从“痰之本在肾”探讨线粒体氧化应激与骨骼健康

李泽锋 黄文锋 胡洲映 苏畅怡

1.广州中医药大学 ,广东 广州 510006

2. 广州中医药大学附属湛江市第一中医医院,广东 湛江 524000

骨质疏松症是多种原因引起的骨代谢失衡、骨密度下降、骨脆性增加、骨折风险增加的疾病[1]。人类约在30岁时达到骨量峰值[2],超过30岁后由于激素水平及氧化应激等各种原因,骨代谢逐渐发展为负平衡状态,Ⅰ型胶原蛋白纤维含量减少,与非胶原纤维之间的形成的三螺旋结构的强度也随之减弱,骨骼的弹性及硬度下降,不能有效缓解外界的缓冲力[3],因此容易发生骨质疏松并增加骨折发生的风险。处于轻度骨量低下状态的患者往往缺乏骨质疏松症的特征性表现,但随着骨量进一步丢失,腰背及四肢可出现酸痛不适(超过12%)并增加因受压或冲击等因素造成骨折(超过30%)的风险[4]。根据第七次人口普查统计[5],65岁以上中国人的OP发病率高达32%,严重影响着老年人的身体健康。作为维持骨代谢正平衡的重要角色,成骨细胞的分化及功能的表达与能量代谢密切相关[5]。中医认为元气由肾精所化生[7],主导人的生长发育、激发代谢等生命活动,而线粒体作为ATP的主要产生场所则是能量代谢的主要部位。由此看来,元气与线粒体在促进能量代谢的功能上趋于一致,因此通过维持肾精充盛,保证元气的得以化生是维持线粒体能量代谢功能、从而降低骨质疏松症发生风险的重要途径。津液、痰浊无不由水而成,而水为肾所主,当肾精亏虚,肾的功能随之受损时将导致水运失常而生“肾痰”[8]。氧化应激是线粒体功能损伤的重要原因,而作为氧化应激发生的重要影响因素,氧化自由基的生成和致病特点与中医所谓“痰邪”存在许多共同点。故笔者认为通过补益肾精提升肾脏运化水液的功能来减少“肾痰”的产生是降低机体氧化应激反应、恢复线粒体功能的重要途径,亦是补肾法治疗骨质疏松症的重要机制。

1 肾-线粒体-骨骼理论探讨

1.1 肾-骨相关

中医早在战国时期就已经有对骨质疏松症相关表现的记载。“丈夫八岁,肾气实,发长齿更……四八,筋骨隆盛,肌肉壮满……八八,天癸竭,精少,肾脏衰,形体皆极则齿发去”,可见《内经·上古天真论》已经从肾精盈亏方面论述了人一生的骨骼代谢规律。中医关于骨质疏松症的称谓有“骨痿”“骨痹”“骨枯”“骨极”等,其中《三因极一病证方论》曰:“病者肾热,腰脊不举,骨枯而髓减,其色黑而齿槁,名曰骨痿”,可见陈无极更青睐于骨痿一名,而徐桂琴等[9]亦认为骨痿的描述更符合骨质疏松症的病情演变及病理改变。《医学正传》曰“肾气盛则寿延,肾气衰则寿夭”,肾气渐亏是人体衰老的主要原因,绝经后、老年发生骨痿多因衰老肾精不足,骨髓空虚所致。《素问·逆调论》曰:“肾者,水也,则生于骨。肾不生,则髓不能满,故寒甚至骨也。”中医认为肾藏精主骨,骨骼能否强劲依赖肾精是否充盛,骨髓生化之源为肾精,肾精充足则髓满,骨得髓养才能保持强健,而肾精随着机体的不断衰老而逐渐亏虚,肾精不足则无以生髓而致骨痿。再者,肾精化生肾气,肾气再分阴阳,骨作为人体架构的重要有形物质,其形态的维持有赖于肾阴的滋养,而肾阴等精微物质运输至骨骼的动力则由肾阳提供,正如《黄帝内径素问校释》曰:“阳的运动,可以化生清气和能量;阴的凝聚,可以构成有形的物质”,肾阴肾阳源于肾精,互根互用,共同维持着骨骼的健康[10]。

1.2 氧化应激-线粒体-骨

线粒体是细胞有氧呼吸及三磷酸腺苷(ATP)产生的主要场所,人类日常活动中所需能量的95%皆出自于此。人体各类细胞的生成、凋亡及各种通路的表达亦有赖于线粒体功能的正常表达[11],其中成骨细胞作为主导骨形成的细胞,其分化及功能的正常表达需要ATP的生成和能量代谢的共同参与[5]。Komarova SV等[12]学者发现成熟的成骨细胞中ATP的生成量高于为成熟的成骨细胞,而Miyazaki T等[13]学者发现成熟的破骨细胞中ATP水平低于未成熟的破骨细胞。由此看来增加ATP的生成和调节能量代谢不仅能促进成骨细胞分化,还能抑制破骨细胞主导的骨吸收的发生,从而达到增加骨密度的目的。因此作为ATP生成和能量代谢的主要部位,线粒体的功能受损必定会影响骨代谢而导致骨质疏松的发生。

氧化应激是机体的过度氧化反应和抗氧化能力不足造成的应激状态,对人体而言,一定程度的氧化是非常必要的,因为适度的氧化不仅是生命活动所需能量的重要来源,还能刺激机体损伤进行修复。而当氧化作用和抗氧化能力失去平衡并以氧化作用占优势时,将导致机体因炎性浸润和蛋白酶分泌增加而发生氧化应激反应,而氧化应激反应通常与人体衰老和各种疾病导致活性氧(ROS)过多产生有关。顾超等学者发现[14],氧化应激导致骨髓间充质干细胞(BMSC)的线粒体功能受损是成骨细胞分化能力下降的重要原因。

线粒体DNA(mtDNA)是线粒体的遗传物质,主要通过复制和转录维持线粒体正常的功能,其位于核外的特点导致其缺乏相应的保护,且其自我修复能力较差,而诱导氧化应激发生的活性氧(ROS)主要来源于线粒体,故容易因氧化应激损伤而发生退行性病变[15],使复制和转录功能失常,进一步导致线粒体功能下降。Wnt/β-catenin信号通路是线粒体途径相关的经典骨代谢通路,主要通过减少β-catenin的磷酸化作用来促进成骨细胞增殖与分化以增加骨量[16];ERK5通路是与成骨细胞凋亡密切相关的通路,当该通路激活时,活化的ERK会进入细胞核引起Bad磷酸化以抑制其进入线粒体从而减少caspase-3蛋白酶的活化,进而减少TNF-α诱导的成骨细胞凋亡[17];NF-κB是与成骨细胞凋亡发生相关的又一信号通路,在IL-6等相关炎症因子的刺激下,IκB因过度降解而与NF-κB的结合减少,NF-κB的活性增强,导致BcL-2的表达下调,最终引起成骨细胞凋亡[18]。由此看来,各信号通路通过不同的作用途径共同影响着骨密度的增减。研究发现氧化应激和炎症因子介导的炎症反应所诱导的成骨细胞分化受抑制及过量凋亡是骨质疏松发生的重要原因[19-20],其主要机制与ROS诱导的氧化应激损害线粒体的呼吸链导致线粒体功能下降[21]、Wnt/β-catenin及ERK5等信号通路表达受抑制和NF-κB等信号通路的表达增加[22]有关。

雌激素具有一定的抗氧化应激作用,Muthusami S等[23]通过建立去卵巢大鼠模型来模拟绝经后骨质疏松症的研究发现,卵巢切除后大鼠的超氧化物歧化酶(SOD)活性降低且过氧化产物丙二醛(MDA)生成增多,股骨则表现出脂质过氧化程度加强,这进一步证明了过度的氧化应激与骨质疏松症的发病存在密不可分联系。线粒体是ROS的主要攻击目标,所以线粒体极容易因过度的氧化应激而引起相关功能下降,因此调节氧化应激水平,恢复线粒体的正常功能是防治骨质疏松症等代谢性疾病的重要靶标[24]。维生素E是一种主要分布在线粒体中的抗氧化物质,它可以通过清除氧化自由基等方式减少线粒体的氧化损伤并促进已损伤的线粒体的修复,恢复线粒体的功能,进而对骨组织的结构和功能起到一定的保护作用[25]。

综上所述,笔者认为调节线粒体的氧化应激水平、恢复线粒体的正常功能、促进ATP的生成和能量代谢以及调节相关信号通路的表达是防治骨质疏松症的重要途径。

1.3 肾-线粒体-骨

元气为先天之气,于人体的作用主要有推动生长发育、温煦周身、激发代谢等。肾为先天之本,人体之元气皆出于此[7]。正如张景岳所云“精化为气,谓元气由精而化也”,肾精不足,元气无以化生,必将影响人体的能量代谢进程,各项生命活动进行的推动力不足,进而引起各种疾病的发生。线粒体是产生ATP的主要场所,主管能量代谢,并通过Wnt/β-catenin等相关信号通路调节细胞的增殖、分化、凋亡,维持人体正常生命活动的进行,是细胞生命及活动的调控中心[26]。mtDNA是线粒体的遗传物质,其通过复制和转录调节线粒体功能以维持线粒体正常能量代谢的功能与元气推动生长发育、温煦周身、激发代谢等功能相似,而且mtDNA中的遗传信息与肾主先天而藏先天之精相符合[27],故笔者认为肾精充盛与否是现代医学中线粒体功能及相关信号通路表达是否正常的重要影响因素。

随着衰老的不断进行,人体的抗氧化能力逐渐下降,清除氧化自由基的能力不足,自由基在体内蓄积将导致各种疾病的发生,而中医认为“百病多由痰作祟”,随着人体的衰老,脏腑功能逐渐下降,津液运行不畅,聚而成痰继而引发各种疾病,由此可见,氧化自由基与中医所谓之痰浊的生成和对机体的影响相类似[8]。《景岳全书·痰饮》曰: “五脏之病,虽俱能生痰,然无不由乎脾肾。盖脾主湿,湿动则为痰; 肾主水,水泛亦为痰,故痰之化无不在脾,而痰之本无不在肾。”津液输布依赖于脾气健运,津液输布失常则易聚而成痰,故脾为生痰之源,然肾主水,人体的水液的潴留、分布、代谢皆为肾所主管,而津液痰浊无不由水而成,故清代医家张锡纯提出“痰之本在肾”的理论。由上可得,线粒体的氧化应激损伤与衰老肾虚导致“肾痰”的产生密切相关。易晔等[28]通过建造相关肾脏损伤大鼠模型发现,缺血再灌注后大鼠的肾脏功能及线粒体抗氧化应激能力均有所下降,主要表现为Scr、BUN、MDA的水平升高以及SOD的水平降低,这进一步验证了“肾痰”的产生与肾脏功能虚弱的相关性。8-羟基脱氧尿苷酸(8-OHdG)是ROS攻击mtDNA时产生的一种与DNA氧化损伤有关的产物,而线粒体NADH脱氢酶亚单位2基因(ND2)是评判mtDNA损伤的重要指标。张葆鑫等[29-30]发现,肾阳虚相关的骨质疏松患者的骨密度与8-OHdG有明显负相关关系,而肾阴虚相关的骨质疏松患者的与ND2反应有关的mtDNA拷贝数较常人降低,这进一步证明肾精亏虚所致骨质疏松的发生与氧化应激导致的线粒体功能异常相关。

2 补肾-调节氧化应激-骨骼

肾精充盛是肾脏保持健康的重要前提。肾气由肾精化生,当肾精亏虚时,肾气化生不足,将致水液无以蒸腾气化,津液无以输布,聚而成痰,百病由生。而肾与骨的关系极为密切,故“肾痰”的产生极易影响骨代谢而导致骨痿的发生。因此笔者认为通过对肾脏的补益,提升肾脏功能以促进水液代谢,减少“肾痰”的生成是骨痿治疗的关键。徐志平等发现[31],慢性肾衰竭(GRF)患者体内的抗氧化能力下降,氧化还原反应失去原有的平衡会引起ROS的过量产生进而引发机体的氧化应激,氧化应激不仅会损伤线粒体的功能、抑制Wnt/β-catenin及ERK5等相关信号通路的表达和增加NF-κB等信号通路的表达导致成骨细胞分化功能下降和凋亡的增加,还会刺激破骨细胞增值和分化,而破骨细胞的活动会导致更多的ROS产生并由此形成恶性循环,最终导致骨质疏松症的发生。

《素问·痿论》曰: “肾气热,则腰脊不举,骨枯而髓减,发为骨痿。”由此看出骨痿的发病主要肾虚髓不足有关。故历代医家大都认为骨痿应从补益肾精论治。肾精化生肾气,肾气再分阴阳,无论是肾阴还是肾阳,归根到底皆出于肾精。六味地黄丸出自北宋钱乙的《小儿药证直诀》,是益精填髓的经典方剂。相关研究[32]表明,六味地黄丸可以改善经H2O2氧化损伤后的间充质干细胞的老化状态,进而促进其增殖并抑制其凋亡。桂附地黄丸是温补肾阳的经典方剂,胡博等发现[33],桂附地黄丸作用于去卵巢的OP小鼠能显著增加其SOD活性并降低MDA水平,同时降低IL-6水平以改善氧化应激状态,从而减少成骨细胞凋亡。

由此看来,无论是肾阴虚还是肾阳虚都与机体处于高水平氧化应激状态存在密切联系,而调节氧化应激是中医补肾法治疗骨痿的重要机制之一。

3 小结

氧化应激与骨质疏松症发生的关系较为复杂,目前认为可能与氧化自由基的蓄积导致线粒体能量代谢的功能损伤及Wnt/β-catenin等相关通路表达失常有关。肾精对维持骨骼健康至关重要,只有肾精充盛才能化气而行津,无至津液输布失常而壅聚成“肾痰”,减少氧化应激对线粒体的损伤,从而减少骨质疏松症发生的风险。因此中医通过补益肾精进而调节机体的津液代谢,减少“肾痰”的产生,从而减少线粒体因氧化应激反应产生损伤,维持线粒体正常能量代谢和调节相关信号通路表达可能是补肾法治疗骨痿的重要作用通路,具有一定的研究前景。