膠原蛋白肽防治骨質疏松癥研究進展

何琳琳

1.陜西理工大學維生素D生理與應用研究所，陜西 漢中 723001 2.陜西理工大學生物科學與工程學院，陜西 漢中 723001

骨質疏松癥(osteoporosis，OP)是一種以骨量減少和骨組織的微細結構破壞，導致骨骼強度減低和骨折危險性增加為特征的一種全身代謝性疾病[1]。骨重建過程是成骨細胞的骨形成與破骨細胞的骨吸收之間動態(tài)平衡的過程，OP是骨重建過程失衡的后果之一。骨重建過程中成骨細胞是由骨髓間充質干細胞(bone marrow-derived mesenchymal stem cells，BM-MSCs)向成骨細胞方向分化而來，篩選能促進BM-MSCs向成骨細胞分化的生物活性物質已成為研制用于預防和治療OP新物質的新方向。目前治療OP的藥物有抗骨吸收藥物和促進骨形成藥物，普遍具有一定副作用，因此越來越多的人傾向于選擇替代療法，如通過膳食補充劑鈣、膠原蛋白肽(collagen peptide，CP)等預防和治療OP。

CP也稱膠原蛋白水解物或明膠水解物，采用膠原蛋白、明膠或富含膠原蛋白的物質制備而來，分子量較小，可完全溶解于水，容易被吸收利用，無副作用，具有多種生理活性和保健功能，如促進骨骼關節(jié)健康[1]、促進傷口愈合[2]，并具有顯著的美容作用[3]，因此CP被廣泛地用作保健食品。研究顯示，攝食CP不僅對機體無副作用，還可提高骨骼強度，促進礦物質吸收，對OP有一定的預防和治療作用[1]，因此CP被稱為“骨中之骨”。本文主要從體內和體外研究兩個方面對CP預防和治療OP的研究進展進行綜述，以期為CP對OP的防治作用及其分子機制提供理論指導，為從事OP的基礎研究人員、臨床工作者和產品開發(fā)人員提供新思路。

1 體外研究

體外研究是從細胞水平研究CP對于成骨細胞(如NOS-1、MC3T3-E1和MG-63等)、間充質干細胞(mesenchymal stem cells，MSCs)成骨分化的影響及其分子機制。研究表明，MSCs的成骨分化與MAPK信號通路密切相關，CP可顯著促進成骨細胞和MSCs的成骨分化，CP對于成骨細胞和MSCs成骨分化的增強作用是通過MAPK信號通路介導的。

1.1 MSCs的成骨分化與MAPK信號通路密切相關

絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated potein kinases，MAPK)是細胞內的一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，在骨骼發(fā)育和骨平衡中扮演關鍵的角色，尤其對MSCs和具有分化功能的細胞的定向分化有重要影響。骨的鈣化分為軟骨內鈣化和膜內鈣化，膜內鈣化主要通過MSCs分化成為骨細胞而介導，骨細胞能夠分泌和鈣化細胞外基質而介導膜內鈣化[4]。

在MSCs成骨誘導分化過程中，特定MAPK信號通路被激活并增加成骨分化特異性基因的表達，成骨分化特異性基因表達的增加與激活的MAPK信號通路具有密不可分的關系。人脂肪來源間充質干細胞(adipose-derived mesenchymal stem cells，AMSCs)成骨分化誘導過程中JNK被激活，JNK信號通路抑制劑SP600 125劑量依賴性地抑制AMSCs的成骨分化[5]。另有研究表明，人AMSCs的礦化與ERK1/2和JNK1/2激活的增加相關，ERK、JNK和p38 MAPK的抑制劑導致AMSCs成骨分化的降低[6]。這些研究顯示，AMSCs成骨分化與MAPK信號通路密切相關。

1.2 CP可顯著促進成骨細胞和MSCs的成骨分化

細胞水平初步的研究表明，CP可促進成骨細胞增殖，抑制破骨細胞增殖，提高成骨細胞ALP活力、增加膠原合成和礦化骨節(jié)的形成，促進MSCs的增殖，從而促進了成骨細胞和MSCs的成骨分化，然而并未闡明其分子機制。分子量為0.6～2.5 KDa的牛CP可顯著增加MC3T3-E1的ALP活力和礦化骨節(jié)的形成，顯著增加成骨分化相關基因如Runx2、ALP、COL1α1和OCN的表達，顯著增加Runx2蛋白的表達[7]；分子量為0.5～10 KDa且其中大多數(shù)分子量為3 KDa的鱈魚皮和骨CP可提高人成骨細胞NOS-1的ALP活力，促進其礦化骨節(jié)的形成，顯著增加其OCN、骨橋蛋白(osteopontin，OPN)和整合素β3 mRNA和蛋白表達，表明該CP可促進NOS-1的成骨分化[8]；分子量在5～13 KDa的魚CP促進小鼠成骨細胞MC3T3-E1的膠原合成和礦化骨節(jié)形成，證明可將其應用于骨組織工程的潛在價值[9]；鯛魚和遮目魚魚鱗CP促進人成骨細胞MG-63的增殖并抑制成熟破骨細胞的增殖，表明兩種魚鱗CP可通過協(xié)助骨重建來預防OP[10]；鵝骨CP可促進大鼠BM-MSCs增殖，顯著增加ALP陽性細胞、鈣結節(jié)數(shù)量和OCN分泌量，小分子CP作用效果好于大分子膠原蛋白[11]。詳見表1。

1.3 CP通過MAPK信號通路介導對成骨細胞和MSCs成骨分化的增強作用

進一步的深入研究表明，CP對于成骨細胞和MSCs成骨分化的增強作用是通過MAPK信號通路介導的。研究顯示，分子量小于3 KDa的豬皮明膠水解物劑量依賴性增加人成骨細胞MG-63的增殖和小鼠成骨細胞MC3T3-E1的ALP活力，還增加MG-63的膠原蛋白合成和COL1A1基因表達，其誘導的COL1A1基因表達可被細胞外信號調節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)的抑制劑完全抑制，表明此水解物通過ERK信號通路增加COL1A1基因的表達[12]；分子量小于3 KDa的豬皮膠原蛋白水解物通過MAPK信號通路促進MG-63的成骨活性和骨基質基因的上調，其介導的COL1A1基因表達需要ERK1/2、JNK1/2和p38信號通路的激活，ALP基因表達分別需要ERK1/2信號通路的激活，SPP1基因表達需要p38信號通路的激活，為豬皮CP的骨強化效應提供了理論基礎[13]；鹿茸水解物增加MG-63的ALP活力、膠原蛋白合成和鈣沉積，鹿茸水解物增加COL1A1、ALP、BGLAP和SPP1的基因表達，其通過ERK1/2、JNK1/2和p38 MAPK途徑增加COL1A1和BGLAP的基因表達，通過JNK1/2和p38 MAPK途徑增加SPP1的基因表達，通過p38 MAPK途徑增加ALP的基因表達，表明MAPK信號通路是鹿茸水解物誘導MG-63細胞表達成骨相關基因一個不可或缺的因素[14]。來自于鬼頭刀魚骨的CP可促進小鼠BM-MSCs的增殖和分化，可顯著增加成骨分化的小鼠BM-MSCs細胞中膠原蛋白、堿性磷酸酶、骨鈣素等成骨生物標志物水平，并進一步闡明了CP通過p38MAPK信號通路激活Runx2而上調成骨的假說。該研究表明，具有良好成骨性能的鬼頭刀魚骨CP是一種適合于治療老年和更年期婦女骨質疏松癥的潛在藥物[15]。見圖1。

表1 CP的來源、分子量及生物特性Table 1 Origin, molecular weight, and biological characteristics of CP

圖1 CP通過MAPK信號通路中的ERK、JNK、p38介導成骨細胞和MSCs的增殖和成骨分化Fig.1 CP mediates the proliferation and osteogenic differentiation of osteoblasts and MSCs through ERK, JNK, and p38 in the MAPK signaling pathway

2 體內研究

體內研究從動物實驗和臨床研究兩個方面來評價CP對于OP的影響及其分子機制。體內動物實驗研究表明，CP對于去卵巢(ovariectomy，OVX)大鼠、維甲酸誘導的骨質疏松大鼠、自發(fā)老年性骨質疏松小鼠和自然衰老小鼠的骨骼健康具有非常重要的促進作用；體內臨床研究表明，每日CP或CP聯(lián)合鈣爾奇攝入可顯著增加絕經后婦女的骨密度，骨肽注射劑或阿侖膦酸鈉聯(lián)合骨肽注射液均可有效提高骨質疏松癥患者的骨密度。

2.1 體內動物實驗

2.1.1CP對于OVX大鼠骨骼健康的作用：0.6～2.5 KDa的牛骨CP或CP-檸檬酸鈣對于OVX大鼠OP具有骨保護作用，可減少髖部骨密度降低，防止骨小梁處骨丟失，改善遠端股骨的顯微結構，顯著抑制骨質流失，顯著增加血清骨形成標志物I型原膠原N端前肽(procollagen type I N-terminal propeptide，PINP)，顯著減少血清骨形成標志物堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)、骨鈣素(osteocalcin，OCN)和血清骨吸收標志物CTX[16]；分子量4 KDa的鹿角CP可顯著增加OVX大鼠股骨的骨密度和血清羥脯氨酸濃度，降低OVX大鼠的血清鈣、磷和ALP水平，同時提升骨的組織形態(tài)參數(shù)和機械性能，表明鹿角CP可用于防止和治療骨丟失[17]；分子量小于3 KDa的豬皮明膠水解物顯著增加OVX大鼠的骨密度，避免了OVX誘導的骨小梁骨丟失，劑量依賴性地降低血清中PINP水平，表明該豬皮明膠水解物是治療骨質疏松癥的一種可行的替代療法[12]。

2.1.2CP對于維甲酸誘導的骨質疏松大鼠骨骼健康的作用：鯽魚皮CP使得維甲酸誘導的骨質疏松大鼠股骨和脛骨骨鈣含量明顯增加，骨密度明顯升高，表明鯽魚皮CP可顯著促進維甲酸誘導的骨質疏松大鼠骨骼的形成[18]。

2.1.3CP對于自發(fā)老年性骨質疏松小鼠和自然衰老小鼠的骨骼健康的作用：雞腳CP可顯著增加自發(fā)老年性骨質疏松SAMP6小鼠的皮質骨、小梁骨的骨密度和血清OCN水平，表明雞腳CP可抑制年齡誘導的SAMP6小鼠的骨密度降低，促進自發(fā)老年性骨質疏松小鼠的骨健康[19]。來自牛骨的CP可使13月齡昆明小鼠骨的機械強度和骨礦物質含量升高，骨的密度和膠原蛋白含量顯著增加，骨微結構得到了明顯改善，結果表明，攝入CP可以通過增加膠原合成、抑制骨吸收和突出、改善骨微結構，從而預防與年齡有關的骨質流失，可以將CP開發(fā)成為防止老年性OP的保健食品[20]。

2.2 體內臨床研究

K?nig等[21]對131名46～80歲(平均63歲)的絕經后婦女參加的隨機、安慰劑對照的雙盲調查顯示，與12個月每日口服5克麥芽糊精的對照組婦女相比，12個月每日口服5 g來自牛骨CP的婦女脊椎和股骨頸的骨密度顯著增加，I型膠原蛋白氨基末端前肽(amino-terminal propeptide of type I collagen，P1NP)極顯著升高，而C型膠原蛋白端肽(C-telopeptide of type I collagen，CTX 1)顯著降低，表明CP的攝入使得原發(fā)性的、與年齡相關的骨密度降低的絕經后婦女的骨密度增加了；此外，補充CP與骨標志物的良好轉移有關，表明骨形成增加，骨降解減少。另外，Elam等[1]報道，長期補充水解膠原蛋白螯合物和維生素D(其中的水解膠原蛋白來自雞胸軟骨Ⅱ型膠原蛋白)，可能對絕經后婦女的過度骨質流失和骨代謝(僅靠鈣和維生素D無法預防)提供保護。王玉林等[22]通過臨床研究分析膠原肽聯(lián)合鈣爾奇 D對絕經后骨質疏松患者的療效，結果顯示口服膠原肽聯(lián)合鈣爾奇 D 既能促進骨形成，又能抑制骨吸收，進一步增加骨密度，并且可以緩解骨質疏松引起的疼痛。楊杰等[23]對來自豬或胎牛四肢骨的骨肽注射液治療原發(fā)性骨質疏松癥進行Meta分析，表明骨肽注射劑對治療原發(fā)性骨質疏松癥有效，安全性較高。廖化波等[24]研究表明，骨質疏松癥患者使用阿侖膦酸鈉聯(lián)合豬或胎牛四肢骨的骨肽注射液治療的臨床效果良好，可以有效提高患者的骨密度。

3 結語

OP是一種系統(tǒng)性骨病，CP為“骨中之骨”，抗OP是CP的生理活性之一。體外細胞實驗、體內動物實驗和臨床試驗均證實，CP對于OP均具有一定的預防和治療作用。

我國是全球海產消費最大的國家，也是海產進出口大國，同時也是世界畜牧業(yè)大國之一，海產品和畜牧產品加工的廢棄物骨、皮和魚鱗等是CP的重要來源。將這些加工廢棄物制備成為CP，既可以解決環(huán)境污染問題，也可以發(fā)揮其有益于人體健康的生理活性，同時也將提升加工產品的附加值，延伸農業(yè)產業(yè)鏈，推動農業(yè)經濟的發(fā)展。今后可開發(fā)出更多CP的原料來源，在細胞水平、動物水平和臨床水平還需進一步深入研究CP預防和治療OP的作用機制。相信隨著基礎研究的深入，將會開發(fā)出更多有益于人體骨骼健康的CP保健品，更好地服務于人類的骨骼健康。