牛膝有效成分防治骨关节炎的作用机制探讨

林平冬 翁霞萍 刘发元 刘献祥 李西海 叶蕻芝

【摘 要】 综述牛膝有效成分的药理活性及其与骨关节炎的关系，探讨牛膝有效成分治疗骨关节炎的可能作用机制，为牛膝治疗骨关节炎的研究及新药开发提供新的思路与方向。

【关键词】 骨关节炎；牛膝；多糖类化合物；皂苷类化合物；甾酮类化合物；黄酮类化合物

骨关节炎（osteoarthritis，OA）是一种以关节软骨退变、骨质增生为主要病理特征的骨关节疾病，主要是在力学和生物学因素共同作用下，引起软骨细胞、细胞外基质以及软骨下骨三者降解和合成正常偶联失衡的结果，其中细胞凋亡及关节内局部炎症因子和压力机制的改变是导致病理改变的重要因素[1]。OA属中医学“骨痹”范畴。中医药治疗OA具有较大的优势与潜力，但中药防治OA的有效物质基础和作用机制尚不清楚，已成为中医药防治OA的研究重点[2]。因此，本文以分析牛膝有效成分与OA的关系为切入点，探讨牛膝有效成分防治OA的可能作用机制，为中药治疗OA及新药开发提供新的研究思路。

1 牛膝有效成分

牛膝为苋科植物牛膝的根，广泛分布于全国各地，以河南产（怀牛膝）为道地药材。牛膝具有补肝肾，强筋骨，逐瘀通经，引血下行的功效，是中医运用补肾活血法治疗“骨痹”的常用药物，在中医药治疗OA的临床实践中得到广泛的运用。牛膝中含有多种类型化合物，包括多糖类、皂苷类、甾酮类、黄酮类、多肽类、有机酸以及各种微量元素等，在治疗OA中发挥重要作用。

2 牛膝有效成分防治OA的可能机制

2.1 皂苷类化合物的药理作用 牛膝总皂苷是牛膝中的主要活性成分，以齐墩果酸皂苷为主的五环三萜皂苷主要存在于怀牛膝中。从怀牛膝中可分离出的三萜皂苷成分有齐墩果酸、竹节参皂苷-1、人参皂苷Ro、齐墩果酸-3-O-β-D-吡喃葡萄糖醛酸苷、齐墩果酸-3-O-β-D-（6-丁酯）-吡喃葡萄糖醛酸苷、齐墩果酸-3-O-β-D-（6-甲酯）-吡喃葡萄糖醛酸苷、3-O-（β-D-吡喃葡萄糖醛酸）-齐墩果-28-O-（β-D-吡喃葡萄糖）等，大多数该类化合物都具有抗炎、抗氧化作用[3-4]。牛膝总皂苷能够有效改善佐剂导致的大鼠关节炎，一定程度上减轻关节肿胀度，抑制滑膜增生[5]，提示牛膝总皂苷对关节类疾病有一定的消炎镇痛作用。

2.1.1 牛膝总皂苷的抗炎作用 研究表明，齐墩果酸及其类似物对机体内的炎症过程具有明显的抑制作用[6]。牛膝总皂苷与桔梗皂苷同属齐墩果酸型五环三萜皂苷，且化学结构相似，其抗炎作用显著[7]。桔梗皂苷D和D3的抗炎机制是通过调控早期炎症介质，抑制前列腺素E2（prostaglandin E2，PGE2）的产生[8-9]。牛膝总皂苷中的竹节参皂

苷-1则可能是通过减少炎症自由基生成、抑制脂质过氧化反应，从而发挥一定的抗炎作用[10]。

炎症介质通过改变代谢，影响软骨细胞基质平衡，重要参与OA的病理过程。炎症因子白细胞介素（interleukin，IL）-1β、肿瘤坏死因子-α（tumour necrosis factor-α，TNF-α）是OA发生发展的首要影响因素，能通过多种途径影响软骨基质代谢过程。正常情况下，分解因子/合成因子的平衡维持着关节软骨基质的分解代谢和合成代谢的平衡。而OA发病过程中，IL-1、IL-6、TNF-α等炎症因子分泌异常，导致代谢失衡，最终诱导软骨细胞凋亡，使软骨退变，形成OA[11-12]。牛膝总皂苷不仅能够减少或抑制炎症因子的释放，使环氧化酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）或诱导型一氧化氮合酶（iducible nitric oxide synthase，iNOS）下调到基因/蛋白水平，从而减轻或阻止炎症过程，还能抑制软骨细胞凋亡通路PI3K/AKT，提高抗细胞凋亡因子AKT，减少软骨细胞凋亡，改善OA病理[13-14]。

2.1.2 牛膝总皂苷的抗氧化作用 大多数皂苷类化合物都具有抗氧化自由基损伤和抗脂质过氧化损伤作用。在体内通过电子或质子转移直接清除或抑制自由基、作用于氧化酶和抗氧化酶、螯合钝化过渡金属离子、影响基因表达等途径联合发挥抗氧化作用[15-16]。

OA的形成与发展除与软骨胶原的含量有关以外，还与关节液中的自由基含量关系密切。自由基及其产物可促使细胞凋亡，损伤关节软骨，该过程是OA病程发展的重要机制。

一氧化氮（nitric oxide，NO）是生物体内具有高度反应的自由基，其本身对培养的软骨细胞无细胞毒性作用，且在一定的氧应激状态下对软骨细胞有保护作用。但OA患者关节液及血清中NO含量增高，同时因NO介导的软骨细胞死亡还需活性氧的参与；而自由基代谢中与OA关系最密切的是活性氧（reactive oxygen species，ROS）的代谢。OA患者的关节液中过量的氧自由基与NO都可引起软骨损伤，抑制软骨细胞增殖，促使软骨细胞凋亡，抑制软骨细胞合成胶原和蛋白多糖，加速软骨基质的降解[17]。另外，自由基通过脂质过氧反应终产物丙二醛（malondialdehyde，MDA）与DNA发生交联，或直接攻击软骨细胞DNA及合成DNA所需的酶，使DNA链断裂、碱基损害，从而影响DNA的合成[18]。牛膝总皂苷通过改变OA病变软骨组织中的抗氧化酶活性，清除或减少自由基，降低脂质过氧化物，进而促进体外软骨细胞的DNA合成，减少自由基或脂质过氧化物对软骨细胞膜的直接损害作用；维持软骨基质中蛋白多糖的正常合成功能，防止Ⅱ型胶原丢失；保护软骨组织，延缓软骨组织退变。

2.2 多糖类化合物的药理作用 牛膝多糖被认为是牛膝的第三类活性成分，是从牛膝根中提取出来的水溶性小分子多糖化合物。其相对分子质量比其他多糖类化合物小、水溶性好，所以极易被吸收，对OA具有免疫调节、软骨修复等功能。单糖组成分析表明，牛膝多糖是由果糖∶葡萄糖（8.7∶1）组成，糖链中既含有1，2-连接的果糖残基，又含有2，6-连接的果糖残基[19]。这些单糖是软骨细胞糖胺多糖（glycosaminoglycan，GAG）合成过程中的重要底物，GAG对维持软骨承重能力具有重要作用，软骨细胞合成GAG的能力是其分化的重要指标[20-21]。而在OA中，GAG合成受阻，降解增加，提示牛膝对OA的治疗作用与多糖类成分密切相关。

2.2.1 牛膝多糖的免疫调节作用 由于牛膝多糖相对分子质量小，免疫功能容易被激发，是正常小鼠的淋巴细胞、自然杀伤细胞（natural killer cell，NK）和巨噬细胞的激活剂和增强剂，能诱导免疫因子的高表达，具有明显的免疫促进作用。

OA病理过程与细胞及体液免疫密切相关，是一种依赖T细胞的局部炎症反应过程。一方面，OA患者血浆中IL-18、IL-21表达增加，激活免疫细胞，使白细胞外渗并上调内皮细胞黏附分子，同时释放炎症因子和趋化因子，而大量的黏附分子介导的白细胞-内皮细胞加重了炎症过程[22-23]。具有免疫活性的抗炎多糖能够抑制黏附因子与趋化因子的表达，抑制炎症发展过程中的关键酶的活性，调节细胞因子生成，进而影响白细胞向炎症部位的趋化、黏附，以及渗出而发挥作用[24-25]。另一方面，由T细胞分泌的Th1类细胞因子γ-干扰素（interferon-γ，IFN-γ）和Th2类细胞因子IL-4互相拮抗，共同发挥调控作用；而在OA滑膜中，IFN-γ数量比IL-4高5倍[26]。牛膝多糖能激活并诱导T细胞高表达IFN-γ，进而抑制IL-4表达水平，调节Th1和Th2细胞分化[27]。

2.2.2 牛膝多糖的软骨修复作用 关节软骨主要由软骨细胞和细胞外基质组成，关节软骨损伤是OA的主要病理特征。在机械、炎症、生化或免疫等损伤条件下，大量软骨细胞凋亡，蛋白多糖合成减少，软骨细胞外基质降解，软骨细胞修复失调，最终导致关节软骨变薄、关节下骨变硬、骨赘形成[28]。骨桥蛋白（osteopontin，OPN）是一种分泌型糖基化磷蛋白，是OA中重要的炎性细胞因子之一。OPN能够通过调节基质金属蛋白酶-13（matrix metalloproteinase-13，MMP-13）等表达作用于软骨破坏，研究表明，OA患者软骨下骨硬化细胞中OPN的表达明显高于非硬化细胞[29-30]。牛膝多糖能有效改善周围软组织肿胀情况，减少关节间隙的变窄，减缓骨赘形成并缩小关节面的变化，增大膝关节屈伸最大角度，改善膝关节活动度，同时能有效降低OA关节液及软骨下骨中OPN含量，促进对软骨的修复[31-32]。

3 甾酮类化合物的药理作用

植物甾酮类化合物是牛膝中除皂苷类、多糖类之外的另一重要有效成分。牛膝中的甾酮有牛膝甾酮、杯苋甾酮和蜕皮甾酮等多羟基甾体化合物。怀牛膝中的主要甾酮类化合物是牛膝甾酮、β-蜕皮甾酮、β-谷甾醇、豆甾醇和红苋甾酮等。川牛膝中所含的是牛膝甾酮B、杯苋甾酮、异杯苋甾酮、森告甾酮和旌节花甾酮D等[33]。牛膝甾酮类化合物具有抗脂质过氧化、调节基因表达、促进蛋白合成等作用，且研究发现，牛膝中的蜕皮甾酮能够促进成骨样细胞增殖[34]。蛋白的合成是OA中软骨细胞Ⅱ型胶原、蛋白多糖、各种酶合成与降解的重要环节，p38丝裂原活化蛋白激酶（p38 mitogen-activated protein kinase，p38 MAPK）具有丝氨酸和酪氨酸双重磷酸化能力，该信号转导途径在OA的发病过程中发挥重要作用，与软骨基质金属蛋白酶、软骨炎症因子等密切相关，能够介导软骨细胞凋亡引发OA[35]。而牛膝甾酮类化合物能改善肝功能，降低血浆胆固醇，且有较强的蛋白质合成促进作用，能显著提高氨基酸合成蛋白质的能力。研究表明，牛膝含药血清能阻断OA软骨细胞p38 MAPK信号转导通路，进而保护软骨细胞，与p38 MAPK抑制剂具有类似的效果[36]。

4 黄酮类化合物及微量元素的药理作用

牛膝中的其他有效成分如黄酮类化合物以及微量元素等，对治疗OA也起到积极作用。黄酮类化合物的主要活性基团为酚羟基，使得黄酮类化合物也具有抗氧化活性，其主要机制是通过酚羟基提供质子，与自由基反应形成稳定半酮式自由基结构，从而终止或延滞自由基链式反应，达到清除自由基、防止脂质过氧化而损伤DNA的目的[37]。OA机体内微量元素锌、锰、铁等比正常水平低，超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活化困难，无法清除自由基。牛膝所含丰富的微量元素能够提供相关酶活化时所需的金属辅基，恢复SOD活性，清除自由基，延缓软骨退变[38]。

5 小 结

在“肾主骨，肝主筋”的理论指导下，以补肝肾为主的中药复方治疗OA临床疗效显著。牛膝作为“四大怀药”之一，长期运用于OA的治疗，但牛膝的药效物质基础及具体作用机制尚不清楚，是限制其临床广泛运用的关键问题。因此，基于牛膝所含的有效成分的复杂性、多样性，采用计算机模拟技术筛选牛膝的可能有效成分组，并根据有效成分组的作用靶点进行验证，从而逐步揭示牛膝治疗OA的作用途径，为中药的药效物质基础及作用机制的研究提供新的思路。

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收稿日期：2014-11-06；修回日期：2014-12-08