基于知识发现工具Arrowsmith探索甜菜碱治疗骨关节炎的潜在机制

汤 琳 郭永飞 于千策 曹洪欣▲

1.海军军医大学图书馆，上海 200433；2.海军军医大学附属长征医院骨科，上海 200003

随着科学技术的快速发展， 专业分工越来越详细，跨学科的交流越来越困难，而一个专业领域的信息可能对另一个专业领域有价值，存在着一些隐秘和有价值的相关性，并且常规方式无法检索到这种相关性。 20 世纪80年代，有研究者提出了一种基于非相关文献的知识发现方法，揭示了尚未在公开发表文献中识别或发现的知识碎片之间的逻辑联系，并提出了知识假设， 相应设计了知识发现工具Arrowsmith，旨在引导科研人员了解和发现不同学科与不同研究方向之间的潜在的、有科学价值的信息，从而进一步证实科学假设的可行性，为科研工作提供新的思路和方法。

骨关节炎是一种常见的运动系统退行性病变，又称退行性骨关节病、退行性关节炎等，美国第三次全国健康与营养检查结果显示，膝关节骨关节炎的患病率约为12.1%。在我国，大约有5.7%的男性和10.3%的女性都患有不同程度的骨关节炎。 骨关节炎好发于膝、髋等负重关节，主要临床表现为缓慢发展的关节疼痛、压痛、僵硬、关节肿胀、活动受限和关节畸形等。 目前尚无有效的治疗方法，主要采取非甾体药物止痛等对症处理，终末期行关节置换术，给患者及家庭、社会均带来沉重负担。

甜菜碱是一种从甜菜汁中提取的生物碱，研究表明甜菜碱能降低组织中核因子-κB（nuclear factor κB，NF-κB）、转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）、基质金属蛋白酶（matrixmetallo proteinase-2，MMP-2）水平，具有抗炎、抗纤维化、抗肿瘤、减轻脂肪肝等多种作用，甜菜碱目前可用于治疗非酒精性脂肪肝病、高半胱氨酸尿症、肝纤维化等。若能证明其能够抑制骨关节炎，则可以开发甜菜碱的临床新用途。为了探讨甜菜碱治疗骨关节炎的可能靶点和作用机制， 本文以PubMed 中的文献为分析对象，利用非相关文献知识发现工具Arrowsmith，探索甜菜碱治疗骨关节炎的潜在可能性，为骨关节炎的临床研究提供新的方向。

1 资料与方法

1.1 纳入与排除标准

进入知识发现工具Arrowsmith 网站http://arrowsmith.psych.uic.edu，选择Arrowsmith 工具进入其检索界面，以甜菜碱（Betaine OR Lycine）作为集合A 的检索词，以骨关节炎（Osteoarthritis）作为集合C 的检索词进行检索。

1.2 检索策略

登陆Arrowsmith 网站，点击“start”进入检索界面。 以“Betaine OR Lycine [title/abstract]”为检索式形成的文献集作为来源文献A，以“Osteoarthritis [title/abstract]”为检索式形成的文献集作为来源文献C。 检索时间范围为2013年1月1日至2022年1月12日。

1.3 文献筛选、资料提取

对A、C 两个文献集合的中间关联词进行挖掘并进行语义筛选，保留属于“Chemicals＆Drugs”“Genes＆Molecular Sequences” 和“Gene＆Protein Names”语义类别的关联词，得到筛选后的关联词列表B。 按照相关度的高低排列，通过汇总频率较高的词汇得到当前研究热点，并对相关度排序前40 的词进行统计。

2 结果

检索结果显示集合A 包含8202 篇文献，集合C包含25 000 篇文献， 通过集合A 与集合C 得到与二者均有交集的关联词列表B。 连接两个集合的中间词表B 中共有11 767 个关联词， 经过语义筛选后得到最终的关联词词表B，包含2244 个关联词。 把关联词按照相关度进行排序， 选出相关度≥0.9 的40 个关联词，结果见表1。

表1 关联度≥0.9 的关联词

通过对以上关联词的分析、检索，选取其中相关度最高的四个关键词分别为“脂联素（adiponectin，ADP）”“Toll 样受体4/核因子-κB 信号通路（Toll-like receptor 4/nuclear factor-κB，TLR4/NF-κB）”“高同型半胱氨酸血症（hyperhomocysteinemia，HHcy）”和“血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）”。

3 讨论

3.1 甜菜碱可能通过提高血浆脂联素水平治疗骨关节炎

ADP 是脂肪组织特异性分泌的一种脂肪因子，通过与肝脏ADP 受体相互作用， 抑制肝脏三酰甘油的合成，促进三酰甘油氧化分解。 国内有学者认为ADP在骨关节炎的进展中起保护作用，检测关节液中ADP水平高低对判断骨关节炎病变的严重程度有帮助，低水平的ADP 患骨关节炎的风险更大，ADP 可作为一种潜在的评估骨关节炎症状严重程度的生物标记物。

ADP 具有增加小鼠软骨细胞增殖、蛋白多糖合成、基质矿化，并上调Ⅱ型和Ⅹ型胶原表达的作用，在软骨细胞中，ADP 可能通过诱导金属蛋白酶组织抑制因子-1 和金属蛋白酶组织抑制因子-2 的产生及抑制血清白介素-1β 所诱导基质金属蛋白酶-13 的产生，起到对抗骨关节炎的保护性作用。 国外学者通过对骨关节炎软骨进行生物化学分析，发现患者关节液中的ADP 呈高度表达， 而在血清中的ADP 水平与C-反应蛋白水平为负相关关系， 可见ADP 可抑制和减缓骨关节炎的炎症反应， 证实了ADP 对软骨的保护作用。

国内有学者探讨了ADP、瘦素和肿瘤坏死因子与酒精性脂肪肝严重程度的相关性，发现甜菜碱可以使酒精性脂肪肝甘油三酯减少，血清、肝脏ADP 增高。国外有学者研究发现， 在高脂饮食中添加甜菜碱可以减轻高脂肪诱导的脂肪组织4-羟基壬烯酸的增加并且减轻血浆ADP 的下降。 因此可以推测，甜菜碱可能通过提高血浆ADP 水平发挥对骨关节炎的保护作用。

3.2 甜菜碱可能通过抑制TLR4/NF-κB 信号通路治疗骨关节炎

TLR4 是一种模式识别受体，识别包括脂多糖在内的多种配体，当与相应配体结合后，招募下游信号分子触发一系列的信号级联反应，最终活化NF-κB，从而促进炎症因子基因表达的激活、炎症因子产生和释放，因此，抑制TLR4/NF-κB 信号通路能降低炎症因子的释出，缓解骨关节炎病理症状。

国外有学者分别对源于类风湿关节炎、骨关节炎和健康人滑膜组织中的TLR 水平进行免疫荧光测定， 结果发现类风湿关节炎滑膜组织中TLR 表达水平最高，骨关节炎滑膜组织中亦有升高，但幅度小于类风湿关节炎，而正常人滑膜中几乎没有检测到TLR表达， 说明TLR 存在并过度表达于骨关节炎滑膜组织。 国外另有学者分别检测了类风湿关节炎、骨关节炎和健康人滑膜组织中成纤维细胞的TLR mRNA表达情况，发现类风湿关节炎、骨关节炎滑膜组织中成纤维细胞的TLR3mRNA 和TLR4mRNA 表达明显升高，结果表明骨关节炎患者广泛表达TLR4。TLR4表达于骨关节炎组织且其表达水平较正常软骨组织明显提高，NF-κB 通路可通过CD14/TLR4 早期激活进而触发滑膜分泌炎症因子血清白介素-1β、α 型肿瘤坏死因子、基质金属蛋白酶-13、血小板反应蛋白及整合素金属肽酶4，Ⅲ型前胶原氨基端和透明质酸增加并介导骨关节炎的发生。

甜菜碱可以显著减少促炎细胞因子的产生，增加抗炎细胞因子的释放，通过减少诱导型一氧化氮合酶和CD16/32 抗体的表达， 增加CD206 和精氨酸酶-1的表达， 促进小胶质细胞从M1 表型向M2 表型的转化， 通过抑制TLR4-Myd88 的表达来抑制TLR4/NFκB 通路。 因此可以推测，甜菜碱可能通过抑制TLR4/NF-κB 通路，降低炎症因子水平，发挥治疗骨关节炎的功效。

3.3 甜菜碱可能通过抑制HHcy 的发生降低骨关节炎发病风险

同型半胱氨酸（homocysteine，Hcy）是体内甲硫氨酸代谢的中间产物。 正常情况下，Hcy 的生成和代谢保持着动态平衡，先天或后天因素导致代谢途径中的酶缺乏或失活，或辅助因子叶酸、维生素B、维生素B等缺乏可导致HHcy 的发生。

甜菜碱可有效地抑制由胍基乙酸添加、胱硫醚—合成酶缺乏、叶酸缺乏导致的HHcy 的发生。甜菜碱降低血浆中Hcy 的浓度，抑制HHcy 发生的作用机制可能是以下两条代谢通路协同作用的结果：一是甜菜碱的添加有效地恢复了由蛋氨酸导致的体内甜菜碱的过度消耗， 同时激活肝脏甜菜碱Hcy 甲基转移酶，直接促进了同型半胱氨酸在其催化下的再甲基化，从而降低了肝脏和血液中Hcy 的浓度；二是甜菜碱通过促进肝脏S-腺苷甲硫氨酸浓度升高， 激活肝脏胱硫醚-β-合成酶，进而促进胱硫醚的合成，降低肝脏和血液中Hcy 的浓度，从而抑制HHcy。

发表在SCI 期刊《Redox Biology》的论文指出Hcy通过抑制SIRT1/AMPK 通路导致软骨细胞功能障碍和氧化应激，提示HHcy 和骨关节炎之间可能存在联系。 Hcy 的异常表达可能会诱导线粒体功能障碍和骨代谢紊乱，沉默信息调节因子1（silence information regulator 1，sirtuin 1，SIRT1）和AMP 激活蛋白激酶是调节线粒体生物合成的两个关键传感器，已被公认是骨关节炎的治疗靶点，Hcy 抑制SIRT1/AMPK/PGC-1α/PPAR-γ 通路后，NF-κB 和基质金属蛋白酶-13 的表达升高， 从而对软骨细胞造成有害影响， 而Hcy SIRT1 低表达可能有助于软骨的降解过程，这为骨关节炎的病因提供了线索。 综上所述，可以推测甜菜碱可能通过降低血浆中Hcy 的浓度， 抑制HHcy 发生，从而降低骨关节炎的发病风险。

3.4 甜菜碱可能以血管内皮生长因子为靶点通过抗血管生成治疗骨关节炎

VEGF 是1989年由Ferrara 等在牛垂体滤泡星形胶质细胞体外培养液中分离纯化出来的，是作用于血管内皮细胞的生长因子，也是目前发现的最强烈的增加血管通透性物质之一，其增加血管通透性是通过增加内皮细胞的间隙实现的。 在整个骨关节炎的病理过程中，VEGF 起到促进血管生成和增加血管通透性的作用， 它是骨关节炎发展过程中滑膜细胞增殖、血管新生、滑膜炎形成的重要炎症递质，在骨关节炎患者中，滑膜的增生、浸润以及后来出现的软骨和骨破坏均依赖于滑膜内血管的生成。 骨关节炎血管生成不仅可导致炎症，更重要的是通过新生血管转运炎症因子致使炎症反应得以持续， 在软骨发育的过程中，VEGF 不仅在促进新生血管形成上有重要意义，还在维持软骨细胞的存活及加快骨转换等方面发挥十分重要的作用。 关节软骨由于能够产生血管生成抑制剂， 促血管生成因子与抗血管生成因子存在动态平衡，所以正常的关节软骨是没有血管分布的，骨关节炎状态下， 骨/软骨接合处及滑膜中血管生成明显增多，均表明VEGF 参与了这一过程。

另有研究表明，甜菜碱可显著抑制微血管内皮细胞中VEGF 诱导Akt 和ERK 通路磷酸化。 甜菜碱通过抑制活性氧介导的VEGF 信号传导，对新生血管形成发挥抗血管生成的作用。 甜菜碱可能是一种有效的抗血管生成药物。 综上可以推测，甜菜碱有抑制新生血管生成的作用， 可能以VEGF 及其受体为靶点，通过抗血管治疗达到对骨关节炎的抗炎效果。

3.5 小结

随着互联网和信息技术的高速发展，科研人员的文献获取能力正逐步加强，已经不满足于单纯的相关文献分析方法。 Arrowsmith 作为一种能够识别不同学科、不同研究领域之间潜在关联的非相关文献知识发现工具， 可以挖掘看似不相关的文献之间的隐藏关联，拓展了知识发现的边界，可提高科研工作效率、缩短科研周期，对于辅助科研具有重要意义。

在PubMed 中检索“（Betaine OR Lycine）AND Osteoarthritis”仅有5 篇文献（检索日期范围是2013年1月1日—2022年1月12日），其中1 篇主要论述了甜菜碱治疗骨关节炎的机制， 于2021年9月已发表于SCI 期刊《Frontiers in Pharmacology》，该论文研究发现，甜菜碱可通过抑制软骨下骨破骨细胞生成和血管生成来减轻骨关节炎。 而本文应用非相关文献知识发现的方法， 利用Arrowsmith 工具对PubMed 中甜菜碱和骨关节炎的英文文献进行分析，探讨了甜菜碱治疗骨关节炎的可能机制。甜菜碱治疗骨关节炎的机制可能与血浆脂联素水平、TLR4/NF-κB 通路、HHcy以及VEGF 相关。

然而非相关文献知识发现方法也存在着一些不足， 此方法只是基于文献挖掘所推测得出的结论，是基于文献证据的假设，不能取代科研实验。 它实质上可以理解为是对传统检索的一种补充，引导专业人员进一步深入检索相关领域的知识。 Arrowsmith 工具中的关联词B 集合存在着数量庞大、相关度准确性不够高的问题，且词与词之间的联系要依赖原文背景才能解读其实际意义，因此想要深入研究非常困难。 尽管Arrowsmith 工具有不足之处，但它从某种角度上讲可以直接促使新知识的产生， 促进知识构建与传承，对科研创新具有重要意义，除了在生物医学领域运用以外，在其他学科领域也将会有广泛的应用价值和发展潜力。