淫羊藿苷在治疗股骨头坏死中的应用*

董一平,袁强,张宁,林继红,李无阴,张颖

1.河南中医药大学,河南 郑州 450046; 2.湖南中医药大学,湖南 长沙 410208;3.河南省洛阳正骨医院/河南省骨科医院,河南 洛阳 417002

股骨头坏死是由于激素、饮酒、创伤等因素导致股骨头血管受损从而引起股骨头结构改变,最终导致股骨头塌陷的疾病。该病会引起髋关节疼痛与活动障碍,具有较高的致残率[1]。大数据调查发现,股骨头坏死的发病率呈逐年上升的趋势,且在中青年人群中多发[2]。对于明确诊断的早期股骨头坏死,若不及时采取有效治疗措施,多数患者的股骨头会在两到三年间发生不同程度的塌陷[3]。在早期股骨头坏死的治疗上,一般不推荐采用全髋关节置换术,特别是对于年轻患者,采取保髋疗法,减缓股骨头塌陷、维持髋关节功能是首要的治疗目标[4]。但目前临床上仍然缺乏一种令人满意的保髋疗法,挖掘更多行之有效的保髋疗法是治疗股骨头坏死的当务之急。

淫羊藿具有温补肾阳、强筋壮骨、祛风除湿的功效,临床广泛应用于各类骨伤科疾病,是治疗股骨头坏死最常用的中药之一,对于早、中期股骨头坏死具有良好的疗效[5-6]。淫羊藿苷是一种提取自淫羊藿的异丙烯基黄酮苷类化合物,是中药淫羊藿的主要成分之一[7]。现代药理研究显示,淫羊藿苷可以通过刺激成骨细胞增殖、抑制破骨细胞分化、促进血管生成等方式改善骨缺损,在骨组织修复领域中具有广阔的应用前景[8]。近年来,股骨头坏死领域中与淫羊藿苷相关的研究正在不断增加,淫羊藿苷对股骨头坏死的治疗有着巨大的发掘潜力。基于此,本文对淫羊藿苷在股骨头坏死中的作用及应用研究进行综述。

1 淫羊藿苷概述

淫羊藿苷,化学式为C33H40O15,分子量为676.66,提取自小檗科植物淫羊藿、箭叶淫羊藿等植物。淫羊藿苷是淫羊藿的主要有效成分,《中华人民共和国药典》规定,干燥淫羊藿中淫羊藿苷含量不得低于5.0%[9]。淫羊藿苷具有改善骨代谢、抗炎与抗氧化应激、抗神经元损伤、抗肿瘤等作用,可参与调控多个信号通路及相关受体,包括Wnt/β-catenin通路、丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)通路、核因子-κB受体活化因子(receptor activator of nuclear factor-κB,RANK)/核因子-κb受体活化因子配体(receptor activator of NF-κb ligand,RANKL)信号通路、雌激素受体(estrogen receptor,ER)、ERα等,促进成骨细胞增殖分化与骨髓间充质干细胞成骨分化,抑制破骨细胞活性,改善骨破坏与骨缺损[10-11]。由此可见,淫羊藿苷在治疗股骨头坏死药物的开发和应用中有着巨大的潜力。

2 淫羊藿苷治疗股骨头坏死的作用研究

2.1 促进成骨细胞增殖并提高其活性成骨细胞可使人体生成新的骨质,增加骨量,在骨骼的生长与重塑过程中发挥着重要作用[12]。成骨细胞在股骨头坏死中扮演着重要角色,促进成骨细胞增殖并提高其活性,是治疗股骨头坏死的重要途径之一。Wang等[13]将不同浓度的淫羊藿苷用于大鼠下颌骨成骨细胞,发现淫羊藿苷的浓度为0.15～15 μmol·L-1时,可显著提高成骨细胞的增殖能力与碱性磷酸酶(alkaline phosphates,ALP)活性,同时,淫羊藿苷显著提高了Wnt/β-catenin信号通路相关标记物β-catenin、RUNX2、cyclin D1、ALP的mRNA的表达,表明淫羊藿苷可通过Wnt/β-catenin信号通路对大鼠下颌骨成骨细胞产生影响。Sun等[14]研究表明,淫羊藿苷可以刺激成骨细胞的增殖,通过增加ALP活性、钙化结节的数量、I型胶原和BGP mRNA的表达水平来刺激hFOB1.19成骨细胞的分化。同时,此研究发现,一定浓度范围内的淫羊藿苷可显著降低成骨细胞中细胞质蛋白核转录因子-κB(nuclear transciption factor-kappa B,NF-κΒ)的活性,并增加成骨细胞中转化生长因子β1的表达,调控成骨细胞的分化。研究还发现,淫羊藿苷可增加hFOB1.19成骨细胞中血清骨保护素(osteoprotegerin,OPG)/RANKL的表达比例,调节骨形成,且OPG/RANKL的表达比例与ER有关。细胞自噬是一种重要的细胞机制,可参与成骨细胞分化,在骨稳态中扮演重要角色。细胞自噬现象存在于股骨头坏死的发生发展过程中,在适度的刺激下可通过细胞自噬增强细胞活性与细胞增殖,改善激素诱导的细胞损伤[15]。宋世雷[16]通过实验研究发现,淫羊藿苷可提升成骨细胞中miR-17-5p的表达水平,抑制MAPKmRNA表达,降低mTOR活性,促进自噬小体的生成与成骨细胞的自噬,从而改善激素性股骨头坏死。上述研究提示,淫羊藿苷是一种治疗骨缺损相关疾病的理想方法,其可以增加多种成骨相关因子的表达,参与成骨细胞的分化,调控成骨细胞的增殖,表明淫羊藿苷对于股骨头坏死具有明确的治疗作用。

2.2 抑制破骨细胞的分化形成与骨吸收破骨细胞是主要的骨吸收细胞,在股骨头坏死的骨组织代谢及骨重塑过程中发挥着重要作用。在股骨头坏死的过程中,破骨细胞被激活增多,导致其分泌的酶与酸性物质分解并吸收骨基质,导致骨的坏死与溶解,使股骨头的骨组织力学结构发生改变,并在重力作用下导致微骨折,最终发生股骨头塌陷[17]。由此看来,抑制破骨细胞的分化形成与骨吸收作用,可对股骨头坏死产生积极的影响。李志伟等[18]使用淫羊藿苷对小鼠骨髓源性巨噬细胞诱导的破骨细胞进行干预,抗酒石酸酸性磷酸酶和鬼笔环肽染色结果显示,淫羊藿苷可明显抑制破骨细胞形成,同时采用qPCR和Western blot实验进行分析,发现Gα13基因及蛋白表达显著上调,Akt-GSK3β-NFATc1信号通路的相关基因及蛋白表达显著减少,表明淫羊藿苷可能通过促进负调控因子Gα13的表达,从而抑制其下游的Akt-GSK3β-NFATc1信号通路,减少破骨细胞形成。李倩楠等[19]观察了淫羊藿苷对破骨细胞中活性氧(reactive oxygen species,ROS)、亚铁离子、谷胱甘肽(glutathione,GSH)和谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)的水平与Nrf2/HO-1/GPX4 信号通路表达的影响,发现在淫羊藿苷的作用下,破骨细胞内ROS与亚铁离子水平上调,GSH及GSH-Px含量降低,同时上调了Nrf2/HO-1信号传导通路与Nrf2、HO-1基因表达,抑制了GPX4基因及转录蛋白表达,促进破骨细胞氧化应激改变,进而调控铁代谢水平,增加氧化应激损伤,使破骨细胞形成和骨吸收得到抑制。Xu等[20]通过实验证实,淫羊藿苷可通过抑制NF-κB和MAPK的激活来抑制RANKL诱导的破骨细胞生成,同时淫羊藿苷可抑制破骨细胞中F-actin环的形成,进而减弱其骨吸收能力。以上多项研究表明,淫羊藿苷可调节破骨细胞相关信号通路,抑制破骨细胞的形成与骨吸收,对预防股骨头坏死过程中的骨坏死与股骨头微骨折从而避免股骨头产生塌陷具有积极作用。

2.3 促进骨髓间充质干细胞(bone marrow mysenchymal stem cells,BMSCs)的成骨分化BMSCs来源于中胚层,具有多向分化潜能,可在特定细胞因子诱导与相关条件下分化为骨细胞、脂肪细胞、软骨细胞等。在股骨头坏死的病理过程中,股骨头微循环受到损害,骨与骨髓组织坏死,BMSCs的成骨分化被抑制,破骨细胞被激活并吸收骨组织,最终导致股骨头塌陷[21]。淫羊藿苷则可促进BMSCs的成骨分化,从而改善股骨头坏死。Huang等[22]研究发现,将低浓度淫羊藿苷作用于大鼠BMSCs中可显著促进细胞增殖,RT-qPCR和Western blot结果表明淫羊藿苷显著增加了BMSCs中BMAL1、BMP2、RUNX2、ALP和OC的表达,而其中的生物钟基因BMAL1可通过BMP2在BMSCs中诱导成骨分化,淫羊藿苷则可以在体外通过上调BMAL1表达来增强BMP2信号通路活性,从而增强BMSCs的成骨能力。Zhang等[23]将淫羊藿苷用于 BMSCs 和激素诱导的股骨头坏死模型大鼠中,发现其可提高ALP水平,同时发现ICA联合miR-23a-3p敲低可上调BMP2、BMP4、Runx2、p-Smad5、Wnt1和β-catenin水平,激活BMP2/Smad5/Runx2和Wnt1/β-catenin通路,促进 BMSCs 的成骨分化,刺激股骨头坏死大鼠的骨形成,改善股骨头坏死。BMSCs具有成骨、成脂的分化功能,当BMSCs向脂肪细胞的分化增加,成骨分化会相应地随之下降,骨质疏松的发病概率随之提高,最终导致股骨头坏死[24]。李智奎等[25]研究不同浓度的淫羊藿苷对促进大鼠BMSCs的成骨分化与抑制其成脂分化的作用,分别用10 μg·L-1和 40 μg·L-1的淫羊藿苷刺激BMSCs 3 d,发现与空白对照组比较,10 μg·L-1的淫羊藿苷可抑制成脂相关的PPARγ、Adipsin和FABP4的表达,促进成骨相关基因RUNX2、ALP和OPN的表达,而 40 μg·L-1的淫羊藿苷表现则相反,说明10 μg·L-1的淫羊藿苷可以抑制BMSCs的成脂分化,促进BMSCs的成骨分化,而40 μg·L-1淫羊藿苷可以促进BMSCs的成脂分化,抑制其成骨分化;同时,研究发现上述两种浓度的淫羊藿苷均可激活Wnt/β-catenin信号通路,但却诱导BMSCs向相反的方向分化,具体机制可作为进一步探明淫羊藿苷治疗骨丢失疾病的重点。综上,淫羊藿苷对于BMSCs的成骨分化有着突出作用,但其作用机制较为复杂,需进一步挖掘,以期为股骨头坏死的治疗提供新的手段。

2.4 对微血管内皮细胞(bone microvascular endothelial cells,BMECs)的保护作用由激素引发的股骨头BMECs损伤所造成骨内微循环障碍是导致股骨头坏死的重要原因,因此保护BMECs是临床防治股骨头坏死的关键[26]。淫羊藿苷对BMECs具有显著的保护作用,可改善激素诱导的BMECs损伤并降低其凋亡率。Yu等[27]研究发现,在体外实验中,10-5mol·L-1的淫羊藿苷可以显著逆转氢化可的松对BMECs增殖的抑制作用,促进BMECs的迁移、成管,促进VEGF、CD31等血管生成相关细胞因子的表达并激活Akt 信号通路;在体内实验中,淫羊藿苷可保护由甲强龙所导致的大鼠股骨头血管破坏,提高CD31的表达,促进股骨头坏死大鼠的血管生成,延缓股骨头坏死的发展。岳聚安等[28]的动物实验同样揭示了淫羊藿苷对于股骨头坏死大鼠BMECs的保护作用,除此之外,该研究的miRNA检测及生物信息学分析结果显示,淫羊藿苷可有效调控激素对BMECs miRNA-23b表达量的影响,而miRNA-23b表达可调节血管内皮细胞的功能及血管完整性,该基因的过表达可能会促进血管新生,表明miRNA-23b可能是淫羊藿苷预防或治疗激素性股骨头坏死的潜在靶点。

3 淫羊藿苷在治疗股骨头坏死中的应用

3.1 在复合材料中的应用淫羊藿苷可以促进成骨细胞增殖与分化,抑制破骨细胞的增殖及骨吸收功能,同时具有较好的促血管生成及抗炎作用,是一种治疗骨缺损相关疾病的潜力药物,因此近年来有多项研究将淫羊藿苷与各类支架材料相结合,此类复合材料已在骨缺损修复中表现出了良好效果,为临床治疗股骨头坏死提供了新的方法[29]。Xie等[30]探讨了负载淫羊藿苷的羟基磷灰石/藻酸盐(ICA/HAA)的多孔复合支架对于骨再生的影响。在体外实验中,ICA/HAA表现出至少30天的淫羊藿苷受控释放,随后,将ICA/HAA、HAA和淫羊藿苷分别作用于兔BMSCs,发现ICA/HAA对成骨分化的作用最强,且通过MTT测定证实了ICA/HAA在兔BMSCs中未产生细胞毒性;在体内实验中,他们将ICA/HAA支架植入兔桡骨骨缺损处,X射线和组织学分析表明,ICA/HAA支架可显著促进骨缺损部位的再生。髓芯减压术在临床早期股骨头坏死中应用广泛,此术式可降低股骨头内部压力,清除股骨头内部死骨,改善股骨头血运,并可在死骨清除后根据坏死的面积进行植骨。彭晨健等[31]对27只激素性股骨头坏死兔模型进行髓芯减压与死骨清理,随后分3组分别植入自体骨、β-磷酸三钙支架与3D打印β-磷酸三钙复合淫羊藿苷支架,术后4、8、12周进行的股骨头micro-CT扫描及组织学观察发现,复合支架不仅可以为股骨头提供支撑,同时具备仅次于自体骨的骨修复能力,其次可在淫羊藿苷的作用下抑制破骨细胞的增殖,并显著诱导新生血管的形成,展现了淫羊藿苷复合支架作为股骨头坏死植骨术的新型骨代替材料的潜力。

3.2 在临床药物中的应用目前,临床上也存在很多应用淫羊藿及其有效成分淫羊藿苷治疗股骨头坏死的研究。中成药仙灵骨葆胶囊以淫羊藿苷为主要有效成分,组方以淫羊藿为君药,配以续断、补骨脂、丹参、地黄等,在股骨头坏死的治疗中应用广泛[32-33]。杨杰等[34]观察了仙灵骨葆胶囊预防激素性股骨头坏死的作用,发现患有肾病综合征、系统性红斑狼疮等长期大剂量使用激素的患者,在服用仙灵骨葆胶囊后股骨头坏死的发生率明显降低,表明其对于股骨头坏死具有预防作用。郑英豪[35]将92例非创伤性股骨头坏死患者随机分为观察组与对照组,对照组在头颈开窗复合植骨术治疗后给予常规药物治疗,观察组则在对照组的基础上在术后第二天口服仙灵骨葆胶囊。服药一年后发现,观察组患者的疼痛程度、关节畸形程度、关节活动范围与关节功能评分及总分均高于对照组,且观察组的不良反应发生率低于对照组,表明仙灵骨葆胶囊可显著加快非创伤性股骨头坏死患者保髋术后的康复进程。除中成药外,田可为[36]使用汤剂补肾活血汤(组成:熟地黄、淫羊藿、红花、白芍、三七、骨碎补、续断等)治疗97例早期股骨头坏死患者,发现在治疗组中,疗效显著者55例,有效者31例,无效者11例,有效率为88.65%,同时患者的血液黏度及血脂代谢水平均有明显改善。

4 总结与展望

股骨头坏死是临床上常见的难治性髋关节疾病之一,且目前尚无统一的治疗标准。股骨头坏死的预防与保髋治疗一直是临床治疗中的难点,关键在于早期诊断和早期治疗,促进股骨头部位骨细胞的修复,抑制骨吸收,改善股骨头血管供血,防止或延缓股骨头的塌陷。上述研究表明,淫羊藿苷具有促进成骨细胞分化增殖、抑制破骨细胞骨吸收、诱导BMSCs成骨分化以及保护股骨头部位血管的作用。同时,淫羊藿苷可与各类支架材料相结合,在动物模型实验中取得了令人满意的效果,这种结合可能是未来淫羊藿苷应用于股骨头坏死与骨缺损手术治疗的重点。此外,在目前的临床研究中,含有淫羊藿苷成分的方剂也对股骨头坏死具有显著的预防与治疗作用。然而,目前淫羊藿苷在股骨头坏死中的研究仍然存在缺陷:其一,相关研究多以基础实验为主,对于淫羊藿苷的复杂机制层面研究相对薄弱。其二,尚无淫羊藿苷复合材料应用于人体的相关报道,已有的临床研究多为以淫羊藿苷为主要作用成分的方剂的研究,缺乏单独使用淫羊藿苷治疗股骨头坏死的临床报道,今后应更多地关注淫羊藿苷的临床应用及其对于人体的影响,为股骨头坏死的治疗提供新思路。其三,淫羊藿苷治疗股骨头坏死的最适药物浓度有待商榷,同时现有的动物模型存在局限性,应进一步开展更多种类的哺乳类动物研究或通过人类临床数据加以证实,明确淫羊藿苷在人体内的最适浓度。

总之,淫羊藿苷已经在股骨头坏死领域表现出了巨大的研究潜力与价值,相信随着药理学、分子生物学与生物基因工程技术等现代科学技术的不断发展,在不久的将来淫羊藿苷会更加方便、经济、有效地应用于临床,为临床防治股骨头坏死贡献新的解决方案。