中藥干預軟骨細胞外基質降解治療骨關節炎的研究進展

雷寧波 閆文 謝興文 于文霞 李文廣 馬成 顧玉彪* 張磊*

1.甘肅省中醫院,甘肅 蘭州 730050

2.甘肅中醫藥大學,甘肅 蘭州 730000

3.甘肅中醫藥大學附屬醫院,甘肅 蘭州 730000

骨關節炎(osteoarthritis,OA)是一種慢性退行性骨關節疾病,影響著世界上數百萬人。研究表明,大約6%的30歲以上成年人會患OA,而80%的70歲以上的人一直經歷著OA帶來的危害[1]。OA的臨床特征多表現為關節疼痛、僵硬和不同程度的功能障礙。大多數研究學者發現,年齡、性別、肥胖、創傷和遺傳等因素都是導致OA形成及進展的原因[2]。近年來研究發現,關節軟骨的破壞可能是OA的主要發病機制[3],它是由于軟骨細胞外基質(extracellular matrix,ECM)的降解導致OA的形成及發展。研究發現,軟骨ECM的降解主要由于基質金屬蛋白酶[4](matrix metalloproteinase,MMPs)及一種以血栓反應蛋白為基序的解整合素和金屬蛋白酶[5](a thrombospondin-motif-motifed disintegrin and metalloprotease,ADAMTs)為主的蛋白酶組成。在OA的進展中,軟骨ECM的降解可分為兩個階段,在降解早期,ADAMTs和MMP-13在促炎細胞因子的存在下消化ECM[6];在代償性生物合成階段,軟骨細胞將增殖以修復受損的軟骨ECM,一旦代償被促炎細胞因子破壞,軟骨的侵蝕將隨之加速,因此軟骨降解在OA中起著重要作用[7]。軟骨細胞負責合成軟骨ECM的主要成分并維持軟骨的穩態,軟骨ECM的結構和組織是軟骨正常功能的主要決定因素,大多數涉及軟骨的疾病導致軟骨ECM的劇烈變化,這些變化可以促進疾病的進展。傳統醫學研究認為,OA屬于“骨痹”的范疇[8],引起OA的病因多屬于外邪侵擾人體筋骨關節,導致機體內氣血運行不暢、氣滯血瘀等,導致肢體關節疼痛及不同的功能障礙[9]。中藥作為傳統醫學最主要的分支,對于OA的防治具有重要的作用,因此,本文將闡述中藥在抑制軟骨ECM方面的作用機理,為中藥干預軟骨ECM降解及防治OA提供理論依據。

1 細胞外基質

細胞外基質是由相互作用的蛋白質、糖蛋白和蛋白聚糖組成的組織特異性混合物,是細胞微環境的非細胞成分,為組織提供結構網絡和支架[10-12]。在機體內,ECM除了有助于組織形狀和生物力學,還可以介導生長、發育和結締組織重塑和修復等重要方面[13]。研究發現,ECM以其大量不同的大分子組成細胞的4個微環境,為細胞提供機械和結構上的支持[14]。ECM通過整合素等及細胞受體如透明質酸受體發揮作用,ECM大分子與細胞之間的相互作用是個體發生、傷口愈合和組織穩態的基礎[15-16]。多項研究表明,幾乎所有的疾病都與ECM結構的某些改變、ECM代謝的紊亂或ECM細胞信號轉導的紊亂有關[17-18]。ECM作為一個高度復雜以及動態的結構網絡,可通過多種不同的基質降解酶介導,進而不斷發生重構[19]。在大多數組織中,Ⅰ型膠原和軟骨中的Ⅱ型膠原作為ECM的主要成分,與其他膠原蛋白及ECM蛋白相關聯,構建大的纖維結構[20],這些多分子結構通過與ECM分子相互連接又相互關聯,進一步構成復雜的三維矩陣網絡[21]。

ECM在機體內可按照組成和結構分為兩種類型,包括間質基質和細胞周圍基質[22-24]。ECM的細胞通過整合素、盤狀蛋白結構域受體等相互作用,進而發揮其相關功能[25-27]。許多綜合征和病理/致死條件也是由ECM的異常引起,這些異常使ECM分子成為靶向藥物治療的潛在靶點[28]。越來越多的證據表明ECM通過維持代謝平衡、強度和彈性以及影響細胞生長和分化來協調細胞環境[29-31],通過多種方式調節ECM的結構和性質。病理條件下,ECM發生了顯著的改變,導致纖維化基質的形成,隨著蛋白水解酶的釋放,導致ECM的異常重塑[32]。通過對正常組織和病理組織的研究,發現ECM蛋白水解和ECM積累可能在發育和疾病狀態中起著顯著的作用[33-34],因此筆者將著重探討ECM的降解與OA的相關性。

2 軟骨ECM降解促進OA的形成及進展

軟骨ECM具有獨特的結構和組成,這種獨特性就決定了其在人體組織中的特殊性,關節軟骨ECM主要由水、Ⅱ型膠原、蛋白聚糖等組成[35]。在健康的關節軟骨中,ECM維持在緩慢、持續的周轉狀態,這種狀態通常被描述為ECM合成和降解的總體合成代謝和分解代謝活動的平衡狀態[36]。在病理條件如OA形成時,軟骨ECM表現出機械功能的變化,這與其分解代謝活動增加和關節炎癥反應有關[37-38]。最常見的病理改變主要是纖維形成的Ⅱ型軟骨膠原(COL2A1)的雜合結構突變,可導致包括Ⅱ型軟骨形成、膝關節發育不良和早發性關節炎等疾病[39]。

ECM的降解通過改變軟骨的生物力學特性,進一步導致生物力學負荷的改變和ECM的重塑以及關節軟骨的組織結構改變。因此,OA主要以關節軟骨破壞為特征。然而,對膝關節的損傷,除了機械性的外力傷害外,關節內促炎性細胞因子的水平在最初損傷后的幾天內也會突然升高[40],如腫瘤壞死因子(TNF-α)、白細胞介素-6(IL-6)和白細胞介素-1β(IL-1β)等,炎性細胞因子可以擴散到軟骨中,引起蛋白酶活性升高,導致MMPs等和聚合酶類降解軟骨ECM中的多種大分子。進一步研究發現,炎癥可以通過活性氧的作用引起氧化應激并引起ECM的分解代謝,促進聚集蛋白、膠原蛋白等降解產物的丟失,最終損害軟骨組織的機械強度,加速軟骨的進一步損傷和退化,引起OA的產生及發展[41]。

3 中藥干預軟骨ECM降解治療OA

OA在傳統醫學中多以“痹證”進行命名,OA的病因多與機體內的臟腑虛損有關,而最主要的是與肝脾腎虛損有關[42],隨著臟腑的虛損,正氣不足難以抗邪,邪氣入侵,引起關節部位的疼痛、腫脹等,治療原則多以補虛為主加以祛除外邪。在現代醫學中,OA的病因多與關節軟骨退行性變為主,因此,隨著ECM的降解,將會導致關節軟骨的退變。治療方面,現代醫學對OA的治療多以口服非甾體藥來緩解疼痛及OA后期的關節置換術為主,這些方法導致的副作用及手術的風險也顯露出來[43]。因此這時中藥的優勢將進一步顯示出來,中藥通過抑制軟骨ECM的降解,延緩軟骨的退變,達到防治OA的目的;另一方面,中藥治療OA表現為副作用小等多方面的優勢。因此,本文將重點闡述中藥通過抑制MMPs及ADAMTS等相關蛋白酶的表達,抑制ECM降解,達到延緩OA進展的目的,進而體現出中藥防治OA的優勢。

3.1 中藥單體干預軟骨ECM降解治療OA

李安琪等[44]通過實驗的方法探討淫羊藿苷對炎癥軟骨細胞的作用機制,得出淫羊藿苷通過抑制大鼠MMP-13、ADAMTS-5的表達,促進軟骨細胞Ⅱ膠原蛋白的表達,維持軟骨細胞的正常表型。MMP-13、ADAMTS-5作為與ECM相關的蛋白酶,淫羊藿苷通過抑制其表達進而發揮功能,進一步抑制ECM的降解,從而延緩OA的進展。趙曉燕[45]通過淫羊藿苷對OA軟骨細胞增殖凋亡的影響發現,淫羊藿苷能夠抑制IL-1β等炎癥細胞因子的表達,并能夠抑制ECM的上游蛋白酶MMP-1、MMP-3、MMP-13的表達,進而對ECM的降解具有抑制作用。通過抑制ECM的上游蛋白酶的表達,促進軟骨細胞的進一步增殖及抑制軟骨細胞的凋亡,間接抑制OA的進展。陳文鈞等[46]通過建立淫羊藿-川芎藥對高效液相色譜指紋圖譜及建立大鼠OA的模型,得出淫羊藿苷-川芎對大鼠血漿中MMP-13、MMP-3、IL-1β的表達具有抑制作用。在本實驗中,發現淫羊藿苷主要抑制ECM的上游蛋白酶MMPs家族及對OA中的炎癥細胞因子的抑制作用,進而抑制軟骨ECM的降解。川芎主要是抑制炎癥細胞因子的表達,間接抑制ECM的降解。Zhang等[47]得出姜黃素在創傷后OA小鼠模型中能夠減緩OA進展和減輕OA的疼痛癥狀,并通過實驗方法得出姜黃素能夠抑制軟骨細胞中促炎介質IL-1β和TNF-α、MMP-1、MMP-3、MMP-13以及ADAMTS-5的表達,通過抑制軟骨ECM的上游蛋白酶及軟骨ECM的促炎使動細胞因子,對ECM的降解起到一定的抑制作用。進而延緩軟骨細胞的凋亡,延緩OA的進展。王國旗等[48]通過實驗結果發現,與對照組相比較,姜黃素能夠明顯降低大鼠OA內炎癥細胞因子TNF-α和IL-1β的水平,通過降低炎癥細胞因子的水平,對軟骨ECM的降解起到了一定的抑制作用,因此能夠延緩OA的進展。孫志濤等[49]通過建立OA模型,造模成功后運用鹿茸進行藥物治療,發現鹿茸通過抑制ADAMTS-4的分泌以及阻止蛋白聚糖、Ⅱ型膠原蛋白的降解,對軟骨ECM的降解起到一定的抑制作用。ADAMTS-4及蛋白聚糖及Ⅱ型膠原蛋白作為軟骨ECM的成分,通過抑制其成分的降解,對延緩軟骨ECM的降解具有促進作用,間接保護及延緩OA的進展。郭子奕等[50]通過網絡藥理學的方法得出鹿茸具有抗炎的作用,通過抑制脂多糖誘導的炎癥細胞的TNF-α水平,延緩促使軟骨ECM降解的炎癥細胞因子,達到抑制OA進展的目的。因此,通過以上的實驗及網絡藥理學的驗證,中藥單體在抑制軟骨ECM降解方面主要是抑制其上游的MMPs、ADAMTS等酶的表達及抑制軟骨ECM降解的炎癥細胞因子。因此,為了達到抑制軟骨ECM降解的目的,需抑制其上游蛋白及干預炎癥細胞因子這兩方面入手,間接抑制軟骨ECM降解。Yang等[51]通過杜仲-牛膝治療OA的分子機制預測即網絡藥理學與分子對接的方法,發現杜仲-牛膝通過抑制軟骨細胞IL-6、MMP-13等的升高,調節OA的炎癥反應。杜仲-牛膝通過抑制炎癥因子IL-6的升高,減少軟骨內環境的炎癥細胞因子,間接抑制軟骨ECM的降解;杜仲-牛膝通過抑制MMP-13的升高,直接對軟骨ECM的降解起到抑制作用。因此,通過網絡藥理學及分子對接技術,對以后的實驗驗證提供了前期的理論基礎,為實驗得出杜仲-牛膝通過抑制軟骨細胞IL-6、MMP-13等的升高,調節OA的炎癥反應,以及這種抑制作用與其軟骨ECM的降解有關。因此,不管是哪一種中藥單體,都是通過干預軟骨ECM的上游蛋白進而抑制軟骨ECM的降解,或者干預軟骨內炎癥細胞因子的表達,間接抑制軟骨ECM的降解,對OA的產生及進展起到一定的干預及治療作用。

3.2 中藥復方干預軟骨ECM降解治療OA

黃璐等[52]研究發現加味獨活寄生合劑能夠降低兔膝OA軟骨MMP-3、TNF-α的表達,進而延緩軟骨的退變,達到延緩及治療膝OA的目的。通過降低軟骨MMP-3的表達,能夠對軟骨ECM的降解起到一定的抑制作用。另外,加味獨活寄生合劑通過降低軟骨內TNF-α的表達,能夠進一步降低機體內的炎癥環境,也能夠間接對軟骨ECM的降解起到一定的抑制作用。因此,加味獨活寄生合劑通過控制軟骨ECM上游蛋白酶的表達及減少軟骨內的炎癥反應,對膝OA的治療起到一定的促進作用。白榮闖等[53]通過實驗發現甘姜苓術湯能夠降低膝OA模型中的軟骨MMP-3的表達,進而對膝OA起到一定的治療作用。甘姜苓術湯通過降低軟骨MMP-3的表達,對軟骨ECM的降解起到一定的抑制作用,進而對膝OA起到一定的治療及干預作用。倪宇峰等[54]通過仙芎骨康顆粒對OA的實驗研究發現,仙芎骨康顆粒能夠降低OA大鼠組織內MMP-13的表達及炎癥細胞因子IL-1β的表達。因此,仙芎骨康顆粒在干預及治療OA具有兩個方面的作用。一方面,仙芎骨康顆粒通過降低軟骨MMP-13的表達,對軟骨ECM的降解起到了一定的抑制作用,干預軟骨ECM的降解,直接干預及治療OA的產生及進展。另一方面,仙芎骨康顆粒通過抑制軟骨內炎癥因子的表達,降低軟骨內的炎癥環境,間接抑制軟骨ECM的降解,進而達到干預OA進展的目的。五藤膏作為經典的苗藥,能夠降低兔膝骨關節炎模型中的軟骨MMP-13的表達,以及這種抑制作用與Wnt/β-catenin信號有關[55]。在Wnt/β-catenin信號通路的指導下,五藤膏通過降低軟骨MMP-13、β-catenin蛋白及酶的表達,抑制軟骨ECM的降解,進而干預OA的進展。研究發現,茯苓丸加減方能夠干預及治療OA的進展[56]。通過實驗驗證,茯苓丸加減方通過降低軟骨ECM的上游蛋白酶的表達,這些蛋白酶包括MMP-3、MMP-13等,通過抑制這些蛋白酶的表達,進而直接抑制軟骨ECM的降解,達到治療及干預的效果。鐘傳棋等[57]研究發現,健骨方能夠干預及抑制OA的進展,這種抑制作用以降低MMP-13的表達及干預炎癥因子IL-1β有關,通過抑制其表達及炎癥因子發揮作用,能夠對軟骨ECM的降解起到一定的抑制作用。降低軟骨ECM的降解,進而抑制軟骨退變,達到干預及治療OA的目的。因此,中藥復方對軟骨ECM的降解都與抑制其上游MMPs的表達及炎癥因子的表達有關,通過干預酶及炎癥因子的表達,抑制軟骨ECM的降解,進而達到干預及治療OA的目的。

4 小結及展望

綜上,本文主要闡述了中藥通過干預蛋白酶及炎癥因子的表達,進而干預軟骨ECM的降解,達到延緩OA進展的目的。雖然目前臨床上關于OA的診治方法層出不窮,但都是從治療疼痛及整體觀念入手,沒有相應的進行中藥單體及復方防治OA的作用機制方面深入挖掘。因此,中藥通過干預相關蛋白酶的表達及抑制炎癥因子的產生,抑制軟骨ECM的降解,發揮中藥個體化、多途徑的優勢。由于目前的研究手段單一且不透徹,對其主要作用機制沒有詳細地進行挖掘,因此,將中藥相關科研成果轉化為臨床治療手段的過程中存在較多阻力,但是這些不可控因素或阻力隨著中藥研究的不斷深入,中藥在防治OA領域一定會有新的突破,中藥干預軟骨ECM的降解可防治OA的進展。因此,尋找新興技術及新思路探索中藥這座巨大的寶庫,為中藥應用于臨床,防治OA提供廣闊的治療空間。