維生素E在骨質(zhì)疏松癥中的影響機(jī)制及研究進(jìn)展

范凱 宋敏 彭斯偉 宋志靖 董萬濤

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué),甘肅 蘭州 730000

2.甘肅省緊急醫(yī)療救援中心,甘肅 蘭州 730000

3.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院,甘肅 蘭州 730020

骨質(zhì)疏松癥(osteopopsis,OP)是一種全身性的骨代謝疾病，以骨微環(huán)境發(fā)生紊亂、骨小梁受到破壞、骨板稀松變薄為主要結(jié)構(gòu)改變，并伴有疼痛、畸形、骨折等臨床癥狀，極大的降低了人們的生活質(zhì)量[1]。衰老及各種因素引起的激素水平不足是OP發(fā)生的主要原因，從而導(dǎo)致了骨重建的強(qiáng)度下降。OP的癥狀一旦出現(xiàn)，在治療上很難完全恢復(fù)至正常水平，當(dāng)前對于OP的治療以維持骨重建、糾正骨丟失為主要目的。維生素E(vitamin E,VE)在功能上具有促進(jìn)骨骼生長、維持骨穩(wěn)態(tài)、延緩骨骼退變的作用，可調(diào)節(jié)骨代謝的正向平衡。本文就維生素E在OP防治方面取得的最新進(jìn)展作一綜述，以期為進(jìn)一步的基礎(chǔ)研究提供科學(xué)依據(jù)，拓展OP的臨床用藥思路。

1 OP的風(fēng)險(xiǎn)危害

骨骼是維持機(jī)體生理結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的物質(zhì)基礎(chǔ)，骨穩(wěn)態(tài)則是體現(xiàn)該功能的內(nèi)在機(jī)制。骨穩(wěn)態(tài)受到成骨細(xì)胞(osteoblast，OB)主導(dǎo)的骨形成與破骨細(xì)胞(osteoclast，OC)主導(dǎo)的骨吸收功能的共同調(diào)控，在正常狀態(tài)下呈動態(tài)性平衡。當(dāng)機(jī)體的生理機(jī)能出現(xiàn)低態(tài)勢發(fā)展時會造成骨穩(wěn)態(tài)基點(diǎn)的不斷下移、骨結(jié)構(gòu)的不斷減少，最終導(dǎo)致OP的發(fā)生。我國目前患OP的男性人數(shù)已超過1 000萬，女性則超過4 000萬。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，中國現(xiàn)有的老年人口已超過2.32億，預(yù)計(jì)在2050年超過4.98億[2]，屆時OP的患病累計(jì)人數(shù)可達(dá)到2.12億[3]。OP的特征表現(xiàn)以骨組織的微結(jié)構(gòu)退化和骨強(qiáng)度的堅(jiān)韌性受損為主，致使脆性骨折的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)顯著上升。骨質(zhì)疏松性骨折是OP最嚴(yán)重的并發(fā)癥之一，男性的發(fā)病率為13%，女性的發(fā)病率為40%，發(fā)生部位以髖關(guān)節(jié)和椎體最為常見。髖關(guān)節(jié)骨折后第一年的死亡率約為20%，而椎體骨折后可使患者出現(xiàn)背痛、脊柱畸形等癥狀，并增加了死亡及椎體再次骨折的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。我國于2010年在骨質(zhì)疏松性骨折上的治療耗費(fèi)約94. 5億美元，預(yù)估在2050年將達(dá)到 254. 3億美元[4]。因此，在OP的防治過程中進(jìn)行合理有效的干預(yù)，這對于改善老年群體的生存質(zhì)量、緩解公共衛(wèi)生的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)具有重大意義。

2 維生素E的結(jié)構(gòu)功能

維生素E是一種必需的脂溶性維生素，由生育酚(tocopherol，TF)和生育三烯(tocotrienol，TT)兩個亞群組成。TF和TT均具有一個長碳植基鏈的鉻甘露環(huán)，可通過碳?xì)浠衔镏写嬖谟谖膊康膯捂I或三個雙鍵結(jié)構(gòu)來區(qū)分鑒別。每個亞型又可根據(jù)鉻甘露核中不同的甲基位置再劃分為表型為α、β、γ、δ的4種類似物。維生素E在總體上表現(xiàn)出抗衰老作用，并通過抗氧化、抗炎等特性得以發(fā)揮其功能。研究發(fā)現(xiàn)維生素E對骨骼的健康狀況存在著積極影響。Shi等[5]通過一項(xiàng)橫斷面研究發(fā)現(xiàn)絕經(jīng)后女性體內(nèi)的血清TF水平與骨密度(bone mineral density，BMD)變化存在著正相關(guān)聯(lián)系，另一項(xiàng)橫斷面研究發(fā)現(xiàn)TF-α有助于絕經(jīng)前婦女骨量的維持[6]。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明TT可有效的預(yù)防骨小梁的丟失, Chin等[7]在此基礎(chǔ)上評價了其在男性O(shè)P患者中的治療效果，但目前對于該觀點(diǎn)的臨床證據(jù)還不夠充分。

3 維生素E對OP的直接影響

3.1 對OB的促進(jìn)作用

OB是由間充質(zhì)干細(xì)胞 (mesenchymal stem cells,MSCs) 分化而來，負(fù)責(zé)骨的形成。OB在成熟分化過程中具有多個階段的變化，這其中具有多聚體結(jié)構(gòu)的Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(runt-related transcription factor 2，Runx2)和含有三個C2H2型鋅指結(jié)構(gòu)的Osx(Osterix)是OB的特異性轉(zhuǎn)錄因子，對OB分化的影響十分關(guān)鍵。堿性磷酸酶(ALP)和骨鈣素(OCN)是OB分化的特異性標(biāo)志物。早期的相關(guān)研究[8]表明，TF在OB的分化初期對ALP和OCN含量的變化表現(xiàn)為抑制作用，而這種作用則在分化后期消失。通過對TF及TT以納米乳液的給藥方式中發(fā)現(xiàn)，兩者均可提高OB中Osx、I型膠原(COL1α1)和ALP的活性高表達(dá)以促進(jìn)OB的分化，而TT家族的效果更具優(yōu)勢[9]。維生素E可通過對Runx2、Osx和OCN基因表達(dá)的上調(diào)促進(jìn)鈣結(jié)節(jié)的形成。TT的衍生物ANTT(由10%的TT-γ和90%的TT-δ組成)，通過促進(jìn)骨形成相關(guān)基因的表達(dá)，使膠原纖維形成和細(xì)胞外基質(zhì)礦化的程度增加，在后續(xù)研究中發(fā)現(xiàn)其礦化作用的機(jī)制是通過抑制RhoA的激活和HMG-CoA還原酶的基因表達(dá)而實(shí)現(xiàn)的[10]。

3.2 對OC的抑制作用

OC由造血干細(xì)胞(hematopoietic stem cells, HSCs)中所分化的單核-巨噬細(xì)胞融合而成，是具有骨吸收功能的特異性多核細(xì)胞。在OC的分化過程中核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of NF-κB ligand，RANKL)與核因子κB受體活化因子(receptor activator of NF-κB，RANK)的結(jié)合對于破骨細(xì)胞的活化至關(guān)重要。巨噬細(xì)胞集落刺激因子 (M-CSF) 可刺激巨噬細(xì)胞向OC的分化，而OC的成熟在于RANKL通路的是否激活。TF-α可單獨(dú)在OC的分化后期產(chǎn)生特異性的抑制作用[11]。生育酚琥珀酸酯-α通過抑制OB中RANKL/RANK通路的表達(dá)來減少OC生成[12]。TT可通過調(diào)節(jié)RANKL和骨保護(hù)素(osteoprotegerin，OPG)的功能表達(dá)，對OC的形成及活性表達(dá)產(chǎn)生抑制，以減少骨質(zhì)的流失[13]。早些的研究[14-15]顯示，TT的異構(gòu)體-α和-γ可抑制OC形成，且不會導(dǎo)致總細(xì)胞數(shù)的減少，但只有TT-γ在抑制OC活性時顯示出更高的安全性。動物實(shí)驗(yàn)表明VE可能通過抑制單核細(xì)胞和淋巴細(xì)胞的產(chǎn)生來達(dá)到調(diào)控OC的目的[16]。

3.3 對生長因子的調(diào)控作用

生長因子(growth factor, GF)是一類儲存在細(xì)胞外基質(zhì)中的蛋白質(zhì)，通過對靶細(xì)胞的刺激而發(fā)揮重要的功能，如細(xì)胞分裂、基質(zhì)合成和組織分化等，并在骨形成及骨愈合的過程中發(fā)揮重要作用。骨折發(fā)生后損傷部位會迅速形成血腫微環(huán)境，在此期間大量生長因子如轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)、血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(bone morphogenetic protein-2，BMP-2))將匯聚于骨折部位，通過對外周細(xì)胞的募集作用來促進(jìn)OB的增殖分化，以助于骨組織內(nèi)的血管形成及骨折的加速修復(fù)。成纖維細(xì)胞生長因子(fibroblast growth factor，F(xiàn)GF)和胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)也對骨形成具有著促進(jìn)作用。在維生素E誘導(dǎo)的人型MSCs向OB分化過程中，相比于對照組，TGF-β1的基因表達(dá)水平上調(diào)高出2倍[17]。在OP模型大鼠中，通過對治療組每日給以定量的TT后發(fā)現(xiàn)，BMP-2的表達(dá)相比空白組得到了提高[18]。TT-γ可阻斷甲羥戊酸對OB分化的抑制作用，并促進(jìn)BMP-2及VEGF-α的表達(dá)[19]。在OP模型大鼠并誘發(fā)右脛骨骨折后，通過給各組分別給以TT、洛伐他汀、TT及洛伐他汀交替服用4周后發(fā)現(xiàn)，VEGF-α的基因表達(dá)相比對照組(雌激素服用組)有明顯提高[20]。在攝入高劑量(500 mg/kg)維生素E的大鼠體內(nèi)，F(xiàn)GF-2表達(dá)水平提升明顯，但未區(qū)分亞型[21]。1,25-二羥維生素D作為維生素D的活性物質(zhì)，可反映骨代謝的水平，F(xiàn)GF-23作為該物質(zhì)的拮抗劑，會加快OP的進(jìn)程發(fā)展，通過對OP模型大鼠進(jìn)行TT補(bǔ)充后，可降低FGF-23的蛋白表達(dá)水平[22]。一些研究[23]顯示，維生素E可增強(qiáng)老年雄性小鼠的骨結(jié)構(gòu)水平，并提高OCN、COL1α1和IGF-1的mRNA轉(zhuǎn)錄水平，而最近的研究[24]表明維生素E對IGF-1無明顯促進(jìn)作用 ，對此種相為悖駁的結(jié)論還需要進(jìn)一步的相關(guān)研究。

4 維生素E對OP的間接影響

4.1 通過氧化機(jī)制對OP的影響

多種疾病的發(fā)生都受到氧化機(jī)制的影響，OP在骨代謝疾病中與氧化機(jī)制的相關(guān)性最為緊密?；钚匝?reactive oxygen species，ROS)的含量可直接反應(yīng)出氧化程度的強(qiáng)弱。ROS具有脂溶性特點(diǎn)，通過與細(xì)胞膜上脂質(zhì)的親和而導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，迫使胞內(nèi)的蛋白組織和核酸受到氧化物的刺激而發(fā)生損傷[25]。衰老或增齡性改變會增加體內(nèi)ROS的生成，通過負(fù)向調(diào)節(jié)骨重塑的過程，以加速骨質(zhì)的流失。ROS可抑制WNT /β-catenin信號通路的傳導(dǎo)途徑以減少OB的形成。高活性的ROS可加速誘導(dǎo)OB的凋亡，過氧化物可通過刺激M-CSF和RANKL的表達(dá)，增高RANKL / OPG的比值，使得OC的數(shù)量明顯上升。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)可對ROS產(chǎn)生歧化作用以加速其分解，谷胱甘肽過氧化物酶(glutathion peroxidase，GPX)通過催化谷胱甘肽(glutathione，GSH)對過氧化物的分解以發(fā)揮功能。維生素E是一種強(qiáng)效ROS清除劑，可有效地抵抗H2O2對MSCs產(chǎn)生的氧化應(yīng)激損傷[26]。氧化應(yīng)激程度與BMD呈負(fù)相關(guān)性，在一項(xiàng)臨床試驗(yàn)[27]中顯示，TT-α和抗壞血酸的持續(xù)服用可上調(diào)SOD及GPX的水平以提高老年人BMD的數(shù)值。TT-δ可通過降低ROS并增加OB中GSH的比例含量以增強(qiáng)其活性[28]。

4.2 通過炎癥對OP的影響

越來越多的研究表明，炎癥可加劇OP的發(fā)生。炎癥有利于機(jī)體的功能保護(hù)，但對骨組織可產(chǎn)生損傷。促炎細(xì)胞因子如腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白介素(IL)-1、IL-6、IL-11、IL-15和IL-17，這類物質(zhì)的生成過多會直接或間接的激活RANKL機(jī)制，既抑制了OB的正常分化，又致使OC的過度活化，導(dǎo)致了骨形成不足及骨降解過多狀態(tài)的出現(xiàn)。維生素E具有良好抗炎作用，通過對T細(xì)胞膜功能的保護(hù)以降低多種炎性因子的活性[29]。TF通過上調(diào)抗炎分子A20的激活來抑制核因子-κB(NF-κB)的活化表達(dá)[30]。李剛等[31]通過臨床觀察發(fā)現(xiàn)，與對照組(單用雷洛昔芬)相比，治療組(維生素E聯(lián)合雷洛昔芬)可更顯著地降低炎性因子以改善絕經(jīng)后女性的BMD。代謝綜合征(metabolic syndrome,MS)和OP在發(fā)病機(jī)制上受到許多信號通路的共同調(diào)節(jié)，包括鈣穩(wěn)態(tài)、RANKL/ RANK/ OPG和Wnt-β-catenin信號通路。在MS合并OP的患者中，IL-6 、TNF-α指標(biāo)的上升可對脂代謝及骨代謝產(chǎn)生雙重負(fù)向影響[32]。目前的循證研究[33]表明，維生素E可通過降低IL-2、 IL-23、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)、血清淀粉樣蛋白A(SAA)和超敏C反應(yīng)蛋白(hs-CRP)的活性表達(dá)以達(dá)到抗骨質(zhì)疏松的作用。

4.3 通過miRNA對OP的影響

在表觀遺傳學(xué)近十年的發(fā)展中，關(guān)于微小RNA (microRNA，miRNA)多樣廣泛的功能研究取得了長足的進(jìn)步與突破。miRNA的長度為20～22 nt，是一類進(jìn)化保守、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的內(nèi)源性非編碼短鏈RNA，通過對信使RNA(messenger RNA,mRNA)轉(zhuǎn)錄后蛋白的抑制作用而發(fā)揮功能。對于OB來說，Runx2是OB分化過程中的公認(rèn)啟動子，miRNA-21-5p通過靶向與SMAD7的3’-UTR端結(jié)合使其下調(diào)而促進(jìn)Runx2的合成[34]。miRNA-133a-5p通過與Runx2的3’-UTR端的結(jié)合，抑制了Runx2在mRNA水平上的表達(dá)量，使ALP、OCN和骨橋蛋白(OPN)的含量降低[35]。miRNA-27a-3p通過降低Osx的表達(dá)在功能上抑制了OB前體的分化[36]。DDK-1作為Wnt/β-catenin信號通路的阻斷劑可明顯抑制OB的增殖分化，而miRNA-30能夠下調(diào)DKK-1的表達(dá)來糾正對OB的拮抗作用[37]。在OC的分化中，miRNA-29a可與RANKL的3’-UTR端結(jié)合來抑制RANKL的分泌而減少OC的形成[38]。miRNA-146a通過抑制OPG的活性表達(dá)，以增加體外OC的數(shù)量[39]。PI3K/AKT 信號通路可提高細(xì)胞的存活率，miRNA-142-5p 通過對該信號通路的活化作用，間接促進(jìn)了OC前體的分化[40]。維生素E通過改變miRNA的濃度而實(shí)現(xiàn)調(diào)控功能，如miRNA-21、miRNA-30、miRNA-146等[41-42]。迄今關(guān)于維生素E與影響骨代謝miRNA之間的相關(guān)研究仍較為鮮見，隨著miRNA在骨代謝作用機(jī)制中的深入研究，二者的共同調(diào)控靶點(diǎn)可能會被發(fā)現(xiàn)，并在骨穩(wěn)態(tài)的調(diào)衡中起到關(guān)鍵作用。

5 結(jié)語

目前，隨著全球人口老齡化程度的加劇，導(dǎo)致OP發(fā)病率的逐年上升，儼然成為了世界各國所面臨的醫(yī)療難題。維生素E作為常用的營養(yǎng)素補(bǔ)充劑，一方面能夠減輕骨微環(huán)境的破壞，還能調(diào)節(jié)雌激素、甲狀旁腺素的釋放水平，從而促進(jìn)骨代謝的正向平衡。臨床上，對于維生素E防治OP的日用推薦劑量尚未達(dá)成共識。Zhou等[43]在一項(xiàng)前瞻性隊(duì)列研究中通過Meta分析后得出,增加維生素E的攝入量可降低骨質(zhì)疏松性骨折的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。Shen等[44]通過臨床觀察發(fā)現(xiàn)，絕經(jīng)期女性服用維生素E持續(xù)12周后，高劑量組(600 mg/d)和低劑量組(300 mg/d)都能通過降低骨吸收率、提高骨轉(zhuǎn)換率起到防止骨丟失的治療作用。兩組間在療效方面無顯著差異，且高劑量服用組在藥物安全方面未出現(xiàn)不良事件[45]。我國地域環(huán)境復(fù)雜，飲食習(xí)慣存在差異，導(dǎo)致了維生素E日常攝入水平的不均衡。因此，對于維生素E最佳攝入劑量的深入研究仍是當(dāng)下亟待解決的科學(xué)問題。