抗氧化劑在骨相關疾病中的應用研究進展

熊山 張程 吳健梅 季文軍 張晗祥 馬亞萍 張頂梅* 王信*

1 遵義醫科大學附屬醫院骨科，貴州 遵義 563003

2 遵義醫科大學附屬醫院日間手術病房，貴州 遵義 563003

活性氧(reactive oxygen species, ROS)可調節細胞增殖、分化及修復等基本細胞活動，其過量產生會破壞細胞內氧化還原平衡，導致氧化應激的發生[1]。氧化應激與諸多疾病的發生發展相關，包括骨關節炎、骨質疏松癥、椎間盤退變、類風濕關節炎及骨肉瘤等骨相關疾病。因此，以氧化應激為治療靶點的N-乙酰-L-半胱氨酸(N-acetyl-L-cysteine, NAC)、表沒食子兒茶素沒食子酸酯(epigallocatechin gallate, EGCG)、花青素、維生素E、維生素C、褪黑素、槲皮素、吡咯喹啉醌(pyrroloquinoline quinone, PQQ)、α-硫辛酸等抗氧化劑較多應用于骨相關疾病的治療。本文將主要綜述抗氧化劑在骨相關疾病中的應用研究進展，以全面了解氧化應激在骨病中的作用及抗氧化劑的應用前景。

1 氧化應激與骨相關疾病的研究現狀

在骨關節炎、骨質疏松癥等骨疾病中，氧化應激已被證實與其發生發展密切相關，氧化還原狀態的失衡會加速骨相關組織的退變，誘發細胞凋亡或組織炎癥，從而作為一項關鍵作用機制促進骨相關疾病的發生和發展。

1.1 骨關節炎與氧化應激

在骨關節炎中，持續ROS產生所導致的氧化應激可通過磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol 3 kinase/protein kinase B, PI3K/AKT)等信號通路促進軟骨降解[2-3]，導致軟骨退變。此外，隨著ROS不斷產生，抗氧化酶的活性也會降低，如超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)2[4]，這也會增強氧化應激，促進軟骨退變。

1.2 骨質疏松癥與氧化應激

核因子-κB受體激活劑配體(ligand of receptor activator of nuclear factor kappa-B, RANKL)和骨保護素( osteoprotegerin, OPG)共同維持骨代謝動態平衡：RANKL抑制成骨，而OPG促進成骨[5]。氧化應激可通過激活蛋白激酶及影響特定轉錄因子表達等機制誘導RANKL上調和OPG下調[6],導致骨質疏松。此外，氧化應激還會誘導骨細胞凋亡，加重OPG與RANKL的比例失衡，促進骨質疏松的進展。

1.3 椎間盤退變與氧化應激

在退變的椎間盤組織中，多種外源性刺激可增加ROS的產生，如機械負荷、高氧張力、高葡萄糖應激及促炎細胞因子等[7]，同時椎間盤中SOD及甲硫氨酸亞砜還原酶等抗氧化酶的活性也會下降[8-9]，導致氧化應激。氧化應激會誘導椎間盤細胞凋亡、衰老等[10]，同時會導致椎間盤基質合成代謝和分解代謝發生失衡，使椎間盤的彈性顯著喪失且剛度增加，損害椎間盤的機械功能，進一步加重椎間盤退變。

1.4 其他骨相關疾病與氧化應激

在骨缺損修復領域，氧化應激會抑制成骨，包括抑制成骨細胞活化、激活破骨細胞等，不利于骨缺損修復[5]。而在類風濕關節炎中，氧化應激是其病理生理學的重要組成部分，免疫反應與內源性或外源性抗原之間的相互作用會誘導ROS的過量產生[11]，通過激活不同信號通路介導蛋白質、核酸及脂質等生物分子的損傷[12]，導致滑膜炎癥等病理改變，從而促進類風濕關節炎的發生發展。針對骨肉瘤，有研究[13]表明氧化應激可促進腫瘤細胞在體外的侵襲，從而作為危險因子促進骨肉瘤的發生發展。因此，氧化應激是上述骨相關疾病發生發展的重要影響因素，深入研究氧化應激的發生機制將為骨相關疾病提供新的治療靶點，對臨床具有較好的指導意義。

2 抗氧化劑在骨相關疾病中的應用

骨相關疾病與氧化應激有著不可分割的聯系，而氧化應激的發生是由于ROS的產生與清除發生了失衡。針對這種失衡，抗氧化劑能夠清除ROS，彌補骨相關組織抗氧化能力，減輕氧化應激，從而改善疾病進程。目前常見的抗氧化劑主要有NAC、EGCG、花青素、維生素E、維生素C、褪黑素、槲皮素、PQQ、α-硫辛酸等。這些抗氧化劑在主要骨相關疾病中的應用及作用機制見表1。

2.1 N-乙酰-L-半胱氨酸

N-乙酰-L-半胱氨酸(N-acetyl-L-cysteine, NAC)通過增加細胞內源性抗氧化分子谷胱甘肽來增強細胞抗氧化能力，是常用的外源性抗氧化劑。在骨關節炎治療中，NAC能夠抑制ROS產生，提高基質合成以保護關節軟骨細胞[14]。在骨缺損修復方面，Yamada等[15-16]證實NAC能夠通過增強局部移植中的骨再生。而針對骨質疏松，Chen等[17-18]證實NAC能夠抑制氧化應激，預防骨質疏松癥。在椎間盤退變領域，NAC可打破軟骨終板鈣化與氧化應激的正反饋[19]，同時消除過量ROS及TNF-α的分解代謝作用[20]，保護椎間盤不受分解，為NAC應用于椎間盤退變提供支持。這些研究表明，NAC可通過其抗氧化作用緩解常見骨疾病的發生發展，包括抑制ROS產生、增強骨再生及抗椎間盤分解代謝等，提示NAC在臨床上可能具有廣闊的應用前景。

2.2 表沒食子兒茶素沒食子酸酯

表沒食子兒茶素沒食子酸酯(epigallocatechin gallate, EGCG)是綠茶中研究最多的兒茶素，具有包括抗氧化在內的多種生物學活性。在類風濕關節炎中，EGCG可在疾病的急性期及慢性期顯著減輕關節炎癥狀[21]。在骨缺損修復方面，EGCG可有效清除ROS，減少干細胞氧化損傷并提高其成骨分化能力，從而促進骨再生[22]。此外，EGCG可調節RANKL/OPG上調骨形態發生蛋白-2(bone morphogenetic protein-2, BMP-2)表達，加速骨愈合過程，促進骨缺損修復[23-25]。針對椎間盤退變，

EGCG可激活PI3K/AKT通路保護椎間盤細胞，這使得EGCG成為椎間盤退變的潛在治療選擇[26]。上述研究發現EGCG可通過其抗氧化作用對類風濕關節炎、骨缺損及椎間盤退變等發揮較好治療效果，但其應用主要局限于細胞及動物實驗階段，臨床試驗未得到有效開展，影響了EGCG作為新型藥物治療骨相關疾病。

2.3 花青素

花青素作為常用的抗氧化劑，主要包括六種亞型：飛燕草素、矮牽牛素、錦葵素、矢車菊素、芍藥素、天竺葵素[27]。在骨缺損修復方面，飛燕草素、芍藥素主要通過調節RANKL及其相關通路抑制氧化應激，擾亂破骨細胞生成及分化來促進骨缺損修復[28-29]。而在抗骨質疏松方面，矢車菊素主要通過PI3K/AKT通路減少細胞內ROS，發揮抗骨質疏松癥作用[30]。針對椎間盤退變，矢車菊素可通過核因子E2相關因子2/血紅素氧合酶1(nuclear factor E2 related factor 2/ heme oxygenase 1, Nrf2 / HO1)信號通路顯著減少ROS發揮抗氧化作用，保護髓核細胞免受氧化應激損傷[31]。花青素作為一類天然化合物，具有豐富的膳食來源，在預防和治療骨相關疾病方面的應用應受到重視。為更好地將花青素應用于臨床，研究者需要進一步研究花青素在骨相關組織中的作用機制及其作為藥物的劑量、給藥方式、毒性和副作用等。

2.4 維生素E、維生素C

維生素E是一種脂溶性維生素，是重要的抗氧化劑。在骨關節炎中，維生素E能夠在體外保護大鼠間充質干細胞免受H2O2誘導的氧化應激[32]。此外，維生素E還可改善晚期膝骨關節炎患者的臨床癥狀[33]。維生素E作為藥物應用于骨關節炎具有治療潛力，但需關注其治療劑量，避免過量導致中毒，同時也要研究維生素E的應用是否會對患者后續的關節置換手術產生不良影響。

維生素C是一種水溶性維生素，能夠作為抗氧化劑對抗體內氧化應激。在骨缺損修復方面，維生素C能夠增加去卵巢大鼠的骨質量及抗氧化能力[34]。此外，維生素C還可通過Wnt/β-Catenin/ATF4信號通路促進骨骼再生[35]。在骨關節炎的治療中，維生素C可減少軟骨細胞凋亡，同時減低促炎因子及基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases, MMPs)的表達，但維生素C的保護作用并沒有隨劑量增加而增強[36]，這表明維生素C在骨關節炎中可能存在最佳治療劑量，其臨床應用還需得到更多實驗數據支撐。維生素E及維生素C在骨相關疾病中的應用研究均還存在很多不足與局限，如維生素C的促骨再生能力是否可應用于骨質疏松癥防治等問題仍需進一步研究。

2.5 褪黑素

褪黑素(N-乙酰-5-甲氧基色胺)由哺乳動物松果體產生，是一種廣譜抗氧化劑和自由基清除劑。在類風濕關節炎的治療中，褪黑素可通過去乙酰化酶1(sirtuin 1, SIRT1)信號通路增強透明質酸合成，保護滑膜細胞[37]。而在骨關節炎治療方面，褪黑素可清除ROS，維持線粒體氧化還原穩態，抑制基質降解和細胞凋亡，保護軟骨細胞，改善骨關節炎的發生發展[38-39]。針對骨質疏松，褪黑素可減少細胞內ROS，抑制破骨細胞生成，從而減少骨吸收，增加骨量[40]。對于椎間盤退變，褪黑素可調節 ROS/核因子κB(nuclear factor-kappa B, NF-κB)通路抑制纖維環細胞衰老[41]，同時減輕氧化應激誘導的髓核細胞凋亡[42]。這些研究表明褪黑素可通過SIRT1、NF-κB等通路保護骨相關組織，延緩骨相關疾病的發生發展，具有較好的應用前景。

2.6 槲皮素

槲皮素是一種類黃酮化合物，廣泛存在于蔬菜和水果中，具有抗氧化特性。在修復骨缺損方面，槲皮素可誘導間充質干細胞內抗氧化酶SOD1、SOD2 的顯著上調，提高干細胞抗氧化能力，進而促進間充質干細胞成骨分化[43]。此外，槲皮素還可提高成骨細胞的抗氧化能力，減弱氧化應激對其損傷，從而促進成骨[44]。在抗腫瘤方面，槲皮素可擾亂骨肉瘤細胞ROS穩態誘導其過度自噬引發細胞死亡[45]，還可以通過破壞線粒體膜電位及調節AKT和絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)信號轉導增強骨肉瘤細胞凋亡[46]。這些研究支持槲皮素在骨相關疾病中的治療潛力，但由于槲皮素水溶性差,體內代謝快,半衰期短,導致其生物利用度低[47]，使得槲皮素作為藥物的有效性不足，阻礙了其臨床應用，未來研究應側重于改善槲皮素生物利用度，提升其藥理療效。

2.7 吡咯喹啉醌

吡咯喹啉醌(pyrroloquinoline quinone, PQQ)是一種氧化還原酶輔基，主要存在于某些微生物及動植物組織中，是常用的抗氧化劑。在骨關節炎治療方面，PQQ可減少NO產生，抑制氧化應激，顯著減緩關節軟骨退化[48]，同時改善線粒體損傷，保護軟骨細胞[49]。而在骨質疏松癥的治療中，PQQ可上調抗氧化能力，抑制氧化應激并減少脫氧核糖核酸損傷，同時下調周期素依賴性蛋白激酶抑制物水平，發揮骨質保護作用[50]。針對椎間盤退變，PQQ可減少ROS形成，保護髓核細胞免受氧化應激[51]。這些研究表明PQQ在骨相關疾病治療中有巨大潛力，同時由于PQQ安全性較好[52]，使其有可能被廣泛應用于臨床，但目前關于PQQ應用于骨相關疾病的臨床隨機對照試驗尚未開展，PQQ的臨床應用仍未實現。

2.8 α-硫辛酸

α-硫辛酸是一種強大抗氧化劑，較多應用于骨相關疾病研究。針對骨質疏松癥，α-硫辛酸主要通過抑制ROS生成及上調氧化還原基因表達等機制防止骨質流失[53]，還可顯著減少ROS及線粒體超氧化物產生，有效恢復成骨細胞礦化[54]。此外，α-硫辛酸可通過減少ROS生成，防止軟骨終板細胞線粒體損傷及細胞凋亡，發揮椎間盤保護作用[55]。盡管α-硫辛酸的抗氧化作用十分顯著，但由于缺乏有說服力的臨床隨機對照試驗及相關藥理學、毒理學研究，α-硫辛酸還沒有實際應用于骨相關疾病的臨床治療。

3 抗氧化劑的臨床應用及展望

以氧化應激為靶點，應用抗氧化劑治療骨相關疾病在細胞實驗、動物模型上具有一定效果，但是將其真正運用于臨床還存在一定的不足與缺陷：(1)抗氧化劑作為藥物應用于骨相關疾病的機制性研究不足，影響了抗氧化劑的有效性；(2)抗氧化劑應用于骨相關疾病的藥理學、毒理學實驗不足，影響了抗氧化劑的安全性；(3)從源頭研發到Ⅲ期臨床是一個耗資巨大的過程，在高風險、高投入的市場中，在沒有大量證據支持的情況下，藥物開發公司不會輕易做出投資，這使得諸多有潛力的抗氧化劑沒有機會得到進一步證據支持。

盡管抗氧化劑在實際應用中還存在很多不足與缺陷，但不可否認其在骨相關疾病治療中的潛力。為推動抗氧化劑在骨相關疾病中的實際應用，未來研究的側重點可以是氧化應激的深層次機制，也可以是抗氧化劑的其他藥理機制，比如炎癥調節與應激、生物鐘調控、自噬相關途徑調節等。另外，隨著研究的不斷深入，開發出生物利用度高且毒性弱的人工抗氧化劑也是研究方向之一。