基于基质金属蛋白酶探究中药单体对骨关节炎软骨细胞的实验研究进展

赵婷　谢招虎　郗域江　杨琦　李兆福

【摘 要】 对近年来文献中有关中药单体调控基质金属蛋白酶对骨关节炎软骨损伤的机制进行回顾及总结，从补益肝肾、化痰祛瘀、散寒除湿、清热祛湿4种不同治疗类型中药单体进行分析，体现了不同中药对基质金属蛋白酶的调节作用。通过总结发现，部分中药单体可调节软骨细胞中基质金属蛋白酶水平，对骨关节炎的软骨破坏具有一定的抑制作用。

【关键词】 骨关节炎；基质金属蛋白酶；Ⅱ型胶原；炎性介质；软骨退变；研究进展；综述

骨关节炎（osteoarthritis，OA）是一种慢性退行性关节疾病，是最常见的关节炎类型，病理改变主要累及关节软骨、软骨下骨和滑膜组织，特征性表现以关节软骨破坏、边缘骨赘形成、滑膜炎症等为主［1］。OA好发于中老年人群，发病率高，65岁以上人群发病率高达50%，常累及部位包括膝、髋、踝、手和脊柱（颈椎、腰椎）等。OA主要临床表现为关节疼痛、肿胀和僵硬等，严重者活动受限，甚至无法移动。近年来，随着人口老龄化，OA发病率逐年增长，给患者及其家庭和社会造成巨大的经济负担。

软骨退变是OA发病主要机制之一。OA软骨细胞产生多种基质降解酶，包括基质金属蛋白酶（MMPs）和聚集蛋白聚糖酶。这些降解酶的异常表达是OA发展过程中软骨降解的主要原因。最新研究表明，MMPs在OA软骨破坏过程中发挥重要作用，可能作为治疗OA的新靶点［2-3］。MMPs在成人组织中的表达和活性通常很低，但在炎症和组织破坏条件下显著增加，导致胶原蛋白和弹性蛋白降解，影响内皮细胞功能以及细胞迁移、增殖。白细胞介素（IL）-1β和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）可通过诱导软骨细胞分泌MMPs（如MMP-1、MMP-9、MMP-13等）、一氧化氮以及其他促炎细胞因子（如IL-6、IL-8等）促进关节软骨基质的破坏［4］。因此，MMPs在炎症和软骨组织破坏过程中发挥重要作用。近年来研究表明，中药单体可通过调节MMPs水平减少关节软骨破坏。本文概述MMPs与OA的关系，并围绕补益肝肾、化痰祛瘀、散寒除湿、清热祛湿的治法，详细描述中药单体调控MMPs改善OA软骨损伤的相关实验研究，以期为进一步了解OA发病机制和提出相关疾病的新靶点提供参考。

1 MMPs与OA

在OA中，炎症细胞因子如IL-1β和TNF-α能刺激MMPs的产生，MMPs主要参与细胞外基质中各种蛋白质的降解。MMPs具有前肽序列、催化金属蛋白酶结构域、连接肽，以及血色素结合蛋白结构域，根据其底物和结构域的不同分为胶原酶、明胶酶、溶基质素、基质溶解素和膜型５个亚型。不同亚型之间存在同源性，其中明胶酶、间质溶解素和胶原酶可能是胶原降解和关节破坏的主要介质。

明胶酶包括MMP-2、MMP-9，主要降解胶原、明胶、纤维结合素和蛋白多糖。明胶酶A（MMP-2）作用于明胶、层黏连蛋白和胶原。正常状态下，MMP-2酶原无活性，而在OA软骨细胞中MMP-2可被活化。明胶酶Ｂ（MMP-9）表达水平与关节炎程度呈正比，能水解细胞外基质，如胶原蛋白、纤维蛋白及弹性蛋白等，并破坏软骨下骨，加重关节损伤［5］。间质溶解素包括MMP-3、MMP-10和MMP-11，主要降解蛋白多糖。MMP-3功能与胶原肽酶相似，参与降解蛋白聚糖、弹性蛋白、Ⅳ型胶原和基底膜等成分，从而使关节软骨损伤。此外，MMP-3能通过激活MMPs中其他成员，形成级联放大效应而加快软骨破坏［6］。MMP-10表达在关节炎中也升高，进而破坏关节。MMP-11能促进蛋白水解并调控软骨细胞增殖。胶原酶包括MMP-1、MMP-8和MMP-13。MMP-1主要由关节滑膜细胞产生，作用于新合成的Ⅱ型胶原。正常软骨及滑膜中MMP-1水平较低，OA中可明显观察到MMP-1表达过量而致软骨破坏。胶原酶-2称为MMP-8，主要由中性粒细胞产生，活化的MMP-8能有效降解细胞外基质。MMP-13几乎完全由软骨细胞产生，并在炎症条件下上调。MMP-13被认为是目前已知结缔组织中唯一可以裂解Ⅱ型胶原三螺旋结构的蛋白酶，且MMP-13对Ⅱ型胶原的降解具有不可逆性［7］。在正常的关节软骨中Ⅱ型胶原被细胞外基质中的蛋白聚糖封闭，以保证Ⅱ型胶原不受损害，从而起到维持关节软骨稳态的作用。但在OA关节软骨中，异常增加的MMP-13在聚蛋白多糖酶-5（ADAMTS-5）等因子协同作用下可破坏蛋白聚糖的完整性，使MMP-13可直接与裸露的Ⅱ型胶原结合，从而促使其发生降解，引起关节软骨的退变。

研究表明，OA关节的炎性环境可促进MMPs在关节软骨中表达和分泌［8］，这与激活核转录因子-κB（NF-κB）和丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）等信号通路密切相关。环氧合酶-2（COX-2）作为维持关节炎症的主要因素，可引起IL-1等炎性因子的高表达，IL-1与其受体及受体相关蛋白结合，导致TRAF、MyD88、IRAK等受体结合蛋白的构象改变，激活转化生长因子β激活激酶-1，向下游传导信号。这些信号可激活MAPK激酶，促使MAPK磷酸化并激活相关转录因子ETS-1、c-JUN、ELK-1等，进而促进MMPs转录；同时，转化生长因子β激活激酶-1也可激活NF-κB诱导激酶（NIK），進而激活κB激酶复合物的抑制剂，使IκB和p105多聚泛素化，从而靶向这些蛋白质，供蛋白酶体降解，使得NF-κB亚单位的易位转移到细胞核并反式激活MMPs［9］。此外，JAK/SART、PI3K/Akt、Wnt/β-catenin和Notch信号通路也参与调节MMPs及软骨损伤［10-12］。这些信号通路之间相互作用形成一个复杂的网络，共同调控OA的发展。

2 中药单体调控MMPs改善OA

OA属中医学“痹证”范畴。中医学认为，OA多因正气亏虚，复感外邪所致，为本虚标实病性。本文将中药治疗OA总结为补益肝肾、化痰祛瘀、散寒除湿、清热祛湿4类进行概述。

2.1 补益肝肾类 肝肾亏虚是OA致病的内在因素，多因肝肾气血损伤、筋骨肌肉失去濡养所致。中医学认为，肾精可化肝血，肝血濡养筋骨，筋骨张弛有度则关节滑利；反之，肝肾亏虚，肌肉失养，外邪侵袭致病情加重反复发作。运用补益类中药补益气血，调和阴阳，祛邪而不伤正，可扶正气以治本。淫羊藿具有补肾阳、强筋骨和祛风湿功效，用于肾阳虚衰所致筋骨痿软、风湿痹痛和麻木拘挛。淫羊藿苷是其主要活性成分，能促进小鼠软骨细胞中转录因子Sox9、Ⅱ型胶原纤维α1基因和蛋白聚糖等软骨增生相关基因表达，并抑制MMP-2、MMP-9、MMP-13、ADAMTS-4和ADAMTS-5等软骨代谢相关基因表达［13］。甘草具有补气祛痰、缓急定痛的功效，甘草查尔酮A是甘草的重要活性成分，能清除自由基和抗氧化。甘草查尔酮A可通过抑制大鼠软骨细胞中NF-κB和Wnt/β-catenin信号通路，降低ADAMTS-5、ADAMTS-4、MMP-13和MMP-1表达［14］。异甘草素也来源于甘草，动物实验发现异甘草素注射入大鼠膝关节，能抑制IL-1β诱导的关节软骨细胞中NF-B p65磷酸化，降低MMPs的产生，并具有抗细胞凋亡作用，表明甘草可通过调节MMPs途径改善OA引起的损伤［15-16］。五味子具有益气生津、补肾宁心的作用。研究发现，五味子乙素对软骨细胞起到保护作用，能显著降低IL-1β诱导的大鼠软骨细胞中MMP-3、MMP-13等因子水平，上调Ⅱ型胶原蛋白和蛋白聚糖表达［17］。蜂蜜具有補中润燥、解毒止痛的功效，白杨素是从蜂蜜和蜂胶中提取的一种天然黄酮类化合物，具有抗炎作用，能降低IL-1β诱导的软骨细胞中MMP-1、MMP-3、MMP-13表达，并抑制蛋白聚糖和Ⅱ型胶原的降解［18］。

2.2 化痰祛瘀类 痰瘀互结、气血阻滞是OA的主要病机，多由痹病日久脾虚生痰、痰瘀阻络导致。痰为主者，以化痰为主；瘀为主者，以祛瘀为要；痰瘀兼有者，当祛瘀与化痰并施，可达痰瘀两清。川芎具有活血行气、祛风止痛的功效。川芎嗪是从川芎中提取的主要活性成分之一。研究发现，川芎嗪能降低IL-1β诱导的软骨细胞损伤和软骨细胞基质降解，NF-κB抑制剂能增强川芎嗪对IL-1β诱导的软骨细胞活力、细胞凋亡和活性氧（ROS）生成的影响，表明川芎嗪对软骨细胞具有显著保护作用［19］。丹参具有祛瘀止痛、活血通经的功效，能抑制OA相关软骨退变［20］。隐丹参酮是从丹参根中提取的活性成分，抗炎作用显著。对人OA软骨细胞和OA小鼠进行隐丹参酮干预后发现，其能显著降低IL-1β刺激的软骨细胞中COX-2、iNOS、MMP-3、MMP-13和ADAMTS-5的表达，抑制NF-κB和MAPK通路的激活，防止OA小鼠软骨破坏和软骨下骨增厚［21］。姜黄能行气止痛，姜黄素是从姜黄中分离出来的多酚类化合物，具有抗氧化、抗炎和抗凝等多种药理活性［22］。姜黄素可降低雌激素缺乏大鼠关节软骨中MMP-1、MMP-3和MMP-13表达，防止关节中胶原蛋白降解，并能抑制软骨细胞的凋亡，减轻炎症［23-24］。姜黄素也可保护颞下颌关节软骨，抑制炎症介质及MMP-13的表达，并上调软骨合成代谢因子COL2A1和ACAN的mRNA水平［25］。红花能活血通经、散瘀止痛，红花黄是红花的主要活性成分之一，红花黄干预TNF-α刺激的软骨细胞后，IL-1β、PTGS2、MMP-13表达显著下调［26］。

2.3 散寒除湿类 寒湿合邪易阻滞气机，气机不畅则血液瘀滞，日久气血痹阻经络，不通则痛。寒湿痹阻关节肌肉，遇寒则重，得热则减，故治法以温阳散寒为主，祛湿与散风并施，可风寒湿并除。肉桂具有散寒止痛、补火助阳的功效。肉桂醛是从肉桂中提取的α，β-不饱和醛，具有抗炎和抗氧化特性，其可显著抑制脂多糖诱导的OA软骨细胞中MMP-13和ADAMTS-5的表达［27］。辛夷能发散风寒，通鼻窍。辛夷提取物木兰素可恢复TNF-α诱导的IL-1β、COX-2、ADAMTS-5和MMP-1/3/13在基因及蛋白水平的上调，抑制软骨基质降解并促进其构建［28］。异欧前胡素是白芷的有效活性成分，用异欧前胡素干预体外培养的小鼠原代骨髓细胞实验中MMP-13和X型胶原降低，且mTOR复合体1信号通路下调，表明异欧前胡素可通过抑制mTORC1而降低OA所致的病理改变［29］。葛根素是从葛根中分离出的异黄酮类衍生物，对OA软骨细胞中MMP-1的表达具有抑制作用，并能阻碍胶原降解［30］。

2.4 清热祛湿类 OA多因机体阳盛内有蕴热，或外感邪气、郁而化热、阻滞经络所致，运用清热祛湿类中药可清湿热、除痹痛。大黄素是从大黄根中分离的活性成分，其对OA大鼠软骨细胞中MMP-3、MMP-13、ADAMTS-4和ADAMTS-5表达均呈下调趋势［31］，并能抑制NF-κB和Wnt/β-catenin信号通路。汉黄芩素是黄芩的提取物，能抑制OA软骨细胞中IL-6、COX-2、iNOS、MMP-3、MMP-9、MMP-13和ADAMTS-4表达，并抑制ROS的产生［32］。汉黄芩素可将基质降解的信号轴从分解代谢转向合成代谢，具有强大的软骨保护潜力，又能激活ROS/ERK/Nrf2信号通路而发挥抗炎和软骨保护作用［33］。黄芩素也是黄芩的有效成分之一，能降低人骨髓细胞中MMP-3、MMP-9表达，但MMP-13变化不显著［34］。小檗碱为黄连的主要成分之一，具有抗菌、抗炎和抗氧化等多种生物学活性。用小檗碱干预IL-1β刺激的大鼠软骨细胞实验发现，MMP-3、MMP-13、TNF-α和IL-6的表达均下调［35］。丹皮酚是牡丹皮的活性成分，能抑制PI3K/Akt/NF-κB信号通路激活和MMP-1，MMP-3和MMP-13的过表达，表明丹皮酚可能是一种潜在的OA治疗药物［36］。栀子苷是从栀子中提取的环烯醚萜苷化合物，可抑制软骨细胞中iNOS、COX-2和MMP-13的表达，促进Ⅱ型胶原蛋白合成，并能改善大鼠软骨细胞凋亡［37］。青蒿具有清虚热、除骨蒸和解暑热等功效。双氢青蒿素是青蒿素的衍生物，能抑制大鼠软骨细胞中MMP-3、MMP-9和ADAMTS-5的表达，进而减轻软骨破坏。同时，双氢青蒿素能抑制NF-κB通路，下调p-p65表达，部分逆转p65的核转位，从而促进IκBα水平增加并降低IκBα分解［38］。

3 小结与展望

综上所述，补益肝肾、化痰祛瘀、散寒除湿、清热祛湿类中药单体可调节MMPs抗软骨细胞损伤，对OA的软骨破坏具有一定的抑制作用，在中医辨证论治原则指导下合理使用药物可以有针对性地减少软骨细胞破坏。因此，中药单体通过调节MMPs表达水平减少关节软骨破坏，可能是今后OA治疗的新方向。而目前主要存在以下2个方面的问题：①MMPs与OA的相关性研究较少，MMPs对OA的作用尚处于研究阶段，临床上靶向MMPs的疗效尚不明确。②不同中药单体对MMPs具体的作用机制尚不明确。因此，深入挖掘中药单体对MMPs的作用机制及众多细胞因子与炎症和关节损伤相关信号通路之间的关联及作用，将有利于MMPs及其调控网络的开发，进一步了解OA发病机制和相关疾病的新靶点，更好地应用于临床。

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收稿日期：2022-05-14；修回日期：2022-06-23