由線粒體質量控制探討天然產物在骨質疏松癥防治中的作用

閆炳翰 齊碩 仇道迪 薛海鵬 徐展望 譚國慶*

1.山東中醫藥大學,山東 濟南 250014

2.山東中醫藥大學附屬醫院,山東 濟南 250014

骨質疏松癥(osteoporosis,OP)是一種代謝性骨病,其特征是骨密度降低使得骨脆性增加,其主要發病原因是骨吸收的速度大于骨形成的速度,即骨的重塑失衡[1]。在我國50歲以上人群中OP的患病率約為19.2%,而65歲以上人群的患病率更高,達到32.0%[2],隨著中國老齡人口的日益增多,OP帶給衛生事業和社會的負擔也越來越大。因此,尋找新的治療靶點、開發新的治療策略迫在眉睫。

線粒體是細胞內的一種細胞器,具有獨特的線粒體基因(mtDNA),參與了多個生理過程,如活性氧(reative oxygen species,ROS)的產生、鈣(Ca2+)信號轉導和氧化磷酸化生成三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP),被稱為細胞的“動力中心”[3],在維持細胞正常功能和生存中起著至關重要的作用[4]。近年來,關于線粒體質量控制與細胞老化和疾病之間的關系成為了研究的熱點[5],維持線粒體的健康和功能對于細胞的正常運作至關重要,而線粒體功能的缺陷則會導致細胞代謝紊亂、能量不足和氧化應激等問題,進而引發多種疾病的發生和發展[6],OP也包含在其中。Langdahl等[7]研究發現,對45位參與者進行的調查顯示,線粒體DNA上的一種點突變(m.3243A>g)可能與骨量有關,暗示線粒體功能障礙可能導致骨骼提前老化。OP 存在異常的線粒體功能障礙機制主要包括:線粒體生物發生、線粒體動力學、線粒體自噬、線粒體氧化應激等方面。天然產物由于其副作用少、易于獲得等優點在調控線粒體質量治療OP領域被廣泛關注,所以本文總結了線粒體功能質量控制與OP之間的關系并總結了部分天然產物通過調控線粒體質量控制對OP防治作用的研究,為臨床防治OP提供新的研究方向。

1 天然產物與OP

天然產物是指從天然來源(植物、動物或微生物)中提取或合成的化合物,具有潛在的藥理活性。天然產物與單一的化學合成藥物相比具有較少的副作用[8],并能更廣泛地干預骨細胞的功能,有雙向調節骨質疏松癥的作用,能促進OBs介導的骨形成,又可以抑制OCs介導的骨吸收[9]。因此,在治療OP方面具有較大潛力,逐漸成為該領域的研究熱點和發展方向。一些天然產物被研究發現具有調節線粒體功能和改善OP的潛力。

OP在屬于中醫學中的“骨痿”“骨痹”等范疇[10],其病因病機為腎虛、脾虛、血瘀,其中腎虛為發病之本,脾虛為重要病機,血瘀則為重要的病理基礎[11]。線粒體作為細胞內的能量生產中心,參與氧化磷酸化過程產生細胞所需的ATP與脾的“氣血生化之源”功能如出一轍。線粒體DNA承載著部分細胞遺傳信息則相當于藏于腎中的“先天之精”[12]。中藥是典型的藥用天然產物,其中的補腎健脾以及活血化瘀之品確實有治療OP 的功能,其機制可能與調控線粒體質量有關。

2 線粒體質量控制與OP以及天然產物的干預作用

2.1 線粒體生物發生

線粒體生物發生是指新的線粒體形成,主要由核DNA和線粒體DNA(mtDNA)共同調控[13],通過原有線粒體的生長和分裂形式產生新的線粒體,以補充線粒體池。過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活1-α(PGC-1α)是一種轉錄共激活因子,其活性受到上游信號通路腺苷酸活化蛋白激酶/沉默信息調節因子 1(AMPK/SIRT1)的精準調控,隨后通過調控下游核呼吸因子1/2(Nrf1/2)的活性,進一步激活線粒體轉錄因子A(TFAM),從而啟動mtDNA的轉錄和復制過程。PGC-1α與線粒體呼吸調節和ATP合成密切相關,可促進線粒體生物合成,減少線粒體損傷。各種分子在PGC-1α在線粒體生物發生中形成網絡,在OP相關細胞中,SIRT1/3、Nrf1/2、雌激素相關受體α(ERRα)等分子已被證明與PGC-1α相互作用,共同參與線粒體生物發生的調節[14]。這些分子之間的相互作用和調節網絡對于促進線粒體的生物合成、調控線粒體呼吸以及ATP合成起著重要作用。

白藜蘆醇是來自葡萄、虎杖的一種天然植物多酚[15],具有抗氧化、抗衰老等作用,研究發現白藜蘆醇可以通過激活SIRT1靶點,并增加mtDNA拷貝數,增強線粒體生物發生從而促進骨膜源性MSCs的成骨分化[16]。金雀異黃素是一種異黃酮化合物,主要存在于豆類制品中,Li等[17]通過體內實驗證實金雀異黃素可以通過ERRα介導的機制來調節線粒體生物合成,從而減輕卵巢切除大鼠骨髓間充質干細胞的衰老,其具體機制為金雀異黃素可以逆轉MMP的下降,并上調PGC-1α、Nrf1等線粒體生物合成主要調節因子的表達。此外,金雀異黃素也可以上調SIRT3表達,并促進Parkin易位至線粒體,增加線粒體自噬。這些研究結果表明,白藜蘆醇和金雀異黃素可以通過調節線粒體功能來治療OP,這也提示天然產物在調控線粒體生物發生來治療OP存在的潛力。

2.2 線粒體動力學

線粒體動力學是線粒體通過持續的裂變和融合重新塑造的動態平衡過程,這對于維持線粒體質量和功能至關重要,線粒體融合由線粒體外膜融合蛋白 1/2(Mfn1/2)及線粒體內膜視神經萎縮蛋白 1(OPA1)介導,Mfn1/2是線粒體融合蛋白,位于線粒體外膜上,它們通過其末端固定在外層線粒體膜上[18]。Mfn1/2的作用是介導線粒體外膜的融合,它們促使相鄰線粒體外膜之間的融合,從而形成一個連續的外膜結構,有助于維持線粒體的整體形態和功能[19]。而OPA1參與線粒體內膜的融合,OPA1定位于線粒體內膜,并通過其特定的結構域介導內膜融合。內膜融合由OPA1的多個等位變體調節,這些變體參與形成線粒體內膜嵴的結構和維持內膜的完整性[20]。總之,Mfn1/2介導線粒體外膜的融合,而OPA1參與線粒體內膜的融合。它們共同組成線粒體融合機制,維持線粒體的形態、嵴結構和內膜完整性,對細胞的正常功能和代謝過程至關重要[21]。動力相關蛋白1(dynamin-related protein-1,DRP1)是線粒體裂變的主要調節因子,它被受體蛋白募集。線粒體裂變蛋白1(Fis1)和線粒體裂變因子(MFF)被募集到外部線粒體膜的裂變位點,形成一個低聚環。在GTP水解酶的驅動下,這個低聚環逐漸收縮,導致線粒體斷裂。線粒體的裂變過程可以及時清除受損的線粒體,但過度的裂變會阻止線粒體的伸長,導致細胞周期延長或停止[22]。

當線粒體融合和裂變的平衡被打破時,影響成骨細胞(OBs)和破骨細胞(OCs)的活性,進而加速OP的發生和發展。在線粒體動力學與OP的研究中,Zhang等[23]研究發現,腫瘤壞死因子α(TNF-α)可以引起線粒體產生過多的ROS,同時上調DRP1的表達。這導致線粒體膜電位崩潰,線粒體發生囊泡化和碎片化,進而導致線粒體功能下降,并抑制OBs的活性。同樣也有研究發現線粒體動力學也會影響OCs的分化,DRP1的上調通過促進c-fos/活化T細胞核因子c1(NFATc1)軸的增加來增強OCs的分化[24]。

線粒體動力學的紊亂和線粒體功能異常導致骨相關疾病的發生與發展。OBs在骨組織修復與再生中起著重要作用,而線粒體的正常功能對于OBs的生存和功能至關重要。水飛薊素是一種天然的黃酮木脂素類化合物,具有較強的抗氧化和線粒體保護特性。在OBs中,水飛薊素可以直接下調RAGE(高級糖基化終末產物受體)的表達,維持骨形成相關蛋白L-OPA1和S-OPA1的平衡,降低線粒體氧化應激和線粒體膜電位,從而顯著增加ATP產量。此外,水飛薊賓也可以改善異常線粒體裂變/融合事件,在改善線粒體動力學方面抑制OBs的凋亡[25],從而起到抗骨質疏松的作用。

2.3 線粒體自噬

線粒體自噬是一種自噬的形式,通過降解和清除細胞質中功能失調的線粒體來維持線粒體結構和功能的完整性和細胞內環境的穩定[26],PINK1/Parkin途徑是線粒體自噬途徑之一,當線粒體跨膜電位破壞時,PINK1被激活并定位在外線粒體膜上,隨后PINK1會招募和激活Parkin蛋白,Parkin會進一步選擇性地招募一些自噬受體,這些受體與線粒體結合并啟動線粒體自噬的過程[27]。最近的研究發現PINK1-Parkin信號通路在OBs的分化、凋亡甚至鐵死亡等方面也發揮著重要作用。Zhao等[28]研究表明NIPA2通過PGC-1α/FoxO3a/MMP信號通路調控PINK1/parkin介導的線粒體自噬,調節OBs的成熟、分化以及骨礦化能力。此外,Li等[29]研究表明PINK1/Parkin介導的線粒體自噬可以抑制氧化應激損傷誘導的OBs凋亡。Wang等[30]則發現,線粒體鐵蛋白的缺乏可以通過ROS/PINK1/Parkin途徑誘導線粒體自噬,增加高葡萄糖條件下的OBs鐵死亡。這一系列研究進一步支持了PINK1-Parkin信號通路對OBs功能和生存的重要性,并強調了線粒體自噬在這一過程中的關鍵作用。

阿魏酮是一種天然的非甾體植物雌激素化合物,它作為雌激素受體激動劑,具有調節線粒體功能的作用。研究發現,阿魏酮可以降低MMP、ATP和ROS的水平,同時提高PINK1和Parkin的表達水平,誘導線粒體自噬,促進OBs的分化[31]。表沒食子兒茶素-3-沒食子酸酯 (EGCG)是從茶葉中提取的一種天然植物多酚,研究發現,EGCG可以通過降低mtROS產生、增加ATP產生,同時對MMP和PINK1、Parkin的調控,并通過AKT和p38 MAPK 途徑調節線粒體自噬來抑制OCs分化[32]。阿魏酮、EGCG以及上文提到的金雀異黃素都可以通過一定的途徑調控線粒體自噬來改善線粒體功能,這有望使天然產物作為線粒體自噬調節劑來維持線粒體功能,并在成為治療OP的有效方法。

2.4 線粒體氧化應激

線粒體氧化磷酸化過程中,氧氣在細胞色素C氧化酶的作用下被還原為水,但仍有一小部分不完全還原為超氧自由基,這些超氧自由基經過線粒體超氧化物歧化酶的作用轉化為H2O2,并釋放到膜間隙和細胞質中,從而產生ROS[33]。過量的線粒體活性氧(mtROS)可能導致線粒體通透性轉換孔(mPTP)的開放,這是線粒體內膜上的一個孔道,當開放時,會導致線粒體膜電位(MMP)的降低[34]。同時,過量的mtROS還可能導致凋亡蛋白的釋放,進一步引發線粒體功能障礙。在骨細胞分化過程中,產生ROS的量增加,并伴隨著線粒體的氧化磷酸化過程。mtROS的穩態受線粒體抗氧化劑的平衡調節,其中包括Nrf2的參與[35]。Nrf2作為一個重要的抗氧化劑響應因子,在骨細胞中調控ROS穩態的平衡。缺乏Nrf2可能導致骨細胞無法有效應對氧化應激,進而引發骨質疏松和OCs功能異常。

OP常常伴隨著氧化應激和線粒體功能障礙的發生,研究發現,天然植物多酚-原花青素(PAC)可以增加Nrf2的核易位并提高下游的HO-1(血紅素氧合酶-1)的表達水平。這樣做有助于恢復MMP水平和減少mtROS的產生,同時促進RUNX2、骨鈣素(OCN)、膠原蛋白I(COLI)等與骨骼形成相關的基因的表達。PAC通過Nrf2活化可以改善糖皮質激素誘導的OBs氧化應激和線粒體功能障礙,從而保護OBs的功能并降低OP發生的風險[36]。無獨有偶,另外一項研究也證實了PAC對線粒體功能的保護作用,PAC通過恢復MMP水平和呼吸鏈復合物IV活性,并減少mtROS和線粒體超氧化物來改善H2O2誘導的線粒體功能障礙,抑制OBs的凋亡[37],提示PAC可能通過其抗氧化和抗凋亡作用來抑制OP的發生發展。與PAC類似,天然類黃酮山柰酚也通過恢復MMP水平以及呼吸鏈復合物IV活性,減少了mtROS的產生并維持Ca2+平衡,以此來保護OBs[38]。此外,傳統中藥藏紅花中提取的藏紅花素也可以恢復MMP水平,并減少了地塞米松誘導的ROS產生以及防止Ca2+過載,防止OBs的凋亡[39]。姜黃素是中藥姜黃中提取的天然抗氧化劑,研究發現,姜黃素可以通過減少mtROS、增加復合物Ⅲ和輔酶Q活性、增加MMP以及通過激活AKT/GSK-3β信號通路和減弱OBs凋亡等方式,降低線粒體功能障礙,保護線粒體免受氧化應激損傷,從而對骨骼健康產生積極的影響[40]。中藥三七中的活性成分三七皂苷R1(NGR1)降低了c-Jun N-末端激酶(JNK)和P-JNK的表達,增加了MMP、ATP 和mtDNA的水平,降低了mtROS水平,促進了ALP、OCN、COLI、RUNX2等促進骨形成的因子的水平和活性。NGR1可以通過阻斷JNK信號通路,降低氧化應激誘導的線粒體功能障礙,恢復OBs功能[41]。當然,也有部分天然產物能夠調節線粒體氧化應激改善BMSCs成骨分化的作用,研究發現提取自中藥黃芪的黃芪多糖能夠減少mtROS,抑制鐵超載誘導的BMSCs的衰老和凋亡,并促進其增殖[42]。從上述研究中不難發現,天然產物具有調節線粒體氧化應激改善OBs功能以及改善BMSCs成骨分化治療OP的潛力,在抑制破骨方面的相關研究目前相對不足,還需進一步的探索和研究。線粒體質量控制系統在OP中的作用機制見圖1,天然產物基于線粒體質量治療OP的作用機制見表1。

表1 天然產物基于線粒體質量治療OP的作用機制

圖1 線粒體質量控制系統在OP中的作用機制

3 總結和展望

本文基于線粒體的生物發生、線粒體動力學、線粒體自噬以及線粒體氧化應激4個方面綜述了線粒體質量控制在OP中的調控機制,并總結了部分天然產物調控線粒體質量控制干預OP的作用機制,它們主要作用于DRP1、OPA1、GSK-3b、mTOR、SIRT1/3、PGC-1a、Nrf1/2、PINK1、Parkin等靶點,并通過介導線粒體功能障礙來調控OBs和OCs的分化、凋亡和活性以及BMSCs的成骨分化。近年來,線粒體代謝紊亂和功能障礙作為治療慢性疾病的重要靶點,具有廣闊的醫學應用前景,對線粒體功能的改善和保護的藥物研發是一個前沿領域,天然產物作為潛在的藥物來源和研究重點正受到廣泛關注。許多天然產物已被證明對線粒體具有保護和調節功能,其中包括黃酮類化合物、多酚類化合物以及來自多種植物、中草藥的提取物。盡管天然產物在線粒體保護和功能改善方面顯示出了潛力,但仍然存在著提取和純化的困難、劑量和給藥途徑的優化等問題,且目前大部分的研究局限于動物實驗,將這些天然產物的干預作用轉化為臨床應用,仍需要進一步的研究和臨床試驗,以確定其安全性、療效和適用范圍。總之,天然產物干預線粒體質量控制治療OP的研究仍然存在挑戰,不過隨著技術的不斷發展和研究的深入,相信天然產物在調控線粒體質量方面的研究和開發將會取得更為良好的前景和成果,成為治療OP的有力武器。