抗氧化劑在骨相關(guān)疾病中的應用研究進展

熊山 張程 吳健梅 季文軍 張晗祥 馬亞萍 張頂梅* 王信*

1 遵義醫(yī)科大學附屬醫(yī)院骨科，貴州 遵義 563003

2 遵義醫(yī)科大學附屬醫(yī)院日間手術(shù)病房，貴州 遵義 563003

活性氧(reactive oxygen species, ROS)可調(diào)節(jié)細胞增殖、分化及修復等基本細胞活動，其過量產(chǎn)生會破壞細胞內(nèi)氧化還原平衡，導致氧化應激的發(fā)生[1]。氧化應激與諸多疾病的發(fā)生發(fā)展相關(guān)，包括骨關(guān)節(jié)炎、骨質(zhì)疏松癥、椎間盤退變、類風濕關(guān)節(jié)炎及骨肉瘤等骨相關(guān)疾病。因此，以氧化應激為治療靶點的N-乙酰-L-半胱氨酸(N-acetyl-L-cysteine, NAC)、表沒食子兒茶素沒食子酸酯(epigallocatechin gallate, EGCG)、花青素、維生素E、維生素C、褪黑素、槲皮素、吡咯喹啉醌(pyrroloquinoline quinone, PQQ)、α-硫辛酸等抗氧化劑較多應用于骨相關(guān)疾病的治療。本文將主要綜述抗氧化劑在骨相關(guān)疾病中的應用研究進展，以全面了解氧化應激在骨病中的作用及抗氧化劑的應用前景。

1 氧化應激與骨相關(guān)疾病的研究現(xiàn)狀

在骨關(guān)節(jié)炎、骨質(zhì)疏松癥等骨疾病中，氧化應激已被證實與其發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，氧化還原狀態(tài)的失衡會加速骨相關(guān)組織的退變，誘發(fā)細胞凋亡或組織炎癥，從而作為一項關(guān)鍵作用機制促進骨相關(guān)疾病的發(fā)生和發(fā)展。

1.1 骨關(guān)節(jié)炎與氧化應激

在骨關(guān)節(jié)炎中，持續(xù)ROS產(chǎn)生所導致的氧化應激可通過磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol 3 kinase/protein kinase B, PI3K/AKT)等信號通路促進軟骨降解[2-3]，導致軟骨退變。此外，隨著ROS不斷產(chǎn)生，抗氧化酶的活性也會降低，如超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)2[4]，這也會增強氧化應激，促進軟骨退變。

1.2 骨質(zhì)疏松癥與氧化應激

核因子-κB受體激活劑配體(ligand of receptor activator of nuclear factor kappa-B, RANKL)和骨保護素( osteoprotegerin, OPG)共同維持骨代謝動態(tài)平衡：RANKL抑制成骨，而OPG促進成骨[5]。氧化應激可通過激活蛋白激酶及影響特定轉(zhuǎn)錄因子表達等機制誘導RANKL上調(diào)和OPG下調(diào)[6],導致骨質(zhì)疏松。此外，氧化應激還會誘導骨細胞凋亡，加重OPG與RANKL的比例失衡，促進骨質(zhì)疏松的進展。

1.3 椎間盤退變與氧化應激

在退變的椎間盤組織中，多種外源性刺激可增加ROS的產(chǎn)生，如機械負荷、高氧張力、高葡萄糖應激及促炎細胞因子等[7]，同時椎間盤中SOD及甲硫氨酸亞砜還原酶等抗氧化酶的活性也會下降[8-9]，導致氧化應激。氧化應激會誘導椎間盤細胞凋亡、衰老等[10]，同時會導致椎間盤基質(zhì)合成代謝和分解代謝發(fā)生失衡，使椎間盤的彈性顯著喪失且剛度增加，損害椎間盤的機械功能，進一步加重椎間盤退變。

1.4 其他骨相關(guān)疾病與氧化應激

在骨缺損修復領域，氧化應激會抑制成骨，包括抑制成骨細胞活化、激活破骨細胞等，不利于骨缺損修復[5]。而在類風濕關(guān)節(jié)炎中，氧化應激是其病理生理學的重要組成部分，免疫反應與內(nèi)源性或外源性抗原之間的相互作用會誘導ROS的過量產(chǎn)生[11]，通過激活不同信號通路介導蛋白質(zhì)、核酸及脂質(zhì)等生物分子的損傷[12]，導致滑膜炎癥等病理改變，從而促進類風濕關(guān)節(jié)炎的發(fā)生發(fā)展。針對骨肉瘤，有研究[13]表明氧化應激可促進腫瘤細胞在體外的侵襲，從而作為危險因子促進骨肉瘤的發(fā)生發(fā)展。因此，氧化應激是上述骨相關(guān)疾病發(fā)生發(fā)展的重要影響因素，深入研究氧化應激的發(fā)生機制將為骨相關(guān)疾病提供新的治療靶點，對臨床具有較好的指導意義。

2 抗氧化劑在骨相關(guān)疾病中的應用

骨相關(guān)疾病與氧化應激有著不可分割的聯(lián)系，而氧化應激的發(fā)生是由于ROS的產(chǎn)生與清除發(fā)生了失衡。針對這種失衡，抗氧化劑能夠清除ROS，彌補骨相關(guān)組織抗氧化能力，減輕氧化應激，從而改善疾病進程。目前常見的抗氧化劑主要有NAC、EGCG、花青素、維生素E、維生素C、褪黑素、槲皮素、PQQ、α-硫辛酸等。這些抗氧化劑在主要骨相關(guān)疾病中的應用及作用機制見表1。

2.1 N-乙酰-L-半胱氨酸

N-乙酰-L-半胱氨酸(N-acetyl-L-cysteine, NAC)通過增加細胞內(nèi)源性抗氧化分子谷胱甘肽來增強細胞抗氧化能力，是常用的外源性抗氧化劑。在骨關(guān)節(jié)炎治療中，NAC能夠抑制ROS產(chǎn)生，提高基質(zhì)合成以保護關(guān)節(jié)軟骨細胞[14]。在骨缺損修復方面，Yamada等[15-16]證實NAC能夠通過增強局部移植中的骨再生。而針對骨質(zhì)疏松，Chen等[17-18]證實NAC能夠抑制氧化應激，預防骨質(zhì)疏松癥。在椎間盤退變領域，NAC可打破軟骨終板鈣化與氧化應激的正反饋[19]，同時消除過量ROS及TNF-α的分解代謝作用[20]，保護椎間盤不受分解，為NAC應用于椎間盤退變提供支持。這些研究表明，NAC可通過其抗氧化作用緩解常見骨疾病的發(fā)生發(fā)展，包括抑制ROS產(chǎn)生、增強骨再生及抗椎間盤分解代謝等，提示NAC在臨床上可能具有廣闊的應用前景。

2.2 表沒食子兒茶素沒食子酸酯

表沒食子兒茶素沒食子酸酯(epigallocatechin gallate, EGCG)是綠茶中研究最多的兒茶素，具有包括抗氧化在內(nèi)的多種生物學活性。在類風濕關(guān)節(jié)炎中，EGCG可在疾病的急性期及慢性期顯著減輕關(guān)節(jié)炎癥狀[21]。在骨缺損修復方面，EGCG可有效清除ROS，減少干細胞氧化損傷并提高其成骨分化能力，從而促進骨再生[22]。此外，EGCG可調(diào)節(jié)RANKL/OPG上調(diào)骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(bone morphogenetic protein-2, BMP-2)表達，加速骨愈合過程，促進骨缺損修復[23-25]。針對椎間盤退變，

EGCG可激活PI3K/AKT通路保護椎間盤細胞，這使得EGCG成為椎間盤退變的潛在治療選擇[26]。上述研究發(fā)現(xiàn)EGCG可通過其抗氧化作用對類風濕關(guān)節(jié)炎、骨缺損及椎間盤退變等發(fā)揮較好治療效果，但其應用主要局限于細胞及動物實驗階段，臨床試驗未得到有效開展，影響了EGCG作為新型藥物治療骨相關(guān)疾病。

2.3 花青素

花青素作為常用的抗氧化劑，主要包括六種亞型：飛燕草素、矮牽牛素、錦葵素、矢車菊素、芍藥素、天竺葵素[27]。在骨缺損修復方面，飛燕草素、芍藥素主要通過調(diào)節(jié)RANKL及其相關(guān)通路抑制氧化應激，擾亂破骨細胞生成及分化來促進骨缺損修復[28-29]。而在抗骨質(zhì)疏松方面，矢車菊素主要通過PI3K/AKT通路減少細胞內(nèi)ROS，發(fā)揮抗骨質(zhì)疏松癥作用[30]。針對椎間盤退變，矢車菊素可通過核因子E2相關(guān)因子2/血紅素氧合酶1(nuclear factor E2 related factor 2/ heme oxygenase 1, Nrf2 / HO1)信號通路顯著減少ROS發(fā)揮抗氧化作用，保護髓核細胞免受氧化應激損傷[31]。花青素作為一類天然化合物，具有豐富的膳食來源，在預防和治療骨相關(guān)疾病方面的應用應受到重視。為更好地將花青素應用于臨床，研究者需要進一步研究花青素在骨相關(guān)組織中的作用機制及其作為藥物的劑量、給藥方式、毒性和副作用等。

2.4 維生素E、維生素C

維生素E是一種脂溶性維生素，是重要的抗氧化劑。在骨關(guān)節(jié)炎中，維生素E能夠在體外保護大鼠間充質(zhì)干細胞免受H2O2誘導的氧化應激[32]。此外，維生素E還可改善晚期膝骨關(guān)節(jié)炎患者的臨床癥狀[33]。維生素E作為藥物應用于骨關(guān)節(jié)炎具有治療潛力，但需關(guān)注其治療劑量，避免過量導致中毒，同時也要研究維生素E的應用是否會對患者后續(xù)的關(guān)節(jié)置換手術(shù)產(chǎn)生不良影響。

維生素C是一種水溶性維生素，能夠作為抗氧化劑對抗體內(nèi)氧化應激。在骨缺損修復方面，維生素C能夠增加去卵巢大鼠的骨質(zhì)量及抗氧化能力[34]。此外，維生素C還可通過Wnt/β-Catenin/ATF4信號通路促進骨骼再生[35]。在骨關(guān)節(jié)炎的治療中，維生素C可減少軟骨細胞凋亡，同時減低促炎因子及基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases, MMPs)的表達，但維生素C的保護作用并沒有隨劑量增加而增強[36]，這表明維生素C在骨關(guān)節(jié)炎中可能存在最佳治療劑量，其臨床應用還需得到更多實驗數(shù)據(jù)支撐。維生素E及維生素C在骨相關(guān)疾病中的應用研究均還存在很多不足與局限，如維生素C的促骨再生能力是否可應用于骨質(zhì)疏松癥防治等問題仍需進一步研究。

2.5 褪黑素

褪黑素(N-乙酰-5-甲氧基色胺)由哺乳動物松果體產(chǎn)生，是一種廣譜抗氧化劑和自由基清除劑。在類風濕關(guān)節(jié)炎的治療中，褪黑素可通過去乙?；?(sirtuin 1, SIRT1)信號通路增強透明質(zhì)酸合成，保護滑膜細胞[37]。而在骨關(guān)節(jié)炎治療方面，褪黑素可清除ROS，維持線粒體氧化還原穩(wěn)態(tài)，抑制基質(zhì)降解和細胞凋亡，保護軟骨細胞，改善骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生發(fā)展[38-39]。針對骨質(zhì)疏松，褪黑素可減少細胞內(nèi)ROS，抑制破骨細胞生成，從而減少骨吸收，增加骨量[40]。對于椎間盤退變，褪黑素可調(diào)節(jié) ROS/核因子κB(nuclear factor-kappa B, NF-κB)通路抑制纖維環(huán)細胞衰老[41]，同時減輕氧化應激誘導的髓核細胞凋亡[42]。這些研究表明褪黑素可通過SIRT1、NF-κB等通路保護骨相關(guān)組織，延緩骨相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展，具有較好的應用前景。

2.6 槲皮素

槲皮素是一種類黃酮化合物，廣泛存在于蔬菜和水果中，具有抗氧化特性。在修復骨缺損方面，槲皮素可誘導間充質(zhì)干細胞內(nèi)抗氧化酶SOD1、SOD2 的顯著上調(diào)，提高干細胞抗氧化能力，進而促進間充質(zhì)干細胞成骨分化[43]。此外，槲皮素還可提高成骨細胞的抗氧化能力，減弱氧化應激對其損傷，從而促進成骨[44]。在抗腫瘤方面，槲皮素可擾亂骨肉瘤細胞ROS穩(wěn)態(tài)誘導其過度自噬引發(fā)細胞死亡[45]，還可以通過破壞線粒體膜電位及調(diào)節(jié)AKT和絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)信號轉(zhuǎn)導增強骨肉瘤細胞凋亡[46]。這些研究支持槲皮素在骨相關(guān)疾病中的治療潛力，但由于槲皮素水溶性差,體內(nèi)代謝快,半衰期短,導致其生物利用度低[47]，使得槲皮素作為藥物的有效性不足，阻礙了其臨床應用，未來研究應側(cè)重于改善槲皮素生物利用度，提升其藥理療效。

2.7 吡咯喹啉醌

吡咯喹啉醌(pyrroloquinoline quinone, PQQ)是一種氧化還原酶輔基，主要存在于某些微生物及動植物組織中，是常用的抗氧化劑。在骨關(guān)節(jié)炎治療方面，PQQ可減少NO產(chǎn)生，抑制氧化應激，顯著減緩關(guān)節(jié)軟骨退化[48]，同時改善線粒體損傷，保護軟骨細胞[49]。而在骨質(zhì)疏松癥的治療中，PQQ可上調(diào)抗氧化能力，抑制氧化應激并減少脫氧核糖核酸損傷，同時下調(diào)周期素依賴性蛋白激酶抑制物水平，發(fā)揮骨質(zhì)保護作用[50]。針對椎間盤退變，PQQ可減少ROS形成，保護髓核細胞免受氧化應激[51]。這些研究表明PQQ在骨相關(guān)疾病治療中有巨大潛力，同時由于PQQ安全性較好[52]，使其有可能被廣泛應用于臨床，但目前關(guān)于PQQ應用于骨相關(guān)疾病的臨床隨機對照試驗尚未開展，PQQ的臨床應用仍未實現(xiàn)。

2.8 α-硫辛酸

α-硫辛酸是一種強大抗氧化劑，較多應用于骨相關(guān)疾病研究。針對骨質(zhì)疏松癥，α-硫辛酸主要通過抑制ROS生成及上調(diào)氧化還原基因表達等機制防止骨質(zhì)流失[53]，還可顯著減少ROS及線粒體超氧化物產(chǎn)生，有效恢復成骨細胞礦化[54]。此外，α-硫辛酸可通過減少ROS生成，防止軟骨終板細胞線粒體損傷及細胞凋亡，發(fā)揮椎間盤保護作用[55]。盡管α-硫辛酸的抗氧化作用十分顯著，但由于缺乏有說服力的臨床隨機對照試驗及相關(guān)藥理學、毒理學研究，α-硫辛酸還沒有實際應用于骨相關(guān)疾病的臨床治療。

3 抗氧化劑的臨床應用及展望

以氧化應激為靶點，應用抗氧化劑治療骨相關(guān)疾病在細胞實驗、動物模型上具有一定效果，但是將其真正運用于臨床還存在一定的不足與缺陷：(1)抗氧化劑作為藥物應用于骨相關(guān)疾病的機制性研究不足，影響了抗氧化劑的有效性；(2)抗氧化劑應用于骨相關(guān)疾病的藥理學、毒理學實驗不足，影響了抗氧化劑的安全性；(3)從源頭研發(fā)到Ⅲ期臨床是一個耗資巨大的過程，在高風險、高投入的市場中，在沒有大量證據(jù)支持的情況下，藥物開發(fā)公司不會輕易做出投資，這使得諸多有潛力的抗氧化劑沒有機會得到進一步證據(jù)支持。

盡管抗氧化劑在實際應用中還存在很多不足與缺陷，但不可否認其在骨相關(guān)疾病治療中的潛力。為推動抗氧化劑在骨相關(guān)疾病中的實際應用，未來研究的側(cè)重點可以是氧化應激的深層次機制，也可以是抗氧化劑的其他藥理機制，比如炎癥調(diào)節(jié)與應激、生物鐘調(diào)控、自噬相關(guān)途徑調(diào)節(jié)等。另外，隨著研究的不斷深入，開發(fā)出生物利用度高且毒性弱的人工抗氧化劑也是研究方向之一。