從“痰之本在腎”探討線粒體氧化應(yīng)激與骨骼健康

李澤鋒 黃文鋒 胡洲映 蘇暢怡

1.廣州中醫(yī)藥大學(xué) ,廣東 廣州 510006

2. 廣州中醫(yī)藥大學(xué)附屬湛江市第一中醫(yī)醫(yī)院,廣東 湛江 524000

骨質(zhì)疏松癥是多種原因引起的骨代謝失衡、骨密度下降、骨脆性增加、骨折風(fēng)險增加的疾病[1]。人類約在30歲時達到骨量峰值[2],超過30歲后由于激素水平及氧化應(yīng)激等各種原因,骨代謝逐漸發(fā)展為負(fù)平衡狀態(tài),Ⅰ型膠原蛋白纖維含量減少,與非膠原纖維之間的形成的三螺旋結(jié)構(gòu)的強度也隨之減弱,骨骼的彈性及硬度下降,不能有效緩解外界的緩沖力[3],因此容易發(fā)生骨質(zhì)疏松并增加骨折發(fā)生的風(fēng)險。處于輕度骨量低下狀態(tài)的患者往往缺乏骨質(zhì)疏松癥的特征性表現(xiàn),但隨著骨量進一步丟失,腰背及四肢可出現(xiàn)酸痛不適(超過12%)并增加因受壓或沖擊等因素造成骨折(超過30%)的風(fēng)險[4]。根據(jù)第七次人口普查統(tǒng)計[5],65歲以上中國人的OP發(fā)病率高達32%,嚴(yán)重影響著老年人的身體健康。作為維持骨代謝正平衡的重要角色,成骨細(xì)胞的分化及功能的表達與能量代謝密切相關(guān)[5]。中醫(yī)認(rèn)為元氣由腎精所化生[7],主導(dǎo)人的生長發(fā)育、激發(fā)代謝等生命活動,而線粒體作為ATP的主要產(chǎn)生場所則是能量代謝的主要部位。由此看來,元氣與線粒體在促進能量代謝的功能上趨于一致,因此通過維持腎精充盛,保證元氣的得以化生是維持線粒體能量代謝功能、從而降低骨質(zhì)疏松癥發(fā)生風(fēng)險的重要途徑。津液、痰濁無不由水而成,而水為腎所主,當(dāng)腎精虧虛,腎的功能隨之受損時將導(dǎo)致水運失常而生“腎痰”[8]。氧化應(yīng)激是線粒體功能損傷的重要原因,而作為氧化應(yīng)激發(fā)生的重要影響因素,氧化自由基的生成和致病特點與中醫(yī)所謂“痰邪”存在許多共同點。故筆者認(rèn)為通過補益腎精提升腎臟運化水液的功能來減少“腎痰”的產(chǎn)生是降低機體氧化應(yīng)激反應(yīng)、恢復(fù)線粒體功能的重要途徑,亦是補腎法治療骨質(zhì)疏松癥的重要機制。

1 腎-線粒體-骨骼理論探討

1.1 腎-骨相關(guān)

中醫(yī)早在戰(zhàn)國時期就已經(jīng)有對骨質(zhì)疏松癥相關(guān)表現(xiàn)的記載?！罢煞虬藲q,腎氣實,發(fā)長齒更……四八,筋骨隆盛,肌肉壯滿……八八,天癸竭,精少,腎臟衰,形體皆極則齒發(fā)去”,可見《內(nèi)經(jīng)·上古天真論》已經(jīng)從腎精盈虧方面論述了人一生的骨骼代謝規(guī)律。中醫(yī)關(guān)于骨質(zhì)疏松癥的稱謂有“骨痿”“骨痹”“骨枯”“骨極”等,其中《三因極一病證方論》曰:“病者腎熱,腰脊不舉,骨枯而髓減,其色黑而齒槁,名曰骨痿”,可見陳無極更青睞于骨痿一名,而徐桂琴等[9]亦認(rèn)為骨痿的描述更符合骨質(zhì)疏松癥的病情演變及病理改變?！夺t(yī)學(xué)正傳》曰“腎氣盛則壽延,腎氣衰則壽夭”,腎氣漸虧是人體衰老的主要原因,絕經(jīng)后、老年發(fā)生骨痿多因衰老腎精不足,骨髓空虛所致?！端貑枴つ嬲{(diào)論》曰:“腎者,水也,則生于骨。腎不生,則髓不能滿,故寒甚至骨也?！敝嗅t(yī)認(rèn)為腎藏精主骨,骨骼能否強勁依賴腎精是否充盛,骨髓生化之源為腎精,腎精充足則髓滿,骨得髓養(yǎng)才能保持強健,而腎精隨著機體的不斷衰老而逐漸虧虛,腎精不足則無以生髓而致骨痿。再者,腎精化生腎氣,腎氣再分陰陽,骨作為人體架構(gòu)的重要有形物質(zhì),其形態(tài)的維持有賴于腎陰的滋養(yǎng),而腎陰等精微物質(zhì)運輸至骨骼的動力則由腎陽提供,正如《黃帝內(nèi)徑素問校釋》曰:“陽的運動,可以化生清氣和能量;陰的凝聚,可以構(gòu)成有形的物質(zhì)”,腎陰腎陽源于腎精,互根互用,共同維持著骨骼的健康[10]。

1.2 氧化應(yīng)激-線粒體-骨

線粒體是細(xì)胞有氧呼吸及三磷酸腺苷(ATP)產(chǎn)生的主要場所,人類日常活動中所需能量的95%皆出自于此。人體各類細(xì)胞的生成、凋亡及各種通路的表達亦有賴于線粒體功能的正常表達[11],其中成骨細(xì)胞作為主導(dǎo)骨形成的細(xì)胞,其分化及功能的正常表達需要ATP的生成和能量代謝的共同參與[5]。Komarova SV等[12]學(xué)者發(fā)現(xiàn)成熟的成骨細(xì)胞中ATP的生成量高于為成熟的成骨細(xì)胞,而Miyazaki T等[13]學(xué)者發(fā)現(xiàn)成熟的破骨細(xì)胞中ATP水平低于未成熟的破骨細(xì)胞。由此看來增加ATP的生成和調(diào)節(jié)能量代謝不僅能促進成骨細(xì)胞分化,還能抑制破骨細(xì)胞主導(dǎo)的骨吸收的發(fā)生,從而達到增加骨密度的目的。因此作為ATP生成和能量代謝的主要部位,線粒體的功能受損必定會影響骨代謝而導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的發(fā)生。

氧化應(yīng)激是機體的過度氧化反應(yīng)和抗氧化能力不足造成的應(yīng)激狀態(tài),對人體而言,一定程度的氧化是非常必要的,因為適度的氧化不僅是生命活動所需能量的重要來源,還能刺激機體損傷進行修復(fù)。而當(dāng)氧化作用和抗氧化能力失去平衡并以氧化作用占優(yōu)勢時,將導(dǎo)致機體因炎性浸潤和蛋白酶分泌增加而發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng),而氧化應(yīng)激反應(yīng)通常與人體衰老和各種疾病導(dǎo)致活性氧(ROS)過多產(chǎn)生有關(guān)。顧超等學(xué)者發(fā)現(xiàn)[14],氧化應(yīng)激導(dǎo)致骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSC)的線粒體功能受損是成骨細(xì)胞分化能力下降的重要原因。

線粒體DNA(mtDNA)是線粒體的遺傳物質(zhì),主要通過復(fù)制和轉(zhuǎn)錄維持線粒體正常的功能,其位于核外的特點導(dǎo)致其缺乏相應(yīng)的保護,且其自我修復(fù)能力較差,而誘導(dǎo)氧化應(yīng)激發(fā)生的活性氧(ROS)主要來源于線粒體,故容易因氧化應(yīng)激損傷而發(fā)生退行性病變[15],使復(fù)制和轉(zhuǎn)錄功能失常,進一步導(dǎo)致線粒體功能下降。Wnt/β-catenin信號通路是線粒體途徑相關(guān)的經(jīng)典骨代謝通路,主要通過減少β-catenin的磷酸化作用來促進成骨細(xì)胞增殖與分化以增加骨量[16];ERK5通路是與成骨細(xì)胞凋亡密切相關(guān)的通路,當(dāng)該通路激活時,活化的ERK會進入細(xì)胞核引起B(yǎng)ad磷酸化以抑制其進入線粒體從而減少caspase-3蛋白酶的活化,進而減少TNF-α誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞凋亡[17];NF-κB是與成骨細(xì)胞凋亡發(fā)生相關(guān)的又一信號通路,在IL-6等相關(guān)炎癥因子的刺激下,IκB因過度降解而與NF-κB的結(jié)合減少,NF-κB的活性增強,導(dǎo)致BcL-2的表達下調(diào),最終引起成骨細(xì)胞凋亡[18]。由此看來,各信號通路通過不同的作用途徑共同影響著骨密度的增減。研究發(fā)現(xiàn)氧化應(yīng)激和炎癥因子介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)所誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞分化受抑制及過量凋亡是骨質(zhì)疏松發(fā)生的重要原因[19-20],其主要機制與ROS誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激損害線粒體的呼吸鏈導(dǎo)致線粒體功能下降[21]、Wnt/β-catenin及ERK5等信號通路表達受抑制和NF-κB等信號通路的表達增加[22]有關(guān)。

雌激素具有一定的抗氧化應(yīng)激作用,Muthusami S等[23]通過建立去卵巢大鼠模型來模擬絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的研究發(fā)現(xiàn),卵巢切除后大鼠的超氧化物歧化酶(SOD)活性降低且過氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)生成增多,股骨則表現(xiàn)出脂質(zhì)過氧化程度加強,這進一步證明了過度的氧化應(yīng)激與骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病存在密不可分聯(lián)系。線粒體是ROS的主要攻擊目標(biāo),所以線粒體極容易因過度的氧化應(yīng)激而引起相關(guān)功能下降,因此調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激水平,恢復(fù)線粒體的正常功能是防治骨質(zhì)疏松癥等代謝性疾病的重要靶標(biāo)[24]。維生素E是一種主要分布在線粒體中的抗氧化物質(zhì),它可以通過清除氧化自由基等方式減少線粒體的氧化損傷并促進已損傷的線粒體的修復(fù),恢復(fù)線粒體的功能,進而對骨組織的結(jié)構(gòu)和功能起到一定的保護作用[25]。

綜上所述,筆者認(rèn)為調(diào)節(jié)線粒體的氧化應(yīng)激水平、恢復(fù)線粒體的正常功能、促進ATP的生成和能量代謝以及調(diào)節(jié)相關(guān)信號通路的表達是防治骨質(zhì)疏松癥的重要途徑。

1.3 腎-線粒體-骨

元氣為先天之氣,于人體的作用主要有推動生長發(fā)育、溫煦周身、激發(fā)代謝等。腎為先天之本,人體之元氣皆出于此[7]。正如張景岳所云“精化為氣,謂元氣由精而化也”,腎精不足,元氣無以化生,必將影響人體的能量代謝進程,各項生命活動進行的推動力不足,進而引起各種疾病的發(fā)生。線粒體是產(chǎn)生ATP的主要場所,主管能量代謝,并通過Wnt/β-catenin等相關(guān)信號通路調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖、分化、凋亡,維持人體正常生命活動的進行,是細(xì)胞生命及活動的調(diào)控中心[26]。mtDNA是線粒體的遺傳物質(zhì),其通過復(fù)制和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)線粒體功能以維持線粒體正常能量代謝的功能與元氣推動生長發(fā)育、溫煦周身、激發(fā)代謝等功能相似,而且mtDNA中的遺傳信息與腎主先天而藏先天之精相符合[27],故筆者認(rèn)為腎精充盛與否是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中線粒體功能及相關(guān)信號通路表達是否正常的重要影響因素。

隨著衰老的不斷進行,人體的抗氧化能力逐漸下降,清除氧化自由基的能力不足,自由基在體內(nèi)蓄積將導(dǎo)致各種疾病的發(fā)生,而中醫(yī)認(rèn)為“百病多由痰作祟”,隨著人體的衰老,臟腑功能逐漸下降,津液運行不暢,聚而成痰繼而引發(fā)各種疾病,由此可見,氧化自由基與中醫(yī)所謂之痰濁的生成和對機體的影響相類似[8]?！毒霸廊珪ぬ碉嫛吩? “五臟之病,雖俱能生痰,然無不由乎脾腎。蓋脾主濕,濕動則為痰; 腎主水,水泛亦為痰,故痰之化無不在脾,而痰之本無不在腎?！苯蛞狠敳家蕾囉谄饨∵\,津液輸布失常則易聚而成痰,故脾為生痰之源,然腎主水,人體的水液的潴留、分布、代謝皆為腎所主管,而津液痰濁無不由水而成,故清代醫(yī)家張錫純提出“痰之本在腎”的理論。由上可得,線粒體的氧化應(yīng)激損傷與衰老腎虛導(dǎo)致“腎痰”的產(chǎn)生密切相關(guān)。易曄等[28]通過建造相關(guān)腎臟損傷大鼠模型發(fā)現(xiàn),缺血再灌注后大鼠的腎臟功能及線粒體抗氧化應(yīng)激能力均有所下降,主要表現(xiàn)為Scr、BUN、MDA的水平升高以及SOD的水平降低,這進一步驗證了“腎痰”的產(chǎn)生與腎臟功能虛弱的相關(guān)性。8-羥基脫氧尿苷酸(8-OHdG)是ROS攻擊mtDNA時產(chǎn)生的一種與DNA氧化損傷有關(guān)的產(chǎn)物,而線粒體NADH脫氫酶亞單位2基因(ND2)是評判mtDNA損傷的重要指標(biāo)。張葆鑫等[29-30]發(fā)現(xiàn),腎陽虛相關(guān)的骨質(zhì)疏松患者的骨密度與8-OHdG有明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系,而腎陰虛相關(guān)的骨質(zhì)疏松患者的與ND2反應(yīng)有關(guān)的mtDNA拷貝數(shù)較常人降低,這進一步證明腎精虧虛所致骨質(zhì)疏松的發(fā)生與氧化應(yīng)激導(dǎo)致的線粒體功能異常相關(guān)。

2 補腎-調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激-骨骼

腎精充盛是腎臟保持健康的重要前提。腎氣由腎精化生,當(dāng)腎精虧虛時,腎氣化生不足,將致水液無以蒸騰氣化,津液無以輸布,聚而成痰,百病由生。而腎與骨的關(guān)系極為密切,故“腎痰”的產(chǎn)生極易影響骨代謝而導(dǎo)致骨痿的發(fā)生。因此筆者認(rèn)為通過對腎臟的補益,提升腎臟功能以促進水液代謝,減少“腎痰”的生成是骨痿治療的關(guān)鍵。徐志平等發(fā)現(xiàn)[31],慢性腎衰竭(GRF)患者體內(nèi)的抗氧化能力下降,氧化還原反應(yīng)失去原有的平衡會引起ROS的過量產(chǎn)生進而引發(fā)機體的氧化應(yīng)激,氧化應(yīng)激不僅會損傷線粒體的功能、抑制Wnt/β-catenin及ERK5等相關(guān)信號通路的表達和增加NF-κB等信號通路的表達導(dǎo)致成骨細(xì)胞分化功能下降和凋亡的增加,還會刺激破骨細(xì)胞增值和分化,而破骨細(xì)胞的活動會導(dǎo)致更多的ROS產(chǎn)生并由此形成惡性循環(huán),最終導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生。

《素問·痿論》曰: “腎氣熱,則腰脊不舉,骨枯而髓減,發(fā)為骨痿?！庇纱丝闯龉丘舻陌l(fā)病主要腎虛髓不足有關(guān)。故歷代醫(yī)家大都認(rèn)為骨痿應(yīng)從補益腎精論治。腎精化生腎氣,腎氣再分陰陽,無論是腎陰還是腎陽,歸根到底皆出于腎精。六味地黃丸出自北宋錢乙的《小兒藥證直訣》,是益精填髓的經(jīng)典方劑。相關(guān)研究[32]表明,六味地黃丸可以改善經(jīng)H2O2氧化損傷后的間充質(zhì)干細(xì)胞的老化狀態(tài),進而促進其增殖并抑制其凋亡。桂附地黃丸是溫補腎陽的經(jīng)典方劑,胡博等發(fā)現(xiàn)[33],桂附地黃丸作用于去卵巢的OP小鼠能顯著增加其SOD活性并降低MDA水平,同時降低IL-6水平以改善氧化應(yīng)激狀態(tài),從而減少成骨細(xì)胞凋亡。

由此看來,無論是腎陰虛還是腎陽虛都與機體處于高水平氧化應(yīng)激狀態(tài)存在密切聯(lián)系,而調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激是中醫(yī)補腎法治療骨痿的重要機制之一。

3 小結(jié)

氧化應(yīng)激與骨質(zhì)疏松癥發(fā)生的關(guān)系較為復(fù)雜,目前認(rèn)為可能與氧化自由基的蓄積導(dǎo)致線粒體能量代謝的功能損傷及Wnt/β-catenin等相關(guān)通路表達失常有關(guān)。腎精對維持骨骼健康至關(guān)重要,只有腎精充盛才能化氣而行津,無至津液輸布失常而壅聚成“腎痰”,減少氧化應(yīng)激對線粒體的損傷,從而減少骨質(zhì)疏松癥發(fā)生的風(fēng)險。因此中醫(yī)通過補益腎精進而調(diào)節(jié)機體的津液代謝,減少“腎痰”的產(chǎn)生,從而減少線粒體因氧化應(yīng)激反應(yīng)產(chǎn)生損傷,維持線粒體正常能量代謝和調(diào)節(jié)相關(guān)信號通路表達可能是補腎法治療骨痿的重要作用通路,具有一定的研究前景。