中藥單體及復方干預細胞因子表達治療骨關節炎研究進展

孔令俊 韓升龍 趙軍 鄧葉龍 孟漢杰 李想張金磊

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

骨關節炎(osteoarthritis,OA)是一種進行性關節退變疾病,其主要特征是關節軟骨的退化和破壞。在全球范圍內OA發病率普遍較高,大約16%的人口最終將受到不同程度OA的影響[1]。OA的發生發展通常與軟骨基質降解、促炎介質的產生、軟骨細胞凋亡和滑膜中巨噬細胞的異常活化有關[1-4]。目前臨床上關于OA的治療包括手術和非手術藥物治療兩種,但特異性非手術治療的藥物相對較少,當下主要以口服非甾體抗炎藥(NSAID)及激素類藥物緩解疼痛為目的[5-6],但這類藥物并不能治療軟骨退化或破壞、促進軟骨修復及延緩OA的進展[7]。既往研究證實,炎性細胞因子[如白細胞介素1β (IL-1β)、白細胞介素6 (IL-6)和腫瘤壞死因子-α (TNF-α)]、軟骨外基質降解酶類因子[如基質金屬蛋白酶(MMPs)]、軟骨細胞修復和重塑因子[如骨形態發生蛋白(BMP)]和細胞增殖凋亡因子[如轉化生長因子β (TGF-β)]等相關細胞因子已被公認為是與退行性關節病發病機制和進展有關的重要細胞因子[8-9]。而大量研究表明,中藥可通過干預上述細胞因子表達減緩軟骨退化和破壞、促進軟骨修復,發揮治療OA的作用;同時中藥也具有廉價高效、副作用少的優勢。因此,本文通過對上述細胞因子干預OA發生發展的研究進展進行綜述,以期為臨床治療OA提供可能的新思路與參考,為后續開發特異性治療OA的中藥制劑提供基礎依據。

1 轉化生長因子β

轉化生長因子β (TGF-β)在細胞的增殖分化及凋亡等多方面發揮重要作用,具有調控細胞分化、促進組織再生、調節炎癥反應和免疫反應等作用[10-11]。生理狀態下,正常激活的TGF-β是骨吸收和形成平衡的關鍵影響因子,破骨細胞在骨吸收過程中生成活性TGF-β,并通過SMAD及Wnt信號傳導誘導機體成骨細胞由骨基質移動到骨表面,進行成骨反應[12]。機械負荷加重時,TGF-β可被異常激活而處于高表達狀態,高表達的TGF-β聚集在骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs),并在骨髓中形成異樣的骨樣胰島[13],并且導致軟骨下骨中血管出現過度充血狀態。通過藥物抑制過度激活的TGF-β,可預防軟骨下骨異常血管生成,靶向軟骨下骨改變可減緩關節軟骨退變,延緩OA進展[14]。因此,在防治OA過程中TGF-β有兩方面作用:一方面適度激活誘導軟骨細胞活性,并為其創造有利微環境助軟骨形成;另一方面過度激活刺激軟骨下骨異常血管生成,加速軟骨破壞。

Ji等[15]在異甘草素對OA小鼠軟骨保護實驗中發現,異甘草素可通過抑制TGF-β釋放,直接減少RANKL-RANK-TRAF6信號通路誘導的破骨細胞生成,防止異常骨形成。并可抑制基質金屬蛋白酶(MMPs)而發揮抑制軟骨下骨血管生成的作用,使治療后OA小鼠關節鈣化軟骨區厚度明顯減少,這表明異甘草素通過抑制軟骨下骨的骨吸收和血管生成,保護關節軟骨,延緩OA進程。Li等[16]實驗發現,青蒿琥酯可通過調節RANKL-OPG系統阻斷TGF-β信號傳導,抑制TGF-β釋放,減少早期OA小鼠軟骨下骨血管生成,最終達到抑制骨吸收和軟骨下骨中血管形成來防治OA。Hu等[17]發現,槲皮素在體外實驗中可誘導巨噬細胞M2極化,上調TGF-β表達,為軟骨細胞創造有利微環境助軟骨形成。在OA大鼠體內實驗中,其抑制基質降解蛋白酶和炎癥介質IL-1β表達,可促進軟骨合成因子產生,減輕OA大鼠軟骨退化。這提示槲皮素可作為促進OA軟骨修復的潛在藥物。金連峰等[18]通過動物實驗發現,經新止骨增生丸治療后,可增強OA大鼠TGF-β表達,抑制軟骨細胞異常增生,減輕關節軟骨細胞變性程度,進而延緩OA進程。

2 基質金屬蛋白酶

OA關節軟骨細胞外基質(ECM)的產生和降解是OA關節軟骨破壞、關節進行性退變中的關鍵環節[19],ECM結構和組成的變化改變了關節內微環境,同時過度的機械負荷,導致ECM過度消耗,且關節軟骨再生能力有限[20],因此造成不可逆的破壞,從而導致OA發生。而基質金屬蛋白酶(MMPs)介導ECM降解,是OA患者關節軟骨基質降解的關鍵性蛋白酶[21]。研究發現,MMPs在降解膠原的同時降解蛋白聚糖分子aggrecan,從而破壞ECM[22],故抑制MMPs表達可有效防治OA[23]。正常滑膜及軟骨組織中MMPs表達較低,而在OA患者滑膜和軟骨中MMPs表達明顯升高。研究證實中醫藥可通過抑制OA患者MMPs及相關炎性因子表達,減輕關節軟骨的微炎癥,減緩ECM降解,進而減少關節軟骨的降解破壞,改善其臨床表現,防治OA。

Shao等[24]研究發現,七葉皂苷A可抑制IL-6、IL-8、TNF-α、MMP2、MMP3和MMP13等因子表達,抑制IL-1β誘導的炎癥,并通過抑制ECM分解代謝,抑制OA小鼠進行性軟骨退化和破骨細胞生成,從而發揮改善OA的作用。Jeon等[25]通過研究益智對兔關節軟骨外植體軟骨降解的保護作用發現,益智可抑制MMP-3和MMP-13的上調,并降低IL-1α水平,抑制膠原蛋白降解,減輕ECM,改善關節軟骨降解,從而發揮對OA軟骨的保護作用。Johnson等[26]研究發現,經紫錐菊治療后OA大鼠MMPs表達、細胞因子水平、NF-κB水平和iNOS產生顯著降低,而膠原II表達增加,并明顯緩解OA大鼠關節疼痛,表明其減少了軟骨病理損失,達到保護關節軟骨、改善OA的作用。Mu等[27]通過實驗證實,常山可抑制OA小鼠TGF-β通路下游的SMAD 2/3磷酸化和破骨細胞生成,減少關節軟骨中MMP-13和膠原X(Col X)陽性細胞數量,使OA小鼠重新耦合骨重塑,并抑制軟骨下骨中異常血管生成,進而防止關節軟骨退化和維持軟骨下骨微結構,減緩OA進展。Wang等[28]研究表明,黃芩苷可通過逆轉由IL-1β誘導的MMP9、MMP13上調,并中和ECM分泌的下調,促進軟骨細胞活力和細胞外基質合成,進而延緩OA發生,故黃芩苷是有效治療OA的潛在策略。Fei等[29]在評估木犀草素對IL-1β刺激的大鼠軟骨細胞和碘乙酸單鈉(MIA)誘導的OA模型的保護作用時發現,木犀草素可顯著降低IL-1β誘導的MMP-2、MMP-8、MMP-9和TNF-α的產生以及MMP-1、MMP-3和MMP-13的表達,逆轉由IL-1β誘導的膠原蛋白II降解,并增強OA大鼠體內膠原蛋白II表達,并有效減少MIA誘導的OA大鼠軟骨降解,達到防止軟骨破壞、防治OA的目的。Xia等[30]研究發現,加味陽和湯可顯著抑制兔MMP-3、MMP-13表達,改善關節軟骨的降解,并通過發揮阻止軟骨細胞過度凋亡、保持細胞外基質相對完整及關節局部抗炎的作用,在體內外治療OA方面具有極高療效。

3 腫瘤壞死因子-α

腫瘤壞死因子-α(TNF-α)是由活躍的滑膜細胞和軟骨細胞產生的重要炎性細胞因子之一[31]。TNF-α可誘導膝關節中IL-1β、PEG2、COX-2和MMPs的釋放,上調降解酶包括分解關節細胞外基質的MMPs來增加軟骨分解代謝,誘導致炎細胞因子觸發持續的炎癥反應[8,32]。研究證實,OA患者骨和關節細胞中促炎細胞因子TNF-α的表達水平發生異常改變[33]。TNF-α的高水平積累導致細胞中相關信號通路激活,誘導軟骨細胞過度產生IL-1β、COX-2和MMPs,進一步加劇OA[34]。

Wang等[35]實驗發現,紅花通過促進AMPK磷酸化和SIRT1的表達,抑制TNF-α誘導的NF-κB的激活和內質網應激,可恢復TNF-α誘導的IL-1β和MMP13上調,下調COL2A1和Acan的表達,同時恢復細胞增殖,從而發揮保護軟骨細胞,抑制炎癥反應,防治OA的作用。Luo等[36]的實驗研究結果揭示了松醇作為預防OA相關軟骨細胞衰老和氧化應激的安全治療選擇的潛力。松醇通過抑制TNF-α誘導的軟骨細胞衰老,抑制TNF-α誘導的端粒酶活性增加及p16和p53的表達,并調控被認為是OA關鍵保護因素的Nrf2信號傳導來防治OA。Chen等[37]實驗發現,蘆丁可改善AGE介導的體外對人軟骨細胞的炎癥反應。其通過抑制軟骨細胞中COX-2和iNOS水平,降低IL-6、TNF-α和PGE-2表達,減少ECM降解;并通過抑制NF-κB/MAPK通路表達,抑制相關炎癥反應和ECM降解,可防止軟骨組織的鈣化,成為治療OA的潛在藥物。Feng等[38]實驗發現,在MIA誘導的OA模型中,龍牙草可減輕血漿中TNF-α、IL-6和CRP水平,抑制NO和IL-6表達,增加PPAR-γ蛋白磷酸化,下調TNF-α和MAPKs蛋白表達,預防OA發生,是OA治療的潛在藥物。周子齊等[39]研究表明,獨活寄生湯可通過調控炎癥相關因子TNF-α、IL-1、IL-6緩解OA炎癥。其通過上調BMP mRNA、TGF-β表達,促進軟骨細胞代謝及其增殖分化功能,并調節相關信號通路來抑制軟骨基質中MMPs表達,防止軟骨基質被破壞,從多方面防治OA。

4 白細胞介素-1β和白介素-6

關節軟骨組織中特有的軟骨細胞,是軟骨破壞的關鍵因素[3]。研究顯示,軟骨細胞的凋亡在OA發生發展過程中起著關鍵作用[40]。細胞因子白細胞介素-1β(IL-1β)是炎癥反應的關鍵介質,介導急慢性疾病的炎性損傷。研究表明[41],IL-1β可通過軟骨基質作用于軟骨細胞,經TRAF6激活IKK復合體,釋放NF-κB進行核轉錄,調控下游因子的表達,刺激軟骨細胞及滑膜細胞產生膠原酶,參與OA的發生發展。同樣,促炎因子白介素-6(IL-6)在OA發病過程中也起著關鍵作用[42-43]。IL-6過度生成加速OA的發展進程[44]。但與TNF-α及IL-1β刺激軟骨細胞及滑膜細胞產生膠原酶不同的是IL-6可增強TNF-α及IL-1β在OA中的作用,并協同IL-1β抑制軟骨細胞合成蛋白聚糖,導致軟骨基質的缺失,在OA早期即發揮破壞作用[45-46]。同時,滑膜巨噬細胞、軟骨細胞、破骨細胞分泌的IL-6通過信號傳導及STAT3、ERK途徑誘導OA患者關節軟骨細胞分解,導致軟骨部鈣化和骨贅形成,使OA形成和發展加速[47]。

Lee等[48]實驗發現,五味子可抑制細胞因子IL-1β、IL-6、TNF-α、PGE2和MMPs的表達水平,并顯著抑制血清和膝關節組織中MMP2、MMP9表達水平,降低MIA誘導的OA模型癥狀,改善關節組織中軟骨損傷,緩解OA小鼠炎癥與疼痛,防治OA。Luo等[49]在甘草甜素對大鼠OA軟骨退變及炎癥反應的保護作用研究中發現,甘草甜素可降低OA大鼠膝關節機械性痛閾,緩解雙側關節水腫,降低血清和軟骨中IL-1β、IL-6、TNF-α和iNOS的水平,抑制軟骨基質分解和MMPs及II型膠原蛋白的表達。這表明甘草甜素可通過抑制炎癥信號通路及軟骨分解代謝發揮治療OA作用。靳荃[50]研究發現,甘草附子湯合黃芪桂枝五物湯通過抑制NF-κB信號通路,顯著抑制炎性因子IL-1β、IL-6和TNF-α的表達,減少軟骨細胞增殖及軟骨異常小血管生成,減輕OA大鼠關節炎性反應及關節疼痛表現,發揮治療OA的作用。

5 骨形態發生蛋白

骨形態發生蛋白(BMP)是一類多功能細胞因子,參與多種分子級聯和信號通路,可促進成骨細胞的分化,在軟骨骨重塑中發揮關鍵作用。同時,通過調節ECM,發揮保護關節軟骨、促進關節軟骨修復的作用[51]。既往研究發現[9],軟骨下骨BMP相關蛋白的表達可幫助關節軟骨再生,加快關節軟骨破損后軟骨的自我保護和修復過程,減少纖維軟骨的形成,改變新生軟骨基質的結構。同時,BMP-Smad信號傳導通路對破骨細胞分化有重要作用,參與了軟骨修復、骨重塑的過程[52]。

Sun等[53]研究發現,杜仲多糖可促進成骨和軟骨相關基因BMP-6、Arg-1和TGF-β的表達,抑制炎癥相關因子IL-6、IL-18和IL-1β的表達,減輕OA軟骨破壞程度,增加軟骨下松質骨密度,達到促進關節軟骨修復和軟骨下骨重建、延緩OA發展的作用。梁桂紅等[54]通過探討川芎嗪對OA大鼠軟骨影響的實驗中發現,經川芎嗪治療的OA大鼠軟骨下骨組織中BMP蛋白表達明顯增加,可促進軟骨修復,保護關節軟骨,防治OA。葉大林等[55]實驗表明,補腎活血方可通過提高BMP及Smad-1表達,調整紊亂的軟骨代謝,促進OA軟骨下骨骨重塑穩態,發揮促進OA大鼠軟骨修復的作用,從而起到防治OA、緩解關節疼痛的效果。

6 總結與展望

綜上,當前世界范圍內OA的發病率較高,對人民生命健康危害較大。目前臨床使用的NSAID及激素類藥物并不能夠針對OA發病過程中相關細胞因子紊亂發揮作用,且對軟骨損傷及關節破壞治療效果不明顯。同時,由于西藥及手術治療產生的費用高昂,且治療時的不良反應時有發生。隨著OA患病人數不斷上升,探索運用價廉效優、副作用小的治療方式干預OA相關細胞因子及蛋白表達,以促進OA患者關節軟骨修復再生、緩解OA關節疼痛是一種具有極高價值的治療選擇,對緩解OA患者心理及經濟壓力具有一定的意義。中藥作為祖國醫學的關鍵構成部分,具有價廉、效優、多靶點及多通路協調作用的巨大優勢。伴隨中醫藥現代化的蓬勃發展,中藥有效成分治療相關疾病效果被世界充分認可,運用中藥治療OA疾病在全世界范圍內有著廣闊前景。然而當下中藥干預OA的相關研究多以細胞、動物實驗為主,缺乏大樣本、長周期的臨床觀察及相關循證研究數據,且中藥單體及復方有效成分作用機制錯綜復雜,故而在未來應當加強在循證醫學指導下進行相關臨床觀察研究,并充分利用分子生物學和網絡藥理學等新興技術,進一步揭示OA與相關細胞因子及當前各研究熱點的關系,加強中藥有效成分及復方對OA全面的作用機制研究,為中藥有效防治OA提供堅實的理論基礎,同時揭示下一步研究方向。