中药调控NF-κB信号通路干预椎间盘退行性变的作用机制*

谢芋涛,王想福,石瑞芳,李晨旭,陈伟国,杨焕莹,张万乾,杨建霞,陶瑜晶,任毅

1.甘肃中医药大学,甘肃 兰州 730000; 2.甘肃省中医院,甘肃 兰州 730050

根据流行病学调查结果显示,在50岁以下人群中,椎间盘退行性变(intervertebral disc degeneration,IDD)的发病率男性为71%,女性为77%,在50岁以上人群中,两性均>90%。IDD是引起下腰痛的主要原因之一[1]。现代医学治疗IDD引起的疾病,主要有保守与手术治疗两种方式,保守治疗给予镇痛药、物理治疗和消炎药等以减轻疼痛。对症状药物无反应的患者可采用手术治疗来帮助缓解症状[2]。近年来,随着对中药治疗IDD研究的深入,核因子-κB(nuclear factor-kappa B,NF-κB)信号通路已被证实是介导椎间盘炎症的重要通路之一。研究发现,部分中药能够通过阻断NF-κB信号通路,在退变发生的早期控制炎症因子的表达,减轻炎症;减少基质降解酶的表达;促进胶原和蛋白聚糖的合成;促进椎间盘细胞增殖,抑制椎间盘细胞凋亡[3-4]。这与现代医学通过西医药物保守治疗的目的相同。因此,本文就NF-κB信号通路及中医药干预NF-κB信号通路的研究进展进行综述,为中医药干预IDD提供理论依据。

1 NF-κB信号通路与IDD

NF-κB是Rel蛋白家族的成员。目前,在哺乳动物中发现的Rel蛋白家族成员有5种:p65(RelA)、RelB、c-Rel、p50和p52(它们的前体分别为p105和p100,称为NF-κB1和NF-κB2)[5]。这5种不同的蛋白平时组成各种同源二聚体或异源二聚体,有着各自的DNA靶位点,调控不同基因的转录与表达,也决定了NF-κB功能的多样性[6]。虽然并非所有的二聚体复合物的生理存在和相关性都得到证实,但已有研究证明,真核细胞中存在两种最典型的二聚体(p50/p65和p52/RelB),可上调 NF-κB基因的表达[7]。目前,公认的NF-κB信号通路激活途径有两种:规范途径和非规范途径。其中规范途径被视为NF-κB的主要激活途径,也是介导椎间盘慢性炎症反应发生的主要通路,由kappa B抑制因子激酶(inhibitor of kappa B kinase,IKK)介导实现的。IKK是由两个催化亚基(IKKα、IKKβ)和一个调节亚基(IKKγ)组成。NF-κB的抑制蛋白IκB(inhibitor of NF-κB,IκB)在哺乳动物细胞中主要包括3种:IκBα、IκBβ和IκBε。在细胞静息状态下,NF-κB与细胞内的IκB结合形成三聚体,阻止p50/65二聚体化并且使NF-κB失去活性,使之被隔离在细胞质中。当细胞受压力、氧化、遗传、机械和化学应力等刺激时,IKK被激活,而IκBα被IKK磷酸化,IκBα即从三聚体中解离出来,暴露出p50亚基上的易位信号和p65亚基上的DNA结合位点,从而激活NF-κB,迅速转移进入细胞核,与核内DNA上的特异序列相结合,促进相关基因的转录[8]。

在IDD过程中,许多因素(如炎症、氧化应激、线粒体功能障碍、机械负荷和营养缺乏)通过激活NF-κB会诱导基质降解酶[如基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)、去整合素和金属蛋白酶(a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs,ADAMTSs)],加速髓核细胞外基质的分解[9]。此外,NF-κB异常激活会上调细胞内多种炎症介质和趋化因子的表达,许多下游炎症因子如白细胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)、白细胞介素-6(interleukin-6,IL-6)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)等可以作为介导椎间盘炎症反应的关键介质,加重炎症反应。这些炎症因子会同时促进基质降解酶的表达上调,细胞外基质降解速率增加,而合成速率降低,以及随之而来的蛋白聚糖和Ⅱ型胶原表达减少,随着损伤累积,导致椎间盘形态与结构改变,椎间盘高度降低、刚度增加,最终导致纤维环撕裂,退变随之发生[10-15]。因此,NF-κB信号通路有望成为IDD的理想治疗靶点,干预阻断NF-κB信号通路对椎间盘维持正常结构、功能以及预防和治疗IDD具有重要意义。

2 中医与IDD

中医药是治疗腰椎间盘突出症的重要手段之一。中医并没有将腰椎间盘突出症作为单一疾病,而是将其归属为“腰痛”等范畴。经脉痹阻、腰腹失养是腰痛的基本病机,可分虚实两种类型。临床多以虚证为主,而虚证多由肾虚导致。“腰者,肾之府”,肾五行属水,肾藏精,主生长、发育、生殖。《四圣心源》记载:“腰痛者,水寒而木郁也……肾居脊骨七节之中,正在腰间,水寒不能生木,木陷于水,结塞盘郁,是以痛作。”中医治疗腰痛治则一般为补肾益精、祛风除湿、行气活血止痛。

现代医学研究证明,炎症是腰痛形成和发展的主要原因之一。部分中药含有数种抗炎镇痛化学成分,包括多糖、脂类、挥发油等,这些成分可通过多种途径及靶点抑制炎症,从而发挥抗炎镇痛作用,达到治疗腰痛的效果[16]。而这与现代医学通过非甾体抗炎药治疗IDD的作用不谋而合。综上,中医药可减轻椎间盘的炎症反应,从而改善其微环境,达到减轻患者痛苦的目的。

3 基于NF-κB信号通路防治IDD的中药分析

目前,治疗IDD的西药主要作用是缓解腰痛,常用抗炎、止痛的非甾体抗炎药物,虽然能在短期内改善患者症状,减轻疼痛,但是随之而来的不良反应也比较明显,例如刺激消化道,严重者并发消化道出血、穿孔、诱发心脏病及呼吸系统疾病等。因此,基于NF-κB通路防治IDD的中药研究已经成为中医药领域的研究热点。

3.1 单味中药目前,临床基于NF-κB通路研究单味中药有效成分可分为清热药(氧化苦参碱、穿心莲内酯、小檗碱、黄芩素、山竹醇、香木叶素、氧化槐果碱)、活血药(姜黄醇、地龙提取物、西红花酸)、补气药(人参皂苷Re、薯蓣皂苷、淫羊藿)、温里药(胡椒碱)、解表药(葛根素)、祛风湿药(青藤碱、石蒜碱)等6类。

清热药普遍苦寒,具有清热解毒的功效,均有不同程度的抗病原微生物的作用,并且可抗多种菌类,不易产生耐药性,部分药物还具有抗炎、解热、抗病毒等作用。苦参有效成分氧化苦参碱具有抗炎、抗纤维化和抗肿瘤作用以及防止心肌损伤的能力。研究发现,氧化苦参碱可通过抑制NF-κB信号通路降低产生炎症因子和基质降解酶的表达,增加蛋白多糖和Ⅱ型胶原的表达,延缓IDD发展[17]。穿心莲有效成分穿心莲内酯具有祛热解毒、消炎止痛的功效,被誉为“天然抗生素药物”。研究发现,穿心莲内酯可以抑制NF-κB信号通路,减弱细胞外基质变性及基质降解酶的表达,还可以缓解IL-1β诱导的人体髓核细胞凋亡[18]。因此,穿心莲内酯能够预防和治疗IDD。黄连有效成分小檗碱具有多种药理作用,包括抗氧化、抗炎和抗细胞凋亡等作用。研究发现,小檗碱可通过抑制IL-1β诱导的人体髓核细胞中NF-κB的活化,发挥抗细胞外基质分解代谢和抗凋亡作用,表明小檗碱是IDD的有效治疗剂[19]。黄芩有“中药抗生素”之称,其有效成分黄芩素,具有广泛的药理活性,包括抗炎、抗氧化、抗糖尿病和抗高血脂的作用。黄芩素可有效阻断 NF-κB 信号通路激活,减轻TNF-α诱导的人体髓核细胞中蛋白多糖和Ⅱ型胶原的丢失,降低基质降解酶的表达。此外,在针刺IDD模型大鼠的椎间盘内注射黄芩素显示,其可保持椎间盘的信号和高度,减轻了细胞外基质含量的损失,改善了椎间盘的新陈代谢[20]。山竹有效成分山竹醇被证明有抗炎、抗氧化等作用,可抑制IL-1β诱导的软骨细胞炎症,发挥治疗骨关节炎的作用,可通过抑制NF-κB信号通路来降低IL-1β刺激的大鼠髓核细胞炎症和细胞外基质降解,达到保护椎间盘的作用,证明山竹醇可以预防IDD[21]。菊花有效成分香叶木素香叶有抗氧化、抗感染、抗休克等功效,可以抑制p65的活性,减弱 IL-1β 诱导的大鼠髓核细胞凋亡和炎症反应,并减轻大鼠神经根性疼痛,从而治疗IDD[22]。苦豆子有效成分氧化槐果碱具有抗病毒、抗肿瘤、抗炎、清热、止痛等多种功效,可有效抑制腰椎间盘突出大鼠炎性反应,缓解IDD,并且这种作用与抑制NF-κB信号通路有关[23]。

活血药多辛散温通,善走血分,有疏通血脉、促进血行的功效。活血药一般都有改善血流动力学的作用,有些药有镇痛抗炎作用,与改善微循环、减少炎性渗出、加强对炎性渗出物的吸收及自身的抗菌作用有关。姜黄有效成分姜黄醇具有降血脂、抗肿瘤、抗炎等作用,可阻断NF-κB信号通路激活,减轻TNF-α诱导的大鼠髓核细胞炎症。此外,由于姜黄醇的保护作用,可以在体内腰椎不稳定模型小鼠中形成防止椎间盘高度损失的骨赘[24]。地龙提取物含有多种活性成分,具有抗炎、镇痛、降压等作用,可以减少大鼠髓核细胞炎症因子的表达、重塑髓核细胞外基质、抑制NF-κB信号通路的作用,延缓椎间盘髓核细胞的退变[25]。西红花有效成分西红花酸具有良好的抗炎、抗氧化等作用,一定浓度的西红花酸可以抑制IL-1β诱导的人体髓核细胞凋亡、炎性因子产生及细胞外基质的代谢紊乱,并且是通过阻断NF-κB信号通路实现的[26]。川芎有效成分川芎内酯具有扩张血管、抗血栓形成、抗炎解痉等作用,可阻断髓核细胞中NF-κB通路,减轻 IL-1β 诱导的大鼠髓核细胞基质分解代谢、氧化应激和炎症反应,减轻IDD,具有治疗IDD的作用[27]。丹参有效成分丹参酮ⅡA具有改善心血管、促进组织修复和再生、抗菌、降血脂等作用。丹参酮ⅡA可阻断NF-κB信号通路,显著抑制IL-1β刺激的人体髓核细胞中炎症和疼痛相关介质的表达。此外,丹参酮ⅡA可能通过抑制细胞因子和疼痛相关炎症介质的表达来减少动物的疼痛行为[28]。

补益药多甘温,具有补益气血的作用。人参有效成分人参皂苷Re,具有抗炎、抗氧化及抗癌等多种作用,可以抑制NF-κB信号通路和相关炎症因子的表达,改善细胞外基质的合成、分解代谢的失衡,从而延缓IDD的进程[29]。山药成分中薯蓣皂苷具有免疫调节、抗肿瘤、抗氧化、降血脂以及调脾胃等多种功效。研究显示,NF-κB信号传导与薯蓣皂苷抑制IL-1β激活的人体髓核细胞炎症反应和分解代谢有关,薯蓣皂苷可抑制IL-1β触发的炎症因子的释放[30]。淫羊藿有效成分淫羊藿苷具有抗炎、抗肿瘤、抗衰老等作用。淫羊藿苷可显著缓解大鼠椎间盘源性腰痛,促进退变髓核细胞增殖、蛋白聚糖及Ⅱ型胶原蛋白合成,减少促炎因子表达,延缓椎间盘的退变[31]。淫羊藿苷可改善大鼠椎间盘病理损伤、减轻炎症反应、抑制髓核细胞凋亡,与调控NF-κB信号通路有关[32]。

温里药多辛温大热,辛散温通、大热除寒,故有温里散寒、补火助阳等功效。胡椒有效成分胡椒碱具有广谱的抑菌性,其有效成分胡椒碱通过下调大鼠髓核细胞和椎间盘中的NF-κB活化而具有抗炎和抗分解代谢作用,胡椒碱是治疗IDD的潜在药物[33]。

解表药多轻升浮,辛散轻扬,具有发散表邪的作用。《伤寒论》有“项背强几几,葛根汤主之”的理论,是现代用于治疗强直性脊柱炎的根据。研究发现,葛根素通过抑制NF-κB信号通路,抑制脊髓胶质细胞活化和神经炎症反应,治疗大鼠椎间盘突出症诱导的神经根性疼痛[34]。

祛风湿药多辛温燥,具有祛风除湿、解除痹痛之效。青藤常用于治疗风湿痹痛、鹤膝风、历节风、脚气肿痛等疾病。研究显示,青藤碱可以显著抑制家兔骨性关节炎模型中的滑膜炎症并延缓软骨退变[35]。青藤碱可以通过阻止NF-κB通路激活而抑制椎间盘终板软骨细胞炎症及退变,是一种治疗IDD潜在药物[36]。雷公藤常用于治疗风湿性关节炎,有效成分雷公藤红素有很强的抗氧化、抗类风湿等作用。雷公藤红素能抑制髓核细胞中NF-κB通路,减轻IL-1β诱导的人髓核细胞基质分解代谢、氧化应激和炎症反应,还可以减轻大鼠椎间盘的退变,具有治疗IDD的潜力[37]。

3.2 中药复方及制剂中药复方及制剂对NF-κB信号通路影响的研究多以补益肝肾、祛风除湿类为主。独活寄生汤由独活、川芎、甘草、当归等组成。《备急千金要方》载:“夫腰背痛者,皆犹肾气虚弱……或腰痛挛脚重痹,宜急服此方。”对于风寒湿三气着于筋骨的痹证,独活寄生汤为临床常用的有效方剂。本方常用于治疗慢性骨关节疾病且属风寒湿痹日久、正气不足者。研究发现,独活寄生汤治疗基质细胞衍生因子-1诱导的人髓核细胞,可以明显降低髓核细胞中促炎因子的表达及蛋白聚糖和Ⅱ型胶原的减少,与NF-κB抑制剂(BAY11-7082)的作用效果基本相同,同样抑制了p65的表达,减少p65核易位[38]。

芍药甘草汤来源于《伤寒论》,由芍药、甘草两味中药组成,其主要功效为调和肝脾,缓急止痛。芍药、甘草中的成分有镇静、镇痛、解热、抗炎、松弛平滑肌的作用。网络药理学研究发现,毛蕊异黄酮是芍药甘草汤治疗骨性关节炎的活性药物成分,毛蕊异黄酮可抑制IL-1β诱导的软骨基质降解,包括基质金属蛋白酶-3、NF-κB的下调,NF-κB也受到软骨细胞中毛蕊异黄酮的抑制[39]。何坚等[40]将芍药甘草汤用于寒湿型颈椎病模型兔,发现兔颈椎间盘组织p65以及血清中的促炎因子(IL-1β、IL-6、TNF-α)随着芍药甘草汤剂量的增大而逐渐降低,芍药甘草汤能够通过抑制NF-κB信号通路,减轻椎间盘炎症损伤,起到延缓IDD的作用。

仇湘中等[41]根据临床经验提出“IDD引起的腰腿痛从肝论治”的观点,在《医宗金鉴》中“补肝汤”的基础上加减,配伍出由当归、川芎、白芍、熟地黄、炒酸枣仁、杜仲、延胡索、蜈蚣、全蝎、甘草组成的补肝健腰方,有养血柔肝、活血化瘀、通络止痛之效,能够有效改善腰部疼痛及患肢麻木疼痛的症状。临床研究发现,补肝健腰方具有抗炎、镇痛和调节免疫的作用,对IDD的损伤具有较好的修复作用[42]。补肝健腰方治疗IDD模型大鼠,可能通过降低TNF-α及NF-κB表达,阻断NF-κB信号通路,达到延缓IDD过程的作用[43]。

杜仲腰痛丸是甘肃省中医院治疗腰椎间盘突出症的常用药物,具有较好的临床疗效,主要由盐杜仲、醋延胡索、土鳖虫等药物组成。诸药合用,具有活血消肿、通络止痛、壮腰健肾之效。药理学研究显示,该方具有增强机体免疫调节、改善微循环、抗炎镇痛、抑制炎症渗出等作用,对促炎因子及p65表达的抑制均优于双氯芬酸钠组,可明显抑制NF-κB信号通路的激活,减缓人髓核细胞的退变[44]。

4 结语

综上所述,NF-κB在免疫、炎症反应、细胞生长、存活和发育过程中发挥关键作用。中药能够通过多途径、多靶点的作用特点在防治疾病中发挥自己独特的优势,在疾病各个阶段做到及时有效的治疗,同时减轻患者的痛苦。

通过总结发现,中药可以不同程度干预NF-κB的活化,阻断细胞中IκBα磷酸化,减少p65的核转移,下调促炎因子(IL-1、IL-6和TNF-α等)的大量释放,减轻炎症反应,降低基质降解酶(MMPs、ADAMTSs等)的表达,使聚集蛋白多糖和Ⅱ型胶原的表达基本恢复到正常水平,改善椎间盘代谢的紊乱,达到治疗IDD的目的。

目前,基于NF-κB信号通路中药治疗IDD相关性研究尚存在一些不足:(1)目前研究主要通过单味药的有效成分展开,但NF-κB信号通路较为复杂,该通路涉及的细胞因子较多,目前的研究还未完全清楚中药的具体作用环节。此外,由单味中药带来的不良反应是否作用于NF-κB信号通路也未被证实。(2)虽然临床上大多运用中药复方治疗IDD,但临床复方的药效与作用机制研究尚不充足。(3)IDD是由多因素共同作用的结果,目前IDD动物模型大多通过手术造模、促炎因子诱导为主,这些都不能完全模拟人体内IDD的复杂过程,因此药物的疗效和作用机制可能存在偏差。

IDD的机制复杂,仍须进一步分析各种细胞因子在IDD中的作用及相互关系,为IDD的防治提供理论依据。中药单味药和复方成分的复杂,对准确评价药物的疗效留下了许多研究空间。这都是未来广大临床和科研工作者需要解决的问题,从而可为IDD的治疗提供更多的选择方案。