辣椒素在骨关节炎中的作用研究进展

李维彤 谢亚 吕中阳 史冬泉

骨关节炎(osteoarthritis, OA)是全球范围内最常见的骨关节退行性疾病,主要的病理表现为关节软骨退变和滑膜炎[1]。目前,其发病机制尚未完全阐明,因此缺乏延缓疾病进展的有效治疗方案[2]。辣椒素(capsaicin,CPS)作为辣椒中的主要活性成分,是从茄科辣椒属植物中分离出来的亲脂疏水类的香草酰胺衍生物[3]。CPS能够通过影响OA的多种病理机制发挥镇痛、抗炎和抗氧化应激等作用,具有广阔的应用前景。本文综述CPS对OA的治疗作用及其具体分子机制的研究进展,以期为CPS及其相关药物在OA中的应用开发提供参考。

1 OA概述

OA是世界范围内导致运动系统残疾的首要原因,影响着全球约7%的人口(约5亿),严重影响病人正常工作和生活,给家庭及社会带来了沉重的经济负担[4]。OA 是一种全关节疾病,病理过程涵盖关节软骨、滑膜、软骨下骨、韧带、半月板等多种组织,其中关节软骨退变和滑膜炎是 OA 最主要的病理表现[5]。目前,国际诊疗指南推荐的OA治疗方案仍以缓解症状为主,对于保守治疗无效的终末期 OA 病人,只能采用人工关节置换手术来缓解疼痛和改善功能[6-7]。OA的治疗药物主要包括非甾体类抗炎药、解热镇痛药和软骨成分补充等,但这些药物均不能从发病机制上精准干预OA进程[2,8]。因此,针对OA发病机制开发新型治疗药物对于改善OA治疗现状具有重要意义。

2 CPS概述

CPS大量存在于辣椒和辣椒提取物中[3],关于CPS对人体的影响已经研究了一个多世纪。CPS是一种反式-8-甲基-N-香草基-6-壬烯酰胺(trans-8-methyl-N-vanillyl-6-nonenamide),分子式为C18H27NO3。随着研究的不断深入,Duner-Engstrom 等[9]发现,将CPS涂在人类的舌尖或腭黏膜上会使唾液分泌增加;Bartho等[10]观察到CPS能够调节豚鼠的肠蠕动活性;Abdel Salam等[11]证实,给大鼠胃内灌注CPS后能够产生保护胃黏膜的作用[11]。因此,CPS作为一种具有药理学特性的化合物,其功能受到了持续的关注和探索。近年来,CPS在OA中的研究取得了一定进展,且由于其良好的镇痛效果而在2019年被正式列入OA诊疗指南[12]。下文将探讨CPS对OA的治疗作用及其具体的分子机制,并对CPS在OA治疗中的局限性和未来研究方向进行展望。

3 CPS延缓OA进展的分子机制

3.1 CPS缓解OA疼痛 疼痛是OA病人寻求医疗帮助的主要原因,但OA导致疼痛的机制尚不完全清楚[13]。关节的病理神经信号引起的中枢神经性疼痛和炎症期间关节深部组织的伤害感受器异常敏感引起的炎症性疼痛是疼痛两大来源[14]。目前,非甾体类抗炎药、对乙酰氨基酚和阿片类镇痛药是治疗OA疼痛最常见的处方药。然而,这些干预策略并未获得令人满意的长期镇痛效果,且此类药物还会带来明显的肝肾毒性和胃肠道反应[13]。

机体对疼痛刺激的感知主要发生在伤害感受器感觉神经元的末端[15]。这些小直径神经元将化学、机械或热性质的信号转化为动作电位,并将这些信息传递到中枢神经系统,最终引起疼痛或不适的感觉[16]。瞬时受体电位香草醛1(transient receptor potential vanilloid 1,TRPV1)也称为CPS受体,是一种在伤害感受器表达的兴奋性离子通道,可将化学和热刺激信号转化为疼痛的分子信号[13],当它被CPS激活时,Na+和Ca2+通过TRPV1流入细胞,导致动作电位放电,最终产生痛觉[17]。研究发现,经基因编辑后,感觉神经元上Trpv1表达缺失的小鼠对有害刺激的反应严重下降,不会表现出明显的疼痛行为,从而证实了该通道参与痛觉的产生[15,18]。

CPS的镇痛作用已经被广泛的报道。8%浓度的CPS被FDA批准用于治疗带状疱疹后遗神经痛,并被欧洲药品管理局(EMA)批准作为周围神经性疼痛的局部治疗用药[19]。CPS镇痛的药理作用主要体现在以下2个方面:(1)高浓度的CPS激活TRPV1所介导的Ca2+内流,使钙依赖性蛋白激酶被激活,紧接着轴突末梢消融导致TRPV1传入的长期去功能化,以此获得对慢性疼痛的持久镇痛效果[20];(2)低浓度的CPS与TRPV1结合并使其脱敏,从而降低TRPV1对内源性配体或炎症介质的反应,减少了TRPV1依赖的痛觉过敏[21]。

在Stevens等[22]的Ⅱ期临床多中心双盲试验中,172例OA受试者在接受关节腔内注射高纯度合成反式CPS(CNTX-4975)治疗12周后,西大略和麦克马斯特大学骨关节炎指数(WOMAC)疼痛评分得到显著改善,从而证实了CPS在OA中的镇痛效果。目前针对CPS镇痛的临床试验主要是使用CPS凝胶和安慰剂凝胶进行局部涂抹,但使用CPS凝胶会导致局部皮肤发红并产生灼热感,也因此使得双盲试验的可信度降低[23]。此外,局部涂抹的方式适用于膝、腕等浅表关节,对髋等非浅表关节的作用效果较低且疗效数据十分有限,限制了其在临床中的广泛应用。因此,进一步揭示CPS在OA中镇痛的分子机制,改变其治疗模式,更高效地减轻OA疼痛是亟待解决的临床难题。

3.2 CPS在OA中的抗炎作用 近年来,人们对OA发病机制的认识发生了根本性的转变,与之前一直认为OA是一种软骨退行性疾病不同,其是一种多因素导致的全关节疾病[24]。OA的病理表现不仅涉及软骨的降解,还涉及软骨下骨的重塑、滑膜炎症等。OA中慢性低度的炎症驱动着诸多病理变化,其是免疫系统与局部组织损伤和代谢功能障碍等因素相互作用的结果[25]。临床上,许多OA病人有关节炎症状,如晨僵、关节发热和关节积液,部分是由滑膜增厚或滑液积累引起的[26]。通过影像学检查、关节镜检查或组织学检查均能检测到OA滑膜炎的存在[27]。此外,OA中低度炎症的分子证据也在不断累积。早在1959年,人们就发现OA病人的血液和滑液中都存在异常高水平的炎症血浆蛋白[28]。最近的研究表明,OA病人组织和滑液中存在补体成分和细胞因子[29],且OA软骨细胞和滑膜细胞可产生或过度产生多种炎症介质[30],这些均是炎性OA的特征。此外,血清C反应蛋白水平升高也可预测OA的发生和进展[25]。

CPS在多种疾病中发挥抗炎作用。在神经系统中,Helyes等[31]发现,CPS激活TRPV1后可导致神经末梢释放抗炎信号分子(如释放生长抑素);在心血管系统中,Sattler等[32]发现,人诱导多能干细胞衍生的心肌细胞(hiPSC-CM)质膜中表达TRPV1通道,CPS激活TRPV1后能够抑制脂多糖(LPS)诱导的hiPSC-CM释放IL-6;并且,CPS能够通过抑制一氧化氮合酶(eNOS)和一氧化氮(NO)途径来减少内皮细胞炎症[33]。 OA中的滑膜巨噬细胞可分为炎性巨噬细胞(M1型)和抗炎巨噬细胞(M2型)。M1型巨噬细胞可与滑膜成纤维细胞和软骨细胞相互作用,进而促进炎症微环境,增加基质金属蛋白酶的分泌,加快OA进展[24]。随着研究的不断深入,Lv等[34]发现,给大鼠OA模型的关节腔内注射CPS,能够显著减轻OA表型,包括关节肿胀、滑膜炎、软骨损伤和骨赘形成等。CPS治疗显著减少滑膜中M1型巨噬细胞浸润,其具体机制为CPS激活TRPV1,诱发的Ca2+内流促进了钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ(Calcium/Calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ, CaMKⅡ)的磷酸化,促进了核因子E2相关因子2(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2,Nrf2)的核定位,最终抑制M1型巨噬细胞极化,进而起到抑制炎症的作用 (图1)。目前关于CPS在OA中发挥抗炎作用的研究较少,需要进行更加深入的持续探索。CPS是否可以直接抑制OA中炎症因子的分泌,是否与免疫系统存在相互作用,并且其针对炎症性疼痛的治疗效果等还有待进一步探索。

图1 CPS在OA中发挥作用的机制

3.3 CPS抑制OA软骨中的氧化应激 在OA的发展过程中,氧化应激的发生往往是导致软骨退变的开始,即线粒体功能紊乱导致细胞内氧自由基(reactive oxygen species, ROS)水平升高,破坏软骨稳态,并导致关节软骨损伤[35]。软骨细胞产生的ROS包括超氧化物、过氧化氢、NO和NO衍生产物等。细胞内ROS水平升高会使Akt和MAPK等氧化还原调节的细胞信号通路中断,而过度的氧化物质累积会导致软骨细胞死亡[36]。OA软骨中的慢性炎症环境也会诱导ROS产生。IL-1β、TNF-α和IL-6在OA中高度上调,诱导软骨细胞产生ROS并表达基质金属蛋白酶,导致软骨细胞外基质降解和软骨破坏[37]。

研究显示,CPS在心血管系统疾病中可通过激活TRPV1来上调过氧化物酶体增殖物激活受体α(PPARα)的表达,从而降低氧化的低密度脂蛋白(ox-LDL)引起的氧化应激水平[38]。此外,CPS也可通过激活TRPV1来抑制聚合酶δ相互作用蛋白2(poldip2)和NADPH氧化酶4(Nox4)的表达,抑制氧化应激,进而改善糖尿病视网膜病变[39]。还有研究表明,CPS可通过下调高迁移率族蛋白B1(HMGB1)/NF-κB和抑制PI3K/AKT/mTOR通路来减轻氧化应激水平、炎症反应和细胞凋亡,从而预防LPS诱导的急性肺损伤[40]。

在OA中,铁离子的过度蓄积会诱导脂质ROS累积,促进疾病进展。2012年,铁死亡这一新型的程序性细胞死亡模式被提出,其本质为脂质过氧化物水平升高和铁过载导致的细胞死亡,是氧化应激的一种表现[41]。2021年,Yao等[42]证实OA中存在铁死亡,这种铁依赖性的细胞死亡具有独特的形态、生化、遗传和免疫学特征,是氧化剂和抗氧化剂产生失衡引起ROS水平变化引起的。最新研究发现, OA病人软骨损伤部位脂质过氧化水平及铁死亡标志物表达显著高于正常软骨[43]。有研究通过单细胞转录组学测序分析发现了一个以优先表达铁死亡特征和基因的软骨细胞亚群,富集分析显示,TRPV1是OA软骨中抵抗铁死亡的潜在靶标,CPS作为TRPV1的激动剂通过保护软骨细胞免受铁死亡,进而显著缓解软骨变性[44](图1)。现阶段,CPS在OA中抵抗氧化应激的研究集中在动物实验中,在人群中还未开展,并且CPS是否能够在OA中抵抗其他的氧化应激形式或者依赖于其他通路发挥作用有待进一步阐明。

4 总结与展望

OA是最普遍的关节退行性疾病,导致关节发生不可逆的结构和功能变化,是老年人口残疾的主要原因。CPS在OA中呈现出良好的镇痛、抗炎和抗氧化应激特性,但是目前CPS的临床应用仅限于疼痛管理,部分原因可归因于其水溶性差、胃肠道刺激、口服生物利用度低等。未来需要更多的试验来揭示其在OA中发挥作用的多种分子机制,开发耐受性更好的类似物,最大程度地降低CPS的不良反应,并使其药效比天然存在的CPS更持久。同时,可以探索基于纳米技术的药物递送方式,为OA病人提供更加精准靶向的治疗。未来,CPS有潜力成为治疗OA的一线安全药物。