刘翼波,李 博
(中国农业大学食品科学与营养工程学院, 北京 100083)
骨质疏松症(osteoporosis,OP)是一种全身性骨病,其特点为骨量减少、骨微结构损坏、骨脆性增加、易发生骨折等[1]。随着世界人口老龄化日趋严重,骨质疏松症患病率正逐年攀升。最新的流行病学调查结果显示,我国50岁及65岁以上人群的骨质疏松症患病率分别达到了19.2%和32%[2],骨质疏松症已成为老年人常见的死亡原因之一。导致骨质疏松症的根本原因是体内雌激素急剧变化、年龄增加等因素造成的骨代谢失衡,最终表现为骨的净丢失[3]。因此,目前的治疗手段主要从促进骨形成和抑制骨吸收两方面入手来调节骨代谢,但较大的副作用往往限制了其广泛应用。如常见的雌激素替代疗法可能会增加子宫内膜癌的发生风险[4]。此外,骨质疏松症被认为是“隐形疾病”,前期没有明显的临床症状,当出现骨折等无法逆转的严重后果时才会引起患者的重视,因此,应该更加关注骨质疏松症的前期预防。目前普遍使用的骨质疏松症预防方法为补充钙剂和维生素D,但对于部分人群来说,仅适量补充效果欠佳,过量补充又可能增加肾结石与心血管疾病的风险[5],所以急需寻找更加安全有效的骨质疏松症预防措施。
胶原蛋白是广泛存在于动物结缔组织中的生物大分子,也是哺乳动物体内含量最多、分布最广的功能性蛋白。胶原蛋白经蛋白酶水解后降解为多肽或寡肽,因此胶原蛋白酶解物又称为胶原肽。畜禽源及水产动物源的皮、骨等组织为天然胶原蛋白和胶原肽的主要来源。近年来,从胶原肽中分离鉴定出多种具有调节生理功能作用的生物活性肽[6],如抗氧化肽、抑菌肽等,其中,已有大量体外实验、体内实验及部分临床研究表明,胶原肽具有良好的预防骨质疏松症功效。同时,本课题组的前期研究也表明牛骨胶原肽[7]和鲢鱼皮胶原肽[8]均可有效缓解自然衰老小鼠的骨质疏松症状。本文将对近年来胶原肽预防骨质疏松症的功效评价及作用机制研究进行综述,为将其开发为相关功能性食品提供系统性的理论支持。
胶原蛋白是细胞外基质中最重要的纤维结构蛋白,广泛存在于皮肤、骨骼、肌腱等结缔组织中[9]。目前已发现二十余种胶原蛋白,其中I型胶原(COL1)最为常见[10],它是由两条α(I)链和一条α(II)链构成的三螺旋结构,含有重复的三肽Gly-X-Y结构域(其中X多为脯氨酸,Y多为羟脯氨酸或羟赖氨酸)。骨有机质中的主要成分即为I型胶原,它可以影响骨的承重、抗拉强度及钙化后的扭转刚度等生物力学特性,其降解和代谢紊乱在骨质疏松症的发病过程中起重要作用[11]。生活中一些陆生哺乳动物的皮、骨(如牛骨、猪皮等)及鱼类副产物(鱼皮、鱼骨、鱼鳞)是常见的外源性I型胶原来源,许多研究发现其酶解物——胶原肽对体内骨和胶原的代谢也发挥着一定的调节作用。
体内的骨代谢主要包括骨吸收和骨形成两部分,由单核巨噬细胞分化而来的破骨细胞(osteoclast,OC)通过分泌抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatase,TRAP)、组织蛋白酶-K(cathepsin-K,cath-K)等物质来实现对矿物质基质的溶解吸收以及基质蛋白的水解,并释放I型胶原羧基末端交联肽(CTX)、I型胶原氨基末端交联肽(NTX)、脱氧吡啶啉(deoxypyridinoline,DPD)等I型胶原降解产物[12],最终形成骨吸收陷窝[13];而由间充质干细胞分化而来的成骨细胞(osteoblast,OB)则发挥骨形成的作用,介导基质蛋白I型胶原的合成并释放I型胶原氨基端肽(PINP)和I型胶原羧基端肽(PICP)[12],同时通过激活成骨细胞分化和矿化的特异性转录因子Runx2和Osterix来调节成骨[14],促进碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)、骨钙素(osteocalcin,OCN)、骨桥蛋白(osteopontin,OPN)等分化、矿化标志物以及钙沉积的形成。另外,体内骨代谢水平也可以从骨密度(bone mineral density,BMD)、骨最大载荷、最大应力等生物力学性能参数以及决定骨微结构的骨小梁数目、分散程度、松质骨体积、皮质骨厚度等方面直观体现[15]。而胶原肽对骨质疏松症的预防作用即可表现为对上述骨代谢指标的调控。
临床试验是评价食品或药品功效最为直观、最具说服力的手段,胶原肽防治骨质疏松症的作用在部分临床试验中也得到了肯定。刘厚福等[16]研究中对185位老年人进行了为期一年的膳食干预,规定每人每日食用6 g海洋鱼骨胶原肽粉,发现鱼骨胶原肽可有效改善OP组和非OP组老年人的骨密度及血清骨代谢指标,可改善其骨质状况,使其骨代谢趋于正平衡。König等[17]研究表明,已发生骨密度降低的老年绝经后妇女连续一年每天摄入5 g胶原肽后,其椎骨、股骨骨密度及血清PINP含量均显著增加。其他类似的临床研究也证实了胶原肽具有良好的成骨活性[18-20],可有效促进骨形成、抑制骨吸收。
另外,多项临床研究发现患者同时服用胶原肽与补钙剂可以更好地促进骨形成。如王玉林等[21]以202例绝经女性骨质疏松症患者为研究对象,分组对其进行6个月的干预治疗,其中试验组每日服用10 g骨胶原肽和600 mg钙尔奇D,对照组每日仅服用600 mg钙尔奇D。研究发现,胶原肽的摄入可显著改善患者骨密度,调整其体内骨代谢的平衡,可以有效地缓解绝经后骨质疏松症症状及其引起的疼痛,且效果明显优于对照组,是一种可行的临床防治骨质疏松症方案。这也与Elam等[22-23]的研究结果相一致。
预防骨质疏松症功效评价的动物模型多选用去卵巢大鼠,此模型可以模拟女性因绝经后体内雌激素水平急剧下降而造成的绝经后骨质疏松症,也是最常见、患者基数最大的一类骨质疏松症[24]。除此之外,还有部分运用维甲酸模型[25]、地塞米松诱导的骨质疏松模型[26]、模拟老年型骨质疏松症的衰老模型[7-8,27]等来进行相应的研究。虽然以上造模方法均可模拟人体骨代谢失衡及骨质疏松症症状,但也存在许多差异,即使是同一种造模方法针对不同的个体也会表现出些许差异。如维甲酸模型虽然可以造成急性骨丢失,但其血清代谢指标与实际骨质疏松症患者差距较大,相比之下,地塞米松诱导的骨质疏松症模型各项指标更加接近真实情况[28]。另外,也有研究表明,去卵巢手术的效果会随着小鼠品系及骨骼部位的变化而变化[29]。因此,在选择造模方法及观测指标时应根据实际需要进行调整。除各种骨丢失模型外,还有针对正常生长大鼠模型的研究。Takeda等[30]研究发现适量摄入胶原肽可使生长期大鼠的骨量增加,且每日以运动辅助效果更佳。
另外,现有研究中利用动物模型探究胶原肽成骨活性所用的原料可分为两大类——胶原肽和胶原肽-钙复合物,二者均可表现出对骨代谢的正向调控作用。
2.2.1 以胶原肽为原料的动物模型功效评价 动物模型功效评价中所用的胶原肽混合物多为自行酶解制备或已商业化生产的胶原肽产品。胶原肽的摄入可以有效改善模型动物的骨密度、骨小梁微结构,提高骨生物力学性能,同时改变与骨代谢相关的生物标志物含量及活性。如Zhang等[31]采用去卵巢大鼠模型,使其分别以100、200、500 mg/(kg·BW)的剂量连续口服12周经中性蛋白酶酶解得到的耗牛骨胶原肽,可以观察到大鼠骨密度、骨微结构、骨代谢水平的改善,且大多表现出剂量依赖性。值得指出的是,去卵巢模型所模拟的为高转换型骨质疏松症,即骨形成与骨吸收水平均提高,但总体表现出骨的净丢失。而术后补充胶原肽可扭转这一趋势,降低去卵巢所导致的高骨转换水平,使其骨重建向正平衡状态恢复[32]。也有研究发现术前一个月给小鼠补充胶原肽可有效防止术后两周骨密度的下降[33],这表明胶原肽的摄入可能在人类更年期骨质流失开始前就对体内骨代谢起到了调节作用。满帅[26]的研究也发现从造模前四周或造模后开始口服胶原肽均可有效改善地塞米松诱导的骨质疏松症大鼠的骨质状况,表现出预防和治疗的双重功效。此外,胶原肽表现出的成骨活性还具有特异性,其作用并非体现在作为某些氨基酸的营养补充剂上。Wauquier等[34]研究表明牛胶原肽饮食组对去卵巢大鼠骨质流失的预防作用显著优于含酪蛋白饮食的对照组。Zhang等[8]发现摄食鲢鱼皮胶原肽对老年大鼠骨代谢的改善显著优于摄食胶原蛋白全水解物或脯氨酸的对照组,这也表明胶原肽的成骨活性并非得益于氨基酸本身。表1为近年来胶原肽在防治骨质疏松症方面的体内功效评价(按照发表年份降序排列)。
表1 抗骨质疏松胶原肽体内功效评价Table 1 In vivo efficacy evaluation of anti-osteoporosis collagen peptides
2.2.2 以胶原肽-钙复合物为原料的动物模型功效评价 胶原肽氨基酸残基上的羧基、氨基等基团可以与钙离子结合形成复合物,实验中多用碳酸钙、柠檬酸钙、氯化钙等钙盐与胶原肽进行复合。多项研究表明服用二者的复合物或联合服用胶原肽与补钙剂可有效提高去卵巢大鼠模型动物或低钙饮食模型动物的骨密度、改善骨生物力学性能及血清骨代谢指标,且其成骨作用往往表现出优于二者单独使用的效果。这可能是由于肽-钙复合物的摄入不仅促进了骨有机质I型胶原的合成,还同时补充了骨无机质钙盐,从而促进了二者的附着结合,即提高了钙的吸收率,进而更好地促进新骨的形成。表2为近年来胶原肽-钙复合物在防治骨质疏松症方面的体内功效评价(按照发表年份降序排列)。
表2 抗骨质疏松胶原肽-钙复合物体内功效评价Table 2 In vivo efficacy evaluation of anti-osteoporosis peptide-calcium complexes
综上,胶原肽和肽-钙复合物对各类骨代谢失衡模型动物均表现出良好的成骨活性,这也为胶原肽的补充提供了更加多样化和高效化的选择。
体内与骨代谢相关的细胞包括成骨细胞和破骨细胞,有关胶原肽预防骨质疏松症的体外功效评价多针对成骨方面(表3,按照发表年份降序排列)。成骨细胞负责骨形成过程中基质的合成、分泌和矿化,其在体内成熟的过程中有四种不同的形态,依次为前成骨细胞、成骨细胞、骨细胞和队形细胞。而针对胶原肽成骨活性的体外功效评价多选用小鼠胚胎前成骨细胞(MC3T3-E1),用其代替人原代成骨细胞最为可靠[43]。此外,也有部分研究利用人成骨肉瘤细胞系(MG-63)[32,44-45]、人SV40转染成骨细胞(hFOB1.19)[46]、直接从幼鼠体内分离的原代骨细胞[26,47-48]或骨髓间充质干细胞(BMSCs)模型[49-50]。BMSCs具有成骨、脂肪、软骨、神经等多向分化潜能,可用于探究胶原肽促进其成骨分化的作用。
胶原肽处理可以促进成骨相关基因的表达,进而促进成骨细胞增殖、分化、矿化并生成相应的生物标志物。如Zhu等[51]研究表明猪骨胶原肽中<1 kDa的肽组分可以有效促进MC3T3-E1细胞的增殖,提高成骨细胞特异性转录因子Runx2及Osterix的表达,进而促进细胞分化,提高分化早期标志物ALP的活性,促进细胞外基质I型胶原的合成,同时还可以降低细胞的凋亡率,表现出良好的成骨活性。当然,影响胶原肽体外成骨活性的原因也是多方面的,如胶原蛋白的酶解条件中加酶量、酶解温度、pH、酶解时间等会影响胶原蛋白的水解度以及胶原肽的分子量,另外,不同的酶有不同的酶切位点,这也会导致胶原肽序列的不同,而这些差异都会对胶原肽的成骨活性造成一定的影响[52-53]。Ding等[54]研究发现东方蓝鳍鲔鱼骨胶原蛋白经碱性蛋白酶或胰蛋白酶水解后得到的胶原肽,在促进MC3T3-E1细胞增殖方面表现出较大的差异,前者明显优于后者。同时,多项研究表明胶原肽的分子量与其成骨活性密切相关。Liu等[55]研究了平均分子量分别为878 Da(CH878)、1370 Da(CH1370)、2900 Da(CH2900)和7747 Da(CH7747)牛骨胶原肽组分的成骨活性。结果表明CH1370和CH7747可以促进MC3T3-E1细胞中ALP的表达,而CH878则表现出相反的作用效果。但Zhu等[51]将猪骨胶原肽分为<1000 Da、1000~3000 Da、3000~5000 Da和>5000 Da四个组分,分别检测各组分对MC3T3-E1细胞增殖的影响,发现<1000 Da的低分子量组分效果最佳。
除促进骨形成外,胶原肽在抑制骨吸收方面也有一定的作用,但目前相关研究较少。已有研究中常用的细胞模型为小鼠单核巨噬细胞系RAW264.7细胞,此细胞经特定诱导剂(多用核因子κB受体活化因子配体RANKL,其被认为是破骨细胞形成和分化所必需的细胞因子)诱导后可分化为前破骨细胞。Wauquier等[34]利用含牛胶原肽的小鼠血清培养经RANKL诱导的RAW264.7细胞,有效地抑制了细胞的分化,同时发现与破骨细胞融合、成熟及活性相关的基因表达也显著下降。Hu等[45]的研究也表明鲷鱼和虱目鱼鱼鳞胶原肽可显著降低经RANKL诱导的RAW264.7细胞培养过程中TRAP的活性,抑制骨吸收。与促进骨形成相比,胶原肽抑制骨吸收相关的研究明显不足,但这些研究也表明胶原肽有抑制破骨细胞活性的潜在作用,因此,未来可在此方向进行更加深入的探究。
综上,胶原肽在促进骨髓间充质干细胞向成骨方向分化以及进一步促进前成骨细胞增殖、分化、矿化方面表现出很高的活性,表明胶原肽很大程度上通过促进骨形成来调控骨代谢。另外,少数研究表明胶原肽在抑制破骨细胞活性方面也可以发挥一定的作用,因此推测胶原肽可以同时调控骨形成和骨吸收,使得前者大于后者,从而发挥防治骨质疏松症的功效。
已有大量关于胶原肽预防骨质疏松症的体外、体内及临床功效评价研究,其中也有部分涉及其作用机制(表3),但相关研究还不够深入,尤其是具体活性成分、作用受体以及所调控的信号通路方面的研究还较少。总体来看,胶原肽可能通过以下几个方面来发挥其成骨活性。
表3 抗骨质疏松胶原肽体外功效评价及作用机制Table 3 In vitro efficacy evaluation and mechanism of anti-osteoporosis collagen peptides
间充质干细胞经谱系定向分化为前成骨细胞,前成骨细胞在骨形成过程中经历细胞增殖、分化(细胞外基质成熟)和基质矿化三个时期,最后形成新骨[62]。多项研究表明胶原肽可对上述定向分化过程的不同阶段起到促进作用从而表现出成骨活性。
首先,胶原肽可以调节细胞周期,从而起到促进成骨细胞增殖的作用。细胞周期分为间期和分裂期(M期),其中间期又包括G1期(DNA合成前期)、S期(DNA合成期)和G2期(DNA合成后期)。另外还有部分细胞处于休眠状态暂不分裂的G0期,在适当条件的刺激下可重新进入细胞周期。Fu等[46]研究发现大马哈鱼鱼皮胶原肽处理hFOB1.19细胞后可显著提高S期细胞比例,降低G0/G1期细胞比例,这表明胶原肽可以调节细胞周期,促进DNA合成或加快G0/G1期细胞向S期细胞的转化,从而表现出促进成骨细胞增殖的能力。另外,还有研究表明胶原肽处理可以提高G2/S期细胞比例[56-60]、提高Cyclin D1等细胞周期蛋白的表达[51-52]。
此外,胶原肽还可以促进成骨细胞的分化以及骨有机质中I型胶原的合成。其中,丝裂原活化蛋白激酶(MAPKs,包括ERK1/2、JNK1/2、p38等)的级联磷酸化信号传导发挥着重要的作用:在胶原肽的作用下,MAPKs被磷酸化激活,之后进一步激活成骨细胞特异性转录因子Runx2、Osterix基因及蛋白的表达,促进成骨定向分化,ALP、COL1、OCN等成骨相关标志物的表达也随之增加。如Ding等[54]研究发现经胶原肽处理后,ERK1/2磷酸化水平和MC3T3-E1细胞中Runx2的表达显著提高,且在ERK1/2特异性抑制剂PD98059处理后被显著抑制,因此表明胶原肽可通过MAPK/ERK信号通路促进成骨。其他相关研究中也有类似的结果[32,44,50,58-59]。另外,TGF-β/Smad信号通路在调节成骨细胞基质胶原合成和代谢中也起着重要的作用[63]。本课题组的前期研究[8]表明口服鲢鱼皮胶原肽可提高TGFβ和Smad3蛋白表达量,降低Smad7蛋白表达量,从而通过TGF-β/Smad信号通路促进骨I型胶原的合成;同时,鲢鱼皮胶原肽还可提高整合素α2β1受体的表达量,该受体可与I型胶原相互作用从而促进成骨细胞的增殖、分化等,因此推测鲢鱼皮胶原肽可通过增强二者的相互作用以达到缓解自然衰老小鼠骨质疏松的作用。Seong等[58]从皮氏叫姑鱼鱼骨胶原肽中分离纯化出的三肽KSA可以通过与TGFβ超家族中的骨形态发生蛋白(BMP)受体结合而磷酸化激活其下游的MAPKs和Smads信号通路,进而促进ALP、OCN、OPN等成骨细胞分化相关标志物基因的表达,表现出良好的成骨活性。同时,Ye等[64]发现具有成骨活性的耗牛骨胶原肽中有多条包含GDRGETGPAGPAGPIGPV(GP-16)和GPSGP AGKDGRIGQPG(GD-18)序列的肽段,将上述两个序列与可能的配体进行分子对接研究发现二者与表皮生长因子受体(EGFR)有较强的结合力。EGFR的激活可能在细胞外基质的重构中起重要作用[65],耗牛骨胶原肽的成骨活性可能部分归因于肽段GP-16和GD-18或具有相同氨基酸序列的类似肽段有效地刺激了EGFR并结合至其活性位点从而加快细胞外基质的合成。
除体内雌激素的急速下降外,衰老也是导致骨质疏松症的一个常见原因,其中细胞凋亡发挥着重要的作用。因此,通过抑制成骨细胞凋亡来延长其寿命可能是一种潜在的防治骨质疏松症的方法[66]。有研究发现胶原肽对成骨细胞的凋亡有一定的抑制作用,包括降低细胞凋亡率[53]以及抑制Bax、Bcl-2、Cleaved caspase-3等细胞凋亡相关标志蛋白的表达[51]。丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(Akt)又称为蛋白激酶B,是磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)磷酸化产物的下游靶点,PI3K/Akt信号通路激活后可促进Bcl-2抗凋亡蛋白的表达进而调控细胞凋亡,因此该通路成为防治骨质疏松症的关键性靶点[67]。小鼠体内Akt1的破坏可使成骨细胞的凋亡敏感性增加,从而导致骨密度降低[68]。Zhu等[51]研究发现猪骨胶原肽可以提高Akt的磷酸化水平,激活成骨细胞内PI3K/Akt信号通路,并降低该通路的天然抑制剂PTEN的活性,且经PI3K抑制剂LY294002处理后,细胞活力以及Akt磷酸化水平均显著下降,这也更进一步表明胶原肽可通过PI3K/Akt信号通路抑制成骨细胞的凋亡,从而表现出较强的成骨活性。
核因子κB受体活化因子(RANK)在破骨细胞前体细胞表面高度表达,由多种细胞调节合成的核因子κB受体活化因子配体(RANKL)可与其唯一受体RANK发生特异性结合,从而促进破骨细胞的增殖、分化,并抑制其凋亡;而由成骨细胞分泌的骨保护素(OPG)与RANK类似,可与RANKL发生竞争性结合,从而抑制破骨细胞的分化以及过度的骨吸收[69]。因此,RANK/RANKL/OPG信号通路在骨重建过程中发挥着十分重要的作用,多项研究表明胶原肽可通过对此信号通路的调控来间接调节破骨细胞的活性,抑制骨吸收。申勇涛[70]研究发现羊骨胶原肽可通过抑制RANKL及RANK的表达、促进OPG的表达来抑制破骨细胞的分化、成熟以及骨吸收过程,表现出良好的预防骨质疏松症的活性。王珊珊[42]的研究也表明鳕鱼骨胶原肽可通过抑制成骨细胞RANKL的表达、促进OPG的表达来间接调控破骨细胞的活性,从而影响骨代谢。这也与Zhu等[51]的研究结果相一致。
钙是骨形成过程中必不可少的矿物质元素,钙的摄入不足或吸收障碍是导致骨质疏松症的重要原因之一,有研究表明恢复肠钙吸收可以减缓骨丢失、改善骨质疏松症[71]。而胶原肽与钙的复合物往往表现出优于单独补钙的成骨功效,这表明胶原肽的摄入有助于提高钙的吸收利用率。如Zhang等[38]研究中制备了太平洋鳕鱼骨胶原肽-CaCl2复合物,体外单向肠灌注试验发现灌注肽-钙复合物的肠钙吸收率显著优于单独灌注CaCl2,这表明胶原肽可以提高Ca的吸收利用率。后续去卵巢大鼠实验中,对照组以Ca2+摄入剂量为200 mg/(kg·BW)的标准服用补钙剂CaCO3,两个试验组分别以Ca2+摄入剂量为100、200 mg/(kg·BW)的标准服用肽-钙复合物,结果表明试验组大鼠在骨密度、骨生物力学性能、骨代谢情况以及骨钙含量、血清钙含量等方面均明显优于对照组,进一步说明了胶原肽可以通过促进钙吸收来表现出更好的预防骨质疏松症的作用。这也与多项研究[39-41]的结果相一致。
目前已有研究中胶原肽发挥成骨活性的作用机制即可归类为以上几种,但对于各种作用机制下,胶原肽具体是通过作用于哪些受体、调控哪些信号通路中的何种关键节点蛋白来促进骨形成、抑制骨吸收的,还有待进一步深入研究。
本文综述了胶原肽成骨活性功效评价及其作用机制的相关研究,这些研究结果均表明胶原肽在促进骨形成、抑制骨吸收、预防骨质疏松症方面有着极大的应用价值与应用潜力。同时,胶原肽作为胶原蛋白的酶解产物,其生物利用度大大提高,并且是天然食源性成分,具有来源广泛、安全无毒副作用等各类药物无可比拟的优势,因此有望推广成为一种安全有效的预防骨质疏松症膳食补充剂。但就目前的研究进展来看,还存在一些关键问题需要进一步的探究:
第一,已有多项研究表明相同胶原蛋白来源中不同分子量范围的胶原肽表现出不同的成骨活性,但尚未有研究者基于此深入探究各种预防骨质疏松症胶原肽的最佳分子量范围,未来的相关研究可由此深入并试图阐明其中可能的原因;
第二,大多数已有研究中只说明胶原肽混合物可以发挥成骨活性,尚未对其中具体的活性成分、关键核心序列进行分离鉴定,这也限制了对其具体作用靶点、作用机制以及量效关系的精确研究;
第三,已有的针对胶原肽作用靶点的研究多采用计算机模拟分子对接方法,尚未采用特异性干扰SiRNA 转染等实验进行进一步的验证。
因此,未来可从以上几方面入手对胶原肽在预防骨质疏松症方面的作用特点及作用机理进行更加深入的探究,这也可以为今后将其广泛应用至相关健康辅助食品的开发提供更加坚实的理论依据。