巖藻多糖在骨質疏松癥中的研究進展

秦夢杰，韓曉強，孫海飚

巖藻多糖在骨質疏松癥中的研究進展

秦夢杰1，韓曉強2，孫海飚2

1.山西醫科大學第一臨床醫學院，山西太原 030001；2.山西醫科大學第一醫院骨科，山西太原 030001

原發性骨質疏松癥是與社會人口老齡化關系最為密切的疾病之一。多項研究表明，巖藻多糖可通過成骨細胞和破骨細胞對骨質疏松癥的發生發展發揮作用。本文綜述骨質疏松癥中巖藻多糖對成骨細胞和破骨細胞作用機制的最新研究進展，為骨質疏松癥的臨床治療提供理論依據。

巖藻多糖；成骨細胞；破骨細胞；炎癥反應；骨質疏松癥

骨質疏松癥是一種系統性骨骼疾病，會導致患者骨脆性和骨折易感性增加，被定義為比相應年齡和種族的健康人的平均骨密度低2.5個或更多標準差的骨密度T值[1]。骨質疏松癥是一種常見的代謝性骨骼疾病，特征是骨骼微結構惡化和骨丟失，其臨床表現是患者的脊柱、髖關節、前臂遠端和肱骨近端骨折率升高[2]。骨穩態是一系列復雜且高度調節的過程，而破骨細胞的骨吸收和成骨細胞的骨基質形成是至關重要的環節[3]。當骨吸收速度>骨形成時，骨穩態被破壞，從而出現骨質疏松，甚至發展為骨質疏松癥。目前，臨床上常用的預防和治療骨質疏松癥的藥物主要以雙膦酸鹽、選擇性雌激素受體調節劑、降鈣素、分子靶向藥物及中藥等為代表，上述藥物存在服用周期長、療效欠佳、不良反應多等問題。研究表明，雙膦酸鹽雖可有效降低患者的骨折風險，促進礦化增加，但其引發的罕見且嚴重的不良反應較多[4-6]。

巖藻多糖是發現于海洋大型藻類中的高度支化雜多糖，具有抗炎、抗氧化、抗腫瘤、免疫調節、刺激成骨細胞活性和礦化等生物學特性，且具有低毒性等優點[7-8]。巖藻多糖主要由270kDa的多糖組成，低分子量巖藻多糖主要由760Da的寡糖組成，低分子量巖藻多糖比巖藻多糖具有更高的活性。研究表明，純化的巖藻多糖可顯著清除自由基形成，同時增加堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）的活性、礦化和成骨細胞的特異性基因表達[9]。巖藻多糖的生物學效應與其結構、組成、分子量、硫酸化程度、分子幾何形狀、來源等密切相關；且巖藻多糖在體內、體外發揮的生物活性作用也不盡相同[10]。

1 巖藻多糖在動物中的作用

1.1 對動物成骨細胞的作用

HWANG等[8]研究表明，低分子量巖藻多糖在體外可引發成骨分化、促進鼠前成骨細胞的體外成骨分化，誘導細胞增殖、細胞外基質礦化和成骨細胞系特異性基因表達增加。該結果與從褐飛虱細胞壁中提取的低分子量巖藻多糖增加成骨細胞的增殖并提高生物利用度獲得的結果相互佐證[11]。

低分子量巖藻多糖對成骨細胞分化過程中的ALP活性、骨鈣素分泌和礦化的影響包括細胞增殖、矩陣成熟和基質礦化。成骨細胞的分化過程嚴格受組蛋白的表觀遺傳修飾[12]。

低分子量巖藻多糖不僅能增強鼠前成骨細胞的增殖，還可增強成骨細胞的分化。低分子量巖藻多糖對成骨細胞分化標志物基因表達水平的影響是一個復雜的過程，涉及成骨細胞分化、骨基質蛋白合成和沉積。骨形成蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）被稱為細胞因子或代謝原，其通過增加ALP和骨鈣素的表達來刺激成骨細胞的分化。低分子量巖藻多糖對BMP2具有特異性增強作用，BMP2可增加ALP和骨鈣素基因的表達，級聯式促進成骨。骨細胞外基質由膠原蛋白和非膠原蛋白組成，Ⅰ型膠原（collagen Ⅰ，COLⅠ）構成成熟骨中總有機細胞外基質的90%，如骨唾液酸蛋白。低分子量巖藻多糖促使COLⅠ信使核糖核酸（messenger RNA，mRNA）水平顯著增加，刺激骨唾液酸蛋白mRNA表達，增加成骨細胞中COLⅠ的水平[13]。馬尾藻提取物可在體外刺激骨形成，且其對年輕和老年大鼠的骨骼成分具有合成代謝作用。Tae等[14]在兔模型體內研究發現，巖藻多糖可促進其骨形成。

1.2 對動物破骨細胞的作用

破骨細胞是源自造血干細胞的組織特異性巨噬細胞。在巨噬細胞集落刺激因子（macrophage colony stimulating factor，M-CSF）存在下，造血干細胞作用于巨噬細胞集落形成單元，當被核因子κB受體活化因子配體（receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANκL）-核因子κB受體活化因子（receptor activator of nuclear factor-κB，RANκB）信號激活時，其會進一步分化為單核破骨細胞，隨后融合成為多核破骨細胞，過度增殖和分化在骨質疏松癥的發病機制中起關鍵作用[15]。破骨細胞關聯受體（osteoclast associated receptor，OSCAR）是一種近期被發現的破骨細胞特異性受體，其可能是誘導破骨細胞生成的重要因素，低分子量巖藻多糖可抑制OSCAR mRNA的表達，進而抑制細胞向破骨細胞的分化，使得破骨細胞的數量和骨吸收率降低。Jin等[16]在低分子量巖藻多糖處理去卵巢大鼠的實驗中證實，低分子量巖藻多糖可限制破骨細胞標記基因TRAP和NFATc1的表達，抑制破骨細胞增殖，從而使破骨細胞生成更少，最大限度地減少骨丟失；同時，低分子量巖藻多糖可降低去卵巢大鼠的骨轉換率及血清Ⅰ型前膠原氨基端原肽、Ⅰ型膠原C端肽的水平，增加骨形成的表面積、礦化時間及股骨機械強度，最終證實低分子量巖藻多糖可抑制破骨細胞前體分化、成熟和骨吸收，改善骨密度損失和小梁退化。另有研究表明，巖藻多糖可通過抑制破骨細胞分化因子誘導的絲裂原活化蛋白激酶激活、下調參與破骨細胞分化和吸收的基因，抑制骨髓巨噬細胞的破骨細胞生成[17]。

2 巖藻多糖在組織中的作用

2.1 對組織破骨細胞的作用

骨重塑是通過骨形成和骨吸收之間的動態平衡實現的，絕經后女性體內成骨細胞的骨形成基因表達及能力低于破骨細胞的骨吸收基因表達和能力，進而導致絕經后女性易出現骨質疏松。破骨細胞生成和破骨細胞前體增殖的過程取決于M-CSF和RANKL這2種關鍵的細胞因子[18]。RANKL與破骨細胞前體細胞膜上的核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）蛋白受體激活劑結合激活核因子激活的B細胞的κ-輕鏈增強信號通路。NF-κB是NFATc1表達水平的關鍵核激活劑，這可能導致單核破骨細胞被激活，進而提高骨破壞率。

NF-κB信號通路的激活是破骨細胞分化的關鍵，由RANKL誘導[19]；NFATc1是RANKL誘導的破骨細胞生成的主要轉錄調節因子[20]。研究表明，NFATc1通過上調破骨細胞相關基因的表達產物，如組織蛋白酶K、TRAP和基質金屬蛋白酶-9，在破骨細胞分化和功能中發揮重要作用；NFATc1是通過激活參與破骨細胞分化和活性基因的轉錄來促進RANKL誘導的破骨細胞生成的關鍵轉錄因子[21]。NFATc1對NF-κB的誘導較為重要，其可能通過NF-κB與NFATc1的啟動子區域結合而發生，導致NFATc1表達增加，隨后RANKL誘導破骨細胞分化[22]。體外研究表明，巖藻多糖可抑制RANKL誘導的骨髓源性巨噬細胞中破骨細胞的形成，主要是通過抑制NF-κB的激活，這是破骨細胞分化的先決條件[23-24]。Lu等[25]研究發現巖藻多糖可較好地抑制RANKL刺激的巨噬細胞中破骨細胞分化、破骨細胞骨吸收活性和炎癥性骨丟失，其是通過調節Akt/糖原合酶激酶3β（glycogen synthase kinase 3β，GSK3β）/PTEN信號傳導通路、抑制細胞內Ca2+水平、抑制鈣調磷酸酶活性的增加而介導、抑制核因子激活的T細胞c1向細胞核易位。另有研究表明，從刺參中提取的褐藻糖膠可抑制破骨細胞的生成[26]。

Jin等[16]研究表明，低分子量巖藻多糖可抑制RANKL受體激活劑和M-CSF誘導的鼠巨噬細胞分化為耐酒石酸酸性磷酸酶陽性破骨細胞，并減少骨破骨細胞的吸收表面；低分子量巖藻多糖可抑制酸性磷酸酶、基質金屬蛋白酶9、活化T細胞核激活劑1和破骨細胞相關免疫球蛋白樣受體mRNA的表達，它們是破骨細胞分化信號通路的組成部分；同時研究表明低分子量巖藻多糖可在體外抑制RANKL和M-CSF將鼠巨噬細胞誘導為成熟破骨細胞。

2.2 對組織成骨細胞的作用

骨重建過程必不可少的因素之一是成骨細胞的成熟、分化。成骨細胞是間充質干細胞（mesenchymal stem cell，MSC）來源的小單核細胞，其分化受多種生長因子、細胞因子和環境因子的調節[27]。MSC成骨細胞譜系的發育受特定轉錄因子、生長因子和信號通路等多種因素的調節[28]。研究表明，用高分子量巖藻多糖作用于細胞模型系統，所有受試巖藻多糖提取物對血管生成過程均表現出負面影響，進而對骨的形成產生不利影響[29]。

研究發現，褐藻糖膠可誘導人脂肪源性干細胞14和MG-63細胞的成骨分化。Cho等[30]研究表明巖藻多糖可增加成骨細胞中與骨礦化相關的ALP、骨鈣素和BMP-2的水平，可顯著誘導成骨細胞分化。另外，Kim等[31]通過體外細胞實驗發現，褐藻糖膠誘導人骨髓MSC增殖，且顯著增加ALP活性、鈣積累和成骨細胞特異性基因的表達。巖藻多糖可通過增加磷酸化，誘導BMP的表達，并刺激細胞外信號相關激酶、c-Jun氨基端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）和p38絲裂原激活蛋白激酶的激活，最終發現并證明褐藻糖膠通過激活ERK和JNK，通過BMP2-Smad1/5/8信號誘導成骨細胞分化[32]。研究發現，巖藻多糖可刺激人脂肪干細胞成骨分化，而低于30kDa巖藻多糖可促進人成骨細胞增殖、骨鈣素分泌和礦物質沉積，提高ALP活性[33]。

綜上，巖藻多糖對成骨細胞增殖的影響可隨巖藻多糖的濃度、受試細胞和分子量的大小而產生不同的影響。

3 巖藻多糖在炎癥中的作用

炎癥因子、炎癥細胞等免疫因素也可導致骨質疏松癥的發展。研究表明，炎癥細胞因子可促進破骨細胞的生成和骨吸收，推測其可能由于成骨細胞前體和成熟成骨細胞促進RANKL的生成，且與RANKL的協同作用可放大RANKL/RANK的調節過程。免疫炎癥細胞和骨細胞之間的相互作用通過促進骨吸收，導致骨代謝失衡[34]。脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）是革蘭陰性細菌的膜成分，可增強各種免疫細胞的募集，從而進一步激活促破骨細胞生成細胞因子的分泌及破骨細胞形成和骨吸收所必需的前成骨細胞融合和存活；另外，LPS在促進鼠巨噬細胞中的破骨細胞分化和破骨細胞相關基因表達中也具有關鍵影響[35]。抑制促炎因子誘導的破骨細胞過度生成可能是減少LPS誘導的體內炎癥性骨丟失的關鍵靶點。研究證實，巖藻多糖通過免疫調節減少肥大細胞脫粒和細胞因子釋放，下調白細胞介素-22，可局部和全身調節動物的免疫系統，在LPS刺激的巨噬細胞中發揮抗炎作用[36]。

4 小結

巖藻多糖通過對成骨細胞和破骨細胞產生影響，進而影響骨質疏松癥的發生、發展過程。但目前關于巖藻多糖對成骨細胞和破骨細胞作用的研究大都是動物實驗研究，關于人體的研究相對較少，缺乏更進一步的臨床研究數據和結果。因此，仍需進一步探索研究巖藻多糖對成骨細胞和破骨細胞的作用機制，為探索骨骼疾病的治療方法提供更多依據。

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（2022–11–29）

（2023–09–03）

R589.5

A

10.3969/j.issn.1673-9701.2023.27.034

韓曉強，電子信箱：jack98193@163.com