從“痰之本在腎”探討線粒體氧化應激與骨骼健康

李澤鋒 黃文鋒 胡洲映 蘇暢怡

1.廣州中醫藥大學 ,廣東 廣州 510006

2. 廣州中醫藥大學附屬湛江市第一中醫醫院,廣東 湛江 524000

骨質疏松癥是多種原因引起的骨代謝失衡、骨密度下降、骨脆性增加、骨折風險增加的疾病[1]。人類約在30歲時達到骨量峰值[2],超過30歲后由于激素水平及氧化應激等各種原因,骨代謝逐漸發展為負平衡狀態,Ⅰ型膠原蛋白纖維含量減少,與非膠原纖維之間的形成的三螺旋結構的強度也隨之減弱,骨骼的彈性及硬度下降,不能有效緩解外界的緩沖力[3],因此容易發生骨質疏松并增加骨折發生的風險。處于輕度骨量低下狀態的患者往往缺乏骨質疏松癥的特征性表現,但隨著骨量進一步丟失,腰背及四肢可出現酸痛不適(超過12%)并增加因受壓或沖擊等因素造成骨折(超過30%)的風險[4]。根據第七次人口普查統計[5],65歲以上中國人的OP發病率高達32%,嚴重影響著老年人的身體健康。作為維持骨代謝正平衡的重要角色,成骨細胞的分化及功能的表達與能量代謝密切相關[5]。中醫認為元氣由腎精所化生[7],主導人的生長發育、激發代謝等生命活動,而線粒體作為ATP的主要產生場所則是能量代謝的主要部位。由此看來,元氣與線粒體在促進能量代謝的功能上趨于一致,因此通過維持腎精充盛,保證元氣的得以化生是維持線粒體能量代謝功能、從而降低骨質疏松癥發生風險的重要途徑。津液、痰濁無不由水而成,而水為腎所主,當腎精虧虛,腎的功能隨之受損時將導致水運失常而生“腎痰”[8]。氧化應激是線粒體功能損傷的重要原因,而作為氧化應激發生的重要影響因素,氧化自由基的生成和致病特點與中醫所謂“痰邪”存在許多共同點。故筆者認為通過補益腎精提升腎臟運化水液的功能來減少“腎痰”的產生是降低機體氧化應激反應、恢復線粒體功能的重要途徑,亦是補腎法治療骨質疏松癥的重要機制。

1 腎-線粒體-骨骼理論探討

1.1 腎-骨相關

中醫早在戰國時期就已經有對骨質疏松癥相關表現的記載。“丈夫八歲,腎氣實,發長齒更……四八,筋骨隆盛,肌肉壯滿……八八,天癸竭,精少,腎臟衰,形體皆極則齒發去”,可見《內經·上古天真論》已經從腎精盈虧方面論述了人一生的骨骼代謝規律。中醫關于骨質疏松癥的稱謂有“骨痿”“骨痹”“骨枯”“骨極”等,其中《三因極一病證方論》曰:“病者腎熱,腰脊不舉,骨枯而髓減,其色黑而齒槁,名曰骨痿”,可見陳無極更青睞于骨痿一名,而徐桂琴等[9]亦認為骨痿的描述更符合骨質疏松癥的病情演變及病理改變。《醫學正傳》曰“腎氣盛則壽延,腎氣衰則壽夭”,腎氣漸虧是人體衰老的主要原因,絕經后、老年發生骨痿多因衰老腎精不足,骨髓空虛所致。《素問·逆調論》曰:“腎者,水也,則生于骨。腎不生,則髓不能滿,故寒甚至骨也。”中醫認為腎藏精主骨,骨骼能否強勁依賴腎精是否充盛,骨髓生化之源為腎精,腎精充足則髓滿,骨得髓養才能保持強健,而腎精隨著機體的不斷衰老而逐漸虧虛,腎精不足則無以生髓而致骨痿。再者,腎精化生腎氣,腎氣再分陰陽,骨作為人體架構的重要有形物質,其形態的維持有賴于腎陰的滋養,而腎陰等精微物質運輸至骨骼的動力則由腎陽提供,正如《黃帝內徑素問校釋》曰:“陽的運動,可以化生清氣和能量;陰的凝聚,可以構成有形的物質”,腎陰腎陽源于腎精,互根互用,共同維持著骨骼的健康[10]。

1.2 氧化應激-線粒體-骨

線粒體是細胞有氧呼吸及三磷酸腺苷(ATP)產生的主要場所,人類日常活動中所需能量的95%皆出自于此。人體各類細胞的生成、凋亡及各種通路的表達亦有賴于線粒體功能的正常表達[11],其中成骨細胞作為主導骨形成的細胞,其分化及功能的正常表達需要ATP的生成和能量代謝的共同參與[5]。Komarova SV等[12]學者發現成熟的成骨細胞中ATP的生成量高于為成熟的成骨細胞,而Miyazaki T等[13]學者發現成熟的破骨細胞中ATP水平低于未成熟的破骨細胞。由此看來增加ATP的生成和調節能量代謝不僅能促進成骨細胞分化,還能抑制破骨細胞主導的骨吸收的發生,從而達到增加骨密度的目的。因此作為ATP生成和能量代謝的主要部位,線粒體的功能受損必定會影響骨代謝而導致骨質疏松的發生。

氧化應激是機體的過度氧化反應和抗氧化能力不足造成的應激狀態,對人體而言,一定程度的氧化是非常必要的,因為適度的氧化不僅是生命活動所需能量的重要來源,還能刺激機體損傷進行修復。而當氧化作用和抗氧化能力失去平衡并以氧化作用占優勢時,將導致機體因炎性浸潤和蛋白酶分泌增加而發生氧化應激反應,而氧化應激反應通常與人體衰老和各種疾病導致活性氧(ROS)過多產生有關。顧超等學者發現[14],氧化應激導致骨髓間充質干細胞(BMSC)的線粒體功能受損是成骨細胞分化能力下降的重要原因。

線粒體DNA(mtDNA)是線粒體的遺傳物質,主要通過復制和轉錄維持線粒體正常的功能,其位于核外的特點導致其缺乏相應的保護,且其自我修復能力較差,而誘導氧化應激發生的活性氧(ROS)主要來源于線粒體,故容易因氧化應激損傷而發生退行性病變[15],使復制和轉錄功能失常,進一步導致線粒體功能下降。Wnt/β-catenin信號通路是線粒體途徑相關的經典骨代謝通路,主要通過減少β-catenin的磷酸化作用來促進成骨細胞增殖與分化以增加骨量[16];ERK5通路是與成骨細胞凋亡密切相關的通路,當該通路激活時,活化的ERK會進入細胞核引起Bad磷酸化以抑制其進入線粒體從而減少caspase-3蛋白酶的活化,進而減少TNF-α誘導的成骨細胞凋亡[17];NF-κB是與成骨細胞凋亡發生相關的又一信號通路,在IL-6等相關炎癥因子的刺激下,IκB因過度降解而與NF-κB的結合減少,NF-κB的活性增強,導致BcL-2的表達下調,最終引起成骨細胞凋亡[18]。由此看來,各信號通路通過不同的作用途徑共同影響著骨密度的增減。研究發現氧化應激和炎癥因子介導的炎癥反應所誘導的成骨細胞分化受抑制及過量凋亡是骨質疏松發生的重要原因[19-20],其主要機制與ROS誘導的氧化應激損害線粒體的呼吸鏈導致線粒體功能下降[21]、Wnt/β-catenin及ERK5等信號通路表達受抑制和NF-κB等信號通路的表達增加[22]有關。

雌激素具有一定的抗氧化應激作用,Muthusami S等[23]通過建立去卵巢大鼠模型來模擬絕經后骨質疏松癥的研究發現,卵巢切除后大鼠的超氧化物歧化酶(SOD)活性降低且過氧化產物丙二醛(MDA)生成增多,股骨則表現出脂質過氧化程度加強,這進一步證明了過度的氧化應激與骨質疏松癥的發病存在密不可分聯系。線粒體是ROS的主要攻擊目標,所以線粒體極容易因過度的氧化應激而引起相關功能下降,因此調節氧化應激水平,恢復線粒體的正常功能是防治骨質疏松癥等代謝性疾病的重要靶標[24]。維生素E是一種主要分布在線粒體中的抗氧化物質,它可以通過清除氧化自由基等方式減少線粒體的氧化損傷并促進已損傷的線粒體的修復,恢復線粒體的功能,進而對骨組織的結構和功能起到一定的保護作用[25]。

綜上所述,筆者認為調節線粒體的氧化應激水平、恢復線粒體的正常功能、促進ATP的生成和能量代謝以及調節相關信號通路的表達是防治骨質疏松癥的重要途徑。

1.3 腎-線粒體-骨

元氣為先天之氣,于人體的作用主要有推動生長發育、溫煦周身、激發代謝等。腎為先天之本,人體之元氣皆出于此[7]。正如張景岳所云“精化為氣,謂元氣由精而化也”,腎精不足,元氣無以化生,必將影響人體的能量代謝進程,各項生命活動進行的推動力不足,進而引起各種疾病的發生。線粒體是產生ATP的主要場所,主管能量代謝,并通過Wnt/β-catenin等相關信號通路調節細胞的增殖、分化、凋亡,維持人體正常生命活動的進行,是細胞生命及活動的調控中心[26]。mtDNA是線粒體的遺傳物質,其通過復制和轉錄調節線粒體功能以維持線粒體正常能量代謝的功能與元氣推動生長發育、溫煦周身、激發代謝等功能相似,而且mtDNA中的遺傳信息與腎主先天而藏先天之精相符合[27],故筆者認為腎精充盛與否是現代醫學中線粒體功能及相關信號通路表達是否正常的重要影響因素。

隨著衰老的不斷進行,人體的抗氧化能力逐漸下降,清除氧化自由基的能力不足,自由基在體內蓄積將導致各種疾病的發生,而中醫認為“百病多由痰作祟”,隨著人體的衰老,臟腑功能逐漸下降,津液運行不暢,聚而成痰繼而引發各種疾病,由此可見,氧化自由基與中醫所謂之痰濁的生成和對機體的影響相類似[8]。《景岳全書·痰飲》曰: “五臟之病,雖俱能生痰,然無不由乎脾腎。蓋脾主濕,濕動則為痰; 腎主水,水泛亦為痰,故痰之化無不在脾,而痰之本無不在腎。”津液輸布依賴于脾氣健運,津液輸布失常則易聚而成痰,故脾為生痰之源,然腎主水,人體的水液的潴留、分布、代謝皆為腎所主管,而津液痰濁無不由水而成,故清代醫家張錫純提出“痰之本在腎”的理論。由上可得,線粒體的氧化應激損傷與衰老腎虛導致“腎痰”的產生密切相關。易曄等[28]通過建造相關腎臟損傷大鼠模型發現,缺血再灌注后大鼠的腎臟功能及線粒體抗氧化應激能力均有所下降,主要表現為Scr、BUN、MDA的水平升高以及SOD的水平降低,這進一步驗證了“腎痰”的產生與腎臟功能虛弱的相關性。8-羥基脫氧尿苷酸(8-OHdG)是ROS攻擊mtDNA時產生的一種與DNA氧化損傷有關的產物,而線粒體NADH脫氫酶亞單位2基因(ND2)是評判mtDNA損傷的重要指標。張葆鑫等[29-30]發現,腎陽虛相關的骨質疏松患者的骨密度與8-OHdG有明顯負相關關系,而腎陰虛相關的骨質疏松患者的與ND2反應有關的mtDNA拷貝數較常人降低,這進一步證明腎精虧虛所致骨質疏松的發生與氧化應激導致的線粒體功能異常相關。

2 補腎-調節氧化應激-骨骼

腎精充盛是腎臟保持健康的重要前提。腎氣由腎精化生,當腎精虧虛時,腎氣化生不足,將致水液無以蒸騰氣化,津液無以輸布,聚而成痰,百病由生。而腎與骨的關系極為密切,故“腎痰”的產生極易影響骨代謝而導致骨痿的發生。因此筆者認為通過對腎臟的補益,提升腎臟功能以促進水液代謝,減少“腎痰”的生成是骨痿治療的關鍵。徐志平等發現[31],慢性腎衰竭(GRF)患者體內的抗氧化能力下降,氧化還原反應失去原有的平衡會引起ROS的過量產生進而引發機體的氧化應激,氧化應激不僅會損傷線粒體的功能、抑制Wnt/β-catenin及ERK5等相關信號通路的表達和增加NF-κB等信號通路的表達導致成骨細胞分化功能下降和凋亡的增加,還會刺激破骨細胞增值和分化,而破骨細胞的活動會導致更多的ROS產生并由此形成惡性循環,最終導致骨質疏松癥的發生。

《素問·痿論》曰: “腎氣熱,則腰脊不舉,骨枯而髓減,發為骨痿。”由此看出骨痿的發病主要腎虛髓不足有關。故歷代醫家大都認為骨痿應從補益腎精論治。腎精化生腎氣,腎氣再分陰陽,無論是腎陰還是腎陽,歸根到底皆出于腎精。六味地黃丸出自北宋錢乙的《小兒藥證直訣》,是益精填髓的經典方劑。相關研究[32]表明,六味地黃丸可以改善經H2O2氧化損傷后的間充質干細胞的老化狀態,進而促進其增殖并抑制其凋亡。桂附地黃丸是溫補腎陽的經典方劑,胡博等發現[33],桂附地黃丸作用于去卵巢的OP小鼠能顯著增加其SOD活性并降低MDA水平,同時降低IL-6水平以改善氧化應激狀態,從而減少成骨細胞凋亡。

由此看來,無論是腎陰虛還是腎陽虛都與機體處于高水平氧化應激狀態存在密切聯系,而調節氧化應激是中醫補腎法治療骨痿的重要機制之一。

3 小結

氧化應激與骨質疏松癥發生的關系較為復雜,目前認為可能與氧化自由基的蓄積導致線粒體能量代謝的功能損傷及Wnt/β-catenin等相關通路表達失常有關。腎精對維持骨骼健康至關重要,只有腎精充盛才能化氣而行津,無至津液輸布失常而壅聚成“腎痰”,減少氧化應激對線粒體的損傷,從而減少骨質疏松癥發生的風險。因此中醫通過補益腎精進而調節機體的津液代謝,減少“腎痰”的產生,從而減少線粒體因氧化應激反應產生損傷,維持線粒體正常能量代謝和調節相關信號通路表達可能是補腎法治療骨痿的重要作用通路,具有一定的研究前景。