异补骨脂素调节骨代谢的研究进展

刘雨昕 孟明星 周茜 徐红丹 张博 李微*

1. 湖北文理学院医学部，湖北 襄阳 441053 2. 无锡卫生高等职业技术学院，江苏 无锡 214028 3. 黑龙江中医药大学中医药研究院，黑龙江 哈尔滨 150040

1 异补骨脂素的来源及功效

异补骨脂素(Isopsoralen, ISO)是豆科植物中呋喃香豆素类提取物，是补肾中药补骨脂的主要有效活性成分之一。补骨脂是比较常见的传统中草药，以干燥成熟的果实入药[1]，据《雷公炮炙论》记载，其具有补肾、壮阳、纳气温脾等功效，临床常用于治疗阳痿早泄，肾虚作喘，腰膝酸痛等病症。现代医学研究发现，补骨脂具有多样化的药理作用，如雌激素样作用、抗癌作用、抗骨质疏松作用、神经系统的保护和调节作用等[2]。另外，外用还可用来治疗白癜风和斑秃等皮肤病。

2 益肾药治疗骨代谢的机理

据《黄帝内经》中《素问·痿论篇》记载“肾者水藏也……则骨枯而髓虚……发为骨痿”。明代的医学家张景岳也提出“肾痿者，骨痿也”的理论。《素问·六节藏象论》也有类似记载 “肾者，封藏之本，精之处也，其华在发，其充在骨……”。这些内容说明肾中精气决定了骨骼发育是否健康。人至中老年后，肾精渐亏，骨滋养不足，易诱发骨量减少、齿松、骨折等症状，因此判断骨质疏松症的根本诱发原因是肾精亏虚[3]。

基于上述理论很多具有补肾功效的中药被广泛应用于骨病的防治。比较典型的代表方剂有：滋肾阴的左归丸、六味地黄丸；补肾阳的右归丸、金匮肾气丸以及其他补肾方药[4]；单味中药包括有：淫羊藿[5]、地黄[6]、补骨脂[7]等。

3 异补骨脂素在骨代谢领域的研究现状

异补骨脂素是补骨脂发挥多种药理作用的重要活性成分之一。近年来，异补骨脂素在骨病领域研究颇多。主要包括以下几个方面。

3.1 促进成骨细胞分化

成骨细胞和骨髓的脂肪细胞均来源于骨源性骨髓间充质细胞(BMSCs)，ISO可通过促进BMSCs向成骨分化，抑制其成脂分化，促进骨质疏松状态下的骨形成。研究[8]表明，经ISO处理的BMSCs，碱性磷酸酶(ALP)、骨钙素(OCN)和Runt相关转录因子2 (Runx2)表达水平均不同程度的升高，且其可直接抑制雷帕霉素复合物1 (mTORC1)信号通路的下游效应因子 S6 (S235/236)的磷酸化，促进4E/BPI (Thr37/46)的磷酸化，提示其可能通过抑制mTORC1信号来阻止骨髓间充质干细胞脂肪生成，促进成骨细胞的生成。另有研究[9]也证明，动物体内实验中ISO可以增加OVX小鼠的骨参数(小梁厚度，股骨远端干骺端骨体积/总体积和骨小梁数量)，减少脂肪细胞数量，ISO可以促进大鼠BMSCs的菌落形成单位及ALP含量，减少干细胞脂肪滴的数量和细胞体积，验证了ISO能够促进大鼠的BMSCs向成骨分化，同时抑制其成脂分化的作用。另有研究[10]证实芳香烃受体(arylhydrocarbon receptor, AhR)是成骨分化的负向调控因子，该受体被激活后可促进骨吸收增加，ISO可与AhR结合，通过激活AhR/ERa通路促进成骨细胞分化，增加骨形成。

3.2 抑制破骨细胞形成

破骨细胞是调控骨吸收的功能细胞，其作用与成骨细胞相互对应。在骨骼的发育和形成过程中二者相互协调，维持骨代谢的稳态。破骨细胞活性增加的主要标志物包括抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate resistant acid phosphatase, TRACP)和组织蛋白酶K[11]。研究[12]表明糖皮质激素刺激大鼠制作的激素型骨质疏松模型，选择ISO干预治疗一定时间后，ISO组大鼠血清钙、磷及TRACP水平明显低于对照组，血清ALP水平高于对照组，表明ISO可有效刺激成骨细胞的骨形成，且同时抑制破骨细胞介导的骨吸收。

3.3 雌激素样作用

雌激素对骨生成有促进作用[13]，而ISO是典型的香豆素雌激素，其可通过与雌激素受体结合发挥雌激素样作用[14]，能够明显抑制脊髓损伤诱发的神经元凋亡[15]。在小鼠性成熟的过程中，ERa促进成骨细胞分化，而ERa缺乏降低纵向骨生长[16-17]，研究[10]证实，ISO可以替代雌激素作用于ER发挥促进成骨细胞分化和增殖的作用，主要通过抑制AhR的方式增加ERa的表达，即通过AhR/ERa轴促进成骨细胞分化。

3.4 抗氧化应激作用

H2O2处理OB-6成骨细胞，细胞凋亡增加和ROS产生增加，细胞活力降低，OCN、Runx2的表达水平和钙沉积降低。这些因子对骨的形成有至关重要的作用，故氧化应激会抑制骨的形成。H2O2诱导的成骨细胞中，ISO可通过抑制ROS的产生对线粒体功能发挥保护作用，显著降低了H2O2介导的ROS生成，促进OB-6细胞中钙的积累，OCN和Runx2 mRNA表达增加，增强骨保护作用[18]。

3.5 影响骨代谢信号通路

Wnt信号通路是成骨细胞生成、分化和增殖过程中的关键信号通路。β-catenin是该通路中的关键靶点蛋白，可以启动Wnt信号通路，而另外一个关键的骨架蛋白Axin2则是抑制Wnt信号通路的主要蛋白。ISO可降低FoxO3a的表达进而启动Wnt信号通路，改善骨质疏松症状。实验[19]表明，ISO可多途径发挥作用，一方面通过抗氧化作用抑制FoxO3a信号通路激活，同时增加β-catenin蛋白表达，促进成骨细胞增殖和诱导骨形成；另一方面通过清除过多的活力氧(ROS), 下调Axin2的表达，阻断Axin2对Wnt信号通路的抑制，发挥防治骨质疏松的作用。ISO通过对Axin2 /PPAR-γ 信号通路的抑制，进而激活 Wnt 信号通路，参与骨代谢的正向调节[20]。另外，BMCSs可通过外泌体加快血管形成、增强免疫调节及再生功能，间接促进成骨细胞功能，另有研究反向证明，外泌体表达谱在成骨分化和增殖过程中会明显的增加，对成骨分化发挥促进作用。因此，BMCSs源性的外泌体不仅可通过促进成骨细胞分化，促进骨髓基质细胞向骨细胞转变，同时也通过激活Wnt信号，进而抑制Axin表达，增加骨形成，且ISO干预后，BMCSs源性外泌体调控MC3T3-E1细胞分化的作用显著提高[21]。

ISO和锌对Ⅰ型糖尿病诱发的骨量减少均有改善作用且两者联合使用效果更佳，其作用机制可能是通过激活GSK-3β/β-catenin 信号通路[22]。绝经后骨质疏松症(postmenopausal osteoporosis, PMOP)的主要诱因是卵巢功能减低，雌激素水平降低，进而引发骨胶原丢失，而转化生长因子(TGF)-β1是促进胶原合成的重要细胞信号转导因子。ISO可使MC3T3-E1细胞中胶原蛋白表达显著上调，抑制Smad7蛋白表达，激活TGF-β1信号通路，最终促进胶原合成[23]。实验表明，Runx 2 /人基质金属蛋白-13 (matrix metalloproteinase-13 MMP13)信号通路，在骨质疏松大鼠骨组织病变过程中发挥重要的作用。ISO可上调骨组织 Runx 2 表达、抑制MMP13表达，且提高骨质疏松大鼠骨密度改善其骨代谢和骨组织结构[24]。另有研究[15]发现ISO通过调节PI3K/AKT通路磷酸化表现显著的抗细胞凋亡作用。见表1。

3.6 异补骨脂素在骨病领域的临床应用

治疗关节炎的作用：通过建立RA成纤维细胞样滑膜细胞(FLSs)小鼠模型和胶原诱导关节炎(CIA)小鼠模型，结果证实ISO能够通过抑制RA FLSs细胞因子的产生、迁移、侵袭和促血管生成能力来改善RA FLSs的炎症表型。ISO还可通过降低爪子厚度、关节炎评分、骨损伤和血清炎症细胞因子水平显著降低小鼠CIA的严重程度。且机制研究表明，巨噬细胞迁移抑制因子(macrophage migration inhibitory factor, MIF)是炎症产生过程中的关键蛋白，它是ISO发挥抗炎作用的特异性靶点[25]。

防治PMOP的作用：DNA甲基化的概念是DNA的甲基转移酶促使甲基转移到DNA分子CpG的胞嘧啶上，则甲基化基团阻断转录因子与调控序列的结合进而抑制骨代谢相关基因转录，调控基因的表达，预防骨质疏松。研究表明仙灵骨葆胶囊(主要成分含有补骨脂)可逆转卵巢摘除诱发的骨组织Leptin启动子高甲基化从而抑制其转录，下调其表达，进而下调核心结合因子α1、ALP、OCN、骨桥蛋白、COL-Ⅰ，抑制成骨细胞分化和骨形成导致骨质疏松[26]。

治疗牙周炎的作用：有研究证实补骨脂素和ISO对牙周致病菌P.gingivalis具有显著的抗菌作用，可以抑制P.gingivalis LPS诱导的炎症反应，还可促进人牙周膜细胞的成骨向分化，对牙周炎小鼠具有保护作用，提示补骨脂素和异补骨脂素具有用于牙周炎预防和治疗的潜在可能[27]。

4 异补骨脂素的药物安全性

补骨脂是异补骨脂素的主要来源，据报道，补骨脂的毒性反应主要与呋喃香豆素类成分有关[28]，异补骨脂素则为呋喃香豆素类的主要代表成分之一，且有研究表明，异补骨脂素和补骨脂素不仅是功能性成分，也是毒性成分[29]，其主要的靶器官为肝脏、肾上腺、前列腺及精囊腺等[30]。研究显示，异补骨脂素灌胃的大鼠可观察到肝脏、胰腺和生殖系统组织发生病理学变化，且代谢组学分析显示许多代谢物发生变化，尤其是氨基酸代谢发生显著性改变[31]。目前对于异补骨脂素的毒性研究主要集中在肝毒性和血清代谢物改变[32]，据当前报道其肝毒性的主要致病机制与线粒体功能障碍、细胞凋亡[33]和细胞色素P450有关[34]。

5 小结与展望

综上，异补骨脂素作为典型的天然植物雌激素，其对维持骨代谢的稳态具有重要的作用，可通过调节骨代谢信号通路促进成骨细胞分化、抑制成脂分化、抑制破骨细胞的分化和增殖、抗炎、抗氧化应激等途径改善骨代谢紊乱。但目前为止，其具体作用机制尚未明确，不良反应也未探析清楚，故进一步探索异补骨脂素防治骨质疏松症等骨代谢紊乱的作用机制及其毒性作用对骨代谢相关疾病有重要学术价值和社会意义。