面取得了重大進展，但依舊有很大的發展空間。現如今，人們更加關注健康飲食對疾病的預防作用，這不僅可以緩解病痛，還可以延緩疾病發展，且無毒副作用。由于口服使用的膠原蛋白可在腸道中被消化并可參與目標組織中的代謝過程，且膠原蛋白衍生產品(如明膠或水解膠原蛋白)的安全性已得到醫療界的認可[36]。近些年的研究也發現天然或水解膠原蛋白在治療骨關節炎方面有積極作用[37]。膠原蛋白在癥狀治療方面與非甾體類抗炎藥相似，因此，膠原衍生物在改善骨關節炎方面值得深入探索。

3.2 膠原蛋白及其水解物

臨床上用于骨關節炎治療的三大膠原衍生物主要是基于膠原蛋白的不同水解程度來劃分的，分別為明膠、水解膠原和天然未變性膠原。膠原蛋白是一種天然蛋白質，是ECM的主要蛋白質成分，其含有特定的氨基酸，即羥脯氨酸(hydroxyproline，Hyp)。雖然未變性Ⅱ型膠原已被證明可以保護關節[38-39]，減少關節損傷的發生[40]，但由于其高分子質量和三螺旋結構，口服攝入的天然膠原蛋白吸收效果不佳，而膠原蛋白水解物可以提高其吸收效果。

膠原蛋白水解物也被稱為水解膠原蛋白(hydrolyzed collagen，CH)，是天然膠原蛋白經過變性和水解，生成分子質量非常低(3～6 kDa)[41]的膠原肽，CH具有更高的生物利用度和溶解度，在傳統醫學中被用于改善血液循環和緩解骨關節炎相關的疼痛等。不同處理方法產生的CH具有不同的膠原肽序列和分子質量，這些差異可能影響其調節關節炎癥和軟骨下骨作用。它們以不同的組合和排列方式通過肽鍵共價連接，主要為含Gly-X-Y的重復結構。研究表明當膠原蛋白以三肽形式攝入時，水解產物能被人體有效吸收。CH獨特的氨基酸組成和結構使其具有良好的穩定性和不同的蛋白酶裂解位點；且高含量脯氨酸的CH通常會因為裂解位點附近的脯氨酸殘基，阻止蛋白酶進一步裂解肽鍵，從而提高了它們對消化酶和腸道肽酶的穩定性，因而更容易被小腸吸收。BELLO等[42]研究發現，C14標記的膠原水解物在血漿中的放射性達到最大濃度600 dpm/100 μL，這說明膠原蛋白在口服后可被腸道吸收[43]。WANG等[44]采用藥代動力學方法測定Hyp在大鼠口服后的生物利用度，進一步證實了CH可以被小腸吸收。對健康志愿者給予不同劑量的CH，血液Hyp水平以劑量依賴的方式增加[45]，Hyp在血液中不僅以游離氨基酸的形式存在，還以小肽的形式存在[46]。并且有研究表明，可以通過口服Ⅱ型膠原蛋白誘導自身免疫耐受，抑制關節炎[47]。這些研究結果更好地說明了膠原蛋白水解物在體內的吸收為其在骨關節炎治療方面提供了可能性。

4 CH的作用

膠原蛋白無論其來源如何，包含19種氨基酸，包括Hyp，而Hyp不存在于其他蛋白質中[48]。氨基酸可在體內轉化為其他生物活性化合物，如蛋氨酸轉化為S-腺苷蛋氨酸，這已被證明可改善關節健康[49]。與生物活性肽一樣，攝入CH后，餐后血漿氨基酸增加。值得注意的是，在攝入CH后，觀察到血漿甘氨酸、脯氨酸、Hyp、賴氨酸和丙氨酸的增加[46]，這些氨基酸在關節健康方面發揮了重要作用。

圖2 膠原蛋白氨基酸序列Fig.2 Amino acid sequence of collagen

4.1 體外刺激軟骨細胞合成ECM大分子

ECM組成的變化會影響軟骨細胞合成活性和降解活性的平衡。軟骨細胞具有生成和維持膠原蛋白和蛋白聚糖等軟骨基質的功能，負責ECM的合成、組織和維持?？诜﨏H后，由于其分子質量較低，具有更高的生物利用度和溶解度，因此與未變性膠原蛋白相比，其更易被小腸吸收[41,46]。OESSER等[43]發現膠原蛋白肽以完整的肽形式(不再經酶裂解為氨基酸)直接通過小腸黏膜吸收，積聚在關節軟骨，刺激產生Ⅱ型膠原蛋白(關節軟骨的主要蛋白質)和蛋白多糖(軟骨ECM)。

OESSER等[50]證實了降解的膠原對軟骨細胞Ⅱ型膠原合成的刺激作用，并提出了軟骨組織中膠原轉換調節的可能反饋機制。他們在研究降解膠原對成熟牛軟骨細胞形成Ⅱ型膠原的影響時發現，負責合成和維持軟骨基質的軟骨細胞在體外受到來自水解Ⅰ型膠原或水解Ⅱ型膠原的刺激時，產生Ⅱ型膠原，證實了降解膠原對軟骨細胞Ⅱ型膠原生物合成的刺激作用。SCHUNCK等[51]在軟骨細胞培養模型中，研究了CH對ECM大分子生物合成的效果，并比較了氨基葡萄糖硫酸鹽(glucosamine sulfate，GS)和氨基葡萄糖鹽酸鹽(glucosamine hydrochloride，GH)的作用效果。在培養基中添加CH可使蛋白多糖合成量顯著增加(P<0.05)。與對照細胞相比，CH處理后細胞相關蛋白多糖的數量幾乎增加了1倍。服用CH也增加了聚集蛋白聚糖表達和Ⅱ型膠原生物合成，合成量顯著增加了1.5倍(P<0.05)。相反，給予GS或GH對軟骨細胞的Ⅱ型膠原生物合成沒有刺激作用。上述結果表明CH對蛋白多糖和Ⅱ型膠原的合成有促進作用。同時也說明，GS和GH不能刺激軟骨細胞合成ECM大分子。CH可能通過刺激軟骨組織中的合成代謝過程來幫助減少ECM的退行性改變。

動物模型對于理解疾病進展和測試治療的安全性和有效性至關重要。DAR等[52]研究了動物口服Ⅰ型膠原制劑的影響，在補充Ⅰ型膠原后發現Ⅰ型CH可刺激蛋白多糖和膠原蛋白的合成，證明了Ⅰ型膠原水解物在骨關節炎治療中通過體外刺激軟骨細胞增加蛋白多糖和膠原蛋白的合成來表現出對軟骨的保護作用。

4.2 免疫調節

膠原蛋白肽可以通過T調節細胞(tregulatory cell, Treg)誘導和遷移到炎癥和損傷區域來調節炎癥因子的表達，Treg 的作用也與骨關節炎癥狀的緩和有關，BROERE等[53-54]研究發現 Treg 產生的抗炎細胞因子可刺激軟骨細胞合成軟骨基質成分，此外還在免疫調節中作為信號分子[41]。

在免疫調節方面, Treg 細胞通過 IL-10 的產生抑制炎癥，IL-10 能通過下調單核細胞表面主要組織相容性抗原II的表達，降低其抗原呈遞作用，下調T淋巴細胞活性抑制炎性細胞的激活、遷移和黏附；同時，IL-10 也能抑制炎癥因子的合成與釋放，從而在治療中發揮作用。

圖3 膠原蛋白通過T調節細胞作用的抗炎機制[53, 55]Fig.3 Anti-inflammatory mechanism of collagen regulating cell action through Treg[53, 55]

在動物模型中，張慧琴等[56]發現羊骨膠原蛋白肽作用于正常狀態的巨噬細胞，可以提高其代謝活性、吞噬活性以及TNF-α、IL-6的分泌量，上調Toll樣受體(Toll like receptor,TLR)通路相關基因表達量，通過TLRs信號通路對炎癥免疫反應發揮雙向調節作用。證明膠原蛋白肽可以通過對免疫細胞的調節在骨關節炎治療中起到作用。

4.3 作為細胞外信號分子抑制軟骨細胞肥大

最初，Ⅱ型膠原被認為只是軟骨基質的一種結構成分，但最近LIAN等[55]研究發現Ⅱ型膠原也可以作為細胞外信號分子抑制軟骨細胞肥大。軟骨細胞的表型變化，如異常分化、肥大等，能夠導致骨關節炎軟骨基質降解[57-58]，由于BMP-SMAD1信號的持續激活誘導周圍部分軟骨細胞發生肥大分化，下調COL2A1的表達，上調可分解現有COL2A1的MMPs。COL2A1的減少可阻止其對BMP-SMAD1通路的抑制，進一步加速軟骨細胞肥大。軟骨細胞肥大和軟骨基質破壞可以從局灶性損傷傳播到鄰近的軟骨，最終引起關節炎的發生。因而可以通過補充COL2A1，抑制BMP-SMAD1信號的激活，抑制軟骨細胞肥大減緩骨關節炎的發生。

圖4 Ⅱ型膠原(COL2A1)在BMP-SMAD1信號通路的作用機制[55]Fig.4 Mechanism of action of type II collagen (COL2A1) in BMP-SMAD1 signaling pathway[55]

目前已有體外實驗、動物實驗以及人體實驗研究證明了在骨關節炎病變中，CH有助于疼痛的緩解、軟骨細胞的改善以及相關炎癥因子的調節等，例如軟骨面積、軟骨細胞數量、Ⅱ型膠原蛋白水平的增加以及 MMP-13 和 CTX-II水平的降低[52,59]，CTX-Ⅱ是軟骨降解的生物標志物，表明結構性關節損傷的減少依賴于膠原蛋白。在對來自于豬的天然Ⅱ型膠原蛋白作為止痛劑和軟骨保護劑有效性的研究中，經過治療的動物尿和血漿中 CTX-Ⅱ水平降低[39]，這一證據為進一步研究低劑量膠原蛋白的機制及其在骨關節炎治療中的相關性提供了重要依據。Ⅱ型膠原蛋白可增加關節軟骨的機械強度，有效減輕骨關節炎軟骨損傷[60]。MA等[61]發現雞胸骨軟骨水解液能抑制軟骨下骨異常表達，并以劑量依賴的方式防止骨贅形成，有效預防骨關節炎。通過抑制軟骨細胞變化和膠原結構的破壞，來抑制膠原的降解，從而減輕軟骨損傷。雖然膠原蛋白在治療骨關節炎效應的潛在機制尚不明確，但這些研究數據為膠原蛋白在骨關節炎治療方面提供了切實有效的證據，包括可以通過體外刺激軟骨細胞合成ECM、調節免疫的表達和抑制軟骨細胞肥大等。

5 結語

骨關節炎的病理發展受軟骨基質中Ⅱ型膠原蛋白的降解的影響，Ⅱ型膠原蛋白的降解可破壞軟骨基質網絡結構，進而破壞ECM各成分的平衡。在膠原衍生物中，CH具有良好的生物利用度，其中高含量的脯氨酸和甘氨酸等氨基酸會影響軟骨中膠原蛋白結構的穩定性，通過免疫調節抑制炎癥因子的表達和抑制軟骨細胞肥大。

近年來，國內外許多研究與臨床試驗結果都表明，CH可以通過腸道直接被吸收，適量補充CH可以促進體內膠原蛋白的合成，幫助維持膠原蛋白的穩態水平，在骨關節健康方面發揮積極的作用。因此，膠原蛋白可作為功能活性成分應用作營養膳食補充劑，用于改善因膠原蛋白缺失所引起的各種亞健康狀態。相關研究還發現膠原蛋白和其他營養素在改善骨關節健康中存在協同作用。但目前針對不同人群的研究有限，此外，不同分子質量的膠原蛋白肽功效等問題也需要進行深入研究。且這些生物活性肽的分子靶標尚未完全闡明，其作用機制需要從分子生物學角度進一步驗證。未來關于膠原蛋白肽與免疫、炎癥的關系研究應更貼近基礎生物醫學，運用基因解析、組學、生物信息學等現代科技手段，對膠原蛋白肽如何提高免疫力、緩解炎癥的分子機制進行探究。此外，臨床觀察實驗也應重視，使用更為嚴謹的藥代動力學評估膠原蛋白肽的適宜攝入量及潛在毒性。未來還需要更多的研究來闡明膠原蛋白的具體作用機制，以期為骨關節炎的治療提供新的見解。