岩藻多糖在骨质疏松症中的研究进展

秦梦杰，韩晓强，孙海飚

岩藻多糖在骨质疏松症中的研究进展

秦梦杰1，韩晓强2，孙海飚2

1.山西医科大学第一临床医学院，山西太原 030001；2.山西医科大学第一医院骨科，山西太原 030001

原发性骨质疏松症是与社会人口老龄化关系最为密切的疾病之一。多项研究表明，岩藻多糖可通过成骨细胞和破骨细胞对骨质疏松症的发生发展发挥作用。本文综述骨质疏松症中岩藻多糖对成骨细胞和破骨细胞作用机制的最新研究进展，为骨质疏松症的临床治疗提供理论依据。

岩藻多糖；成骨细胞；破骨细胞；炎症反应；骨质疏松症

骨质疏松症是一种系统性骨骼疾病，会导致患者骨脆性和骨折易感性增加，被定义为比相应年龄和种族的健康人的平均骨密度低2.5个或更多标准差的骨密度T值[1]。骨质疏松症是一种常见的代谢性骨骼疾病，特征是骨骼微结构恶化和骨丢失，其临床表现是患者的脊柱、髋关节、前臂远端和肱骨近端骨折率升高[2]。骨稳态是一系列复杂且高度调节的过程，而破骨细胞的骨吸收和成骨细胞的骨基质形成是至关重要的环节[3]。当骨吸收速度>骨形成时，骨稳态被破坏，从而出现骨质疏松，甚至发展为骨质疏松症。目前，临床上常用的预防和治疗骨质疏松症的药物主要以双膦酸盐、选择性雌激素受体调节剂、降钙素、分子靶向药物及中药等为代表，上述药物存在服用周期长、疗效欠佳、不良反应多等问题。研究表明，双膦酸盐虽可有效降低患者的骨折风险，促进矿化增加，但其引发的罕见且严重的不良反应较多[4-6]。

岩藻多糖是发现于海洋大型藻类中的高度支化杂多糖，具有抗炎、抗氧化、抗肿瘤、免疫调节、刺激成骨细胞活性和矿化等生物学特性，且具有低毒性等优点[7-8]。岩藻多糖主要由270kDa的多糖组成，低分子量岩藻多糖主要由760Da的寡糖组成，低分子量岩藻多糖比岩藻多糖具有更高的活性。研究表明，纯化的岩藻多糖可显著清除自由基形成，同时增加碱性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）的活性、矿化和成骨细胞的特异性基因表达[9]。岩藻多糖的生物学效应与其结构、组成、分子量、硫酸化程度、分子几何形状、来源等密切相关；且岩藻多糖在体内、体外发挥的生物活性作用也不尽相同[10]。

1 岩藻多糖在动物中的作用

1.1 对动物成骨细胞的作用

HWANG等[8]研究表明，低分子量岩藻多糖在体外可引发成骨分化、促进鼠前成骨细胞的体外成骨分化，诱导细胞增殖、细胞外基质矿化和成骨细胞系特异性基因表达增加。该结果与从褐飞虱细胞壁中提取的低分子量岩藻多糖增加成骨细胞的增殖并提高生物利用度获得的结果相互佐证[11]。

低分子量岩藻多糖对成骨细胞分化过程中的ALP活性、骨钙素分泌和矿化的影响包括细胞增殖、矩阵成熟和基质矿化。成骨细胞的分化过程严格受组蛋白的表观遗传修饰[12]。

低分子量岩藻多糖不仅能增强鼠前成骨细胞的增殖，还可增强成骨细胞的分化。低分子量岩藻多糖对成骨细胞分化标志物基因表达水平的影响是一个复杂的过程，涉及成骨细胞分化、骨基质蛋白合成和沉积。骨形成蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）被称为细胞因子或代谢原，其通过增加ALP和骨钙素的表达来刺激成骨细胞的分化。低分子量岩藻多糖对BMP2具有特异性增强作用，BMP2可增加ALP和骨钙素基因的表达，级联式促进成骨。骨细胞外基质由胶原蛋白和非胶原蛋白组成，Ⅰ型胶原（collagen Ⅰ，COLⅠ）构成成熟骨中总有机细胞外基质的90%，如骨唾液酸蛋白。低分子量岩藻多糖促使COLⅠ信使核糖核酸（messenger RNA，mRNA）水平显著增加，刺激骨唾液酸蛋白mRNA表达，增加成骨细胞中COLⅠ的水平[13]。马尾藻提取物可在体外刺激骨形成，且其对年轻和老年大鼠的骨骼成分具有合成代谢作用。Tae等[14]在兔模型体内研究发现，岩藻多糖可促进其骨形成。

1.2 对动物破骨细胞的作用

破骨细胞是源自造血干细胞的组织特异性巨噬细胞。在巨噬细胞集落刺激因子（macrophage colony stimulating factor，M-CSF）存在下，造血干细胞作用于巨噬细胞集落形成单元，当被核因子κB受体活化因子配体（receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANκL）-核因子κB受体活化因子（receptor activator of nuclear factor-κB，RANκB）信号激活时，其会进一步分化为单核破骨细胞，随后融合成为多核破骨细胞，过度增殖和分化在骨质疏松症的发病机制中起关键作用[15]。破骨细胞关联受体（osteoclast associated receptor，OSCAR）是一种近期被发现的破骨细胞特异性受体，其可能是诱导破骨细胞生成的重要因素，低分子量岩藻多糖可抑制OSCAR mRNA的表达，进而抑制细胞向破骨细胞的分化，使得破骨细胞的数量和骨吸收率降低。Jin等[16]在低分子量岩藻多糖处理去卵巢大鼠的实验中证实，低分子量岩藻多糖可限制破骨细胞标记基因TRAP和NFATc1的表达，抑制破骨细胞增殖，从而使破骨细胞生成更少，最大限度地减少骨丢失；同时，低分子量岩藻多糖可降低去卵巢大鼠的骨转换率及血清Ⅰ型前胶原氨基端原肽、Ⅰ型胶原C端肽的水平，增加骨形成的表面积、矿化时间及股骨机械强度，最终证实低分子量岩藻多糖可抑制破骨细胞前体分化、成熟和骨吸收，改善骨密度损失和小梁退化。另有研究表明，岩藻多糖可通过抑制破骨细胞分化因子诱导的丝裂原活化蛋白激酶激活、下调参与破骨细胞分化和吸收的基因，抑制骨髓巨噬细胞的破骨细胞生成[17]。

2 岩藻多糖在组织中的作用

2.1 对组织破骨细胞的作用

骨重塑是通过骨形成和骨吸收之间的动态平衡实现的，绝经后女性体内成骨细胞的骨形成基因表达及能力低于破骨细胞的骨吸收基因表达和能力，进而导致绝经后女性易出现骨质疏松。破骨细胞生成和破骨细胞前体增殖的过程取决于M-CSF和RANKL这2种关键的细胞因子[18]。RANKL与破骨细胞前体细胞膜上的核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）蛋白受体激活剂结合激活核因子激活的B细胞的κ-轻链增强信号通路。NF-κB是NFATc1表达水平的关键核激活剂，这可能导致单核破骨细胞被激活，进而提高骨破坏率。

NF-κB信号通路的激活是破骨细胞分化的关键，由RANKL诱导[19]；NFATc1是RANKL诱导的破骨细胞生成的主要转录调节因子[20]。研究表明，NFATc1通过上调破骨细胞相关基因的表达产物，如组织蛋白酶K、TRAP和基质金属蛋白酶-9，在破骨细胞分化和功能中发挥重要作用；NFATc1是通过激活参与破骨细胞分化和活性基因的转录来促进RANKL诱导的破骨细胞生成的关键转录因子[21]。NFATc1对NF-κB的诱导较为重要，其可能通过NF-κB与NFATc1的启动子区域结合而发生，导致NFATc1表达增加，随后RANKL诱导破骨细胞分化[22]。体外研究表明，岩藻多糖可抑制RANKL诱导的骨髓源性巨噬细胞中破骨细胞的形成，主要是通过抑制NF-κB的激活，这是破骨细胞分化的先决条件[23-24]。Lu等[25]研究发现岩藻多糖可较好地抑制RANKL刺激的巨噬细胞中破骨细胞分化、破骨细胞骨吸收活性和炎症性骨丢失，其是通过调节Akt/糖原合酶激酶3β（glycogen synthase kinase 3β，GSK3β）/PTEN信号传导通路、抑制细胞内Ca2+水平、抑制钙调磷酸酶活性的增加而介导、抑制核因子激活的T细胞c1向细胞核易位。另有研究表明，从刺参中提取的褐藻糖胶可抑制破骨细胞的生成[26]。

Jin等[16]研究表明，低分子量岩藻多糖可抑制RANKL受体激活剂和M-CSF诱导的鼠巨噬细胞分化为耐酒石酸酸性磷酸酶阳性破骨细胞，并减少骨破骨细胞的吸收表面；低分子量岩藻多糖可抑制酸性磷酸酶、基质金属蛋白酶9、活化T细胞核激活剂1和破骨细胞相关免疫球蛋白样受体mRNA的表达，它们是破骨细胞分化信号通路的组成部分；同时研究表明低分子量岩藻多糖可在体外抑制RANKL和M-CSF将鼠巨噬细胞诱导为成熟破骨细胞。

2.2 对组织成骨细胞的作用

骨重建过程必不可少的因素之一是成骨细胞的成熟、分化。成骨细胞是间充质干细胞（mesenchymal stem cell，MSC）来源的小单核细胞，其分化受多种生长因子、细胞因子和环境因子的调节[27]。MSC成骨细胞谱系的发育受特定转录因子、生长因子和信号通路等多种因素的调节[28]。研究表明，用高分子量岩藻多糖作用于细胞模型系统，所有受试岩藻多糖提取物对血管生成过程均表现出负面影响，进而对骨的形成产生不利影响[29]。

研究发现，褐藻糖胶可诱导人脂肪源性干细胞14和MG-63细胞的成骨分化。Cho等[30]研究表明岩藻多糖可增加成骨细胞中与骨矿化相关的ALP、骨钙素和BMP-2的水平，可显著诱导成骨细胞分化。另外，Kim等[31]通过体外细胞实验发现，褐藻糖胶诱导人骨髓MSC增殖，且显著增加ALP活性、钙积累和成骨细胞特异性基因的表达。岩藻多糖可通过增加磷酸化，诱导BMP的表达，并刺激细胞外信号相关激酶、c-Jun氨基端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）和p38丝裂原激活蛋白激酶的激活，最终发现并证明褐藻糖胶通过激活ERK和JNK，通过BMP2-Smad1/5/8信号诱导成骨细胞分化[32]。研究发现，岩藻多糖可刺激人脂肪干细胞成骨分化，而低于30kDa岩藻多糖可促进人成骨细胞增殖、骨钙素分泌和矿物质沉积，提高ALP活性[33]。

综上，岩藻多糖对成骨细胞增殖的影响可随岩藻多糖的浓度、受试细胞和分子量的大小而产生不同的影响。

3 岩藻多糖在炎症中的作用

炎症因子、炎症细胞等免疫因素也可导致骨质疏松症的发展。研究表明，炎症细胞因子可促进破骨细胞的生成和骨吸收，推测其可能由于成骨细胞前体和成熟成骨细胞促进RANKL的生成，且与RANKL的协同作用可放大RANKL/RANK的调节过程。免疫炎症细胞和骨细胞之间的相互作用通过促进骨吸收，导致骨代谢失衡[34]。脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）是革兰阴性细菌的膜成分，可增强各种免疫细胞的募集，从而进一步激活促破骨细胞生成细胞因子的分泌及破骨细胞形成和骨吸收所必需的前成骨细胞融合和存活；另外，LPS在促进鼠巨噬细胞中的破骨细胞分化和破骨细胞相关基因表达中也具有关键影响[35]。抑制促炎因子诱导的破骨细胞过度生成可能是减少LPS诱导的体内炎症性骨丢失的关键靶点。研究证实，岩藻多糖通过免疫调节减少肥大细胞脱粒和细胞因子释放，下调白细胞介素-22，可局部和全身调节动物的免疫系统，在LPS刺激的巨噬细胞中发挥抗炎作用[36]。

4 小结

岩藻多糖通过对成骨细胞和破骨细胞产生影响，进而影响骨质疏松症的发生、发展过程。但目前关于岩藻多糖对成骨细胞和破骨细胞作用的研究大都是动物实验研究，关于人体的研究相对较少，缺乏更进一步的临床研究数据和结果。因此，仍需进一步探索研究岩藻多糖对成骨细胞和破骨细胞的作用机制，为探索骨骼疾病的治疗方法提供更多依据。

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（2022–11–29）

（2023–09–03）

R589.5

A

10.3969/j.issn.1673-9701.2023.27.034

韩晓强，电子信箱：jack98193@163.com