中药单体及复方干预细胞因子表达治疗骨关节炎研究进展

孔令俊 韩升龙 赵军 邓叶龙 孟汉杰 李想张金磊

1.甘肃省中医院,甘肃 兰州 730050

2.甘肃中医药大学,甘肃 兰州 730000

骨关节炎(osteoarthritis,OA)是一种进行性关节退变疾病,其主要特征是关节软骨的退化和破坏。在全球范围内OA发病率普遍较高,大约16%的人口最终将受到不同程度OA的影响[1]。OA的发生发展通常与软骨基质降解、促炎介质的产生、软骨细胞凋亡和滑膜中巨噬细胞的异常活化有关[1-4]。目前临床上关于OA的治疗包括手术和非手术药物治疗两种,但特异性非手术治疗的药物相对较少,当下主要以口服非甾体抗炎药(NSAID)及激素类药物缓解疼痛为目的[5-6],但这类药物并不能治疗软骨退化或破坏、促进软骨修复及延缓OA的进展[7]。既往研究证实,炎性细胞因子[如白细胞介素1β (IL-1β)、白细胞介素6 (IL-6)和肿瘤坏死因子-α (TNF-α)]、软骨外基质降解酶类因子[如基质金属蛋白酶(MMPs)]、软骨细胞修复和重塑因子[如骨形态发生蛋白(BMP)]和细胞增殖凋亡因子[如转化生长因子β (TGF-β)]等相关细胞因子已被公认为是与退行性关节病发病机制和进展有关的重要细胞因子[8-9]。而大量研究表明,中药可通过干预上述细胞因子表达减缓软骨退化和破坏、促进软骨修复,发挥治疗OA的作用;同时中药也具有廉价高效、副作用少的优势。因此,本文通过对上述细胞因子干预OA发生发展的研究进展进行综述,以期为临床治疗OA提供可能的新思路与参考,为后续开发特异性治疗OA的中药制剂提供基础依据。

1 转化生长因子β

转化生长因子β (TGF-β)在细胞的增殖分化及凋亡等多方面发挥重要作用,具有调控细胞分化、促进组织再生、调节炎症反应和免疫反应等作用[10-11]。生理状态下,正常激活的TGF-β是骨吸收和形成平衡的关键影响因子,破骨细胞在骨吸收过程中生成活性TGF-β,并通过SMAD及Wnt信号传导诱导机体成骨细胞由骨基质移动到骨表面,进行成骨反应[12]。机械负荷加重时,TGF-β可被异常激活而处于高表达状态,高表达的TGF-β聚集在骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs),并在骨髓中形成异样的骨样胰岛[13],并且导致软骨下骨中血管出现过度充血状态。通过药物抑制过度激活的TGF-β,可预防软骨下骨异常血管生成,靶向软骨下骨改变可减缓关节软骨退变,延缓OA进展[14]。因此,在防治OA过程中TGF-β有两方面作用:一方面适度激活诱导软骨细胞活性,并为其创造有利微环境助软骨形成;另一方面过度激活刺激软骨下骨异常血管生成,加速软骨破坏。

Ji等[15]在异甘草素对OA小鼠软骨保护实验中发现,异甘草素可通过抑制TGF-β释放,直接减少RANKL-RANK-TRAF6信号通路诱导的破骨细胞生成,防止异常骨形成。并可抑制基质金属蛋白酶(MMPs)而发挥抑制软骨下骨血管生成的作用,使治疗后OA小鼠关节钙化软骨区厚度明显减少,这表明异甘草素通过抑制软骨下骨的骨吸收和血管生成,保护关节软骨,延缓OA进程。Li等[16]实验发现,青蒿琥酯可通过调节RANKL-OPG系统阻断TGF-β信号传导,抑制TGF-β释放,减少早期OA小鼠软骨下骨血管生成,最终达到抑制骨吸收和软骨下骨中血管形成来防治OA。Hu等[17]发现,槲皮素在体外实验中可诱导巨噬细胞M2极化,上调TGF-β表达,为软骨细胞创造有利微环境助软骨形成。在OA大鼠体内实验中,其抑制基质降解蛋白酶和炎症介质IL-1β表达,可促进软骨合成因子产生,减轻OA大鼠软骨退化。这提示槲皮素可作为促进OA软骨修复的潜在药物。金连峰等[18]通过动物实验发现,经新止骨增生丸治疗后,可增强OA大鼠TGF-β表达,抑制软骨细胞异常增生,减轻关节软骨细胞变性程度,进而延缓OA进程。

2 基质金属蛋白酶

OA关节软骨细胞外基质(ECM)的产生和降解是OA关节软骨破坏、关节进行性退变中的关键环节[19],ECM结构和组成的变化改变了关节内微环境,同时过度的机械负荷,导致ECM过度消耗,且关节软骨再生能力有限[20],因此造成不可逆的破坏,从而导致OA发生。而基质金属蛋白酶(MMPs)介导ECM降解,是OA患者关节软骨基质降解的关键性蛋白酶[21]。研究发现,MMPs在降解胶原的同时降解蛋白聚糖分子aggrecan,从而破坏ECM[22],故抑制MMPs表达可有效防治OA[23]。正常滑膜及软骨组织中MMPs表达较低,而在OA患者滑膜和软骨中MMPs表达明显升高。研究证实中医药可通过抑制OA患者MMPs及相关炎性因子表达,减轻关节软骨的微炎症,减缓ECM降解,进而减少关节软骨的降解破坏,改善其临床表现,防治OA。

Shao等[24]研究发现,七叶皂苷A可抑制IL-6、IL-8、TNF-α、MMP2、MMP3和MMP13等因子表达,抑制IL-1β诱导的炎症,并通过抑制ECM分解代谢,抑制OA小鼠进行性软骨退化和破骨细胞生成,从而发挥改善OA的作用。Jeon等[25]通过研究益智对兔关节软骨外植体软骨降解的保护作用发现,益智可抑制MMP-3和MMP-13的上调,并降低IL-1α水平,抑制胶原蛋白降解,减轻ECM,改善关节软骨降解,从而发挥对OA软骨的保护作用。Johnson等[26]研究发现,经紫锥菊治疗后OA大鼠MMPs表达、细胞因子水平、NF-κB水平和iNOS产生显著降低,而胶原II表达增加,并明显缓解OA大鼠关节疼痛,表明其减少了软骨病理损失,达到保护关节软骨、改善OA的作用。Mu等[27]通过实验证实,常山可抑制OA小鼠TGF-β通路下游的SMAD 2/3磷酸化和破骨细胞生成,减少关节软骨中MMP-13和胶原X(Col X)阳性细胞数量,使OA小鼠重新耦合骨重塑,并抑制软骨下骨中异常血管生成,进而防止关节软骨退化和维持软骨下骨微结构,减缓OA进展。Wang等[28]研究表明,黄芩苷可通过逆转由IL-1β诱导的MMP9、MMP13上调,并中和ECM分泌的下调,促进软骨细胞活力和细胞外基质合成,进而延缓OA发生,故黄芩苷是有效治疗OA的潜在策略。Fei等[29]在评估木犀草素对IL-1β刺激的大鼠软骨细胞和碘乙酸单钠(MIA)诱导的OA模型的保护作用时发现,木犀草素可显著降低IL-1β诱导的MMP-2、MMP-8、MMP-9和TNF-α的产生以及MMP-1、MMP-3和MMP-13的表达,逆转由IL-1β诱导的胶原蛋白II降解,并增强OA大鼠体内胶原蛋白II表达,并有效减少MIA诱导的OA大鼠软骨降解,达到防止软骨破坏、防治OA的目的。Xia等[30]研究发现,加味阳和汤可显著抑制兔MMP-3、MMP-13表达,改善关节软骨的降解,并通过发挥阻止软骨细胞过度凋亡、保持细胞外基质相对完整及关节局部抗炎的作用,在体内外治疗OA方面具有极高疗效。

3 肿瘤坏死因子-α

肿瘤坏死因子-α(TNF-α)是由活跃的滑膜细胞和软骨细胞产生的重要炎性细胞因子之一[31]。TNF-α可诱导膝关节中IL-1β、PEG2、COX-2和MMPs的释放,上调降解酶包括分解关节细胞外基质的MMPs来增加软骨分解代谢,诱导致炎细胞因子触发持续的炎症反应[8,32]。研究证实,OA患者骨和关节细胞中促炎细胞因子TNF-α的表达水平发生异常改变[33]。TNF-α的高水平积累导致细胞中相关信号通路激活,诱导软骨细胞过度产生IL-1β、COX-2和MMPs,进一步加剧OA[34]。

Wang等[35]实验发现,红花通过促进AMPK磷酸化和SIRT1的表达,抑制TNF-α诱导的NF-κB的激活和内质网应激,可恢复TNF-α诱导的IL-1β和MMP13上调,下调COL2A1和Acan的表达,同时恢复细胞增殖,从而发挥保护软骨细胞,抑制炎症反应,防治OA的作用。Luo等[36]的实验研究结果揭示了松醇作为预防OA相关软骨细胞衰老和氧化应激的安全治疗选择的潜力。松醇通过抑制TNF-α诱导的软骨细胞衰老,抑制TNF-α诱导的端粒酶活性增加及p16和p53的表达,并调控被认为是OA关键保护因素的Nrf2信号传导来防治OA。Chen等[37]实验发现,芦丁可改善AGE介导的体外对人软骨细胞的炎症反应。其通过抑制软骨细胞中COX-2和iNOS水平,降低IL-6、TNF-α和PGE-2表达,减少ECM降解;并通过抑制NF-κB/MAPK通路表达,抑制相关炎症反应和ECM降解,可防止软骨组织的钙化,成为治疗OA的潜在药物。Feng等[38]实验发现,在MIA诱导的OA模型中,龙牙草可减轻血浆中TNF-α、IL-6和CRP水平,抑制NO和IL-6表达,增加PPAR-γ蛋白磷酸化,下调TNF-α和MAPKs蛋白表达,预防OA发生,是OA治疗的潜在药物。周子齐等[39]研究表明,独活寄生汤可通过调控炎症相关因子TNF-α、IL-1、IL-6缓解OA炎症。其通过上调BMP mRNA、TGF-β表达,促进软骨细胞代谢及其增殖分化功能,并调节相关信号通路来抑制软骨基质中MMPs表达,防止软骨基质被破坏,从多方面防治OA。

4 白细胞介素-1β和白介素-6

关节软骨组织中特有的软骨细胞,是软骨破坏的关键因素[3]。研究显示,软骨细胞的凋亡在OA发生发展过程中起着关键作用[40]。细胞因子白细胞介素-1β(IL-1β)是炎症反应的关键介质,介导急慢性疾病的炎性损伤。研究表明[41],IL-1β可通过软骨基质作用于软骨细胞,经TRAF6激活IKK复合体,释放NF-κB进行核转录,调控下游因子的表达,刺激软骨细胞及滑膜细胞产生胶原酶,参与OA的发生发展。同样,促炎因子白介素-6(IL-6)在OA发病过程中也起着关键作用[42-43]。IL-6过度生成加速OA的发展进程[44]。但与TNF-α及IL-1β刺激软骨细胞及滑膜细胞产生胶原酶不同的是IL-6可增强TNF-α及IL-1β在OA中的作用,并协同IL-1β抑制软骨细胞合成蛋白聚糖,导致软骨基质的缺失,在OA早期即发挥破坏作用[45-46]。同时,滑膜巨噬细胞、软骨细胞、破骨细胞分泌的IL-6通过信号传导及STAT3、ERK途径诱导OA患者关节软骨细胞分解,导致软骨部钙化和骨赘形成,使OA形成和发展加速[47]。

Lee等[48]实验发现,五味子可抑制细胞因子IL-1β、IL-6、TNF-α、PGE2和MMPs的表达水平,并显著抑制血清和膝关节组织中MMP2、MMP9表达水平,降低MIA诱导的OA模型症状,改善关节组织中软骨损伤,缓解OA小鼠炎症与疼痛,防治OA。Luo等[49]在甘草甜素对大鼠OA软骨退变及炎症反应的保护作用研究中发现,甘草甜素可降低OA大鼠膝关节机械性痛阈,缓解双侧关节水肿,降低血清和软骨中IL-1β、IL-6、TNF-α和iNOS的水平,抑制软骨基质分解和MMPs及II型胶原蛋白的表达。这表明甘草甜素可通过抑制炎症信号通路及软骨分解代谢发挥治疗OA作用。靳荃[50]研究发现,甘草附子汤合黄芪桂枝五物汤通过抑制NF-κB信号通路,显著抑制炎性因子IL-1β、IL-6和TNF-α的表达,减少软骨细胞增殖及软骨异常小血管生成,减轻OA大鼠关节炎性反应及关节疼痛表现,发挥治疗OA的作用。

5 骨形态发生蛋白

骨形态发生蛋白(BMP)是一类多功能细胞因子,参与多种分子级联和信号通路,可促进成骨细胞的分化,在软骨骨重塑中发挥关键作用。同时,通过调节ECM,发挥保护关节软骨、促进关节软骨修复的作用[51]。既往研究发现[9],软骨下骨BMP相关蛋白的表达可帮助关节软骨再生,加快关节软骨破损后软骨的自我保护和修复过程,减少纤维软骨的形成,改变新生软骨基质的结构。同时,BMP-Smad信号传导通路对破骨细胞分化有重要作用,参与了软骨修复、骨重塑的过程[52]。

Sun等[53]研究发现,杜仲多糖可促进成骨和软骨相关基因BMP-6、Arg-1和TGF-β的表达,抑制炎症相关因子IL-6、IL-18和IL-1β的表达,减轻OA软骨破坏程度,增加软骨下松质骨密度,达到促进关节软骨修复和软骨下骨重建、延缓OA发展的作用。梁桂红等[54]通过探讨川芎嗪对OA大鼠软骨影响的实验中发现,经川芎嗪治疗的OA大鼠软骨下骨组织中BMP蛋白表达明显增加,可促进软骨修复,保护关节软骨,防治OA。叶大林等[55]实验表明,补肾活血方可通过提高BMP及Smad-1表达,调整紊乱的软骨代谢,促进OA软骨下骨骨重塑稳态,发挥促进OA大鼠软骨修复的作用,从而起到防治OA、缓解关节疼痛的效果。

6 总结与展望

综上,当前世界范围内OA的发病率较高,对人民生命健康危害较大。目前临床使用的NSAID及激素类药物并不能够针对OA发病过程中相关细胞因子紊乱发挥作用,且对软骨损伤及关节破坏治疗效果不明显。同时,由于西药及手术治疗产生的费用高昂,且治疗时的不良反应时有发生。随着OA患病人数不断上升,探索运用价廉效优、副作用小的治疗方式干预OA相关细胞因子及蛋白表达,以促进OA患者关节软骨修复再生、缓解OA关节疼痛是一种具有极高价值的治疗选择,对缓解OA患者心理及经济压力具有一定的意义。中药作为祖国医学的关键构成部分,具有价廉、效优、多靶点及多通路协调作用的巨大优势。伴随中医药现代化的蓬勃发展,中药有效成分治疗相关疾病效果被世界充分认可,运用中药治疗OA疾病在全世界范围内有着广阔前景。然而当下中药干预OA的相关研究多以细胞、动物实验为主,缺乏大样本、长周期的临床观察及相关循证研究数据,且中药单体及复方有效成分作用机制错综复杂,故而在未来应当加强在循证医学指导下进行相关临床观察研究,并充分利用分子生物学和网络药理学等新兴技术,进一步揭示OA与相关细胞因子及当前各研究热点的关系,加强中药有效成分及复方对OA全面的作用机制研究,为中药有效防治OA提供坚实的理论基础,同时揭示下一步研究方向。