中藥通過調(diào)控信號通路治療骨關(guān)節(jié)炎作用機(jī)制研究概述

唐賽清 寇久社 王東 張保平 阮珍 騫童

骨關(guān)節(jié)炎是一種以關(guān)節(jié)疼痛、腫脹、功能障礙等為主要癥狀的慢性關(guān)節(jié)退行性疾病,嚴(yán)重影響患者的日常工作和生活質(zhì)量[1]。骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生發(fā)展是一個復(fù)雜的、多環(huán)節(jié)的過程,涉及多條信號通路及多個靶點。近些年來,中藥通過調(diào)控信號通路治療骨關(guān)節(jié)炎逐漸成為研究熱點。已有大量研究證實中藥在骨關(guān)節(jié)炎治療上療效顯著,其機(jī)制可能是通過對核因子-κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)、Wnt、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases,MAPK)、轉(zhuǎn)化生長因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)等多種信號通路的關(guān)鍵蛋白及上下游靶點的調(diào)控來影響炎癥反應(yīng)、關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)的破壞及降解等骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生發(fā)展的多個環(huán)節(jié),從而延緩骨關(guān)節(jié)炎的進(jìn)展,起到治療作用。本文通過查閱近年來相關(guān)文獻(xiàn),基于上述信號通路對中藥治療骨關(guān)節(jié)炎的作用機(jī)制進(jìn)行歸納與總結(jié),以期為骨關(guān)節(jié)炎的中醫(yī)干預(yù)及中藥的新藥研發(fā)提供理論參考。

1 影響NF-κB信號通路

NF-κB是一種普遍存在于各種細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄因子,在未受到刺激信號的影響下,它與抑制蛋白(inhibitor of NF-κB,IκB)形成復(fù)合物存在于細(xì)胞質(zhì)中。而一旦受到刺激后,IκB激酶(IκB kinase,IKK)被激活引起IκB蛋白發(fā)生磷酸化及降解,NF-κB復(fù)合物得以釋放,從細(xì)胞質(zhì)中轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核內(nèi),與DNA結(jié)合位點相結(jié)合,引起促進(jìn)骨關(guān)節(jié)炎的相應(yīng)基因表達(dá),從而在骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生和發(fā)展中發(fā)揮重要作用[2-3]。研究表明,在骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生發(fā)展中,NF-κB信號通路受到多種刺激得以激活,導(dǎo)致軟骨細(xì)胞中炎癥相關(guān)因子如腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白細(xì)胞介素-6(interleukin-6,IL-6)、白細(xì)胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶、前列腺素E2等,以及基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)、血小板反應(yīng)蛋白解整合素金屬肽酶(a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs,ADAMTs)等基質(zhì)降解酶的表達(dá)增加,從而加重炎癥反應(yīng)及關(guān)節(jié)軟骨的降解和破壞[4]。

連翹苷元是從連翹果實中提取出來的一種有效成分單體,具有抗炎、抗感染、抗氧化應(yīng)激、免疫功能調(diào)節(jié)等多種藥理作用[5]。胡芯源等[6]研究發(fā)現(xiàn),連翹苷元可上調(diào)軟骨組織聚集蛋白聚糖和II型膠原蛋白的表達(dá)水平,下調(diào)MMP-13的表達(dá)水平以及抑制IL-6、IL-17、TNF-α、單核細(xì)胞趨化蛋白1等促炎細(xì)胞因子的表達(dá),減輕炎癥反應(yīng)。同時,連翹苷元還可下調(diào)軟骨組織中半胱氨酸蛋白酶(cysteinyl aspartate specific proteinase,Caspase)-3和Caspase-9水平,及提高凋亡抑制基因B淋巴細(xì)胞瘤-2基因(B-cell lymphoma-2,Bcl-2)與促凋亡基因Bcl-2相關(guān)X(Bcl-2 associated X,Bax)的比值,從而抑制軟骨細(xì)胞凋亡。此外,連翹苷元還可抑制軟骨組織中Toll樣受體4(toll like receptor 4,TLR-4)及其下游分子髓樣分化因子88(myeloid differentiation factor 88,MyD88)、NF-κB p65蛋白的表達(dá)及活化,表明連翹苷元可能是通過抑制TLR-4/MyD88介導(dǎo)的NF-κB信號通路,起到維持軟骨代謝穩(wěn)態(tài)、減輕炎癥反應(yīng)、降低關(guān)節(jié)軟骨破壞等作用。

青藤堿為中藥青風(fēng)藤的主要活性成分,具有鎮(zhèn)痛、抗炎、免疫抑制等作用[7],在治療骨性關(guān)節(jié)炎上取得了比較理想的療效。黃小魯?shù)萚8]發(fā)現(xiàn)青藤堿抑制可能通過抑制NF-κB p65的核轉(zhuǎn)位及NF-κB的DNA結(jié)合活性,從而抑制NF-κB信號通路介導(dǎo)的炎性反應(yīng)。Wu等[9]在軟骨細(xì)胞實驗發(fā)現(xiàn),不同濃度的青藤堿干預(yù)后核內(nèi)p-NF-κB p65水平明顯降低,且軟骨細(xì)胞中p-IκBα的表達(dá)也顯著下降,并呈劑量相關(guān)性。這些結(jié)果指出青藤堿可通過抑制軟骨細(xì)胞NF-κB信號通路的激活從而抑制炎癥反應(yīng),起到治療骨關(guān)節(jié)炎的作用。

芍藥苷是從常用中藥白芍中提取出來的糖苷類化合物,具有鎮(zhèn)痛抗炎、免疫功能調(diào)節(jié)、神經(jīng)保護(hù)、抗腫瘤等多種藥理作用[10]。陳譜等[11]通過細(xì)胞實驗發(fā)現(xiàn),芍藥苷干預(yù)后IL-1β、IL-6、TNF-α等炎癥因子和MMP-13、ADAMT-5等基質(zhì)降解酶的表達(dá)量明顯下降且呈濃度依賴性,這與芍藥苷既能明顯下調(diào)軟骨細(xì)胞中NF-κB p65、IKK的表達(dá)水平,又能上調(diào)IκB的表達(dá)有關(guān)。提示芍藥苷可能是通過抑制NF-κB信號通路,減輕炎癥反應(yīng)及軟骨降解來起到治療骨關(guān)節(jié)炎的作用。

由上可知,中醫(yī)藥可能通過阻礙NF-κB信號通路的激活以抑制眾多炎性因子及基質(zhì)降解酶的表達(dá),從而減輕炎癥反應(yīng)、抑制軟骨降解以達(dá)到治療骨關(guān)節(jié)炎的目的。此外,NF-κB信號通路是經(jīng)典的炎癥信號通路,受到多種信號通路及上下游因子的調(diào)控,但目前的研究缺少對多通路間相互作用的綜合考量與進(jìn)一步驗證,這也許是今后研究的方向。

2 影響Wnt信號通路

Wnt信號通路包括Wnt/β-連環(huán)蛋白(β-catenin)經(jīng)典信號通路和Wnt/平面細(xì)胞極化(planar cell polarity,PCP)、Wnt/Ca2+等非經(jīng)典信號通路。當(dāng)經(jīng)典Wnt信號通路被激活時,Wnt蛋白可與卷曲蛋白、低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白5/6結(jié)合而激活散亂蛋白,使得軸蛋白、糖原合酶激酶-3β、腺瘤性結(jié)腸息肉病蛋白等組成的復(fù)合物發(fā)生裂解,進(jìn)而導(dǎo)致β-catenin在細(xì)胞質(zhì)中積累,并向細(xì)胞核內(nèi)轉(zhuǎn)移。核內(nèi)游離的β-catenin與T細(xì)胞因子/淋巴增強(qiáng)因子結(jié)合后可對下游靶基因的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控[12-13]。已有研究證明:β-catenin的過表達(dá)可促進(jìn)多種基質(zhì)降解酶的分泌,加重關(guān)節(jié)軟骨的破壞[14]。Wnt/β-catenin經(jīng)典信號通路參與調(diào)控細(xì)胞凋亡、軟骨分化及骨贅形成等過程,與骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生和發(fā)展有著密切的聯(lián)系[15]。

2.1 單味中藥有效成分對Wnt信號通路的調(diào)控作用

姜黃素是傳統(tǒng)中藥姜黃的主要活性成分,提取于姜科植物姜黃的根和莖。它主要的藥理作用有抗炎鎮(zhèn)痛、抗氧化、腎臟及心臟保護(hù)等,且療效確切,安全性高[16]。舒子震[17]研究發(fā)現(xiàn)膝骨關(guān)節(jié)炎大鼠軟骨Mankin’s評分及β-catenin蛋白的表達(dá)量與空白組相比明顯增加且兩者成正相關(guān),證明β-catenin蛋白參與了骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生與發(fā)展。而使用姜黃素干預(yù)后,軟骨Mankin’s評分及β-catenin蛋白的表達(dá)量明顯下降,提示姜黃素可能通過抑制Wnt/β-catenin信號通路中β-catenin蛋白的表達(dá),從而減少軟骨細(xì)胞的破壞和細(xì)胞外基質(zhì)的降解,起到治療骨關(guān)節(jié)炎的作用。

2.2 中藥復(fù)方對Wnt信號通路的調(diào)控作用

七厘散是一種傳統(tǒng)的中成藥制劑,出自于清代作家謝元慶的《良方集腋》,主要由血竭、朱砂、紅花、麝香、沒藥、當(dāng)歸等多種中藥組成,具有活血化瘀、止血鎮(zhèn)痛等功效[18]。已有研究證明,成骨調(diào)節(jié)基因Runx2在成骨細(xì)胞分化、軟骨細(xì)胞成熟分化等過程中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用[19]。Runx2是Wnt/β-catenin信號通路的一個下游作用靶點,當(dāng)Wnt/β-catenin信號通路受到促成骨因子的刺激時,Runx2會被激活并調(diào)控骨鈣素、osterix等骨相關(guān)蛋白的表達(dá),從而在成骨分化過程中起到重要調(diào)控作用[20]。宋寒冰等[21]在七厘散治療膝骨關(guān)節(jié)炎兔模型實驗中發(fā)現(xiàn)軟骨的病變情況顯著改善,骨膜間質(zhì)干細(xì)胞的增殖程度明顯增加,且成骨相關(guān)基因Runx2、骨鈣素、β-catenin及Wnt4a的表達(dá)水平顯著提高,說明七厘散可能通過激活Wnt/β-catenin信號通路,上調(diào)成骨相關(guān)基因Runx2、骨鈣素的表達(dá),從而促進(jìn)骨膜間質(zhì)干細(xì)胞的增殖和成骨細(xì)胞分化,起到改善關(guān)節(jié)軟骨破壞的作用。

芍藥舒筋片是一種主要由白芍、牡蠣、秦艽、甘草等多種藥材制成的中成藥制劑,具有抗炎止痛、舒筋通絡(luò)、軟骨保護(hù)的作用,在治療骨關(guān)節(jié)炎上取得確切的療效[22-23]。徐海濤等[24]研究發(fā)現(xiàn),與對照組相比,芍藥舒筋片組軟骨細(xì)胞的增殖速率和miRNA-140的表達(dá)明顯增加,且Wnt-3a、β-catenin、糖原合酶激酶-3β miRNA和蛋白的表達(dá)水平明顯降低。這些結(jié)果提示,芍藥舒筋片可提高軟骨細(xì)胞的增殖速率,且能夠上調(diào)miRNA-140表達(dá)水平并抑制Wnt/β-catenin信號通路,起到延緩關(guān)節(jié)軟骨病變的作用。

上述研究提示W(wǎng)nt/β-catenin信號通路在骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生發(fā)展中起著雙重作用,過度激活或抑制Wnt/β-catenin信號通路的活性都不利于骨關(guān)節(jié)炎的治療。因此,如何做到精準(zhǔn)調(diào)控Wnt/β-catenin信號通路值得思考與深入研究。

3 影響MAPK信號通路

MAPK是一組絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,主要包括p38MAPK、細(xì)胞外調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal regulated kinase,ERK)、c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)等亞型。在受到炎性因子、生長因子、激素等細(xì)胞外刺激時,MAPK信號通路通過MAPK激酶激酶、MAPK激酶、MAPK這三層激酶逐級激活后進(jìn)入細(xì)胞核,進(jìn)而對相應(yīng)的基因進(jìn)行調(diào)控,在炎癥反應(yīng)、細(xì)胞增殖分化、應(yīng)激等過程中發(fā)揮著重要作用[25-26]。已有研究證明,MAPK信號通路參與了骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生和發(fā)展[27]。p38MAPK可被IL-1β等炎性因子激活,進(jìn)而誘導(dǎo)更多炎癥介質(zhì)和基質(zhì)降解酶的產(chǎn)生[28]。JNK被激活后可促進(jìn)基質(zhì)金屬蛋白酶和TNF-α、IL-1等炎性因子的表達(dá)[26]。ENK信號通路被抑制劑阻斷后,可減少軟骨細(xì)胞中炎性因子和基質(zhì)金屬蛋白酶的分泌[29]。

3.1 單味中藥有效成分對MAPK信號通路的調(diào)控作用

野黃芩苷是一種從中草藥燈盞花素中提取出來的黃酮類化合物,在糖尿病、腎損傷、心腦血管等疾病的治療上取得一定的療效[30]。Liu等[13]的體外實驗發(fā)現(xiàn),野黃芩苷處理組軟骨細(xì)胞MMP-1、MMP-13、ADAMTS-5、P38及p-P38的表達(dá)明顯下降,聚集蛋白聚糖和II型膠原蛋白的表達(dá)明顯增加。同時,體內(nèi)實驗發(fā)現(xiàn)野黃芩苷可減輕軟骨的病變程度,明顯降低關(guān)節(jié)組織p-P38的含量,這與體外實驗的結(jié)果一致。這些結(jié)果指出,野黃芩苷可能通過抑制MAPK信號通路起到延緩軟骨破壞的作用。

3.2 中藥復(fù)方對MAPK信號通路的調(diào)控作用

烏頭注射液主要是由烏頭類中藥材中提取出來的烏頭堿制作而成,具有抗癌、止痛、軟骨保護(hù)、提高免疫力等藥理作用[31]。劉陸[32]發(fā)現(xiàn)烏頭注射液可明顯減輕關(guān)節(jié)軟骨的破壞,抑制軟骨細(xì)胞JNK的表達(dá),提示烏頭注射液可能是通過抑制MAPK/JNK信號通路,減少關(guān)節(jié)軟骨的破壞,從而發(fā)揮其對骨關(guān)節(jié)炎的治療作用。

補(bǔ)腎益肝活血方是一種主要由丹參、骨碎補(bǔ)、懷牛膝、沒藥等組成的中藥復(fù)方,有補(bǔ)腎益肝、消腫化瘀、止痛等功效[33]。許駿等[34]體外實驗發(fā)現(xiàn),補(bǔ)腎益肝活血方能改善關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的退化,抑制IL-1β、TNF-α等炎癥因子的表達(dá),且明顯下調(diào)軟骨細(xì)胞ERK和p38MAPK的表達(dá),說明補(bǔ)腎益肝活血方可能是通過抑制ERK和p38MAPK信號通路而減輕軟骨破壞,起到治療骨關(guān)節(jié)炎的作用。

以上研究表明MAPK信號通路,包括p38MAPK、ERK、JNK等,被激活后可直接促進(jìn)骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生與發(fā)展,而中藥干預(yù)后能抑制MAPK信號通路而減輕關(guān)節(jié)軟骨的破壞,延緩骨關(guān)節(jié)炎的進(jìn)展。但上述研究只對通路上的關(guān)鍵蛋白進(jìn)行了驗證,缺乏對通路上其它相關(guān)蛋白的研究。在后期研究中,建議完善對該通路其他蛋白的檢測,這有利于尋找出中藥干預(yù)的最佳靶點。

4 影響TGF-β信號通路

TGF-β是一種多功能細(xì)胞因子,在軟骨細(xì)胞增殖、分化和細(xì)胞外基質(zhì)的合成等過程中發(fā)揮了重要作用[35]。在TGF-β信號通路中,TGF-β首先與高親和力的TGF-β II型受體結(jié)合形成二聚體,再與TGF-β I型受體結(jié)合形成復(fù)合物并激活TGF-β I型受體,激活的TGF-β I型受體使細(xì)胞內(nèi)的受體調(diào)節(jié)型Smad(recept-Smad,R-Smad)發(fā)生磷酸化,最后被激活的R-Smad與Smad4結(jié)合并把信號傳導(dǎo)到細(xì)胞核,進(jìn)而調(diào)控相應(yīng)基因的表達(dá)[36]。激活素受體樣激酶(activin receptor-like kinase,ALK)1和ALK5為TGF-β I型受體的兩種亞型,其中ALK1負(fù)責(zé)激活下游分子Smad2和Smad3,而ALK5負(fù)責(zé)激活Smad1、Smad5、Smad8[37]。研究表明,TGF-β/Smad2,3信號通路在關(guān)節(jié)軟骨的穩(wěn)態(tài)維持中發(fā)揮了重要的作用,而TGF-β/Smad1,5,8信號通路參與誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞的終末分化[38]。

4.1 單味中藥對TGF-β信號通路的調(diào)控作用

鹿茸是從雄性梅花鹿或馬鹿頭上采收而來的幼角,具有延緩軟骨退化、抗炎、抗癌、護(hù)肝等多種藥理作用[39]。孫志濤[40]用鹿茸治療骨關(guān)節(jié)炎大鼠時發(fā)現(xiàn)軟骨組織破壞減輕,且關(guān)節(jié)軟骨中TGF-β I型、II型受體及TGF-β1、Smad2、Smad3、Smad4的表達(dá)量明顯增加,指出鹿茸可能通過促進(jìn)TGF-β/Smad通路的信號轉(zhuǎn)導(dǎo),起到促進(jìn)軟骨形成、延緩軟骨破壞而治療骨關(guān)節(jié)炎的作用。

4.2 中藥復(fù)方對TGF-β信號通路的調(diào)控作用

右歸丸具有軟骨保護(hù)、內(nèi)分泌調(diào)節(jié)、腎功能保護(hù)等藥理作用,在臨床上常用于治療骨關(guān)節(jié)炎、甲減、腎功能不全等疾病[41]。Zhang等[42]發(fā)現(xiàn)右歸丸可下調(diào)軟骨中MMP-13的表達(dá),而上調(diào)p-Smad2的表達(dá),明顯降低關(guān)節(jié)軟骨的破壞程度,提示右歸丸可能是通過激活TGF-β/Smad通路起到減輕軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的破壞的作用。此外,通過小鼠TGF-β RII基因敲除實驗發(fā)現(xiàn),基因敲除組小鼠軟骨中MMP-13的水平明顯升高且p-Smad2的表達(dá)明顯下降,而用右歸丸干預(yù)后并沒有得到改善,進(jìn)一步證明了右歸丸可能通過激活TGF-β/Smad通路起到保護(hù)軟骨的作用。

4.3 其他中醫(yī)治療方法對TGF-β信號通路的調(diào)控作用

針刀是由中醫(yī)傳統(tǒng)療法針刺與現(xiàn)代外科手術(shù)兩者結(jié)合改良形成的一種微創(chuàng)手術(shù),它具有松解肌肉、韌帶等軟組織粘連的作用,在膝骨關(guān)節(jié)炎的治療上具有確切的療效[43]。楊郁鵬等[44]發(fā)現(xiàn)針刀能使骨關(guān)節(jié)炎兔血清中TGF-β1的表達(dá)量顯著提高,p-Smad2和p-Smad3的表達(dá)量顯著下降,證實針刀可能通過激活TGF-β/Smad信號通路來達(dá)到治療的骨關(guān)節(jié)炎的目的。

以上研究提示中藥不僅可以通過促進(jìn)TGF-β/Smad信號通路關(guān)鍵蛋白的表達(dá),還可對其關(guān)鍵分子的受體進(jìn)行調(diào)控,進(jìn)而減輕軟骨細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)的破壞而改善骨關(guān)節(jié)炎,這提示今后的研究還可以靶點蛋白的受體為切入點,不斷豐富與完善中藥治療骨關(guān)節(jié)炎的機(jī)制。

5 小結(jié)與展望

隨著人口老齡化趨勢的不斷顯現(xiàn),骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病率在逐年升高,提高治療效果及改善患者的生活質(zhì)量是當(dāng)務(wù)之急,醫(yī)者應(yīng)該予以足夠的重視。骨關(guān)節(jié)炎的病因與發(fā)病機(jī)制十分復(fù)雜,多種信號通路參與了骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生與發(fā)展,涉及炎癥反應(yīng)、軟骨細(xì)胞的破壞及細(xì)胞外基質(zhì)的降解等。因此,對信號通路的調(diào)控在骨關(guān)節(jié)炎的治療中尤為重要。此外,各信號通路間存在著緊密的內(nèi)在聯(lián)系,僅通過對某一信號通路的調(diào)控治療骨關(guān)節(jié)炎的療效欠佳,如何利用信號通路間的相互作用為骨關(guān)節(jié)炎提供更有效的治療是未來研究的方向。

中醫(yī)藥有著悠久的歷史,并具有安全性高、副作用少等優(yōu)點,在骨關(guān)節(jié)炎的治療上發(fā)揮了明顯的優(yōu)勢且具有廣闊的前景。中藥可通過對多種信號通路的調(diào)控進(jìn)而達(dá)到治療骨關(guān)節(jié)炎的目的,但根據(jù)目前的研究來看,中藥治療骨關(guān)節(jié)炎信號通路方面的機(jī)制研究還不夠深入,仍缺乏對中藥治療骨關(guān)節(jié)炎的具體效應(yīng)成分及精準(zhǔn)干預(yù)靶點的探究。因此,中藥治療骨關(guān)節(jié)炎的具體作用靶點及中醫(yī)藥新藥的研發(fā)是今后研究的重點和方向。中藥和中藥復(fù)方因成分之復(fù)雜,作用靶點之多,很難闡明發(fā)揮治療作用的是單一成分還是多成分,后期可以利用組學(xué)等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行測序整合分析,為中藥治療骨關(guān)節(jié)炎提供更多數(shù)據(jù)支撐。此外,目前的研究大多還在基礎(chǔ)實驗階段,到廣泛應(yīng)用于臨床還有一定的距離。而且,中藥的療效和副作用的評估手段還不夠完善,這需要開展更多樣本和多中心的隨機(jī)對照實驗。期望隨著研究的不斷深入,充分發(fā)掘中藥治療骨關(guān)節(jié)炎的潛在優(yōu)勢,讓更多的患者從中受益。