胶原蛋白肽防治骨质疏松症研究进展

何琳琳

1.陕西理工大学维生素D生理与应用研究所，陕西 汉中 723001 2.陕西理工大学生物科学与工程学院，陕西 汉中 723001

骨质疏松症(osteoporosis，OP)是一种以骨量减少和骨组织的微细结构破坏，导致骨骼强度减低和骨折危险性增加为特征的一种全身代谢性疾病[1]。骨重建过程是成骨细胞的骨形成与破骨细胞的骨吸收之间动态平衡的过程，OP是骨重建过程失衡的后果之一。骨重建过程中成骨细胞是由骨髓间充质干细胞(bone marrow-derived mesenchymal stem cells，BM-MSCs)向成骨细胞方向分化而来，筛选能促进BM-MSCs向成骨细胞分化的生物活性物质已成为研制用于预防和治疗OP新物质的新方向。目前治疗OP的药物有抗骨吸收药物和促进骨形成药物，普遍具有一定副作用，因此越来越多的人倾向于选择替代疗法，如通过膳食补充剂钙、胶原蛋白肽(collagen peptide，CP)等预防和治疗OP。

CP也称胶原蛋白水解物或明胶水解物，采用胶原蛋白、明胶或富含胶原蛋白的物质制备而来，分子量较小，可完全溶解于水，容易被吸收利用，无副作用，具有多种生理活性和保健功能，如促进骨骼关节健康[1]、促进伤口愈合[2]，并具有显著的美容作用[3]，因此CP被广泛地用作保健食品。研究显示，摄食CP不仅对机体无副作用，还可提高骨骼强度，促进矿物质吸收，对OP有一定的预防和治疗作用[1]，因此CP被称为“骨中之骨”。本文主要从体内和体外研究两个方面对CP预防和治疗OP的研究进展进行综述，以期为CP对OP的防治作用及其分子机制提供理论指导，为从事OP的基础研究人员、临床工作者和产品开发人员提供新思路。

1 体外研究

体外研究是从细胞水平研究CP对于成骨细胞(如NOS-1、MC3T3-E1和MG-63等)、间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSCs)成骨分化的影响及其分子机制。研究表明，MSCs的成骨分化与MAPK信号通路密切相关，CP可显著促进成骨细胞和MSCs的成骨分化，CP对于成骨细胞和MSCs成骨分化的增强作用是通过MAPK信号通路介导的。

1.1 MSCs的成骨分化与MAPK信号通路密切相关

丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated potein kinases，MAPK)是细胞内的一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，在骨骼发育和骨平衡中扮演关键的角色，尤其对MSCs和具有分化功能的细胞的定向分化有重要影响。骨的钙化分为软骨内钙化和膜内钙化，膜内钙化主要通过MSCs分化成为骨细胞而介导，骨细胞能够分泌和钙化细胞外基质而介导膜内钙化[4]。

在MSCs成骨诱导分化过程中，特定MAPK信号通路被激活并增加成骨分化特异性基因的表达，成骨分化特异性基因表达的增加与激活的MAPK信号通路具有密不可分的关系。人脂肪来源间充质干细胞(adipose-derived mesenchymal stem cells，AMSCs)成骨分化诱导过程中JNK被激活，JNK信号通路抑制剂SP600 125剂量依赖性地抑制AMSCs的成骨分化[5]。另有研究表明，人AMSCs的矿化与ERK1/2和JNK1/2激活的增加相关，ERK、JNK和p38 MAPK的抑制剂导致AMSCs成骨分化的降低[6]。这些研究显示，AMSCs成骨分化与MAPK信号通路密切相关。

1.2 CP可显著促进成骨细胞和MSCs的成骨分化

细胞水平初步的研究表明，CP可促进成骨细胞增殖，抑制破骨细胞增殖，提高成骨细胞ALP活力、增加胶原合成和矿化骨节的形成，促进MSCs的增殖，从而促进了成骨细胞和MSCs的成骨分化，然而并未阐明其分子机制。分子量为0.6～2.5 KDa的牛CP可显著增加MC3T3-E1的ALP活力和矿化骨节的形成，显著增加成骨分化相关基因如Runx2、ALP、COL1α1和OCN的表达，显著增加Runx2蛋白的表达[7]；分子量为0.5～10 KDa且其中大多数分子量为3 KDa的鳕鱼皮和骨CP可提高人成骨细胞NOS-1的ALP活力，促进其矿化骨节的形成，显著增加其OCN、骨桥蛋白(osteopontin，OPN)和整合素β3 mRNA和蛋白表达，表明该CP可促进NOS-1的成骨分化[8]；分子量在5～13 KDa的鱼CP促进小鼠成骨细胞MC3T3-E1的胶原合成和矿化骨节形成，证明可将其应用于骨组织工程的潜在价值[9]；鲷鱼和遮目鱼鱼鳞CP促进人成骨细胞MG-63的增殖并抑制成熟破骨细胞的增殖，表明两种鱼鳞CP可通过协助骨重建来预防OP[10]；鹅骨CP可促进大鼠BM-MSCs增殖，显著增加ALP阳性细胞、钙结节数量和OCN分泌量，小分子CP作用效果好于大分子胶原蛋白[11]。详见表1。

1.3 CP通过MAPK信号通路介导对成骨细胞和MSCs成骨分化的增强作用

进一步的深入研究表明，CP对于成骨细胞和MSCs成骨分化的增强作用是通过MAPK信号通路介导的。研究显示，分子量小于3 KDa的猪皮明胶水解物剂量依赖性增加人成骨细胞MG-63的增殖和小鼠成骨细胞MC3T3-E1的ALP活力，还增加MG-63的胶原蛋白合成和COL1A1基因表达，其诱导的COL1A1基因表达可被细胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)的抑制剂完全抑制，表明此水解物通过ERK信号通路增加COL1A1基因的表达[12]；分子量小于3 KDa的猪皮胶原蛋白水解物通过MAPK信号通路促进MG-63的成骨活性和骨基质基因的上调，其介导的COL1A1基因表达需要ERK1/2、JNK1/2和p38信号通路的激活，ALP基因表达分别需要ERK1/2信号通路的激活，SPP1基因表达需要p38信号通路的激活，为猪皮CP的骨强化效应提供了理论基础[13]；鹿茸水解物增加MG-63的ALP活力、胶原蛋白合成和钙沉积，鹿茸水解物增加COL1A1、ALP、BGLAP和SPP1的基因表达，其通过ERK1/2、JNK1/2和p38 MAPK途径增加COL1A1和BGLAP的基因表达，通过JNK1/2和p38 MAPK途径增加SPP1的基因表达，通过p38 MAPK途径增加ALP的基因表达，表明MAPK信号通路是鹿茸水解物诱导MG-63细胞表达成骨相关基因一个不可或缺的因素[14]。来自于鬼头刀鱼骨的CP可促进小鼠BM-MSCs的增殖和分化，可显著增加成骨分化的小鼠BM-MSCs细胞中胶原蛋白、碱性磷酸酶、骨钙素等成骨生物标志物水平，并进一步阐明了CP通过p38MAPK信号通路激活Runx2而上调成骨的假说。该研究表明，具有良好成骨性能的鬼头刀鱼骨CP是一种适合于治疗老年和更年期妇女骨质疏松症的潜在药物[15]。见图1。

表1 CP的来源、分子量及生物特性Table 1 Origin, molecular weight, and biological characteristics of CP

图1 CP通过MAPK信号通路中的ERK、JNK、p38介导成骨细胞和MSCs的增殖和成骨分化Fig.1 CP mediates the proliferation and osteogenic differentiation of osteoblasts and MSCs through ERK, JNK, and p38 in the MAPK signaling pathway

2 体内研究

体内研究从动物实验和临床研究两个方面来评价CP对于OP的影响及其分子机制。体内动物实验研究表明，CP对于去卵巢(ovariectomy，OVX)大鼠、维甲酸诱导的骨质疏松大鼠、自发老年性骨质疏松小鼠和自然衰老小鼠的骨骼健康具有非常重要的促进作用；体内临床研究表明，每日CP或CP联合钙尔奇摄入可显著增加绝经后妇女的骨密度，骨肽注射剂或阿仑膦酸钠联合骨肽注射液均可有效提高骨质疏松症患者的骨密度。

2.1 体内动物实验

2.1.1CP对于OVX大鼠骨骼健康的作用：0.6～2.5 KDa的牛骨CP或CP-柠檬酸钙对于OVX大鼠OP具有骨保护作用，可减少髋部骨密度降低，防止骨小梁处骨丢失，改善远端股骨的显微结构，显著抑制骨质流失，显著增加血清骨形成标志物I型原胶原N端前肽(procollagen type I N-terminal propeptide，PINP)，显著减少血清骨形成标志物碱性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)、骨钙素(osteocalcin，OCN)和血清骨吸收标志物CTX[16]；分子量4 KDa的鹿角CP可显著增加OVX大鼠股骨的骨密度和血清羟脯氨酸浓度，降低OVX大鼠的血清钙、磷和ALP水平，同时提升骨的组织形态参数和机械性能，表明鹿角CP可用于防止和治疗骨丢失[17]；分子量小于3 KDa的猪皮明胶水解物显著增加OVX大鼠的骨密度，避免了OVX诱导的骨小梁骨丢失，剂量依赖性地降低血清中PINP水平，表明该猪皮明胶水解物是治疗骨质疏松症的一种可行的替代疗法[12]。

2.1.2CP对于维甲酸诱导的骨质疏松大鼠骨骼健康的作用：鲫鱼皮CP使得维甲酸诱导的骨质疏松大鼠股骨和胫骨骨钙含量明显增加，骨密度明显升高，表明鲫鱼皮CP可显著促进维甲酸诱导的骨质疏松大鼠骨骼的形成[18]。

2.1.3CP对于自发老年性骨质疏松小鼠和自然衰老小鼠的骨骼健康的作用：鸡脚CP可显著增加自发老年性骨质疏松SAMP6小鼠的皮质骨、小梁骨的骨密度和血清OCN水平，表明鸡脚CP可抑制年龄诱导的SAMP6小鼠的骨密度降低，促进自发老年性骨质疏松小鼠的骨健康[19]。来自牛骨的CP可使13月龄昆明小鼠骨的机械强度和骨矿物质含量升高，骨的密度和胶原蛋白含量显著增加，骨微结构得到了明显改善，结果表明，摄入CP可以通过增加胶原合成、抑制骨吸收和突出、改善骨微结构，从而预防与年龄有关的骨质流失，可以将CP开发成为防止老年性OP的保健食品[20]。

2.2 体内临床研究

König等[21]对131名46～80岁(平均63岁)的绝经后妇女参加的随机、安慰剂对照的双盲调查显示，与12个月每日口服5克麦芽糊精的对照组妇女相比，12个月每日口服5 g来自牛骨CP的妇女脊椎和股骨颈的骨密度显著增加，I型胶原蛋白氨基末端前肽(amino-terminal propeptide of type I collagen，P1NP)极显著升高，而C型胶原蛋白端肽(C-telopeptide of type I collagen，CTX 1)显著降低，表明CP的摄入使得原发性的、与年龄相关的骨密度降低的绝经后妇女的骨密度增加了；此外，补充CP与骨标志物的良好转移有关，表明骨形成增加，骨降解减少。另外，Elam等[1]报道，长期补充水解胶原蛋白螯合物和维生素D(其中的水解胶原蛋白来自鸡胸软骨Ⅱ型胶原蛋白)，可能对绝经后妇女的过度骨质流失和骨代谢(仅靠钙和维生素D无法预防)提供保护。王玉林等[22]通过临床研究分析胶原肽联合钙尔奇 D对绝经后骨质疏松患者的疗效，结果显示口服胶原肽联合钙尔奇 D 既能促进骨形成，又能抑制骨吸收，进一步增加骨密度，并且可以缓解骨质疏松引起的疼痛。杨杰等[23]对来自猪或胎牛四肢骨的骨肽注射液治疗原发性骨质疏松症进行Meta分析，表明骨肽注射剂对治疗原发性骨质疏松症有效，安全性较高。廖化波等[24]研究表明，骨质疏松症患者使用阿仑膦酸钠联合猪或胎牛四肢骨的骨肽注射液治疗的临床效果良好，可以有效提高患者的骨密度。

3 结语

OP是一种系统性骨病，CP为“骨中之骨”，抗OP是CP的生理活性之一。体外细胞实验、体内动物实验和临床试验均证实，CP对于OP均具有一定的预防和治疗作用。

我国是全球海产消费最大的国家，也是海产进出口大国，同时也是世界畜牧业大国之一，海产品和畜牧产品加工的废弃物骨、皮和鱼鳞等是CP的重要来源。将这些加工废弃物制备成为CP，既可以解决环境污染问题，也可以发挥其有益于人体健康的生理活性，同时也将提升加工产品的附加值，延伸农业产业链，推动农业经济的发展。今后可开发出更多CP的原料来源，在细胞水平、动物水平和临床水平还需进一步深入研究CP预防和治疗OP的作用机制。相信随着基础研究的深入，将会开发出更多有益于人体骨骼健康的CP保健品，更好地服务于人类的骨骼健康。