維生素K 對(duì)成骨細(xì)胞骨形成和破骨細(xì)胞骨吸收的影響

蔣益忠，夏天爽，辛海量，金玉娥，蔣益萍，薛黎明 （. 浙江省東陽(yáng)市中醫(yī)院，浙江 東陽(yáng) 05；. 海軍軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)院生藥學(xué)教研室，上海 004；. 上海市疾病預(yù)防控制中心化學(xué)品毒性檢定所，上海 006）

維生素K(VK)，又稱凝血維生素，是一類具有葉綠醌生物活性的脂溶性維生素。除具有凝血功能外，維生素K 還能促進(jìn)骨代謝，防治骨質(zhì)疏松癥，天然VK1和VK2(主要活性體為MK4和MK7)可單獨(dú)或協(xié)同其他抗骨質(zhì)疏松藥物治療骨質(zhì)疏松癥[1-4]，人工合成的VK3也有少量抗骨質(zhì)疏松研究報(bào)道[5-6]，然而，不同維生素K 的抗骨質(zhì)疏松作用的比較研究非常有限。有研究發(fā)現(xiàn)維生素K 具有促進(jìn)骨形成和抑制骨吸收的雙向調(diào)節(jié)機(jī)制[7]，藥理研究發(fā)現(xiàn)VK1、MK4和MK7能顯著促進(jìn)小鼠成骨細(xì)胞MC3T3-E1 增殖和堿性磷酸酶(ALP)活性[8]，同時(shí)報(bào)道VK1、MK4和MK7也能顯著抑制RANKL 誘導(dǎo)骨髓單核細(xì)胞分化的破骨細(xì)胞抗酒石酸酸性磷酸酶 (TRAP)基因和組織蛋白酶 K(CTSK)mRNA 表達(dá)[9]。臨床報(bào)道發(fā)現(xiàn)VK2能顯著降低絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松的TRAP 和CTSK 表達(dá)[10]。CTSK是骨吸收過(guò)程中的關(guān)鍵溶骨活性酶[11]，與粘多糖(glycosaminoglycan, GAG)，如 硫 酸 軟 骨 素(CSA)，形成一種高分子量的復(fù)合物，可將膠原蛋白降解。目前尚未有VK 對(duì)CTSK 骨膠原降解的研究報(bào)道。本研究以新生大鼠顱蓋骨分離成骨細(xì)胞和巨噬細(xì)胞集落刺激因子(M-CSF)和核因子κB 受體活化因子配體(RANKL)誘導(dǎo)骨髓單核細(xì)胞的破骨細(xì)胞為模型[12]，系統(tǒng)比較VK1、MK4、MK7和VK3對(duì)成骨細(xì)胞增殖和ALP 活性、破骨細(xì)胞分化、TRAP 活性和CTSK 降解膠原活性的影響。通過(guò)比較不同VK 抗骨質(zhì)疏松作用，對(duì)臨床選用合適的VK 營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑、指導(dǎo)人群VK 膳食補(bǔ)充，以滿足我國(guó)人群骨健康需求具有重要意義。

1 材料

新生3 d 的SD 大鼠，雌雄不限，購(gòu)自上海斯萊克實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有限公司[SCXK（滬）2012-0002]；II 型膠原酶、胰蛋白酶、特級(jí)胎牛血清、α-MEM 培養(yǎng)基（美國(guó)Gibco 公司）；CellTriter-blue 試劑(美國(guó)Promega?)，核刺激因子受體的配體(receptor for activation of nuclear factor kappa B ligand, RANKL，400-30)、巨噬細(xì)胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor, M-CSF， 400-28)購(gòu) 自PEPROTECH 公 司， 淋 巴 細(xì) 胞 分 離 液Ficoll-Paque 密度梯度液(GE)購(gòu)自上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司；TRACP 染色試劑盒、Benzyloxycarbonyl-Phe-Arg-7-amido-4-methylcoumarin (Z-FR-MCA)購(gòu)自日本W(wǎng)AKO 公司；L-3-carboxytrans-2-3-epoxypropionyl-leucylamido-(4guanidino)-butane(E-64)、硫酸軟骨素A (CSA)胃蛋白酶、組織蛋白酶K 抑制劑奧當(dāng)卡替(odanacatib, ODN)、VK1、MK4、MK7和VK3，購(gòu)自Sigma 公司；I 型膠原（美國(guó)Affymetrix 公司）；牛血清白蛋白、β-甘油磷酸鈉、抗壞血酸、多聚甲醛等試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

2 方法

2.1 成骨細(xì)胞增殖和ALP 活性

實(shí)驗(yàn)室自建原代成骨細(xì)胞培養(yǎng)方法[12]。取新生3 d的SD 大鼠5 只，在無(wú)菌條件下取其顱頂蓋骨，去除骨膜、血管及結(jié)締組織，用D-Hanks 液沖洗干凈，用0.25%的胰蛋白酶37 ℃消化30 min，再用0.05%胰蛋白酶及3 mg/ml 的II 型膠原酶37 ℃消化1 h，經(jīng)100 目濾網(wǎng)過(guò)濾，1 000 r/min 離心10 min，即為新鮮的成骨細(xì)胞，加入10%胎牛血清的α-MEM 培養(yǎng)基，置37 ℃，5% CO2培養(yǎng)箱。取第四代大鼠顱蓋骨成骨細(xì)胞，消化分離出來(lái)，以α-MEM培養(yǎng)基配制成濃度為2×104/ml 的細(xì)胞懸液，以100 μl/孔接種于96 孔培養(yǎng)板，設(shè)12 個(gè)藥物組，分別為1、0.1 和0.01 μmol/L 的VK1、MK4、MK7和VK3，每組選取1 個(gè)藥物濃度加入1、0.1 和0.01 μmol/L 的VK1、MK4、MK7和VK3，培養(yǎng)48 h，用MTT 法檢測(cè)細(xì)胞增殖活性。ALP 活性需要連續(xù)培養(yǎng)6 d 后，用100 μl 50 mmol/L 的二乙醇胺，50 μl 2.5 mmol/L的對(duì)硝基苯酚磷酸二鈉，37 ℃反應(yīng)30 min 后，用0.3 mol/L 的NaOH 終止反應(yīng)，于波長(zhǎng)405 nm 處測(cè)得吸光度值[12-13]。

2.2 成骨細(xì)胞骨結(jié)節(jié)面積

取成骨細(xì)胞第三代細(xì)胞，按每孔5×104的細(xì)胞數(shù)接種于12 孔板內(nèi)，α-MEM 培養(yǎng)基培養(yǎng)24 h，換骨結(jié)節(jié)誘導(dǎo)培養(yǎng)基(0.1%BSA，10 nmol/L 地塞米松，10 mmol/L β-甘油磷酸鈉和50 μg/ml 抗壞血酸以及10%胎牛血清的α-MEM 培養(yǎng)基)，加入1 μmol/L的VK1、MK4、MK7和VK3后，每3 d 換藥1 次，連續(xù)培養(yǎng)觀察14 d 后，用0.1%茜素紅-Tris-Hcl 染液(pH 8.3)染色。染色前，用預(yù)冷的10%中性甲醛緩沖液固定10 min，PBS 沖洗3 次。加入0.1%茜素紅-Tris-Hcl 染液(pH 8.3)，37 ℃下染色30 min。蒸餾水沖洗，干燥，封片。倒置相差顯微鏡(Leica DMI 3000)下進(jìn)行觀察并隨機(jī)拍照10 張，用image-Pro Plus (IPP 6.0)分析圖片，得出每張圖片骨結(jié)節(jié)面積[13]。

2.3 破骨細(xì)胞活力和數(shù)目

取新生3 d 的SD 大鼠脛骨，用α-MEM 培養(yǎng)基沖洗骨髓腔以收集骨髓細(xì)胞，加入等量Ficoll 試劑分離骨髓單核細(xì)胞，用含有25 ng/ml M-CSF、25 ng/ml RANKL 的細(xì)胞因子和10%胎牛血清的α-MEM 培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)，每3 d 換液1 次，6 d 后破骨細(xì)胞分化成熟。細(xì)胞成熟后，以1×105/ml 接種于96 孔板，加入1、0.1 和0.01 μmol/L 的VK1、MK4、MK7和VK3。繼續(xù)培養(yǎng)48 h 后，取100 μl 培養(yǎng)基，加入20 μl CellTriter-blue 試劑，輕輕晃10 s 混勻，37 ℃孵育30 min 后，將96 孔板置于熒光分光光度計(jì)，檢測(cè)細(xì)胞懸液熒光強(qiáng)度(發(fā)散光波長(zhǎng)560 nm，吸收光波長(zhǎng)590 nm)。

2.4 破骨細(xì)胞TRAP 活性

成熟破骨細(xì)胞以1×105/ml 接種于96 孔板內(nèi)，加入1、0.1 和0.01 μmol/L 的VK1、MK4、MK7和VK3，培養(yǎng)48 h 后，棄上清液，PBS 沖洗2 次，20 μl 0.1%Triton X-100 室溫破碎細(xì)胞15 min，加入100 μl反應(yīng)液(0.4 g 對(duì)硝基苯基磷酸二鈉，去離子水溶解后加入2.0 g 酒石酸鉀鈉，加水溶解至150 ml，HCl 調(diào)節(jié)pH 至3.5，再加水定容至200 ml)，于37 ℃反應(yīng)30 min，迅速加入100 μl 1 mol/L 的NaOH 終止反應(yīng)，于波長(zhǎng)405 nm 處測(cè)定其吸光度值[14]。

2.5 抑制CTSK 與Z-FR-MCA 底物

25 μmol/L 的VK1、MK4、MK7、VK3和1 μmol/L陽(yáng)性藥Odanacatib 用100 mmol/L 醋酸鈉緩沖液(pH5.5， 包 含 2.5 mmol/L DTT， 和 2.5 mmol/L EDTA)稀釋至濃度為25 μmol/L 加入96 孔板，最終反應(yīng)容量為0.2 ml，加入終濃度為5 nmol/L 的CTSK 孵育5 min，加入5 μl 底物1 mmol/L 的ZFR-MCA 溶液開(kāi)始反應(yīng)，檢測(cè)5 min 熒光信號(hào)(發(fā)散光波長(zhǎng)460 nm，吸收光波長(zhǎng)355 nm)。實(shí)驗(yàn)設(shè)陰性對(duì)照，陽(yáng)性對(duì)照(1 μmol/L E-64)。

計(jì)算公式：抑制率（%）=100-(1-Vi/V0)。

Vi和V0分別表示存在和不存在VK 情況下，記錄熒光信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間變化斜率slope 值[11]。

2.6 凝膠電泳法檢測(cè)CTSK 降解可溶性膠原

可溶性I 型膠原溶解在100 mmol/L 醋酸鈉緩沖液(pH5.5，包含2.5 mmol/L DTT 和2.5 mmol/L EDTA)，最終I 型膠原濃度為0.6 mg/ml，加入終濃度100 μmol/L 的VK1、MK4、MK7和VK3及10 μmol/L陽(yáng)性對(duì)照藥Odanacatib，依次將CTSK 和CSA(終濃度分別為400 和200 nmol/L)加入含有I 型膠原蛋白的反應(yīng)液中，使總反應(yīng)液容量為50 μl?；靹颍?8 ℃孵 育4 h，取 出 后 加 入1 μl 的100 μmol/L E64 終止反應(yīng)。采用10%的SDS-PAGE 凝膠電泳分離，卡馬斯亮藍(lán)染色20 min，用乙酸-甲醇(4∶1)脫色。I 型膠原的α1 條帶的灰度用Gene Snap(Syngene Inc.Frederick，MD)軟件進(jìn)行定量分析[14]。

2.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次。采用SPSS 軟件經(jīng)ANOVA方差分析檢驗(yàn)(α=0.05)，再用SNK 對(duì)每?jī)山M進(jìn)行兩兩比較，以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3 結(jié)果

3.1 維生素K 對(duì)成骨細(xì)胞增殖、ALP 活性和骨結(jié)節(jié)形成的影響

VK1和VK3在0.01～1 μmol/L 濃度范圍內(nèi)對(duì)成骨細(xì)胞增殖和ALP 活性均未有影響(圖1A、1B)。MK4在0.01 和0.1 μmol/L 濃度顯著促進(jìn)了成骨細(xì)胞增殖活性，分別提高了15.5%和23.0%(P＜0.05)，而MK7分別提高了25.1%和18.4%。MK4和MK7在1 μmol/L 顯著提高了ALP 活性(P＜0.05)，促進(jìn)率分別為30.2%和25.7%。成骨細(xì)胞在骨結(jié)節(jié)誘導(dǎo)培養(yǎng)基培養(yǎng)14 d 后，經(jīng)茜素紅染色液染色，骨結(jié)節(jié)處形成紅色鈣化晶體，骨結(jié)節(jié)的面積代表了成骨細(xì)胞的鈣化程度(圖1C)，結(jié)果顯示MK4和MK7在1 μmol/L 濃度時(shí)顯著提高了骨結(jié)節(jié)形成面積(P＜0.05)，分別增加25.2%和34.0%，VK3顯著抑制了骨結(jié)節(jié)的形成。

3.2 維生素K 對(duì)破骨細(xì)胞活力和TRAP 活性的影響

由 圖2A 可 得，VK1、VK3、MK4和MK7在0.01～1 μmol/L 濃度對(duì)破骨細(xì)胞代謝活力均無(wú)影響，對(duì)破骨細(xì)胞無(wú)毒性。VK1、MK4和MK7在1 μmol/L 表現(xiàn)出抑制TRAP 活性，抑制率分別為27.4%、54.0%和35.0%，MK4在0.01 和0.11 μmol/L濃度顯著降低了破骨細(xì)胞TRAP 活性(P＜0.01)，分別降低了50%和41%，MK7在0.1 μmol/L 濃度時(shí)，TRAP 活性顯著降低26.8%(圖2B)。

3.3 維生素K 對(duì)CTSK 酶的抑制作用

本研究考察VK1、VK3、MK4和MK7抑制CTSK 與Z-FR-MCA 底物結(jié)合活性。圖3A 結(jié)果顯示，1 μmol/L 的ODN 抑制了CTSK 與Z-FRMCA 底 物 結(jié) 合 效 率 達(dá)98.3%，而25 μmol/L 的VK3、MK4、MK7和VK1抑 制 率 分 別 為0.3%、58.9%、16.6%和9.4%。與空白膠原相比，VK3、MK4、MK7和VK1在100 μmol/L 抑制膠原降解效率達(dá)30.8%、73.8%、18.4%和19.2% (圖3B、3C)，僅有MK4和ODN 超過(guò)60%的抑制率，與未加CSA 的CTSK 陰性對(duì)比，抑制率達(dá)38.8%、93.0%、23.1%和24.2%。與空白膠原組對(duì)比，陽(yáng)性抑制劑ODN 在1 μmol/L 的 抑 制 率 達(dá)77.3%，與 未 加CSA 的CTSK 陰性對(duì)比，抑制率達(dá)到99.0%。

4 討論

研究報(bào)道VK1、MK4和MK7能顯著促進(jìn)成骨細(xì)胞活性和抑制破骨細(xì)胞活性[9-10]。臨床報(bào)道服用高含量維生素K1能夠降低髖部骨折風(fēng)險(xiǎn)和提高髖部及腰椎部骨密度，可延緩50～60 歲絕經(jīng)后女性的骨丟失[2]。同時(shí)藥理研究發(fā)現(xiàn)VK3顯著促進(jìn)去卵巢大鼠的骨密度和改善骨質(zhì)疏松相關(guān)指標(biāo)[5]。而本研究并未發(fā)現(xiàn)VK1和VK3具有促進(jìn)成骨細(xì)胞和抑制破骨細(xì)胞的作用，可能原因是選擇的篩選濃度過(guò)低所致。MK4和MK7在1 μmol/L 能促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖和礦化作用，二者并沒(méi)有顯著差異。但在抑制骨吸收作用方面，MK4相較于MK7在相同濃度，有更顯著的抑制TRAP 活性的作用。

CTSK 是破骨細(xì)胞發(fā)揮骨吸收作用的關(guān)鍵靶標(biāo)酶，選擇性地大量表達(dá)于破骨細(xì)胞，其生理作用底物正是在有機(jī)骨基質(zhì)中含量達(dá)95%的I 型膠原[11]。我們研究發(fā)現(xiàn)，在相同濃度，只有MK4能顯著抑制其底物骨膠原降解和人工合成底物Z-FR-MCA 的活性。

日本早在1995 年首次將MK4作為治療骨質(zhì)疏松的藥物應(yīng)用[15]，2011 年MK4錄入我國(guó)《原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥診療指南》[16]。因此，我們認(rèn)為MK4是人體內(nèi)源性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，安全性高，適用于各年齡人群作為營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑使用。MK7具有促進(jìn)骨形成作用，在體內(nèi)也可以分解成MK4發(fā)揮作用，適合作為營(yíng)養(yǎng)食品補(bǔ)充劑。